Laddning av batterier

Laddning av batterier. Ström/spänning, övriga parametrar

© Celltech AB 2012-11-20

Laddning av de olika batterityperna görs enklast och säkrast med de laddare som normalt följer med den utrustning som innehåller batterierna.

Ibland kanske man måste välja eller rekommendera en laddare för något batterisystem.
De kriterier som gäller vid val av laddningssystem är oftast:
  • 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 spänningskälla, t.ex fordon, eller båda delarna?
  • Möjligheter till övervakning och larm vid driftstörningar
De olika kemiska systemen har helt skilda system och principer för laddningen, och laddare för t.ex. blybatterier kan inte användas för NiMH osv. Förutom att batterierna kan förstöras är det en säkerhetsrisk, t.ex risk för brand eller explosion.

Blybatterier

Dessa laddas med en konstant spänning, ev. i flera steg på mera avancerade laddare. Ett slutet 12V batteri kan t.ex 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 skall 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 skall alltid följas.

Vid urladdade batterier kan strömmen initalt gå upp till ganska höga värden, laddaren måste därför ha en begränsning som normalt skall vara ställd på max 0,3C dvs en tredjedel av batteriets nominella kapacitet.

NiCD och NiMH batterier

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

Hur hög ström man laddar med beror på hur snabbt man vill ladda upp batteriet. Normal laddning (14-16 tim) görs med C/10, t.ex 70 mA på ett 700 mAh batteri.
Ofta vill man ladda upp batteriet ganska snabbt, ända ner till 15-30 minuter förekommer vid t.ex 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, alt. 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 bl.a vid snabbladdning.
  • Timer i laddaren. Man kan räkna ut hur lång tid som åtgår för att ladda en viss cell med en viss ström. Laddstatus (SOC) måste vara känd innan laddningen startas, cellerna kan ju 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 tim för att fylla upp batteriet med 1A, detta multiplicerat med laddfaktorn 1,4 blir 2,38 tim eller c:a 2 tim och 23 min. Timern skall slå ifrån laddningen efter denna tid.
    OBS att detta förutsätter att batteriet är helt tomt innan laddningen påbörjas.

    Man använder ofta flera övervakningssätt samtidigt, t.ex Δv-laddning i kombination med temp. mätning eller säkerhetstimer.

    Ofta bygger man in något ytterliggare skydd i batteriet för att bryta kretsen om något fel uppstår i laddaren eller batteriet, temperatursäkringar, Polyswitch ( PTC kortslutningsskydd) osv .

    Litium-Jon (Li-Ion) och Litium-Jon Polymer (Li-Pol) batterier Dessa påminner om blybatterier -celler när det gäller laddningen. Spänningen vid laddning är mycket noga specificerad för att upprätthålla säkerhet och batterilivslängd.
    Nominell cellspänning är 3,7V och man laddar med 4,20V +/- 0,05V. Laddströmmen är också specificerad och övervakad, i synnerhet i början av laddning av ett helt urladdat batteri. Man kan ladda upp ett Li-Ion batteri till c:a 90% på 2-3 tim, men de sista 5-10% av kapaciteten tar ytterligare c:a 2 timmar.

    Litium-Järnfosfat

    (kallas även Litium-Jon Järnfosfat eller Li-Fe) är en variant av vanliga Litium-Jon celler som oftast har större strömkapacitet och andra spänningsgränser. Nominell cellspänning för dessa är 3,2V och laddspänningen är 3,65V. Laddning kan ske med förhållande vis hög ström och därmed även på kort tid

    Alla Li-Ion/Li-Pol samt LiFe batterier har en påbyggd aktiv elektronikkrets som sörjer för säkerheten, t.ex om yttre omständigheter, laddare osv skulle gå utanför specifikationerna eller om celltemperaturen är onormal. Normalt övervakas spänningsgränserna för laddning och urladdning samt max ström. Även balansering av spänningarna internt mellan celler i serie övervakas ofta.
    Cellbalansering kan ske passivt då man helt enkelt avbryter eller sänker laddströmmen tillfälligt och lägger på en liten belastning på den/de celler som har högsta spänningsnivån. Balansering även ske aktivt då man låter de celler som har högre spänning ladda de som har lägre osv, denna teknik gör att batteriet uppnår full laddning snabbare.
    Försök aldrig ladda eller urladda lösa Li-Ion celler utan övervaknings eller balanseringskretsar, stor risk för explosion eller brand. Tillverkarens specifikationer skall alltid kontrolleras och följas vid val av laddare.

    Knep och tips

    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 man köper dem (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 går tillbaka till köpstället för att reklamera sitt batteri. Så här gör man för att få igång batteriet på bästa och snabbaste sätt:

    Ladda första gången minst 16-24 tim, även om laddaren visar ”fulladdat” efter kortare tid. Använd batteriet tills det är tomt, apparaten slår ifrån osv. Gör nu en ny uppladdning enl. laddarens bruksanvisning, efter 2-4 gånger skall batteriet ge full kapacitet och man får bästa livslängd.

    Många känner till att man skall urladda batteriet (NiCd och till viss del även NiMH) innan man laddar upp igen, men inte sällan laddar man ur ”för bra”. Man skall 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 man urladdningen med t.ex telefonen eller utrustningen som används, alternativt med en laddare med urladdningsfunktion. Om man däremot lägger på en belastning i form av lampa eller motstånd, och glömmer bort denna så förstör man batteriet.

    Bly och litium-jon behöver inte och skall inte urladdas i onödan, 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.

    Skyddskretsen i Litium-Jon batterierna förhindrar bl.a. djupurladdning men om man 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.

    Litium-Jon/LiFe celler och batterier levereras och lagerförs normalt med ca 50% SOC (State of Charge). Man uppnår då bästa möjliga livslängd och cellerna degraderas mycket lite internt rent kemiskt. Om man vill lagra ett Li-Ion/LiFe system under längre tid, 3-6 månader eller mera bör man därför se till att man har runt 50-60% SOC innan man lägger undan batteriet.

    Under drift och användning vill man givetvis få ut så mycket som möjligt av batteriets kapacitet och laddar därför oftast upp systemet respektive laddar ur till gränsvärdena.
    Dock kan man räkna med att den totala livslängden för ett batterisystem blir länge om man 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. Man dimensionerar upp systemet till viss överkapacitet och nyttjar därefter området mellan t.ex 20 och 80% av batteriets totalkapacitet (60% DOD, Depth Of Charge) och kan då uppnå runt 8000 cykler, medan 80% DOD med samma batteri kanske ger runt 1500 cykler.

    Laddningsstatus (SOC) för bly eller Li-Jon batterier

    Genom spänningsmätning kan man grovt fastställa laddningsstatus för ett blybatteri.

    Gäller för 12V (6 celler) batterier vid 20° C, batteriet skall ha stått i vila under minst tre timmar efter laddning. Dela respektive multiplicera upp spänningsvärdena för annat antal celler.

    11,92 V 0%
    12,00 V 10%
    12,08 V 20%
    12,16 V 30%
    12,24 V 40%
    12,32 V 50%
    12,40 V 60%
    12,48 V 70%
    12,56 V 80%
    12,64 V 90%

    12,72 V 100%

    Laddningsstatus för Litium-Jon celler kan fastställas på motsvarande sätt, tabellen visar spänningen per cell, multiplicera upp spänningen det antal celler som batteriet innehåller när det rör sig om högre spänning, t.ex med 4 för ett batteri med 14,4V nominell spänning osv:

    3,0-3,3V 20%
    3.3-3,5V 40%
    3,5-3,8V 60%
    3,8-4,1V 80%
    4,1-4,2V 100%