Litium-ioni-akuista - miksi räjähtävät?

"Pikkutarkkaa latausta

Huonoimpia seikkoja kaikenlaisissa litiumakuissa on se, että ne ovat hyvin herkkiä kapistuksia sekä purettaessa että varsinkin ladattaessa. Lataustilanteessa vaanii todellinen ylikuumenemisvaara. Tästä on "valaisevana" esimerkkinä helmikuussa suurissa päivälehdissä esiintynyt Sonyn ilmoitus, jossa käyttäjiä varoitettiin erään litiumakkumallin voivan jopa sulaa ladattaessa. Ongelma johtui ilmeisesti vääristä komponenttiarvoista akun suojauspiirissä.

Useimpia akkuja ladataan joko vakiovirralla tai vakiojännitteellä, edellisestä ovat esimerkkeinä NiCd ja NiMH ja jälkimmäisestä lyijyakku. Litiumakku on siitä erikoinen, että aluksi ladataan vakiovirralla, kunnes napajännite kasvaa raja-arvoon. Sen jälkeen vaihdetaan vakiojännitteeseen, ja latausvirta pienenee tasaisesti, kunnes akku on täynnä.

Kaikkien akkutyyppien latauksessa avainkysymys on, kuinka havaita, milloin akku on täynnä. Jos nimittäin latausta vielä jatketaan siitä eteenpäin, akun kemialliset reaktiot muuttuvat haitallisiksi. Tavallista on, että akku lämpenee voimakkaasti ja siinä kehittyy kaasua, joka suljetuissa akuissa voi aiheuttaa vaarallisia ylipaineita.

Hermeettisesti suljetuissa akuissa onkin varoventtiili ylipaineen varalta. Täyden varaustilan havaitseminen on sitä kriittisempää, mitä nopeammin akku halutaan ladata. NiCd-akkujen täyden latauksen hetki on helpoin havaita, ja siksi niitä käytetään hyvin yleisesti sähkötyökaluissa. Näissä sovelluksissa pikalatausmahdollisuus ja suuri hetkellinen purkausvirta ovat suorastaan välttämättömiä.

Litiumakku ladataan aluksi vakiovirralla, jolloin napajännite kasvaa tasaisesti koko ajan. Latausvirran arvo riippuu akun kapasiteetista ja on useimmiten noin 0,7 C, jossa C on akun kapasiteetti ampeeritunteina. Esimerkiksi 600 mAh:n akkua ladataan aluksi 420 milliampeerin virralla. Akun valmistaja määrittelee jännitteen raja-arvon, yleensä 4,24,3 volttiin kennoa kohti, minkä jälkeen laturin tulee vaihtaa vakiovirrasta vakiojännitteen syöttöön.

Koko latausprosessin kriittisin seikka on tarkka jännitteenmittaus latauksen aikana. Kennojännitteen nimellisarvo on lupa ylittää enintään yhdellä prosentilla, muuten akun elinikä lyhenee ja voi syntyä vaaratilanteita. Latausvirran tarkkuusvaatimukset eivät ole yhtä suuret, vaan kymmenen prosentin toleranssi sallitaan.

Piirejä latauksen ohjaukseen ja akku- paketin suojaukseen

Akkulaturi on periaatteessa teholähde, ja kuten teholähteissä yleensäkin, latureita on sekä hakkuriperiaatteella toimivia että lineaarisia. Kummankin periaatteen edut ja haitat ovat samat niin latureissa kuin muissakin teholähteissä.

Hakkurilaturilla on parempi hyötysuhde, mutta piiri on monimutkaisempi ja aiheuttaa enemmän häiriöitä. Lineaarilaturin huonomman hyötysuhteen takia sitä käytetään enimmäkseen pienehköillä lataustehoilla. Etuna on toisaalta pienempi komponenttimäärä ja yksinkertaisempi kytkentä.

Useat analogiapiirien valmistajat kuten Maxim, Linear Technology ja Analog Devices tarjoavat latauksenohjauspiirejä. Jotkin piirit on tarkoitettu juuri tietyn akkutyypin lataukseen, mutta yhä enemmän tarjotaan yleiskäyttöisiä piirejä, joilla voidaan ladata kaikenlaiset akut.

