Batteriskolan Del 2 – Laddning

Laddning av batterier

Laddning av de olika batterityperna görs enklast och säkrast med de laddare som normalt följer med den utrustning som innehåller batterierna. Om du måste välja eller rekommendera en laddare för ett batterisystem är det oftast följande kriterier som gäller vid val av laddningssystem:

  • Önskad tid för uppladdning av batterierna, behövs kortast möjliga tid eller räcker det med normala 12-24 timmar?
  • Cyklisk drift eller stand-by/parallelldrift?
  • Ekonomi, hur mycket får laddaren kosta?
  • Laddning från elnätet eller från annan kraftkälla, till exempel fordon, eller båda delarna?
  • Möjligheter till övervakning och larm vid driftstörningar.
  • De olika kemiska systemen har helt skilda system och principer för laddningen. Laddare för exempelvis blybatterier kan inte användas för NiMH, eftersom batterierna kan förstöras. Det är dessutom en säkerhetsfråga, då skilda system kan orsaka brand eller explosion.

Blybatterier laddas med en konstant spänning, eventuellt i flera steg på mera avancerade laddare. Ett slutet 12V batteri kan till exempel laddas upp med 14,4V under en begränsad tid (bulkfasen), oftast runt 5-8 timmar, därefter går laddaren över till 13,65-13,8V (utjämnings eller underhållsfasen) eller kopplas bort för att förhindra överladdning, gasning och förlust av elektrolyt. Övergången kan vara timerstyrd eller styrd av att laddströmmen kommit ner till ett visst värde. Ofta används det sistnämnda och med timern som säkerhetsåtgärd.

Samma batterityp kan även vara konstant inkopplat på laddaren (stand-by drift, parallelldrift) Laddaren ska då vara inställd på 13,65-13,8V. Alla spänningar ovan gäller vid 20° C, vid avvikande temperaturer mer än +/- 5° justeras spänningen, oftast med 3-5mV/°C och cell. Batteritillverkarens rekommendationer ska alltid följas.

Vid urladdade batterier kan strömmen initialt gå upp till ganska höga värden, laddaren måste därför ha en begränsning som normalt ska vara max 0,3C, det vill säga en tredjedel av batteriets nominella kapacitet. 

Här gäller omvänt mot bly att laddning sker med konstant ström, spänningen kommer att anpassa sig efter antal celler i batteriet. Du kan räkna med att spänningen kommer att ligga runt 1,5-1,6V per cell mot slutet av laddningen.

Hur hög ström du laddar med beror på hur snabbt du vill ladda upp batteriet. Normal laddning (14-16 tim) görs med C/10, t.ex 70 mA på ett 700 mAh batteri.

Ofta vill du ladda upp batteriet ganska snabbt, ända ner till 15-30 minuter förekommer vid till exempel elverktygsbatterier. Då måste förloppet övervakas på ett eller flera sätt:

  • Delta V-laddning (Δv) innebär att laddaren mäter och övervakar spänningen över batteriet. Spänningen stiger under laddning för att när batteriet är fulladdat plana ut och sjunka något (5-25mV/cell). Detta känner laddaren av, och avbryter då laddningen, alternativt övergår till en låg laddström (underhållsladdning).
  • Temperaturmätning direkt på cellerna. När batteriet är fulladdat har temperaturen stigit till runt 45°C, varvid laddaren slår ifrån.
  • Reflexprincipen: Laddning med relativt hög ström, därefter paus, kort urladdningspuls, mätning av spänning, ny laddning osv. Förloppet repeteras fortlöpande, laddprincipen kombineras med Delta V-avkänning, används bland annat vid snabbladdning.
  • Timer i laddaren. Du kan räkna ut hur lång tid det tar för att ladda en viss cell med en viss ström. Laddstatus (SOC) måste vara känd innan laddningen startas, eftersom cellerna kan vara helt eller endast delvis urladdade.
  • Vi tar ett exempel: Batteriet är på 1,7Ah och vi har en laddare som kan lämna 1A. Laddfaktorn vid NiCd/NiMH är c:a 1,4. Det går åt 1,7 timmar för att fylla upp batteriet med 1A, detta multiplicerat med laddfaktorn 1,4 blir 2,38 timmar eller c:a 2 timmar och 23 minuter. Timern ska slå ifrån laddningen efter denna tid. OBS att detta förutsätter att batteriet är helt tomt innan laddningen påbörjas.
  • Ofta används flera övervakningssätt samtidigt, exempelvis ΔV-laddning i kombination med temperaturmätning eller säkerhetstimer.

