typ baterie pro většinu elektronických produktů, které běží na bateriích, je li-ion baterie. Zjistěte, co je potřeba k jejich správnému nabití.
Li-ion je akumulátor nejčastěji se používá ve spotřební elektronice produkty. Z dalších typů, které byly použity dříve, Nicd baterie pro použití v elektronických zařízeních byly v EU zakázány, takže celková poptávka po těchto typech klesly.
NiMH baterie se stále používají, ale jejich nižší hustota energie a poměr nákladů a přínosů je činí neatraktivními.
Li-ion baterie provoz a konstrukce
Li-ion baterie jsou považovány za sekundární baterie, což znamená, že jsou dobíjecí. Nejběžnější typ se skládá z anody vyrobené z grafitové vrstvy potažené na měděném substrátu nebo sběrače proudu a katody povlaku oxidu lithného kobaltu na hliníkovém substrátu.
separátor je typicky tenký polyethylenový nebo polypropylenový film, který elektricky odděluje obě elektrody, ale umožňuje transport iontů lithia přes něj. Toto uspořádání je znázorněno na obrázku 1.
používají se také různé jiné typy anodových a katodových materiálů, nejběžnější katody obvykle propůjčují své názvy popisu typu baterie.
katodové buňky oxidu lithného kobaltu jsou tedy známé jako LCO buňky. Typy oxidu lithného niklu manganu kobaltu jsou označovány jako typy NMC, a buňky s katodami fosforečnanu lithného železa jsou známé jako LFP buňky.
Obrázek 1 – Hlavní součásti typické li-ion buňky,
Ve skutečném li-ion buňky, tyto vrstvy jsou obvykle pevně spletených dohromady, a elektrolytu, zatímco kapalina, je sotva dost na mokré elektrody, a tam je žádná kapalina stříkající kolem uvnitř.
Toto uspořádání je znázorněno na obrázku 2, který zachycuje skutečné vnitřní konstrukce hranolové, nebo obdélníkové kovové pouzdro, mobil. Jiné populární typy případů jsou válcové a pouzdro (běžně označované jako polymerní buňky).
na tomto obrázku nejsou zobrazeny kovové jazýčky, které jsou připojeny ke každému kolektoru proudu. Tyto karty jsou elektrické připojení k baterii, v podstatě svorky baterie.
Obrázek 2 – Typické vnitřní výstavbu prizmatických li-ion buňky,
Nabíjení baterie li-ion článek zahrnuje použití externího zdroje energie pro pohon kladně nabité li-iontů od katody k anodě elektrody. Katoda se tak stává záporně nabitou a anoda kladně nabitá.
externě nabíjení zahrnuje pohyb elektronů ze strany anody ke zdroji nabíjení a stejný počet elektronů, které jsou tlačeny do katody. To je opačný směr k vnitřnímu toku li-iontů.
během vybíjení je přes svorky baterie připojena externí zátěž. Li-ionty, které byly uloženy v anodě, se pohybují zpět do katody. Externě to zahrnuje pohyb elektronů z katody na anodu. Elektrický proud tedy protéká zátěží.
Stručně, co se děje uvnitř buňky během nabíjení, například, je, že na katodové straně, lithium oxidu kobaltu se vzdá některých svých ionty lithia, stává sloučeniny s méně lithia, které je stále chemicky stabilní.
na straně anody se tyto ionty lithia vkládají nebo interkalují do intersticiálních prostorů grafitové molekulární mřížky.
během nabíjení a vybíjení je třeba zvážit několik otázek. Vnitřně musí li-ionty během nabíjení a vybíjení překročit několik rozhraní. Například během nabíjení se li-ionty musí transportovat z velké části katody do rozhraní katody k elektrolytu.
odtud se musí pohybovat elektrolytem, přes separátor na rozhraní mezi elektrolytem a anodou. Nakonec musí difundovat z tohoto rozhraní na většinu anodového materiálu.
rychlost přenosu náboje přes každé z těchto různých médií se řídí jeho iontovou pohyblivostí. To je zase ovlivněno takovými faktory, jako je teplota a koncentrace iontů.
v praxi to znamená, že během nabíjení a vybíjení musí být přijata preventivní opatření, aby se zajistilo, že tato omezení nebudou překročena.
Li-ion baterie úvahy o nabíjení
nabíjení li-ion baterií vyžaduje speciální nabíjecí algoritmus. To se provádí v několika fázích, které je popsáno níže:
Udržovací nabíjení (Pre-charge)
Pokud je úroveň nabití baterie velmi nízká, pak je účtováno ve snížené konstantní aktuální sazbu, která je obvykle kolem 1/10 full-rychlost nabíjení, rychlost popsány dále.
během této doby se napětí baterie zvyšuje a po dosažení dané prahové hodnoty se rychlost nabíjení zvýší na plnou rychlost nabíjení.
