BTO - Battery Trade Office

[Komentator]

Jak się okazuje nie tylko hobbyści czytają blog Forbota. Często naszym artykułom i dyskusjom przyglądają się również firmy wyspecjalizowane w konkretnych dziedzinach naszego hobby.Postanowiłem wybranym firmom dać możliwość przedstawienia swojej działalności i stworzyć Wam okazję do zadania pytań. W tym odcinku firma BTO z Łodzi, eksperci od baterii!

UWAGA, to tylko wstęp! Dalsza część artykułu dostępna jest na blogu.

Przeczytaj całość »

Poniżej znajdują się komentarze powiązane z tym wpisem.

[Sabre]

Skoro już eksperci zaglądają na nasze forum i chcą podzielić się z nami wiedzą to poproszę o rozwikłanie nurtującego mnie od dawna problemu. Czytałem już kilka publikacji na ten temat i nawet wywiązała się kłótnia na innym forum właśnie w temacie ładowania akumulatorków litowych. Chodzi o nie ładowanie "do pełna".

Aktualnie większość akumulatorków li-ion, czy li-pol ma końcowe napięcie ładowania równe 4,20V (z tolerancją zazwyczaj do 4,23V). Większość kontrolerów ładowania przerywa ładowanie akumulatorka w telefonie gdy napięcie na akumulatorku wynosi 4,2V i prąd ładowania jest równy około 10-15mA. Zgodnie z jakąś normą (nie znam jej, ale jest to ogólna zasada dla akumulatorków litowych) uważa się, że akumulatorek nie może stracić więcej niż bodajże 15 lub 20% swojej pojemności fabrycznej po 300 cyklach ładowania. Czyli jeśli ładuję telefon raz dziennie to po 300 dniach mój akumulatorek powinien mieć około 80-85% swojej pojemności początkowej. I tak mniej więcej jest.

Przeczytałem dokument pewnego amerykanina dotyczący ładowania akumulatorków litowych do napięcia mniejszego niż zalecane przez producenta 4,20V.

Zajmijmy się najpierw przypadkiem ładowania do napięcia 4,10V. Również kończymy ładowanie gdy prąd spada do około 10-15mA (jak przy ładowaniu do pełna), ale niestety przy ładowaniu do 4,10V akumulatorek jest naładowany do około 75%. Jednak w tym przypadku utrata 15-20% pojemności akumulatorka następuje nie po 300 ale po około 500 cyklach ładowania. Tak więc zyskujemy niby 200 cykli ładowania. Według tych testów każde obniżenie końcowego napięcia ładowania o 0,1V podwajało ilość cykli, po których akumulatorek miał te 80% pojemności nominalnej.

Dokument, o którym pisałem wyżej. Według tych testów akumulator litowy ładowany do napięcia 4,10V jest naładowany do około 85%. Żywotność akumulatorka wzrosła (według wykresu 3) do 700 cykli, podczas gdy akumulatorek ładowany do 4,20V tracił 20% pojemności po 500 cyklach.

Tyle teorii, przejdźmy zatem do życiowego przykładu. Wielu z nas ładuje swoje smartfony raz dziennie. Posuńmy się zatem o krok dalej. Załóżmy, że mamy 2 telefony, obydwa mają akumulatorki o pojemności 1000mAh, jednego ładujemy do pełna, drugiego do 85% czyli do 4,10V. Załóżmy, że obydwa telefony są tak samo eksploatowane, przez co pierwszy rozładowuje się po 10h, drugi po 8,5h. Pomijając czas na naładowanie 500 cykli pierwszego akumulatorka minie po 5000h czyli po 208,33 dnia. Będzie wtedy miał teoretycznie już tylko 800mAh. W tym samym czasie 2 telefon był ładowany co 8,5h czyli 5000/8,5 daje 588 cykli ładowania. Według wykresu 3 jego pojemność z początkowo wykorzystywanych 85% spadła do około 81%. Ale telefon był ładowany o 88 razy więcej niż telefon z akumulatorkiem ładowanym do pełna.

I tu się nasuwają pytania:

1. Czy rzeczywiście bardziej opłaca się nie ładować akumulatorków do pełna? Ale weźmy pod uwagę, że akumulatorek taki jest ładowany o 17,6% więcej razy. Przez co tyleż samo razy częściej nagrzewa się w obudowie telefonu (to również skraca żywotność akumulatorka i to bardzo). Akumulatorek grzeje się najbardziej na początku fazy ładowania CC a nie podczas drugiej fazy CV.