Det är vanligt att ytterligare skydd byggs in i batteriet för att bryta kretsen om något fel uppstår i laddaren eller batteriet, exempelvis temperatursäkringar eller Polyswitch (PTC kortslutningsskydd).

Dessa påminner om blybattericeller när det gäller laddningen. Spänningen vid laddning är mycket noga specificerad för att upprätthålla säkerhet och batterilivslängd. Nominell cellspänning är 3,6-3,7V och du laddar med 4,20V +/- 0,05V. Laddströmmen är också specificerad och övervakad, i synnerhet i början av laddning av ett helt urladdat batteri (ner till runt 2,5V/cell). Du kan ladda upp ett Li-Ion batteri till c:a 90 procent på 2-3 timmar, men de sista 5-10 procenten av kapaciteten tar ytterligare c:a 2 timmar. 

Litium-Järnfosfat kallas även Litium-Jon Järnfosfat eller Li-Fe. Det är en variant av vanliga Litium-Jon celler som oftast har större strömkapacitet och som har andra spänningsgränser.

Nominell cellspänning för dessa är 3,2V och laddspänningen är 3,65V. Laddning kan ske med förhållandevis hög ström och därmed även på kort tid.

Alla Li-Jon/Li-Pol samt LiFe batterier har en påbyggd aktiv elektronikkrets som sörjer för säkerheten, om exempelvis yttre omständigheter eller laddare skulle gå utanför specifikationerna eller om celltemperaturen är onormal. Normalt övervakas spänningsgränserna för laddning och urladdning samt maxström. Även balansering av spänningarna internt mellan celler i serie justeras och övervakas ofta.

Cellbalansering kan ske passivt då du helt enkelt avbryter eller sänker laddströmmen tillfälligt och lägger på en liten belastning på den/de celler som har högsta spänningsnivån. Balansering kan även ske aktivt då du låter de celler som har högre spänning ladda de som har lägre. Denna teknik gör att batteriet uppnår full laddning och balans snabbare.

Försök aldrig ladda eller urladda lösa Li-Jon celler utan övervaknings- eller balanseringskretsar, då det är stor risk för explosion eller brand. Tillverkarens specifikationer ska alltid kontrolleras och följas vid val av laddare. 

Knep och tips

NiCd och NiMH-batterier – inte full kapacitet

Nya NiCd och NiMH-batterier, eller sådana som legat en tid på lager, ger inte full kapacitet efter första laddningen. De är också oftast mer eller mindre urladdade när de säljs (gäller ej NiMH-celler av Low Self Discharge typ, LSD-celler). Detta beror inte på kvalitetsproblem, utan ligger i batterikemins ”natur”. Detta missförstås ibland, och kunden återvänder till återförsäljaren för att reklamera sitt batteri.

Så här gör du för att få igång batteriet på bästa och snabbaste sätt:
  • Ladda första gången minst 16-24 timmar, även om laddaren visar ”fulladdat” efter kortare tid. 
  • Använd batteriet tills det är tomt och apparaten slår ifrån. 
  • Gör nu en ny uppladdning enligt laddarens bruksanvisning. Efter 2-4 gånger ska batteriet ge full kapacitet med bästa livslängd.
Ladda inte ur batteriet för bra

Många känner till att batteriet ska urladdas (NiCd och till viss del även NiMH) innan det laddas upp igen, men inte sällan laddar många ur ”för bra”. Du ska ladda ur till c:a 1V/cell, t.ex 4V för ett 4-cellsbatteri som nominellt är på 4,8V. Därefter måste belastningen tas bort, enklast gör du urladdningen med exempelvis telefonen eller utrustningen som används, alternativt med en laddare med urladdningsfunktion. Om du däremot lägger på en belastning i form av lampa eller motstånd, och glömmer bort denna så förstör du batteriet.

