Многие слышали, что обычные li-ion а��кумуляторы очень опасные и могут даже взорваться. И есть так называемые защищенные аккумуляторы, которые более безопасны в использовании. И вот тут, как выясняется, очень много заблуждений.

Попробуем разобраться в этой теме более подробно. 

Незащищенные аккумуляторы

Если следовать логике, то обычные незащищенные аккумуляторы не имеют никакой защиты. И поэтому их использование очень опасно. В первую очередь всех беспокоит опасность его взрыва, воспламенения и т.д.

Ниже очень важное замечание про все незащищенные li-ion аккумуляторы!

Всегда следует помнить, что цилиндрические li-ion аккумуляторы – это элементы ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ. Т.е. производители не предполагают их использования обычными пользователями. Имеется ввиду – купил на маркетплейсе незащищенный 18650, зарядил дома, вставил в фонарик, пошел изучать ночной лес. Незащищенный li-ion не для этого.

Эти аккумуляторы в первую очередь для промышленного применения – для работы в составе батарей (сборок из нескольких ячеек), в которых обязательно есть модуль контроля и защиты li-ion ячеек.

Дабы предупредить пользователей об этом и соблюсти необходимые формальности, которые скорее всего пригодятся в суде в случае чего, в последние несколько лет многие производители печатают соответствующее предупреждение на корпусе аккумуляторов. Мол мы вас предупредили, а дальше вы уже на свой страх и риск.

На самом деле незащищенные li-ion аккумуляторы не такие уж совсем беззащитные. В них все же присутствуют некоторые защитные элементы. Но это «защита последнего шанса», которая призвана минимизировать негативные последствия в случаях, когда внешние системы контроля и защиты аккумулятора по каким-то причинам не сработали. Именно минимизировать, а не исключить полностью. Это важно помнить.

Защитный клапан (CID)

Самый опасный режим работы любого аккумулятора – это внешнее короткое замыкание. В этом случае через аккумулятор протекают сверхвысокие токи, и он начинает очень сильно нагреваться. К примеру, у высокотоковых 18650 и 21700 токи короткого замыкания запросто могут превышать даже 150-200 Ампер (для полностью заряженного аккумулятора). Да, да. Это мы сами проверяли. Представляете, какая тепловая мощность выделяется при этом внутри небольшой ячейки. В результате буквально через пару секунд аккумулятор нагревается до температуры выше +100 ⁰С. При этом внутри металлического корпуса ячейки очень сильно возрастает давление. Если ничего не предпринять, то внутреннее давление разрушит металлический корпус аккумулятора. Будет такой неслабый БА-БАХ.

Чтобы такого развития событий не допустить, внутри цилиндрических li-ion аккумуляторов в районе плюсового контакта устанавливается так называемый защитный клапан. По сути, это металлическая мембрана, которая изгибается при избыточном внутреннем давлении и разрывает электрическую цепь. Тем самым отключая источник внешнего КЗ от анодной ленты («плюс») внутри ячейки. По «минусу» (металлическому корпусу ячейки) связь аккумулятора с внешним миром остается. Но электрическая цепь уже разорвана. Вопреки расхожему мифу этот защитный клапан при штатном срабатывании никаких газов наружу не выпускает.

Такой клапан называют CID (Current Interrupt Device) – устройство прерывания тока.

Этот клапан так же сработает, если по какой-то причине аккумулятор сильно нагрелся и внутри него сильно выросло давление. Например, при нарушении параметров заряда. Такое редко, но бывает – кратно превышен ток заряда, аккумулятор уже «почти труп» с очень высоким внутренним сопротивлением и т.д. Вообще, li-ion аккумуляторе в процессе заряда нагреваются намного сильнее, чем при разряде таким же током.

Если у вас вдруг перестал работать аккумулятор, вы проверили его напряжение мультиметром и увидели «чистый ноль», то это на 99,9% сработавший клапан. Все, аккумулятор у вас умер, разбирайтесь в причинах, а его в утиль.

Если у вас светодиодный фонарик, в котором из электроники только сам светодиод и токоограничивающий резистор, и вы умудрились высадить аккумулятор вот прямо совсем полностью, то все равно напряжение на аккумуляторе будет не нулевое.