2. Czy cykle ładowania po 10-50% pojemności są tak samo szkodliwe jak pełne cykle? Może pytanie powinno brzmieć jaki wpływ na akumulatorki ma doładowywanie po 10-50% (bo na pewno nie są aż tak szkodliwe i wpływające na pojemność jak cykle do 4,20V, czyli do pełna)? Bardzo często ładowałem telefon krócej niż godzinę przed wyjściem z domu czy z pracy, tylko po to aby telefon wytrzymał dłużej.

Mając taki sprzęt, który robi na mnie niemałe wrażenie, na pewno znacie odpowiedzi na moje pytania.

[#R2D2#]

To skoro jesteśmy przy temacie akumulatorów, to ja bym prosił o wpis o tworzeniu własnej ładowarki akumulatorów Ni-MH.

[Sabre]

#R2D2#, akurat to nie jest wiedza tajemna. Jest dość dużo gotowych kontrolerów ładowania akumulatorków MiMH, które nie wymagają za wiele dodatkowych elementów. Dodatkowo w zasadzie w każdym pdfie opisującym kontroler jest informacja o procesie ładowania i chemii akumulatorków.

Edycja:

Tak na marginesie to tą tajemną wiedzę dotyczącą dobrego ładowania akumulatorków NiMH zawdzięczamy NASA. Trzeba sobie poczytać o tym i o jakiejś misji w kosmosie gdzie nagle spadało napięcie na akumulatorkach od cyklicznego ładowania i rozładowywania prądem stałym do identycznego poziomu za każdym razem. Przez co w akumulatorku powstawały większe kryształy 🙂 a akumulatorek zachowywał się jakby był rozładowany.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[#R2D2#]

Sabre, zgadzam się, że nie jest to wiedza tajemna, jednak mimo dosyć długich poszukiwań nie udało mi się znaleźć fajnego tutoriala od A do Z. Dodam, że dopiero zaczynam przygodę z elektroniką i nie wszystko jest jeszcze dla mnie taki jasne i oczywiste.

[Treker (Damian Szymański)]

#R2D2#, a właściwie dlaczego zależy Ci na samodzielnej budowie ładowarki? To tylko narzędzie. Tańszej i lepszej raczej nie uda Ci się zbudować. Nie lepiej poświęcić czas na budowanie robotów? Do tego są już poradniki od A do Z. Przykład: kurs budowy minisumo.

[#R2D2#]

Owszem roboty są ciekawsze 😉

Chciałbym zbudować sobie ładowarkę, w której mógłbym regulować sobie prąd ładowania, tak żeby nie zużywać za mocno akumulatorów. A jeśli zależy mi na czasie, to włączam tryb szybki. Wiem, że są takie ładowarki na rynku, ale są one dosyć drogie.

[Treker (Damian Szymański)]

#R2D2#, najlepiej zająć się Li-Polami, wtedy nie będziesz miał takich problemów 🙂

Może eksperci z BTO lub Sabre coś Ci podpowiedzą - poczekajmy na ich odpowiedź.

[Sabre]

#R2D2#, fakt, że dawno nie przeglądałem kontrolerów ładowania akumulatorków NiMH, pewnie są jakieś z możliwością regulowania prądu, ale na 100% nie obejdzie się bez mikrokontrolera, który będzie sterował samym kontrolerem ładowania. Sprawa nie jest prosta bo algorytm ładowania nie jest taki prosty, ładuje się impulsami prądu o określonej długości, potem rozładowuje się akumulatorek impulsem prądu o również określonym czasie trwania. Trzeba monitorować z dość dużą dokładnością napięcie akumulatorka i jego temperaturę. Koniec ładowania to zazwyczaj spadek napięcia czyli dV/dt lub ewentualnie wzrost temperatury akumulatorka (nie mniej i tak trzeba temperaturę monitorować).

Poszukaj w jakimkolwiek sklepie internetowym kontrolerów ładowania i znajdź dokumentację pierwszego układu z brzegu. W nim na 100% przeczytasz o procesie ładowania akumulatorków.

[marek1707]

Chyba fachowcy z BTO nie mają specjalnie ochoty na dyskusję. Spróbuję coś napisać, bo choć nie specjalizuję się w technologiach akumulatorów, coś tam robiłem i wiem. Zaprojektowałem i zbudowałem całe mnóstwo różnych ładowarek, bo ostatnio prawie każdy większy projekt nawet jeśli nie jest urządzeniem przenośnym, zawiera jakieś akumulatory (no, czasem baterie) podtrzymujące życiowe funkcje urządzenia.

