Causa Lithium – II.

Dokončení článku Causa Lithium – I.

3S

Tři sériové články jsou pravděpodobně nejčastější. Napětí plně nabité baterie je 12,6 V, což příjemně koresponduje s automobilovou baterií 12 V, přicházejí však další problémy: u sériové kombinace se sčítá nejen napětí, ale i vnitřní odpor. (To je ostatně i velký problém niklových akumulátorů.) A v případě nestejné kapacity jednotlivých článků vzniká problém, co dělat při nabíjení, když nejslabší článek již dosáhl maximálního napětí? Pokud by se pokračovalo v nabíjení celé sériové kombinace stejným proudem, nejslabší článek by se přebil a jeho poškozování při cyklování by se kumulovalo.

Proto se pro šetrné nabíjení musí používat obvod balancer (vyvažovač). Jeho princip je takový, že ke každému článku je paralelně připojen obvod, který při napětí článku blížícím se 4,2 V se otevře a jeho část pouští „objížďkou“ tvořenou tranzistorem a výkonovým rezistorem, kde se „protopí“ na teplo. Příklady takového obvodu jsou na obr. 7, všechny vycházejí z představy výkonové Zenerovy diody, paralelně ke každému článku baterie.

Nevýhody jsou zřejmé. Jednak je potřeba mít přístup nejen ke koncovým vývodům baterie, ale i ke všem spojům mezi články. Jednak paralelně připojené obvody ke každému článku způsobují vybíjení baterie při dlouhodobém skladování. Za druhé výkon nespotřebovaný na nabíjení baterie při balancování je řádu 4 V krát 1 A (u článku 18650), tedy 4 W na stupeň, pro celou baterii je to tedy až 12 W. Toto teplo (a navíc teplo vzniklé v baterii při nabíjení) se musí odvést.

Proto někteří výrobci to řeší tak, že buď vyvažování neprovádějí vůbec (a spoléhají se na „auto-balancing“, spíše měkký konec nabíjení, zmiňovaný v literatuře u článků LiFePo), anebo spoje mezi články baterie i na jejich koncích vyvádějí na zvláštní konektor s příslušným počtem kontaktů a doporučují třeba jednou za deset cyklů baterie provést speciální balancované nabíjení. Pak má nabíječ jednak dva terminály pro rychlonabíjení celého battery-packu (značí se zpravidla P+, P-) a jednak paralelní konektor pro balancované nabíjení – pro údržbu. Například pro modeláře, intenzivně nabíjející o víkendu, to je přijatelné a přes týden se věnují údržbě svých baterií.

Jak se zdá z reklam, převažují však aplikace jiné, například solární. Paralelním spojením polí solárních článků z velké plochy vzniká velký proud, ale nerovnoměrně rozložený, podle kvality a zastínění jednotlivých polí. Sériovým spojením zase vzrůstá vnitřní odpor, kdy rozhoduje nejslabší článek. Zdá se, že vývoj vede na sérioparalelní kombinaci se stejnosměrnou sběrnicí o nominálním napětí, třeba 400 V, k níž proudově přispívají jednotlivé sekce. Ze sběrnice se pak napájí střídač, který pouští proud do střídavé sítě. Použití baterií je pak dosti složité.

Pro sériovou kombinaci 3S se vyrábí (výrobci jsou hlavně v Číně a Indii a v dalších asijských zemích) řada ochranných obvodů, zpravidla na deskách plošných spojů oválného tvaru odpovídajícího třem článkům 18650 v řadě a s kontakty uzpůsobenými pro připojení článků kovovými pásky, které se svařují. Ochranný obvod je interně spojen se spoji mezi články, avšak zpravidla neobsahuje balancer (některé ano) a jsou zde oddělené terminály baterie (P+, P-) a jednotlivých článků (značené například 0, B1+, B2+, B3+). Ochranný obvod zpravidla jeden z pólů baterie rozpojuje dvojicí tranzistorů. Ochranných obvodů na destičkách je na Alibabě obrovské množství a liší se použitými součástkami, maximálním proudem (někdy jsou zde transistory FET pospojovány paralelně, protože jejich vnitřní odpor RDS(ON) respektive úbytek na něm při proudu do/z baterie se používá pro měření tohoto proudu).