Предвосхищая комментарии «Да этот клапан можно аккуратно вдавить обратно, и аккумулятор заработает», сразу скажу – ТАК ДЕЛАТЬ НЕЛЬЗЯ!!! Во-первых, вы с высокой долей вероятности будете делать это маленькой металлической отверткой, и после вдавливания клапана замкнуть «+» и «-» самой ячейки шанс, отнюдь, не нулевой. А во-вторых, конструктивно этот клапан одноразовый и после такой операции надежного электрического контакта все равно не будет.

Как вы уже догадались, защитный клапан будет бесполезен при внутреннем КЗ внутри ячейки. Да, он сработает по давлению, но внутреннее КЗ от этого никуда не пропадет. В этом случае температура и давление внутри будут продолжать расти.

Но серьезные производители настолько отточили технологию производства li-ion, что шанс на внутреннее КЗ вследствие брака ничтожно мал. И даже при внешнем механическом воздействии добиться КЗ внутри ячейки не так уж и просто. Конечно, в ситуациях, когда у человека в голове возник вопрос «А что будет, если…» и рядом оказался молоток или газовая горелка, производитель попросту бессилен.

А вот в самых дешевых li-ion аккумуляторах, которые продаются по «сто рублей за пачку», как выяснилось, такого защитного клапана часто нет. У таких аккумуляторов вдобавок часто указана какая-то совсем неправдоподобная емкость – 8000, 1000, 12000 mAh.

PTC

В некоторых аккумуляторах кроме клапана CID есть еще неприметная тонкая прокладка, которая устанавливается между клапаном CID и плюсовым контактом. Иногда она белого цвета, иногда черного. Внешне она похожа на изолирующую прокладку, но находится в месте, где никакого изолятора по логике быть не должно.

Это PTC (Positive Temperature Coefficient) – прокладка из материала с положительным температурным коэффициентом. При нормальной температуре эксплуатации она имеет очень низкое сопротивление, т.е. нормально проводит ток. Но при ее нагреве до определенной температуры (в районе 80-110 ⁰С) ее сопротивление резко возрастает, и тем самым она ограничивает ток, проходящий через аккумулятор.

PTC является самоостанавливающейся, т.е. при остывании ее сопротивление снова резко снижается.

Такая PTC прокладка защищает аккумулятор от сильного нагрева при разряде или заряде током выше допустимого. И кроме этого, PTC косвенно защищает от перезаряда, т.к. при попытке зарядить аккумулятор до напряжения выше допустимого, он начинает сильно нагреваться. У PTC в таком случае резко возрастет сопротивление и ток заряда уменьшится почти до нуля.

Вроде бы классная вещь, но почему-то PTC в цилиндрических li-ion аккумуляторах встречается довольно редко.

Дело в сопротивлении. Первоначально применять PTC начали в li-ion аккумуляторах с химией ICR. Они имели довольно высокое по сегодняшним меркам внутреннее сопротивление – 30-40 мОм и выше, и максимальный рабочий ток всего несколько Ампер. PTC прокладка имеет сопротивление обычно 10-20 мОм и выдерживает ток без существенного нагрева несколько Ампер.

Но современные li-ion аккумуляторы имеют внутреннее сопротивление гораздо ниже и рабочие токи в разы больше. Даже для низкотоковых аккумуляторов 18650 обычные параметры сейчас - это сопротивление 20-30 мОм и рабочий ток до 8-10 Ампер. В этом случае добавочные 10-20 мОм сопротивления PTC уже довольно сильно портят картину и рабочий ток PTC в 2-3 раза меньше рабочего тока самого аккумулятора. В общем, параметры li-ion значительно улучшились, и PTC за ними просто не успевает.

Сейчас PTC прокладки встречаются обычно только в ICR аккумуляторах довольно старых моделей, например, Samsung ICR18650-26J (2600 mAh, 5.2 A), Samsung ICR18650-30A (3000 mAh, 5.9 A). У этих моделей очень низкий максимальный ток и высокое сопротивление, поэтому использование PTC в них оправданно.

