Литий-ионные аккумуляторные батареи коммерческого назначения имеют наиболее совершенную защиту среди всех типов батарей. Такой уровень защиты литий-ионных Li-ion аккумуляторов обусловлен тем, что, будучи подключенными к какому-либо электронному устройству, они постоянно находятся в руках человека.
Устройства защиты литий-ионных Li-ion аккумуляторов, схемы защиты по напряжению, от глубокого разряда, температуре, пороговому уровню давления внутри корпуса.
Обычно в схеме защиты литий-ионных Li-ion аккумуляторов используется ключ на полевом транзисторе. Он при достижении на элементе батареи напряжения 4,30 В открывается и тем самым прекращает процесс заряда. Кроме того, имеющийся термопредохранитель при нагреве батареи до 90 градусов отключает цепь ее нагрузки. Обеспечивая таким образом ее термальную защиту.
Но и это не все! Каждый элемент имеет выключатель, который срабатывает при достижении порогового уровня давления внутри ее корпуса, равного 1034 кПа (10,5 кг/м2), и разрывает цепь нагрузки. Есть и схема защиты от глубокого разряда, которая следит за напряжением батареи и разрывает цепь нагрузки, если оно снизится до уровня 2,5 В на элемент.
Внутреннее сопротивление схемы защиты литий-ионных Li-ion аккумуляторов мобильного телефона во включенном состоянии составляет 50-100 мОм (0,05-0,1 Ом). Конструктивно она состоит из двух ключей, соединенных последовательно. Один из них срабатывает при достижении верхнего, а другой — нижнего порога напряжения на батарее.
Общее сопротивление этих ключей фактически обеспечивает удвоение ее внутреннего сопротивления. Особенно если она состоит всего лишь из одного элемента. Батареи питания мобильных телефонов должны обеспечивать высокие токи нагрузки. Это возможно при максимально низком внутреннем сопротивлении литий-ионных Li-ion аккумуляторов. Таким образом, схема защиты представляет собой препятствие, ограничивающее ее рабочий ток.
Литий-ионные Li-ion аккумуляторные батареи без схем защиты.
В некоторых типах литий-ионных Li-ion аккумуляторов, использующих в своем химическом составе марганец и состоящих из 1—2 элементов, схема защиты не используется. Вместо этого в них установлен всего лишь один предохранитель. И такие батареи являются безопасными из-за их малых габаритов и низкой емкости. Кроме того, марганец довольно терпим к нарушениям правил эксплуатации литий-ионных Li-ion аккумуляторов. Отсутствие схемы защиты снижает стоимость литий-ионных аккумуляторов, но привносит новые проблемы.
Проблемы при отсутствии схем защиты в литий-ионных Li-ion аккумуляторных батареях.
В частности, пользователи мобильных телефонов могут использовать для подзарядки их батарей нештатные зарядные устройства. При таких недорогих зарядных устройствах, предназначенных для подзарядки от бытовой сети или от бортовой сети автомобиля, можно быть уверенным, что при наличии в батарее схемы защиты, она отключит ее по достижении напряжения конца заряда.
Если же схема защиты отсутствует, произойдет перезаряд литий-ионных Li-ion аккумуляторов. И, как это часто бывает, их необратимый выход из строя. Этот процесс обычно сопровождается повышенным нагревом и раздутием корпуса батареи. Конечно, таких ситуаций допускать нельзя. Кроме того, при выходе батареи из строя по причине использования нештатного зарядного устройства, замене по гарантии она не подлежит.
Литий-ионные батареи с электродами из кобальта, например, требуют полной защиты. Разряд статического электричества или неисправность зарядного устройства могут повлечь выход из строя схемы защиты батареи. Это значит, что в результате твердотельный ключ схемы защиты постоянно находится во включенном состоянии, а пользователь об этом не подозревает.
При этом аккумуляторная батарея может функционировать нормально, но требованиям безопасности она отвечать не будет. В процессе заряда могут произойти ее перегрев и раздутие корпуса. А в некоторых случаях выход газов с воспламенением («вентиляция с пламенем») со всеми вытекающими последствиями. Короткое замыкание выводов литий-ионных Li-ion аккумуляторов также опасно.
Взрывоопасность литий-ионных Li-ion аккумуляторных батарей.
Производители литий-ионных Li-ion аккумуляторов в их технических характеристиках стараются не упоминать об их взрывоопасности. Вместо этого они используют термин «вентиляция с пламенем». И хотя эта реакция протекает медленнее взрыва, она настолько интенсивна, что приводит к сильному удару на небольшом расстоянии от батареи. И может вывести из строя электронное устройство, которое питается от этой батареи.
Большинство производителей литий-ионных аккумуляторов не продают их отдельно в качестве элементов аккумуляторных батарей. Вместо этого они выпускают и продают литий-ионные аккумуляторные батареи со встроенными схемами защиты.
Поскольку понимают опасность, исходящую от неумелого их применения, и в интересах потребителя стараются минимизировать возможные негативные последствия, которые могут возникнуть при их эксплуатации. Этим же целям служит и жесткая сертификация продукции компаний. Предшествующая появлению новых типов литий-ионных Li-ion аккумуляторов на рынке.
По материалам книги Аккумуляторы.
Хрусталев Д.А.