Ochranný obvod je zpravidla tvořen integrovaným obvodem s více vývody, který má na vstupy přivedeny signály napětí z uzlů mezi články. Jeho interní komparátory jsou schopny detekovat chybové situace všech článků a reakce na ně je odpojení celé baterie.

Baterie 3S s ochranným obvodem bez balanceru (nejčastější případ) se dobíjí zdrojem proudu s omezením napětí na 12,6 V. Existují síťové adaptéry pro proud 1 až 2 A s omezením 12,6 V vhodné pro dobíjení. Viděl jsem i moduly s obvody „simple switcher“ s úpravou pro limitaci napětí a proudu pro tento účel. Pokud jde o velkou baterii s velkým počtem paralelních článků v jednom stupni a pro velké proudy, třeba nad 20 A, zdá se, že hraje roli i odpor kovových (poniklovaná ocel nebo čistý nikl) pásků spojujících články, které se kontaktují svařováním.

4S a více

Baterie o čtyřech článcích v sérii se kupodivu používá daleko méně často. Rozhodně na trhu je daleko méně ochranných obvodů pro 4S než 3S. Některé integrované obvody umožňují konfiguraci 3S nebo 4S, jako například tato destička od firmy XUTM. Příklad ochranného obvodu od firmy HX s náhledem konstrukce baterie pro 4S 18650 je na obr. 11. Destička je po svaření baterie schována pod přetaženou smršťovací bužírku držící vše pohromadě.

Se vzrůstajícím počtem sériových článků roste odpor celé série (a s tím potíže při nabíjení i spotřebě) a také riziko nestejné kapacity článků, a tím problémů s nabíjením i vybíjením. Pokud je nejslabší článek vyčerpán nejdříve, při jeho dalším vybíjení může dojít k jeho zkratu nebo i otočení polarity, což ho spolehlivě zničí. Ochranný obvod zasáhne jediným možným způsobem, a to že odpojí celou baterii. Jinými slovy, zbylou energii v ostatních článcích již nejde využít.

Baterie 4S se analogicky nabíjí zdrojem proudu s omezením napětí 16,8 V. Zvýšený vnitřní odpor při dobíjení působí trochu potíže, protože při velkém dobíjecím proudu baterie už má napětí 16,8 V, ale při vypnutí proudu se napětí zmenší o úbytek na vnitřním odporu. Proto je lepší dobíječ konstruovat s postupným snižováním proudu při přiblížení k cílovému napětí baterie.

Jistou nevýhodou uspořádání 4S je, že se jeho napětí přesně nekryje s automobilovou olověnou baterií ani s baterií složenou z NiMH článků. Při pokusu nahradit baterii 10S NiMH článků novou baterií 3S či 4S Li-Ion (se stejnou kapacitou, ale lehčí a nestárnoucí) vznikly potíže s nabíjecí a vybíjecí charakteristikou baterií.

Při nabíjení se původní nabíječka chovala nesprávně a při vybíjení v přístroji byl indikátor baterie zmaten a ani jedna konfigurace náhradní baterie nebyla správně. Takže náhrada není vždycky ku prospěchu.

Při mém průzkumu trhu jak internetovém od stolu, tak návštěvou na Hong Kong Electronics Fair jsem nenašel prakticky žádné battery-packy nebo ochranné obvody pro více článků než 4S. Výjimku tvoří baterie pro elektrická vozítka a elektrokola, kde se však používají články LiFePo s napětím 3,6 V pro velkou proudovou zatížitelnost, v bateriích až 10S s napětím 36 V. Sériová kombinace je výhodná pro úsporu mědi, protože se dají používat tenčí vodiče. A zdá se, že LiFePo baterie mají jakousi formu samobalancování při nabíjení, tedy že tolerují jisté malé přebíjení.

Zálohování elektronických zařízení baterií

Často se objeví požadavek, aby nějaké elektronické zařízení pracovalo z vnějšího napájení (síť 230 V nebo baterie 24 V či 12 V), ale s tím, že toto napájení může kdykoli vypadnout a pak je nutno po nějakou dobu zařízení napájet z baterie. Dodatečným požadavkem je, co má zařízení dělat po opětovném náběhu napájení anebo jak se chovat před a po vyčerpání kapacity baterie. Tyto požadavky je možno splnit dosti obtížně. Musíme mít k tomu určité prostředky.

