Основные методы восстановления литий-ионых аккумуляторов

Несмотря на все преимущества Li-ion аккумуляторов, у них остаются «слабые места». Прежде всего, это чувствительность к перезаряду и глубокому разряду. BMS плата защищает элементы питания от таких состояний: при напряжении выше 4,2 В на 1 ячейку она отключает АКБ от зарядного устройства, а при его падении ниже 2,5 В – отключает ее от нагрузки.

Разряженные аккумуляторы нуждаются в подзарядке, и чем раньше она произойдет, тем лучше. Если же севшие Li-ion элементы будут долго храниться без подзарядки, из-за саморазряда произойдет критическое снижение их напряжения. Уровень саморазряда у литиевых батарей небольшой – около 5% в месяц, поэтому несколько дней без зарядки для них не критичны. Но при более длительном хранении с низким уровнем заряда напряжение может оказаться менее 2 В на элемент.

При таком глубоком разряде в структуре элементов питания происходят необратимые химические изменения, и в целях безопасности плата защиты не допускает зарядки аккумулятора. Такие АКБ восстановлению не подлежат и должны быть утилизированы или отправлены на переработку.

В каких случаях возможно восстановление АКБ?

Восстановление литий-ионных аккумуляторов и батарей возможно в 3 случаях:

1. Если они разряжены до уровня ≈2,5 В на элемент, и сработала блокировка платы защиты. Можно попробовать зарядить АКБ с «толчком» – первичным зарядом до 3,1 В. Но при разряде глубже 2 В на 1 ячейку восстанавливать Li-ion аккумуляторы уже поздно.
2. Если литиевый аккумулятор разрядился на морозе. При отрицательных температурах замедляется протекание химических процессов, поэтому емкость АКБ временно снижается, наблюдаются просадки напряжения, уменьшается токоотдача. Сокращается и время автономной работы – АКБ быстро разряжается и кажется неисправной. Но при попадании в комфортные температурные условия и постепенном прогреве до плюсовых температур она снова становится работоспособной.
3. Если вышла из строя аккумуляторная батарея, еще не отработавшая свой ресурс (≈1000 циклов). Возможно, в ее составе оказались элементы с разной степенью работоспособности, и некоторые из них пришли в негодность. В таком случае для восстановления емкости литий-ионной батареи нужно заменить «слабые звенья». Для этого замеряют рабочие параметры каждой ячейки, и неисправные элементы заменяют новыми.

Когда восстановление невозможно?

Если же элементы питания старые, уже выработали свой ресурс, вздулись, имеют признаки повреждений или другие дефекты, восстановить их не удастся. Если элемент в обрыве или замкнут, его восстановление также невозможно, а в случае внутреннего КЗ – еще и опасно.

Даже при четком соблюдении условий хранения Li-ion аккумуляторы подвержены «старению». Постепенно у них происходит химическая деградация – замедленное протекание тока, рост дендритов, плавное снижение начального запаса емкости – до 5% в год. Если же АКБ используются в жестких условиях, на жаре или на морозе, с частыми разрядами «в ноль» и быстрыми подзарядками высокими токами, их естественный износ ускоряется.

Как работает плата защиты?

Контроллер или плата защиты – это специальная электронная схема, которая не допускает перезаряда АКБ и ее критического разряда. Обычно она представляет собой 2-пороговый компаратор DW01-P с парой мощных полевых MOSFET транзисторов. Такими схемами оснащают литиевые аккумуляторы всех форм и типоразмеров.

Как только напряжение падает ниже установленного минимального порога (2,4 или 2,5 В), компаратор закрывает транзистор, отключая элемент питания от нагрузки. Поскольку 2-й транзистор остается открытым, зарядить элемент питания можно. Но «умные» зарядники часто отказываются заряжать такие аккумы, считая этот процесс небезопасным.

Как только напряжение превысит нижний порог, 1-й транзистор тоже откроется. Когда напряжение достигнет верхнего порога в 4,2 В, компаратор закроет 2-й транзистор, не допуская перезаряда аккумулятора. В некоторых платах защиты дополнительно есть вход с подключенным датчиком температуры. Если элемент нагревается до установленного предела (42–45 °С), микросхема закрывает транзисторы и открывает их только тогда, когда температура нормализуется.

Как восстановить Li-ion аккумуляторы?

Рассмотрим ситуацию, когда аккумулятор сильно разрядился, и плата защиты не допускает его дальнейшей зарядки. Сразу уточним, что после глубокого разряда полноценное восстановление Li-ion аккумулятора невозможно. Его можно «оживить», но со значительным снижением исходных характеристик (которые были у этого элемента питания до его погружения в глубокий разряд).

Многие АКБ для телефонов, шуруповертов и других устройств используют «умные» схемы контроля. При отсутствии напряжения на контактах аккумулятора они не начинают подзарядку, хотя технически она возможна. Эта функция обоснована с точки зрения безопасности, т.к. выходное напряжение может отсутствовать не только при глубоком разряде. Такие же симптомы наблюдаются при внутреннем КЗ и других неисправностях источников тока. Если же поставить аккумулятор с КЗ заряжаться, это приведет к его перегреву, вздутию или даже возгоранию.

Как «толкнуть» аккумулятор?

Чтобы обмануть «умный» контроллер и зарядить глубоко разряженный аккумулятор, нужно создать на выходных клеммах хоть небольшое напряжение. Для этого обычно используют самодельное ЗУ. Для его изготовления используют:

• 5-вольтовый сетевой зарядник с USB разъемом (от любого мобильника);
• токоограничивающий резистор с сопротивлением 62 Ом;
• кабель с вилкой USB А.

Чтобы зарядка была безопасной, используют небольшой ток (50 мА) и прибор мощностью 0,5–1 Вт. Из 4-х проводов USB кабеля оставляют черный и красный. Затем с помощью паяльника собирают схему ЗУ, не реагирующего на отсутствие напряжения на клеммах. Провода фиксируют на клеммах аккумулятора скотчем, изолентой или маленькими магнитами.

При подключении к сети начинается зарядка аккумулятора. При этом важно контролировать его температуру и напряжение. Если источник тока исправен, уже через несколько минут он зарядится до 3–3,2 В. После этого можно продолжить зарядку «умным» зарядником. Но если аккум нагрелся, это говорит о его неисправности и непригодности к эксплуатации.

Альтернативный вариант

Вместо самодельной схемы ЗУ можно воспользоваться универсальным зарядником. Например, модель iMAX B6 предназначена для моделей Li-ion, Li-Pol, LiFePO4, Ni-Cd, Ni-MH. Чтобы «толкнуть» севший Li-ion аккумулятор, нужно выбрать программу зарядки для Ni-MH элементов и кратковременно выполнить подзарядку малым током.

Ранее в блоге VirtusTec вышла статья о влиянии мороза на литий-полимерные элементы питания.