Akumulator Ni-MH, czy Li-ion - oczywisty wybór?

Akumulator Ni-MH, czy Li-ion - oczywisty wybór?

W sytuacji dużej dostępności akumulatorów, wybór rozwiązania spełniającego określone potrzeby często bywa problematyczny. Przy niewielkim urządzeniu najczęściej będziemy rozważać technologię litowo-jonową (Li-ion) oraz niklowo-metalowo-wodorkową (Ni-MH). Podstawowe różnice między tymi technologiami zostały omówione i w teorii wygrywa technologia Li-ion - przede wszystkim z uwagi na wyraźnie wyższą pojemność przy tych samych gabarytach i wadze, jak również 3-krotnie wyższym, wyjściowym napięciem nominalnym każdego pojedynczego ogniwa. Przyszły użytkownik musi być jednak świadomy wad i zalet obu rozwiązań dla określonych zastosowań praktycznych.

Napięcie

Akumulatory Ni-MH mają napięcie nominalne na poziomie 1,2 V na jedno ogniwo, podczas gdy akumulatory Li-ion mają napięcie nominalne trzykrotnie wyższe, wynoszące ok. 3,7 V.

Można w uproszczeniu przyjąć, że charakterystyka ogniwa Li-ion podczas pracy jest porównywalna do 3 szeregowo połączonych ogniw Ni-MH. Akumulatory Ni-MH pomimo niższego napięcia są łatwiej skalowalne, gdyż nie wymagają wyspecjalizowanych systemów zarządzania baterią w sytuacji, gdy są łączone szeregowo.

Rozmiary

Najbardziej popularne akumulatorki Ni-MH występują głównie w rozmiarach standardowych baterii paluszków - AA R6 oraz AAA R03 oraz innych cylindrycznych. Ogniwa pryzmatyczne są dużo mniej popularne. Akumulatory Litowe dostępne są szeroko w różnych, niemal dowolnych rozmiarach. Obecnie najbardziej popularne i powszechne są cylindryczne ogniwa w rozmiarze 18650.

Samorozładowanie

W typowym, nowym akumulatorze Ni-MH użyteczna pojemność wyraźnie spada już po kilku tygodniach od naładowania. Wyjątkiem są tutaj akumulatory od razu gotowe do użycia, jak np. biały Panasonic Eneloop, czy srebrny everActive Silver Line (rysunek 1), które nawet po wielu miesiącach utrzymują wysoki stopień naładowania. W przypadku ogniw litowo-jonowych samorozładowanie nie stanowi większego problemu i akumulatory pozostają użyteczne przez wiele miesięcy od naładowania.

Rysunek 1. Akumulatorki Ni-MH o niskim samorozładowaniu (hurt.com.pl)

Bezpieczeństwo

Akumulatory Ni-MH powszechnie uważane są za bezpieczne. Ten typ akumulatora wykazuje dużą odporność na przeciążenia, przeładowanie, głębokie rozładowanie, nie sprowokowany nie powoduje zagrożenia. Ten rodzaj akumulatorów nie jest również sklasyfikowany jako towar niebezpieczny w transporcie (również lotniczym).

Akumulatory Li-ion są pod tym względem delikatniejsze. Odnotowano wiele wypadków, w tym pożarów i wybuchów z udziałem ogniw Li-ion. Często przyczyną tych zdarzeń jest elektronika, która nieprawidłowo steruje pracą akumulatora. Akumulatory litowo-jonowe nie tolerują zbyt głębokiego rozładowania, ani przeładowania - wszystkie procesy muszą być dokładnie kontrolowane. Ogniwa Li-ion są często klasyfikowane jako towar niebezpieczny podczas transportu i wymagają specjalnych procedur transportowych.

Ładowanie

Nowoczesne ładowarki i układy do ładowania akumulatorków Ni-MH do oceny pełnego naładowania wykorzystują efekty reakcji chemicznej występującej w końcowej fazie procesu ładowania. Skutkiem pełnego naładowania i początkowego przeładowania akumulatorka jest wyhamowany wzrost (a nawet spadek) napięcia (rysunek 2) oraz zauważony, szybki wzrost temperatury ogniwa.