Bly och litium-jon – undvik urladdning

Bly och litium-jon behöver inte och ska inte urladdas i onödan, detta gäller i synnerhet djupa urladdningar. Ett blybatteri förstörs (sulfatering på plattorna) relativt snabbt om det lämnas urladdat. Dessa batterityper kan med fördel laddas upp innan de är helt tömda, till skillnad från NiCd/NiMH. De bör inte lämnas med laddaren ansluten onödigt lång tid efter full laddning med undantag för de blybatterier som är särskilt avsedda för stand-by drift.

Batteriet verkar ”dött”

Skyddskretsen i Litium-Jon batterierna förhindrar bland annat djupurladdning, men om du ändå har ”gått över gränsen” så kommer laddaren att försöka ladda upp batteriet igen, men det tar längre tid än normalt. Ibland missförstås detta, batteriet verkar ”dött”. Observera att detta inte har med laddarens kapacitet att göra, utan skyddskretsen inuti batteriet har bara gjort sitt jobb.

Laddnivå ”SoC” vid lagring av batterier

Ny regler sedan april 2016 för transportering av Litium-Jon/LiFe celler och batterier innebär att dessa har max 30% SoC (State of Charge) vid leverans. Det innebär lagringstiden innan de tas i bruk måste begränsas, alternativt måste man ta fram och ladda upp batterierna t.ex senast var 6:e månad. Bästa möjliga livslängd uppnås om batterierna har ungefär 50% SoC, så när du vill lagra ett Li-Jon/LiFe system under längre tid, 6 månader eller mera, bör du därför se till att du har runt 50-60% SoC innan du lägger undan batteriet.

Vid full laddning, 90-100% SoC ökar åldringen vid längre lagring och man bör därför endast ladda fullt när batterierna används hela tiden.

Observera transportreglerna för Li-Jonbatterier om eller när dessa skall sändas vidare.

Andra faktorer som påverkar hur länge batteriet kan ligga i lager är egenförbrukningen i skyddskretsar, BMS eller applikationen som batteriet är monterat i, rådgör gärna med Celltech om du är osäker.

Öka batteriets livslängd

Under drift och användning vill du givetvis få ut så mycket som möjligt av batteriets kapacitet och laddar därför oftast upp systemet respektive laddar ur till gränsvärdena. Dock kan du räkna med att den totala livslängden för ett batterisystem blir längre om du inte utnyttjar hela kapaciteten vid varje arbetscykel. I en del sammanhang och vid större och dyrare system har man oftast avancerad styrning av laddnings- och urladdningsnivå. Ofta dimensioneras systemet upp till viss överkapacitet och nyttjar därefter området mellan till exempel 20 och 80 procent av batteriets totalkapacitet (60 procent DoD, Depth of Discharge) och ett visst system kan då kanske uppnå runt 8000 cykler, medan 80 procent DOD med samma batteri kanske ger runt 1500 cykler.

Laddningsstatus (SOC) för bly eller Li-Jon batterier

Genom spänningsmätning kan du grovt fastställa laddningsstatus för ett blybatteri. Gäller för 6V och 12V batterier vid 20° C, och batteriet ska ha stått i vila under minst tre timmar efter laddning eller användning.

6V-batteri 12V-batteri SoC
5,96V 11,92 V 0%
6,00V 12,00 V 10%
6,04V 12,08 V 20%
6,08V 12,16 V 30%
6,12V 12,24 V 40%
6,16V 12,32 V 50%
6,24V 12,48 V 70%
6,28V 12,56 V 80%
6,32V 12,64 V 90%
6,36V 12,72 V 100%

Laddningsstatus för Litium-Jon celler (3,6-3,7V nominell cellspänning) kan fastställas på motsvarande sätt. Observera att de olika delkemierna för Litiumceller ger något olika mätvärden, rådgör alltid med Celltech för din aktuella applikation.

Per cell Per batteri med 2 celler Per batteri med 4 celler SoC
3,0-3,3V 6,0-6,6V 12,0-13,2V <20%
3.3-3,5V 6,6-7,0V 13,2-14,0V 20-30%
3,5-3,8V 7,0-7,6V 17,0-15,2V 30-50%
3,8-4,1V 7,6-8,2V 15,2-16,4V 50-80%
4,1-4,2V 8,2-8,4V 16,4-16,8V 100%