Защита последнего шанса. Когда БА-БАХ все же неизбежен

Иногда встречается еще такое решение в дополнение к защитному клапану. На минусовом контакте ячейки делается кольцевое уменьшение толщины металла. Суть в том, что при высоком давлении разрушение корпуса ячейки происходит в этом месте при меньшем, чем если бы этого «кольца» не было, давлении (контролируемое разрушение). Будет БАХ, но не такой сильный. Скорее всего даже что-то вроде ЧПОК - ПШШШШШ.

Разрушение корпуса в районе такого «кольца» происходит при давлении примерно 2.5 МПа.

Некоторые производители делают такое «кольцо» с внутренней стороны ячейки, то есть наизнанку. В таком случае оно выглядит вот так.

Кстати, такое же локальное уменьшение толщины металла всегда присутствует и на плюсовом контакте. Если внимательно заглянуть под плюсовой контакт аккумулятора, то можно увидеть или линейные насечки или круговые. В этом месте разрушение металла происходит при немного меньшем давлении, 2.2 – 2.3 МПа.

Такая технология минимизирует последствия от внутреннего КЗ и других ситуаций, когда повышение давлении внутри ячейки не удается остановить.

Не забывайте, что защитный клапан на плюсе (CID) и локальные насечки/кольцо – это ��защита последнего шанса». Ее назначение спасти оборудование и/или минимизировать негативные последствия разрушения ячейки. Полагаться исключительно на нее определенно не стоит.

Защищенные (protected) аккумуляторы

Li-ion аккумуляторы с защитой дополнительно оснащаются небольшой электронной платой, которая обеспечивает отключение аккумулятора в некоторых опасных ситуациях.

• Не дает заряжать аккумулятор до напряжения выше допустимого

• Не дает разряжать аккумулятор до напряжения ниже допустимого

• Отключает аккумулятор при токе нагрузки выше допустимого

• Отключает аккумулятор при зарядке током выше допустимого (чаще всего бесполезная функция)

• Отключает аккумулятор при внешнем коротком замыкании

При наступлении одного из этих событий плата защиты отключает аккумулятор либо от зарядного устройства, либо от внешнего устройства.

Конструкция платы защиты

Чаще всего плата защиты устанавливается на минусовом контакте аккумулятора, но иногда (очень редко) встречаются аккумуляторы с платой на плюсовом контакте. Для обычного пользователя оба этих варианта ничем не отличаются.

В большинстве плат защиты цилиндрических li-ion аккумуляторов используется микросхема DW01 (реже DW03, DW06 и другие) разных модификаций и разных производителей. Стоит она копейки, обвязки требует минимальной. Дешево и сердито. Минусы тоже есть, но они чаще всего не критичные.

На схеме многие не нашли токоизмерительного резистора. Как же микросхема измеряет протекающий ток? DW01 измеряет протекающий ток по падению напряжения на транзисторах.  Да, точность такого метода не очень высокая, но высокая точность измерения тока и не требуется в данном случае. Зато имеем уменьшение размеров и удешевление.

Установка плата защиты несколько увеличивает длину аккумулятора. Если стандартная (незащищенная) ячейка формата 18650 имеет длину 65 мм, то плата защиты и выпуклый плюсовой контакт дополнительно увеличивают его длину на 4-5 мм. Поэтому защищенный аккумулятор немного длиннее обычного, его длина примерно 70 мм. Диаметр защищенной ячейки тоже немного больше, примерно 18,5 – 18,9 мм вместо стандартных 18мм.

Этот фактор нужно обязательно учитывать. В некоторые устройства, рассчитанные под стандартные незащищенные ячейки, защищенный аккумулятор может не подойти по размерам.

НИКОГДА не измеряйте длину аккумулятора металлическим штангенциркулем!!! В крайнем случае на его губки наклейте полоску скотча.

В продаже можно встретить аккумуляторы с платой защиты двух видов. У первого минусовой контакт – металлический диск. А у второго – такого усиления печатной платы нет, там просто довольно тонкий медный слой. У таких плат при частом активном использовании часто проводящий слой протирается контактами зарядки или самого устройства.

Защищенные аккумуляторы с металлическим диском на плате в этом отношении гораздо надежнее.