Všimněte si, že některé nabíječky rozdělují tuto fázi nabíjení na dvě: předběžné nabíjení a nabíjení, v závislosti na tom, jak nízké je zpočátku napětí baterie.
plné nabití
Pokud je napětí baterie zpočátku dostatečně vysoké nebo pokud se baterie Nabila až do tohoto bodu, spustí se stupeň plné nabití.
Toto je také fáze nabíjení konstantním proudem a během této fáze napětí baterie stále pomalu stoupá.
zúžené nabíjení
jakmile napětí baterie stoupne na maximální nabíjecí napětí, začne fáze zúžení. V této fázi je nabíjecí napětí udržováno konstantní.
to je důležité, protože li-ion baterie katastrofálně selžou, pokud se mohou nabíjet při vyšším napětí, než je jejich maximální napětí. Pokud je toto nabíjecí napětí udržováno konstantní na této maximální hodnotě, nabíjecí proud se pomalu snižuje.
Přerušení / Ukončení
Když nabíjecí proud snížila na dostatečně nízkou hodnotu, nabíječka se odpojí od baterie. Tato hodnota je obvykle 1/10 nebo 1/20 plného nabíjecího proudu.
je důležité, aby float nabíjení li-ion baterie, protože to bude snížit výkon a spolehlivost baterie v dlouhodobém horizontu.
zatímco předchozí část popisuje různé fáze nabíjení, specifické prahové hodnoty pro různé stupně nebyly poskytnuty. Počínaje napětím má každý typ li-ion baterie své vlastní terminální napětí s plným nabitím.
pro nejběžnější typy LCO a NCM je to 4.20 V. existují i některé s 4.35 V a 4.45 V.
pro typy LFP je to 3,65 v. prahová hodnota prahu nabíjení na plné nabití je kolem 3,0 a 2,6 pro typy LCO/NMC a LFP.
nabíječka, která je určena k nabíjení jednoho typu li-ion baterie, jako je LCO, nemůže být použita k nabíjení jiného typu, jako je LFP baterie.
Všimněte si však, že existují nabíječky, které lze nakonfigurovat tak, aby nabíjely více typů. Ty obvykle vyžadují různé hodnoty součástí v konstrukci nabíječky, aby vyhovovaly každému typu baterií.
Pokud jde o nabíjecí proud, je třeba trochu vysvětlení. Kapacita Li-ion baterie je tradičně uváděna jako mAh, nebo miliamps-hodina, nebo Ah. Tato jednotka sama o sobě není ve skutečnosti jednotkou kapacity skladování energie. Chcete-li získat skutečnou energetickou kapacitu, je třeba vzít v úvahu napětí baterie.
obrázek 3 ukazuje typickou křivku vybíjení pro li-ion baterii typu LCO. Protože vybíjecí napětí má sklon, průměrné napětí baterie celé vybíjecí křivky se považuje za napětí baterie.
tato hodnota je typicky 3,7 až 3,85 V pro typy LCO a 2,6 V pro typy LFP. Vynásobením hodnoty mAh průměrným napětím baterie se pak získá mWh nebo kapacita akumulace energie dané baterie.
nabíjecí proud baterie je udáván z hlediska C-rychlosti, kde 1C je číselně stejný jako kapacita baterie v mA. Baterie 1000mAh má tedy hodnotu C 1000mA. Z různých důvodů je maximální povolená rychlost nabíjení pro li-ion baterii obvykle mezi 0,5 C a 1C pro typy LCO a 3C nebo více pro typy LFP.
baterie se samozřejmě může skládat z minimálně jedné buňky, ale může sestávat z mnoha článků v kombinaci sériově zapojených skupin paralelně připojených článků.
výše uvedený scénář se vztahuje na jednočlánkové baterie. V případech, kdy se baterie skládá z více článků, musí být nabíjecí napětí a nabíjecí proud upraveny tak, aby odpovídaly.
nabíjecí napětí se tedy vynásobí počtem sériově připojených článků nebo skupinou článků a podobně se nabíjecí proud vynásobí počtem paralelně připojených článků v každé sérii připojené skupině.
Obrázek 3 – Typické vybíjecí křivky z LCO-typ baterie
Jeden velmi důležitý další faktor, který musí být považovány za při nabíjení li-ion baterií je teplota. Li-ion baterie nelze nabíjet při nízkých nebo vysokých teplotách.
při nízkých teplotách se li-ionty pohybují pomalu. To může způsobit li-ionty banda se na povrchu anody, kde se nakonec změní v kovové lithium. Protože tato formace lithiového kovu má podobu dendritů, může propíchnout separátor a způsobit vnitřní šortky.
na horním konci teplotního rozsahu je problémem nadměrná tvorba tepla. Nabíjení baterie není 100% účinné a během nabíjení se vytváří teplo. Pokud je vnitřní teplota jádra příliš vysoká, elektrolyt se může částečně rozložit a přeměnit na plynné vedlejší produkty. To způsobuje trvalé snížení kapacity baterie a otoky.
typický teplotní rozsah pro nabíjení li-ion baterií je 0°C až 45°C pro vysoce kvalitní baterie, nebo o 8°C až 45°C pro levnější baterie. Některé baterie také umožňují nabíjení při vyšších teplotách, až do 60°C, ale při snížených rychlostech nabíjení.
Všechny tyto úvahy jsou obvykle splněny speciální nabíječku, čipy, a to je vysoce doporučeno používat tyto čipy bez ohledu na skutečný nabíjecí zdroj.
Li-ion nabíječky
Li-ion nabíječky obecně spadají do dvou hlavních kategorií: lineární a spínací nabíječky. Oba typy mohou splňovat výše uvedené požadavky týkající se správného nabíjení li-ion baterií. Každý z nich má však své výhody a nevýhody.
výhodou lineární nabíječky je její relativní jednoduchost. Jeho hlavní nevýhodou je však jeho neúčinnost. Například, pokud je napájecí napětí je 5V, napětí baterie je 3V, a nabíjecí proud je 1A, lineární nabíječka bude pohlcovat 2W.
Pokud je tato nabíječka je součástí výrobku, to je hodně teplo, které bude muset být rozptýlena. Proto se lineární nabíječky většinou používají v případech, kdy maximální nabíjecí proud je asi 1A.
u velkých baterií jsou preferovány spínací nabíječky. V některých případech mohou mít úroveň účinnosti až 90%. Nevýhody jsou jeho vyšší náklady a poněkud větší požadavky na obvod nemovitostí v důsledku použití induktorů v jeho konstrukci.
zpoplatnění zdroje
různé aplikace mohou vyžadovat různé zdroje nabíjení. Může to být například přímý síťový adaptér, který poskytuje stejnosměrný výstup nebo napájecí banku. Může to být také port USB z počítače nebo podobných zařízení. Mohlo by to být také ze sestavy solárních panelů.
vzhledem k schopnostem dodávek energie těchto různých zdrojů je třeba zvážit návrh skutečného obvodu nabíječky baterií kromě jednoduchého výběru lineární nebo spínací nabíječky.
nejpřímějším případem je, když nabíjecí zdroj poskytuje regulovaný stejnosměrný výstup, jako je síťový adaptér nebo napájecí banka. Jediným požadavkem je volba nabíjecího proudu, který nepřesahuje maximální rychlost nabíjení baterie, nebo schopnost dodávky zdroje energie.
nabíjení z USB zdroje vyžaduje trochu více pozornosti. Pokud je port USB typu USB 2.0, bude se řídit standardem nabíjení baterie USB 1.2 nebo BC 1.2.
To vyžaduje, aby žádné zatížení, v tomto případě, baterie, nabíječka, by neměla trvat více než 100 mA, pokud má zátěž výčtu se zdrojem. V tomto případě je povoleno vzít 500mA při 5V.
Pokud je port USB USB 3.1, může následovat USB BC1.2, nebo aktivní obvod řadiče může být začleněn do návrhu, aby vyjednal větší výkon po dodávce napájení USB nebo protokolu USB PD.
solární články jako nabíjecí zdroj představují další řadu výzev. Napěťový proud solárních článků nebo VI je poněkud podobný proudu běžné diody. Pravidelné dioda nebude provádět žádný znatelný proud pod jeho minimální vpřed hodnotu napětí, a pak může projít mnohem větší proud s pouze mírné zvýšení vpřed napětí.
solární článek na druhé straně může dodávat proud až do určitého maxima při relativně plochém napětí. Kromě této aktuální hodnoty napětí prudce klesá.
takže solární nabíječka musí mít obvod řízení spotřeby, který moduluje proud odebíraný ze solárního článku tak, aby nezpůsobil příliš nízké výstupní napětí.
naštěstí existují čipy jako TI BQ2407x, BQ24295 a další, které mohou pojmout jeden z více výše uvedených zdrojů.
důrazně doporučujeme věnovat čas hledání vhodného nabíjecího čipu spíše než navrhování nabíječky baterií od nuly.
nakonec nezapomeňte stáhnout zdarma PDF: Ultimate Guide pro vývoj a prodej nového elektronického hardwarového produktu. Obdržíte také můj týdenní zpravodaj, kde sdílím prémiový obsah, který není k dispozici na mém blogu.