Esimerkkejä kaikki mausteet sisältävistä piireistä ovat Maximin MAX1645 ja Linear Technologyn LTC1759. Molemmat piirit ovat myötävaihetyyppisiä hakkuriohjainpiirejä, joiden syöttöjännite siis on suurempi kuin akun napajännite. Piirit ohjaavat ulkoisia MOSFET-kytkintransistoreja synkronisessa tasasuuntauskytkennässä.

Latauspiireissä on SMBus-väyläliitäntä, joten ne voidaan ohjelmoida isäntäjärjestelmästä. Isäntä, esimerkiksi kannettava tietokone, antaa väylän kautta käskyt, joilla asetetaan muun muassa latausvirta ja latausjännite.

Maximin MAX1679 taas on esimerkki siitä, miten yhden litiumkennon laturi voidaan toteuttaa todella pienellä komponenttimäärällä. Periaatteessa tarvitaan vain yksi P-kanava-MOSFET ja kaksi kondensaattoria, vaikka käytännössä pakettiin lisätäänkin vielä muutamia komponentteja. Piiri ei kylläkään säädä latausvirtaa, vaan ainoastaan valvoo latausjännitettä sekä kennon lämpötilaa. Latausvirta määräytyy verkkolaitteen mukaisesti, jossa siten tarvitaan hieman muutakin kuin pelkkä muuntaja ja tasasuunnin.

Myös purkausvaiheessa eli käytön aikana litiumakku on herkempi kuin muut akkutyypit. Akun elinikää lyhentävät liian suuri latausvirta ja latausjännite sekä liian pieneen kennojännitteeseen purkaminen ja suuri purkausvirta.

Litiumakkupaketit on lähes poikkeuksetta varustettu suojauspiireillä, joista esimerkkinä olkoon Maximin MAX1665. Piiri ohjaa kahta ulkoista MOSFET-kytkintransistoria ja katkaisee akun virran, jos yhdenkään kennon jännite ylittää 4,3 volttia latauksen aikana tai jos kennon jännite vähenee alle 2,5 volttia purkauksen aikana. Suojauspiirejä valmistavat monet muutkin valmistajat kuten Linear Technology ja Xicor.

Amerikkalainen Xicor on pääasiassa valmistanut elektronisia potentiometreja sekä sarjaliitäntäisiä EEPROM-muisteja. Yhtiö on nyt esitellyt markkinoiden toistaiseksi monipuolisimman litiumakkujen suojauspiirin X3100. Siinä on uutta kaikkien parametrien asetusmahdollisuus ohjelmallisesti. Asetusarvot tallennetaan sirulla olevaan EEPROM-muistiin.

Xicorin piiri on tarkoitettu toimimaan yhdessä jonkin kahdeksanbittisen mikro-ohjaimen kanssa, johon se liitetään SPI-sarjaliitännällä. Yhdessä nämä muodostavat älykkään akunsuojauksen, jossa mikro-ohjain voi tarkasti mitata kunkin kennon jännite- ja virta-arvot.

Piirillä ryyditetty akkupaketti voisikin luotettavasti kertoa isäntäjärjestelmälle lataustilan ja jäljellä olevan käyttöajan. X3100-piiri yhdessä mikro-ohjaimen kanssa pystyy myös tasapainottamaan kennojen lataustilan usean kennon akkupaketissa. Eri kennot näet poikkeavat sähköisiltä ominaisuuksiltaan toisistaan, ja usean kennon paketissa voi helposti käydä niin, että jokin kenno latautuu täyteen ja muut kennot jäävät vajaiksi.

