V některých případech, jako třeba u akumulátorových bloků pro notebooky, bereme ochranu jako součást akumulátorové sady naprosto samozřejmě, ale jak je to s ochranou u menších akumulátorů nebo dokonce u jednotlivých článků?
V první řadě si ujasněme, co se dá a má smysl chránit. V tomto případě jde o ochranu akumulátoru před poškozením nebo zničením, návazně o ochranu okolí před důsledky takového problému. O požárech aut nebo domů vzniklých při nabíjení Li-pol kolují legendy, a i když mají reálný základ, jejich podstata je v drtivé většině případů v nesprávném zacházení (a někdy zcela ignorantském přístupu patřícím do kategorie soutěže o Darwinovu cenu). Neřešíme tedy ochranu obvodů napájených akumulátorem, ale ochranu akumulátoru samotného.
Ochrana může pokrývat přebití akumulátoru (nabití na vyšší než přípustné napětí), přílišné vybití akumulátoru (vybití na napětí nižší než přípustné), vypnutí nabíjení při překročení nabíjecího proudu, vypnutí při překročení vybíjecího proudu a ochranu proti zkratu. Poslední dvě věci se často slučují nebo pletou, ukážeme si, v čem je rozdíl. Ochrana se může vztahovat na akumulátorovou baterii jako celek, ale v případě Li-pol, Li-ion, LiFe (LiFePO4), NiFe a některých dalších článků by se měla vztahovat i na články jednotlivě.
Akumulátorové sady pro ruční nářadí s články NiCd nebo NiMH mívají nejjednodušší ochranu pomocí bimetalového relé, které při vzrůstu teploty třeba nad 70°C rozpojí obvod. Vychází se z toho, že při přebíjení se články silně zahřívají, ale dokud nedosáhnou určité teploty (60 – 70°C), tak to není kriticky nebezpečné. Podobně to funguje při velkém odběru a třeba i zkratu v nářadí. Přílišné vybití moc nevadí. Jednotlivé články ochranu nemají.
Bimetalové relé (rozpojí při zvýšení teploty)
U modelářských sad Lixx akumulátorů a všech průmyslových článků ochrany nejsou, předpokládá se, že o ochranu se postará nabíječ nebo obecně elektronické obvody, které jsou součástí zařízení. Kromě toho ochrana vždy zhoršuje užitné vlastnosti akumulátorů, přinejmenším zvyšuje vnitřní odpor. Tím jediným, co se ovšem považuje za samozřejmost u všech Li-ion a LiFe článků, je přetlaková a teplotní pojistka pouzdra, která při extrémním přebíjení nebo zkratu a následném zahřátí článku nedovolí jeho výbuch a požár, ale včas upouští tlak plynů do okolí, článek začne kouřit a syčet. Jakmile se tato tlaková pojistka otevře, je článek zničen, protože se už nikdy neuzavře. Proti vzniku požáru toto funguje dobře.
U akumulátorů orientovaných na spotřebitele (například články velikosti AAA – mikrotužky, AA – tužky, C – malé monočlánky, D – velké monočlánky) se zatím většinou vůbec neuvažuje, že by mohly mít vlatní ochranu. Primární články ji ani moc nepotřebovaly, při zkratu nebo velkém odběru se zničily, ale nějaký rozsáhlý problém vzhledem k malému výkonu to nezpůsobilo. U akumulátorů to začalo být jinak. Jednak jsou dražší, takže ochrana má i ekomický smysl, jednak proud byl už tak velký, že dokázal teplem zničit přístroj nebo i zapálit … proto třeba ty zmíněné bimetalové rozpojovače.
V současné době je možné koupit akumulátory, které mají jednodušší i složitější ochranu přímo v sobě. Jednodušší ochranou je polymerová pojistka, která odpojí odběr při vysokém proudu. Zabírá při nabíjení i vybíjení, ale nechrání proti přebití ani přílišnému (pomalému) vybití. Tato pojistka se dokonce prodává jako samostatný modul, který se magnetem přichytí na článek a kdykoli se dá odstranit nebo přendat jinam.
Ochranný modul s reverzibilní pojistkou a magnetem na uchycení k článku
Na obrázku je takový modul, který obsahuje jen destičku, polymerovou pojistku v SMD velikosti a magnet na uchycení, prodává se samostatně třeba zde. Tento modul je určen pro články o průměru 18 mm, tedy například velikost 18650. Typický vypínací proud pojitky je mezi 5 – 7 A, ale spíše je modul určený jen pro malý odběr, protože magnet, jímž proud prochází, má dost velký odpor.
Mnohem sofistikovanější ochranu mají například akumulátory Panasonic NCR18650A 3100mAh. Odpojuje akumulátory při napětí nad 4,325±0,025 V nebo při napětí pod 2,5±0,05 V i při překročení proudu typicky 6 A. Tato ochrana je nastavená tak, že není dobré se na ni pravidelně spoléhat (využívat ji místo omezení napětí při nabíjení a podobně), ale ochrání články před zničením i okolí před následky. Tyto „chytré“ články jsou nabízeny například zde.