Rysunek 2. Charakterystyka przebiegu procesu ładowania Ni-MH w ładowarce everActive UC-4000

Dużo łatwiejszym w implementacji, często spotykanym i w pełni dopuszczalnym sposobem jest ładowanie akumulatorków Ni-MH niewielkim natężeniem (rzędu 10% wartości pojemności akumulatora) przez okres 14...16 h. Podobnie ładuje się pakiety z ogniw łączonych szeregowo. Akumulatory Ni-MH dobrze tolerują pewne przeładowanie i nie ma to znaczącego wpływu na ich żywotność.

Akumulatory Li-ion 3,7 V wymagają zachowania określonych warunków pracy jak i ładowania - napięcie rozładowanego akumulatora nie powinno spadać poniżej 3,0 V, a ładowanie dla typowych ogniw powinno się kończyć na poziomie nie przekraczającym 4,25 V (rysunek 3).

Rysunek 3. Charakterystyka przebiegu procesu ładowania Li-ion w ładowarce everActive UC-100

Tych warunków nie da się uprościć czy nagiąć jak w przypadku ogniw Ni-MH, a sytuacja ulega dalszej komplikacji, gdy łączymy kilka ogniw szeregowo. Ogniwa Ni-MH mimo niższego napięcia są łatwiej skalowalne - nie wymagają skomplikowanych systemów zarządzania (BMS) nawet w sytuacji, gdy są łączone szeregowo.

Układ zarządzania baterią BMS (Battery Management System) ma na celu kontrolę warunków rozładowania i ładowania baterii litowo-jonowych. Powinien brać pod uwagę napięcie każdego ogniwa w pakiecie szeregowym, pilnując aby nie przekroczyły wartości granicznych. Dodatkowo dba o wyrównanie ogniw podczas ładowania, balansując i korygując prąd ładowania tak, aby napięcie każdego z akumulatorów osiągnęło docelową wartość, co skutkuje odpowiednio wysokim poziomem napięcia dla całej naładowanej baterii. Taki układ zabezpieczający chroni również przed zwarciem, czy zbyt wysokim prądem ładowania i rozładowania. Zaawansowane konstrukcje, w celu zapewnienia maksymalnego bezpieczeństwa, również monitorują temperaturę akumulatorów. Taki układ ma też pewne ograniczenia, dlatego często dobiera się go, lub nawet projektuje od podstaw pod konkretne zastosowanie – pod docelową liczbę, pojemność akumulatorów, przewidywany prąd ładowania i rozładowania itp. - nie ma tutaj idealnego uniwersalnego rozwiązania.

W przypadku prostych aplikacji z użyciem pojedynczego akumulatora litowo-jonowego z powodzeniem można wykorzystać tanie, dobrze udokumentowane liniowe układy ładowania jak np. TP4056, ME4057, LTC4057 itp. (rysunek 4). Są one konfigurowalne w podstawowym zakresie i często upraszczają projekty urządzeń zasilanych z pojedynczego akumulatora Li-ion.

Rysunek 4. Nieskomplikowany, gotowy układ liniowy LTC4057 do ładowania pojedynczego ogniwa Li-ion

Trwałość

Akumulatory Ni-MH z uwagi na większą odporność na nieprawidłowe użytkowanie wykazują zwykle lepszą trwałość, która przekłada się na wyższą liczbę cykli ładowania i rozładowania.

Trwałość akumulatorów Li-ion w dużo większej mierze zależy od sposobu ich użytkowania i poprawności procesu ładowania w docelowej aplikacji.

W przypadku obu technologii nie bez znaczenia jest jakość samego ogniwa. Oba rodzaje akumulatorów starzeją się w czasie, jednak efekty naturalnego starzenia się (takie jak spadek pojemności użytkowej, czy wzrost rezystancji wewnętrznej) są zwykle mniej odczuwalne w ogniwach Li-ion.

Dobór idealnego akumulatorka

Wybór wcale nie jest oczywisty. Paradoksalnie może się okazać, że do naszego zastosowania lepsza będzie wyspecjalizowana bateria jednorazowa, która ma szansę zapewnić bezproblemową pracę przez wiele miesięcy – to jednak temat na osobny artykuł. Wszystkich zainteresowanych tematem zapraszamy na strony firmy Baltrade sp. z.o.o., dystrybutora markowych baterii, akumulatorków i ładowarek, właściciela serwisu http://hurt.com.pl.

Artykuł ukazał się w
Marzec 2020
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik kwiecień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio kwiecień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje marzec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna marzec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów