Podstawowe zabezpieczenia w akumulatorach litowych

Akumulatory litowe zostały wstępnie omówione w artykule Akumulatory wczoraj i dziś (2) w numerze 7/2025. W poprzednim artykule tej serii, o oznaczeniu S025 podałem dalsze ważne informacje, natomiast poniżej zaczynam omawiać rozmaite sposoby zabezpieczania akumulatorów litowych. Zaczynamy od ogniw.

Nie irytuj się, że do znudzenia powtarzam: akumulatory litowe są delikatne i łatwo je zniszczyć wskutek przeładowania lub nadmiernego rozładowania. Akumulatory Li-Ion wskutek przeładowania mogą się zapalić, a nawet wybuchnąć.

Problem jest dużo poważniejszy, niż w akumulatorach kwasowych, gdzie nadmierne rozładowanie powoduje tworzenie nierozpuszczalnych kryształów siarczanu ołowiu, co nazywamy zasiarczeniem. W delikatniejszych akumulatorach litowych, i przy przeładowaniu, i nadmiernym rozładowaniu zachodzą liczne szkodliwe reakcje chemiczne. W większości powodują nieodwracalne spustoszenia, a tworzenie tak zwanych dendrytów grozi zwarciami i pożarem.

Wszelkie akumulatory litowe powinny współpracować z obwodami i układami elektronicznymi, które do tego nie dopuszczą, a przynajmniej zapobiegną przegrzaniu. Powinny! Czy zawsze tak jest, to oddzielny temat. Nas interesuje teraz ochrona akumulatorów przed szkodliwymi czynnikami. Duża część akumulatorów litowych ma wbudowane elektroniczne zabezpieczenia, które są tematem tego i następnych artykułów serii. Koniecznie trzeba je poznać i nie dziwić się, jak specyficznie działają. Jednak wiele akumulatorów litowych nie ma wbudowanych żadnych zabezpieczeń i trzeba mieć świadomość zagrożeń, jakie są z tym związane. Do tego mogę wrócić, a na razie zacznijmy od podstaw.

Najprostsza ochrona akumulatorów litowych

Ochronę przed niektórymi zagrożeniami mogą zapewnić bezpieczniki włączone według rysunku 1a. Oczywistym wyborem wydają się dziś bezpieczniki polimerowe, które nie ulegają trwałemu przepaleniu, tylko wracają do pierwotnego stanu po ochłodzeniu. Bezpieczniki polimerowe to odmiana termistorów (PTC, a ściślej CTR), więc odpowiednio dobrane mogą chronić zarówno przed nadmiernym poborem prądu, jak też przed przegrzaniem z innych powodów. Na przykład z powodu przeładowania powodującego przegrzanie.

 

Na marginesie trzeba koniecznie nadmienić, że we wnętrzu niektórych akumulatorów zawarte są nie bezpieczniki „termistorowe”, tylko klasyczne termistory pomiarowe (NTC), za pomocą których zewnętrzny układ może monitorować temperaturę akumulatora według rysunku 1b.

Bezpiecznik polimerowy zadziała wtedy, gdy prąd jest za duży lub gdy temperatura nadmiernie wzrośnie, a takie sytuacje niewątpliwie wiążą się z jakimś zagrożeniem i pogorszeniem parametrów akumulatora. Bezpiecznik polimerowy co najwyżej zapobiegnie pożarowi, ale nie ochroni akumulatora przed degradacją parametrów. Co odrobinę zaskakujące, we wnętrzu niektórych akumulatorów można znaleźć bezpieczniki, ale nie polimerowe, tylko klasyczne, jednorazowe bezpieczniki topikowe. Chronią przed zwarciem i jego fatalnymi konsekwencjami, ale po zadziałaniu bezpiecznika topikowego akumulator przestaje działać, więc jest to tylko ochrona przed katastrofą.

W każdym razie bezpieczniki nie zapewniają prawidłowej i pełnej ochrony akumulatorów litowych. Zdecydowanie lepiej byłoby, gdyby obwody zabezpieczające nie tylko chroniły w skrajnych przypadkach, ale żeby nie pozwoliły na degradację związaną z przeładowaniem i niedoładowaniem.

Ogniwa litowe „protected” i „unprotected”

We wnętrzu wielu akumulatorów znajdziemy wbudowane elektroniczne układy zabezpieczające. W literaturze znajdziemy informacje o różnych systemach i układach ochronnych BPU (Battery Protection Units), które w akumulatorach zawierających więcej niż jedno ogniwo najczęściej nazywane są BMS (Battery Management System).

Dość rozbudowany układ BMS od mojego potężnego akumulatora 180 Ah widać na fotografii 2. My zaczniemy od pojedynczych ogniw litowych, ale najpierw kilka zdań wprowadzenia.

Dziś wewnątrz niektórych pojedynczych ogniw Li-Ion wbudowane są specjalizowane układy scalone. Przykład zabezpieczenia pojedynczego ogniwa 18650 pokazany jest na fotografii 3 (Aliexpress). Widać okrągłą płytkę o średnicy takiej jak ogniwo oraz dodatkowe połączenia metalową taśmą.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w lipcowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 7/2026). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 15 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 7/2026 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.