Ochranný obvod akumulátorů Panasonic (foto z nabídky výrobce)
Zajímavý, i když dnes už starší článek na toto téma, najdete na stránkách Ledmania, odkud pochází i fotografie ilustrující „pitvu“ akumulátoru s ochranným obvodem.
Rozebrání akumulátoru s ochranným obvodem (foto ze stránek www.ledmania.cz)
Ochrana může být na kladném nebo záporném pólu článku, vždy mu ale přidá několik milimetrů délky, někdy jen 2 mm, někdy i 5 mm, takže články AA (tj. velikost 14500) s ochranou jsou pak delší než 50 mm a nemusejí se vejít do pouzder navržených pro standardní články bez ochrany. Obdobně články 18650 jsou pak delší než 65 mm. Na to pozor!
Na začátku jsem psal, že je třeba rozlišovat mezi ochranou proti nadměrnému proudu a ochranou proti zkratu, což je vlastně také příliš velký proud. Kdy a čím se to liší?
Je-li použita jednorázová tavná pojistka (nebo pásek z tenkého plechu, což je vlastně totéž), pak se to nijak neliší, v obou případech se vodič přepálí a obvod přeruší. U polymerových reverzibilních pojistek je to ale jinak, a je jedno, jestli jsou to pojistky v podobě vývodových součástek podobných kondenzátorům nebo SMD verze pájená přímo na DPS. Tyto pojistky při nadproudu (vyšším, ale nikoli extrémně vysokém proudu) fungují spolehlivě. Třeba pojistka dimenzovaná na 100 mA při odběru 200 mA spolehlivě během sekund vypne. Ale tyto pojistky mají ještě jeden definovaný proud, a to je maximální. Když ho překročíme, může se stát, že dřív, než pojistka vypne, roztaví se část její aktivní hmoty a přemostí pojistku, v podstatě se spojí. Tento proud je často někde kolem 30 A. Pokud takovou pojistku třeba zapojíme do zkratu přes autoakumulátor (ten zvládá odběry startéru přes 300 A), tak může, ale také nemusí pojistka vypnout, může se příliš vysokým proudem stavit a pak přehoří okolní vodiče.
Z toho plyne, že polymerové pojistky je vhodné používat jen tam, kde vnitřní odpor zdroje i s odporem vodičů nedovolí, aby byl (v případě přímého zkratu) překročen ten vyšší, maximální proud polymerovou pojitkou. Jinak bude lepší pojistka klasická (= tavná) na jedno použití nebo případně kombinace obou pojistek (třeba pro jištění zařízení s odběrem 100 mA napájeným z autoakumulátoru se použije sériová kombinace polymerové pojistky 200 mA a tavné pojistky asi tak 5 A).
Důležité upozornění!
To, že akumulátorové články (zejména ty levné kupované přímo z Číny) mají na sobě napsáno, že mají ochranu proti zkratu a přebití, ještě vůbec neznamená, že ji opravdu mají! Výrobci takto někdy označují i články, které mají jen základní ochranu tlakovým ventilem, což je nesmysl. Například články UltraFire BRC 18650 4200 mAh nejen, že mají sotva zlomek udávané kapacity (celý článek zde), ale i když je na nich uvedeno, že ochranu proti zkratu i proudovému přetížení obsahují, žádná tam není! Podobné je to s většinou velmi levných akumulátorů.
Jak poznat, jestli článek elektronickou ochranu opravdu má, nebo alespoň zvýšit pravděpodobnost správného odhadu?
1/ První příznak už jsme si uvedli, články s elektronickým jištěním bývají nepatrně delší, než by odpovídalo jejich označení velikosti. To ale třeba na fotografii není téměř nikdy vidět.
2/ Druhý příznak je to, že na článku (s obvyklejším jištěním na záporném pólu) je vidět změna průměru článku, prouhlubeň kolem dokola, prostě to, „že tam něco je“. Na článku UltraFire (výše) zjevně nic podobného není. Na následujícím snímku je vidět prohlubeň na vzdálenější kladné elektrodě (to je u všech s tímto pouzdrem) ale i na bližším konci u záporného pólu (to je ten obvod jištění pod fólií).
Článek s ochranným obvodem (snímek z nabídky prodejce www.banggood.com)
3/ Někdy je ochranný obvod v plastové objímce a ta přes krycí fólii nemusí být znát. Můžeme ale vidět, že materiál záporného vývodu není stejný jako materiál pouzdra článku, že je třeba zlacený nebo je to rovnou povrch cínovaného plošného spoje s viditelnými prokovenými otvory.
Článek s ochranou (foto z nabídky prodejce www.banggood.com)
4/ Pokud je ochrana u kladného vývodu, nemusí být téměř rozeznatelná. Tady je každá rada drahá, nicméně asi bude článek delší (bod 1/).
5/ Články podezřele levné (třeba 30 – 50 Kč za kus včetně dopravy z Číny) na 99% ochranu mít nebudou, ať je na nich psáno cokoli.