Prvním prostředkem je včasná detekce výpadku. Může to být buď detektorem chybějící půlvlny u střídavého napájení, nebo detektor poklesu stejnosměrného napájení, např. z 24 V pod 20 V.

V jednom našem automotivním zařízení stačilo mít tento detektor, který vyvolal nemaskovatelné přerušení při poklesu. V cestě napájení byl za diodou velký kondenzátor, který stačil „unapájet“ celé zařízení po několik desítek milisekund, než vestavný operační systém Linux zavřel všechny soubory a odeslal GSM daty zprávu o výpadku. Nato se provedla instrukce Halt a systém čekal na reakci obvodu WatchDog − hlídací pes. Tento obvod od firmy Dallas/Maxim nebo TI vyžaduje „hlazení“ bitem výstupního portu: tento výstup musí měnit logickou úroveň např. nejméně za 1 s.

Nyní jsou dva možné scénáře: Pokud se jedná jen o krátkodobý výpadek „brown-out“, kdy napájení se po krátké době obnoví, systém „zamrzne“ díky instrukci Halt, hlídací pes si to vyloží jako nedostatek péče a vyšle negativní impuls do vstupu − Reset procesoru, který se znovu rozběhne a obnoví funkci. Druhou možností je, že výpadek bude pokračovat a zabere hlídací obvod napájení, který rovněž resetuje systém, ale ten bude řízeně vypnut. Po opětovném náběhu se opět systém resetuje a následuje řádné naběhnutí, inicializace a spuštění systému, včetně úspěšného otevření předtím zavřených souborů. Odladění tohoto mechanismu dalo dost práce, aby pokrylo různé průběhy výpadku a akce i v tom nejnepříznivějším případě.

Někdy však je požadováno, aby systém pracoval na baterie delší dobu, i když v nouzovém režimu, třeba bez ovládání výkonových výstupů. V tom případě musí výstup baterie a výstup hlavního napájení tvořit logický součet, kdy vítězí silnější. Současně je nutno zajistit dobíjení baterie z hlavního napáječe tak, aby po obnovení hlavního napájení byla baterie rychle dobita. Při výpadku hlavního napájení se automaticky přejde na napájení z baterie a tu je nutno v nouzovém režimu monitorovat, aby se v případě neobnovení hlavního napájení systém správně vypnul.

Ještě k balancování sériových baterií

Problematika není nijak nová. Pravidelnou chorobou už u NiMH baterií bylo jejich přebíjení při trvalém připojení k nabíjecímu obvodu. Proto se někdy doporučuje přemostit články dvojicí diod, které svedou při příliš velkém napětí na článku (nad 1,4 V) proud a zabrání jeho přebíjení (obr. 12). Bohužel toto zapojení příliš nefunguje. Článkům NiMH při přebíjení napětí spíše klesá a diody mají teplotně nestálé napětí v propustném směru. Navíc se velkým proudem tyto diody příliš zahřívají.

Při vývoji balancerů zejména pro větší počet článků jsou velmi aktivní firmy z USA. Požadavky jsou velmi náročné: nezávislost na oteplení a velmi malý svod. Například firmy Bq a Linear vyvinuly obvody pro vícečlánkové balancery.

Další zajímavou myšlenkou je aktivní balancování článků při dobíjení pomocí izolovaných DC/DC převodníků a nezávislého dobíjení každého článku ze své hladiny. Zapojení funguje, ale je trošku drahé vzhledem k ceně DC/DC převodníků. Na obrázku není nakreslen nabíjecí obvod (DC/DC většinou je zdrojem napětí).

Závěr

Lithiové akumulátory přinášejí velké možnosti, ale jejich ochrana a dobíjení musejí být provedeny tak, aby životnost baterie nebyla snížena. Výrobci udávají typickou životnost 500 cyklů pro 70% pokles kapacity. To sice není ideální, ale umožňuje to konstrukci nové třídy bateriových zařízení. Se stále lepšími lithiovými bateriemi se určitě budeme setkávat.