Sprawę ładowania NiMH-ów komplikuje fakt, że proces ten nie skaluje się tak łatwo jak w przypadku LiPoli. Akumulatory wodorkowe są istotnie różne od litowych i mają szczególne cechy, które można wykorzystać (i na które trzeba uważać) robiąc do nich ładowarkę.

Ogólnie ładowanie NIMHów można prowadzić kilkoma metodami, a odróżnia je właśnie wielkość prądu. Nie prądu liczonego bezwzględnie w Amperach (bo jasne jest, że większy akumulator może łyknąć więcej), ale prądu w stosunku do pojemności w Ah.

I tak mamy ładowarki tzw. całonocne, gdzie prąd nie przekracza tzw. C/10 czyli np. dla akumulatora 800mAh jest <= 80mA. Ładowarki te korzystają z tego, że NiMHy potrafią łykać taki prąd praktycznie bez uszczerbku na zdrowiu. Wkładamy więc akumulator do ładowarki, czekamy 14-15h i wiemy, że jest naładowany. Niczego nie sprawdzamy, niczego nie mierzymy. Nawet jeśli trochę w nim energii jeszcze było, został naładowany do 100% a resztę ładunku pochłonął i rozproszył w postaci (niewielkiego) ciepła. Wadą jest oczywiście to, że nie mamy żadnej informacji o stanie procesu ładowania i/lub jego zakończeniu, ale za to ładowarka jest superprosta i tania. Wystarczy nastawić budzik i poczekać. Dlaczego 14-15h a nie 10h jakby to wynikało z prądu C/10? Dlatego, że akumulatory mają swoją sprawność. Trzeba wpompować więcej niż się wyciąga 🙁

Druga grupa to ładowarki szybsze, gdzie mamy prąd w granicach C/3..C/2. Tutaj - w odróżnieniu od poprzedniej metody - działa już detekcja końca ładowania oparta na tzw. -ΔV czyli spadku napięcia pod koniec procesu ładowania. Spadek nie jest duży i nie jest szybki, ale można go wykryć. Budowanie takiej ładowarki "na piechotę" czyli z elementów dyskretnych jest o tyle trudne, że trzeba co jakiś czas (np. co 1-5 minut) mierzyć napięcie, zapamiętywać je gdzieś (kondensator?) a potem porównywać z następnym pomiarem. Nawet prosty procesorek nie mówiąc o specjalizowanych scalakach ładowarkowych poradzi sobie z tym bez problemu, ale zrobienie tego samemu może być wyzwaniem (i fajnym ćwiczeniem). Ta więc takiej ładowarki nie interesuje bezwzględne napięcie akumulatora a raczej jego przyrost w czasie. Dopóki jest dodatni, źródło prądowe pompuje prąd, ale gdy przyrosty zaczną maleć - trzeba być czujnym. Niektóre ładowarki uznają NIMHy za naładowane, gdy napięcie przestanie przyrastać (ΔV=0mV) a inne dopuszczają przegięcie poza tę granicę i czekają, aż zacznie być ujemne (np. ΔV=-5..-20mV).

W najszybszych trybach ładowania (prąd = 1C, czyli ładujemy trochę ponad godzinę) oprócz metody ΔV używany jest (a raczej przede wszystkim) pomiar temperatury. I znów nie jest ważna bezwzględna temperatura a jej przyrost. Po prostu akumulator zaczyna się szybko nagrzewać w momencie, gdy przepływająca energia przestaje być wykorzystywana na przemiany chemiczne zachodzące w procesie ładowania a zaczyna zwyczajnie grzać jak w oporniku. Tutaj oczywiście konieczny jest czujnik temperatury i jeśli nie mamy ambicji robić ładowarki pracującej w szerokim zakresie temperatur (np. zimą na dworze lub latem na słońcu), można uprościć sprawę i wyłączać ładowanie po osiągnięciu np. +35..40°C. Jeśli ma być elegancko, trzeba wykrywać przyrosty rzędu 1-2°C/min.

Nigdy nie robiłem ładowarek z wyrafinowanymi algorytmami impulsowymi typu ładuj-rozładuj o jakich pisał Sabre i nie wiem czy to rzeczywiście daje jakąś przewagę. Może w trwałości ogniw, ale tu bardzo dużo zależy od producenta i jego rekomendacji. Nigdy nie spotkałem takowych innych niż ładowania stałym prądem i nie znam żadnego scalaka ładowarkowego realizującego taki algorytm. Zwykle w 100% wystarcza źródło prądowe (z przetwarzaniem DCDC przy większych prądach lub zwykłe liniowe przy mniejszych), ew. regulowane oraz jedna z dwóch metod detekcji końca ładowania: -ΔV albo +Δt. NiMHy nie mają słynnego efektu pamięci znanego z akumulatorów kadmowych NiCd więc rozładowywanie nie jest konieczne.