Elektronisen suojauksen lisäksi akuissa on useimmiten sulake, joka laukeaa lämpötilan kasvaessa liian suureksi. Älykkäät latauspiirit osaavat myös mitata akun lämpötilaa termistorilla ja säätää latausprosessia sen mukaisesti. "

Lainaus: Prosessori

      
Litium-ioni-akuista
Litium-ioni-akku on vaarallinen ilman ohjaavaa elektroniikkaa kirjoitti 08:24    ilmianna asiaton viesti

vastaa    

Poimintoja netistä löydetystä:

"
Litium on metalleista kevyin, sillä on suurin sähkökemiallinen jännite ja täten suuri energiatiheys. Mutta koska litium on luonnostaan epästabiili olivat 80-luvulla kehitetyt litium-metalli rakenteiset akut hieman vaarallisia eikä niitä voitu turvallisuussyistä ottaa kaupalliseen käyttöön. Alettiin kehittää stabiilimpaa Litium-ioni-akkua, joka on turvallinen kunhan lataus, purkaminen ja akun käsittely suoritetaan asiamukaisesti. Ensimmäisenä Li-ion akun sai markkinoille Sony vuonna 1991. Akun positiivinen elektrodi on valmistettu litiumoksidista ja negatiivinen grafiitista tai muusta hiilipohjaisesta aineesta. Elektrolyyttinä voi olla esim. etyleenikarbonaatti.

Akun ominaisuudet

Li-ion kennon nimellisjännite on muita akkutyyppejä huomattavasti korkeampi: 3.6V. Kapasiteettia painoon nähden on tuplaten NiCd-akkuun verrattuna. Li-ion-akku kykenee antamaan virtaa paremmin kuin NiMH, mutta siitäkään ei ole akkuporakonekäyttöön. Pakkasessa Li-ion hyytyy samaan tapaan kuin NiMH. Li-ion akkuja on ainakin kolmea eri tyyppiä sen mukaan, mistä negatiivinen elektrodi on valmistettu. Ominaisuudet vaihtelevat hieman sen mukaan. Li-ion-akun ikä on rajattu ja akku vanhenee vaikkei sitä käytettäisikään. Se alkaa ikääntyä heti tehtaalta lähtiessään, ja kestoikä on 2 vuoden paikkeilla. Li-ion-akku on sikäli huono ratkaisu harvoin käytettävään laitteeseen, että käyttöiän rajoittaa juuri aika eivätkä akun käyttökerrat ja akku menee täten osittain hukkaan. Muista akkutyypeistä poikkeavana- hyvänä puolena on, että muisti-ilmiötä Li-ion akussa ei esiinny ollenkaan. Akun kapasiteetti ei alene oli lataus kuinka epäjärjestelmällistä tahansa. Li-ion-akun itsepurkautuminen on hyvin hidasta nopeuden ollessa vain muutamia prosentteja kuukaudessa.

Litiumin ominaisuudet

Litium (Li),
ruots. litium, engl. lithium, kreik. lithos = kivi
Kuuluu alkalimetalleihin. Vettä kevyempi, helposti sulava metalli. Reagoi voimakkaasti veden kanssa vetyä vapauttaen. Säilytetään paloöljyssä. Myrkyllistä (II lk). Litiumyhdisteitä käytetään sydämentahdistajissa, masennuslääkkeinä, ilmanpuhdistajina sukellusveneissä, kosteuden sitojina, vedyn varastointiin, keramiikan lasitteina ja rakettien polttoaineseoksissa; Metallisena alkuaineena litiumia käytetään ydinreaktoreiden jäähdytysaineena. Litiumpohjaiset paristot ovat myös tärkeä käyttökohde.
Maankuoressa on litiumia yhdisteinä 65g tonnissa, merivedessä 170 mg/kuutiometri.
Litiumin keksi ruotsalainen J. Arfwedson Tukholman saaristosta peräisin olevasta kivestä. Berzelius antoi aineelle nimen

Litiumin sijoittuminen sähkökemiallisessa jännitesarjassa

Metallit on järjestetty pienenevän hapettumiskykynsä mukaiseen järjestykseen.

Eli litium on epäjalo metalli.

Lataus ja käyttö

Li-ion-akku on herkkä: Kennot tulisi turvallisuussyistä olla varustettu ylilataussuojalla, sillä Li-ion ei siedä ylilatausta, vaan muuttuu epästabiiliksi kehittäen lämpöä ja painetta. Myöskään akun oikosulkeminen tai purkaminen aivan tyhjäksi (U