Параметры защиты

В технических характеристиках микросхемы DW01 токовые характеристики (величина тока срабатывания защиты по перегрузке и короткому замыканию) даны в виде величины падения напряжения на сборке транзисторов. Зная сопротивление сборки транзисторов, можно посчитать величину тока, при котором сработает защита. Кроме этого, включая параллельно две или три таких сборки можно соответственно увеличивать значение тока срабатывания.

Защита от перезаряда

Li-ion аккумуляторы обычно можно заряжать до напряжения 4,2 Вольта. У некоторых моделей это напряжение может быть выше – от 4,25 до 4,35 Вольт. Но это буквально единичные модели, поэтому считайте, что 4,2 Вольт – это стандарт.

Если зарядное устройство не прекратит заряд аккумулятора на напряжении 4,2 Вольта и продолжит зарядку дальше, то напряжение на аккумуляторе будет расти 4,2 В … 4,3 В … 4,4 В и т.д. Возникнет перезаряд аккумулятора, что для него очень вредно. При систематическом перезаряде характеристики аккумулятора будут сильно ухудшаться и срок жизни его уменьшится.

Чтобы не допустить сильный перезаряд аккумулятора при неисправности зарядного устройства, плата защиты отключает цепь заряда при превышении напряжения на аккумуляторе выше допустимого. Чаще всего плата защиты срабатывает при напряжении в районе 4,3 Вольта. При этом отключается только цепь заряда внутри платы защиты, а цепь разряда остается включенной, т.е. аккумулятор можно будет вставить в устройство и включить в работу.

Защита от перезаряда автоматически сбрасывается, когда напряжение на аккумуляторе снизится. Чаще всего уставка сброса в районе 4,1 Вольт.

Защита от переразряда

Разряжать современные li-ion аккумуляторы можно вполне безопасно и без вреда для аккумулятора до напряжения 2,5 Вольт. Отдельные модели имеют нижний порог даже ниже, а отдельные чуть выше. Но чаще всего это стандартные 2,5 Вольт.

Если в устройство не прекратит разряд аккумулятора, то он будет разряжаться дальше и напряжение будет снижаться ниже допустимого. В таком случае происходит необратимая деградации химии аккумулятора и очень сильно ухудшаются его характеристики.

В технической документации на аккумуляторы многие производители даже запрещают заряжать и пользоваться аккумулятором, если он был разряжен до напряжения ниже 1.0 В. Если напряжение на аккумуляторе выше 1 Вольта, то начальный этап заряда в этом случае необходимо произвести меньшим током (режим precharge), а когда напряжение на аккумуляторе поднимется до 2,5-3,0 Вольт, то ток заряда уже можно увеличить. Помните об этом, когда хотите зарядить сильно разряженные аккумуляторы. Далеко не все зарядные устройства делают это правильно.

Чтобы не допустить сильного разряда плата защиты отключает цепь разряда, когда напряжение на аккумуляторе снижается ниже уставки. Тем самым, не давая устройству еще сильнее разрядить аккумулятор. Чаще всего уставка защиты от переразряда по напряжению от 2,3 до 2,5 Вольт.

Многие негодуют, почему у плат защиты уставка по напряжению не совпадает с 2,5 и 4,2 Вольт. Лучше, чтобы было 4,2 В по верху, а по низу 2,9 или 3,0 Вольт, мол так аккумулятор проживет дольше. Дело в том, что плата защиты – это защита от внештатных ситуаций, а в обычной работе за напряжениями следит зарядное устройство и электроника девайса, в котором установлен аккумулятор.

Например, если у вас какой-то совсем простой фонарик, в котором из электроники только светодиод и токоограничивающий резистор, то разряд аккумулятора до напряжения срабатывания платы защиты 2,3 Вольт – это проблема фонаря, а не платы защиты. Плата защиты свою функцию выполнила – не дала аккумулятору разрядиться в ноль. Но стоит отметить, что сейчас большинство даже совсем дешевых устройств прекращают работу при снижении напряжения до примерно 3,0 Вольт, не доводя ситуацию до срабатывания платы защиты.

Защита от перегрузки по току

Если устройство будет потреблять очень большой ток, то аккумулятор, как минимум, будет очень сильно нагреваться. Нагрев выше +50 … +60 градусов чаще всего не идет li-ion аккумуляторам на пользу и ухудшает их характеристики. Исключение - высокотоковые li-ion аккумуляторы, они вполне нормально переносят нагрев до +70 … +80 градусов.