Samodzielne zbudowanie ładowarki domowej jest proste, choć podobnie jak Treker uważam, że to nie ma sensu. To jakbym miał sobie robić lutownicę - można, ale jest wiele innych ciekawszych zajęć. Jako ćwiczenie z konstrukcji elektronicznych - OK, można się czegoś nauczyć 🙂

---------------------

EDIT: Wykres pokazujący dlaczego przy małych prądach ładowania NiMH-ów nie działa detekcja -ΔV. Spadek napięcia pod koniec procesu związany jest pośrednio również ze wzrostem temperatury a ta przy małych prądach nie wzrasta:

A tutaj widać jak i kiedy wzrasta temperatura przy szybkim ładowaniu 1C:

Zatrzymanie ładowania nastąpiło po wykryciu progu 35°C. Parę minut wcześniej ΔV zrobiło się ujemne - metody są zamienne.

[Sabre]

Zgadzam się ze wszystkim co napisał marek1707, ale ładowanie na czas dotyczyło starszych akumulatorków gdzie pojemności były znacznie niższe i rzeczywiście ładowanie tą metodą nie szkodziło akumulatorkom (w szczególności akumulatorkom NiCd). Jeszcze w podstawówce zbudowałem moją pierwszą ładowarkę i mam ją gdzieś do dzisiaj 😃. Zrobiona była na kilku tranzystorach, które tworzyły źródła prądowe. Równolegle do każdego ze źródeł były połączone 3 diody krzemowe w szereg, aby po naładowaniu akumulatorka nie przekroczyć napięcia. Ta ładowarka nadawała się do akumulatorków NiCd, a później również do pierwszych NiMH.

Obecnie akumulatorki niejako wymagają metody tej z impulsowym ładowaniem, ona wbrew pozorom przyspiesza ładowanie pomimo tego, że podczas każdego cyklu przez ułamek sekundy rozładowuje się akumulatorek. Nie pamiętam szczegółów bo czytałem o tym już z grubo ponad 15 lat temu a z całą pewnością można to gdzieś znaleźć w necie.

[marek1707]

O ile wiem wszyscy producenci akumulatorków NiMH wciąż dopuszczają najprostszą metodę ładowania C/10, bo niby dlaczego nie. Zmieniło się to, że z uwagi na poprawiającą się jakość ogniw i ich wzrastającą "delikatność" nie zaleca się przedłużania tego stanu powyżej 15h. Tak więc ładowarka czasowa powinna mieć timer ustawiony na 14-15h. Po jego "wydzwonieniu" prąd powinien być zmniejszany do poziomu tzw. trickle charge. Kiedyś było to właśnie nawet C/10 i nie trzeba było nic robić, obecnie wystarcza tylko C/40. W najprostszym przypadku - gdy ładowanie wykonywane jest pod nadzorem a ładowarka nie jest częścią większego urządzenia pracującego gdzieś w polu wystarczy prąd wyłączyć i zapalić lub zgasić diodę LED. W końcu przecież ktoś po ten akumulator przyjdzie. Tym samym producenci dopuszczają przeładowywanie akumulatorka małym prądem (bo można wsadzić naładowany np. do 50%), ale zastrzegają, że nie powinno to trwać dłużej niż kilkanaście godzin.

http://data.energizer.com/PDFs/nickelmetalhydride_appman.pdf

Ładowaniem impulsowym nie ma się co podniecać. Jak już powiedziałem takie wyrafinowane algorytmy bardzo trudno zaprojektować i oceniać, działają dobrze i powtarzalnie tylko na konkretnych ogniwach, konkretnego producenta i w konkretnych warunkach środowiskowych (temperatura) a zysk nie jest większy niż (moim zdaniem) jakieś 20-30% czasu i to chyba wciąż jednak kosztem trwałości ogniw - którą z resztą także bardzo trudno oszacować na kilku sztukach jakimi się zwykle dysponuje. Ja bym nie ryzykował.

[Sabre]

Pierwsze akumulatorki były robione troszkę inaczej niż te obecne. Zawierały nawet elektrody umieszczone odwrotnie, aby przy zmianie biegunów przez pomyłkę, ładowała się ta część odwrotna a nie wydzielał gaz z tych prawidłowych elektrod. Nie jestem na 100% pewny, ale aktualnie akumulatorki raczej nie zawierają już takiej części a to dlatego, że teraz każda ładowarka ma kontroler, który wykrywa odwrotne umieszczenie akumulatorka i go po prostu nie ładuje. Dwa, że wraz ze wzrostem popularności i zapotrzebowaniem musiała rosnąć pojemność. Producenci akumulatorków ufają teraz ładowarkom a nie użytkownikom, dlatego pewnych rzeczy już nie ma. Nie mówię, że nie da się naładować metodą C10 ale nie jest ona ani efektywna ani efektowna. Użytkownicy nie chcą czekać 15h aż akumulatorek się naładuje.