Защита от перегрузки как раз и нужна, чтобы не допустить работу аккумулятора с токами, выше допустимых. Для разных моделей плат защиты уставка срабатывания бывает от 2-3 до 5-6 Ампер и даже выше. Бывают платы защиты с током срабатывания 10-15 Ампер, но это буквально единичные модели. Время срабатывания защиты от перегрузки обычно до 20-50 миллисекунд.

При срабатывании защиты от перегрузки отключается цепь разряда на плате защиты.

Защита от короткого замыкания

Защита от короткого замыкания работает примерно также, как и защита от перегрузки. Разница только в величине тока и времени срабатывания. Защита срабатывает при токах в 5-10 раз выше, чем ток перегрузки и срабатывает она почти мгновенно. Время срабатывания – не более нескольких десятков микросекунд.

Защита от перегрева - почему ее нет?

Сам собой напрашивается вопрос – почему в платах защиты нет термозащиты, т.е. защиты от перегрева аккумулятора. Она идеально вписывается в схему защиты аккумулятора и дополняет/дублирует другие виды защит. Тут дело в том, что дополнительный термистор (NTC/PTC) просто некуда разместить на плате. Добавление этой функции в микросхему приведет к ее удорожанию и, возможно, потребуется еще пара SMD деталей, для которых тоже нет места.

На самом деле существуют микросхемы защиты одиночных li-ion ячеек, которые поддерживают внешний термистор. Например, у TI есть несколько таких решений. Но они обычно используются в батареях, где от аккумулятора отходят провода с разъемом для подключения. Там места для платы и компонентов больше.

Когда нужно/можно/нельзя использовать защищенный li-ion аккумулятор

На первый взгляд кажется, что защищенный аккумулятор всем лучше, чем незащищенный, и лучше всего использовать именно аккумуляторы с платой защиты. Но не все так просто. В некоторых устройствах использовать защищенные li-ion аккумуляторы нельзя.

Проблемы вытекают в первую очередь из-за дополнительного сопротивления элементов платы защиты аккумулятора, которые увеличивают внутреннее сопротивление защищенной ячейки. Это и дополнительное падение напряжения под высокой нагрузкой, и более сильный нагрев платы защиты.

Поэтому применение защищенных ячеек невозможно в мощных устройствах. Например, батареи аккумуляторного электроинструмента. В них довольно большие токи, пару десятков Ампер с каждой ячейки запросто, а иногда и больше. Платы защиты могут работать только на гораздо меньших токах нагрузки.

Защищенные аккумуляторы нельзя использовать в сборках (батареях) из нескольких ячеек. Это, например, батареи ноутбуков, электровелосипедов, электросамокатов и другие аналогичные. В таких батареях недопустимо срабатывание защиты и отключение отдельной ячейки по каким-либо параметрам. За безопасностью и состоянием всех ячеек в этом случае следит отдельная микросхема, а то и целый микроконтроллер, который и обеспечивает функции защиты, полностью отключая всю сборку при необходимости.

Также защищенные аккумуляторы стараются не использовать в устройствах, отключение которых может привезти к очень т��желым последствиям. Так, например, в подводных фонарях (дайвинг, подводная охота) используют только незащищенные ячейки. Если на глубине вдруг сработает защита одной из ячеек, то фонарь погаснет. В некоторых случаях, это будет иметь фатальные последствия.

Одним словом, защищенные аккумуляторы предназначены для использования в обычных бытовых устройствах на один или несколько (2-3) аккумуляторов. Это фонарики, bluetooth-колонки с питанием от аккумулятора, беспроводные дверные видеозвонки, разные детские игрушки с питанием от li-ion аккумуляторов и так далее. Дополнительная плата защиты, установленная в таких аккумуляторах, делает их применение более безопасным.

От себя добавлю, что те, кто часто пользуется li-ion аккумуляторами, предпочитают именно незащищенные ячейки. Они более универсальны и надежны при правильном использовании. Но если опыта мало, то лучше выбирайте аккумуляторы с надписью PROTECTED.

С уважением, команда 18650pro.ru