[Treker (Damian Szymański)]

Chyba fachowcy z BTO nie mają specjalnie ochoty na dyskusję.

Na usprawiedliwienie dodam, że zostałem wcześniej uprzedzony, że odpowiedzi będą pojawiały się z pewnym opóźnieniem. Jednak na pewno się pojawią 🙂

[marek1707]

"Producenci akumulatorków ufają teraz ładowarkom a nie użytkownikom, dlatego pewnych rzeczy już nie ma"

Sabre, podziwiam Twoja wiarę w ludzi i w postęp. Szkoda zaśmiecać wątek firmy BTO sporami o istnienie bądź zanik pewnych rozwiązań, ale sam zobacz:

http://allegro.pl/ladowarka-do-aa-r6-aaa-r03-9v-6f22-nicd-i-nimh-i4789440297.html

a tu instrukcja u dystrybutora (gdyby aukcja zniknęła):

http://www.batimex.pl/zdjecia/pdf/instrukcja02_03.pdf

Ładowarka z trywialnym (zapewne) oporniczkiem szeregowym, żadnej stabilizacji i wykrywania końca. LEDy świecą bo płynie prąd a instrukcja mówi o tym, by po włożeniu akumulatorków nastawić budzik i nie zapomnieć ich wyjąć. Czasy ładowania ogniw 1000mAh (a więc żaden wypas) przekraczają 24h. O czym tu dyskutować? Istnieje dużo fajnych ładowarek w całkiem rozsądnych cenach, ale nie opowiadaj, że taniocha zniknęła. Producenci superogniw to jedno, a nisza taniej chińszczyzny to drugie. Jedno nie wyprze drugiego i obie te rzeczy będą się rozwijać równolegle. Naiwność ludzka nie zna granic a dowodem tego są dobre wyniki sprzedaży takich właśnie ładowarek (po co kupować taką za 100zł jak można wydać 10x mniej) a także ogniw AA o pojemności np. "4500mAh" dołączanych często do takich sprzętów. Wszystko w komplecie to wtedy - ho, ho, 20zł. To nic, że najwięksi producenci ledwo podchodzą w AA pod 2500mAh, a i to w kontrolowanych warunkach i przy niewielkich prądach. Napis na opakowaniu - rzecz święta.

To samo tutaj: "Użytkownicy nie chcą czekać 15h". Nie wiesz jak różni są użytkownicy, i nie wszystkim tak się spieszy jak sądzisz. Wiele nawet markowych radiotelefonów ręcznych ma wciąż w pakietach akumulatory NiMH. Jeżeli radio jest używane przez jakąś służbę 24h/dobę, to wyposaża się je w dwa-trzy pakiety siedzące w ładowarce ciągle. Gość gdy zdaje dyżur wymienia pakiet i ma wciąż działające radio. Tu nic nie musi być szybko a taka ładowarka (jak widać na aukcji - 10zł!) jest skrajnie tania. Oczywiście nikomu jej nie polecam ani nie polecam budowania tego samemu, bo co to za wyczyn zrobić zasilacz z transformatorka (oby tam był - widziałem radzieckie konstrukcje bez izolacji od sieci), prostownika (jedna dioda?) i opornika z LEDem. Acha, no i zegarek do kompletu.

Osobiście do "paluszków" używam niebieskiej IC8800 (kiedyś kosztowała ok. 200zł, ale było warto) a teraz są do kupienia bardzo podobne BC-700 i BC-1000 różniące się chyba tylko prądem maksymalnym. Moim zdaniem rewelacja w cenie grubo poniżej 100zł. Możliwość ustawienia prądu każdego ogniwa osobno, wiele trybów pracy dla każdego gniazda niezależnie (ładowanie, rozładowanie, cykle, cykle z kontrolą powrotu ogniwa do stanu używalności), algorytm -ΔV, zabezpieczenie termiczne i gniazda dla AA i AAA. Do tego wyświetlanie napięcia, prądu, ładunku w mAh (wyssanego i wpakowanego). Polecam, a przy takim stosunku możliwości do ceny budowanie czegokolwiek samemu mija się z celem.