batteritypen for de fleste elektroniske produkter, der kører på batterier, er li-ion-batteriet. Find ud af, hvad der kræves for at oplade dem ordentligt.
Li-ion er det batteri, der oftest bruges i forbrugerelektronikprodukter. Af de andre typer, der tidligere blev brugt, er NiCad-batterier til brug i elektronisk udstyr blevet forbudt i EU, så den samlede efterspørgsel efter disse typer er faldet.
NiMH-batterier bruges stadig, men deres lavere energitæthed og forholdet mellem omkostninger og fordele gør dem ikke attraktive.
Li-ion batteri drift og konstruktion
Li-ion batterier betragtes som sekundære batterier, hvilket betyder, at de er genopladelige. Den mest almindelige type består af en anode lavet af et grafitlag belagt på et kobbersubstrat eller strømopsamler og en katode af lithiumkoboltcoating på et aluminiumsubstrat.
separatoren er typisk en tynd polyethylen-eller polypropylenfilm, der elektrisk adskiller de to elektroder, men tillader transport af lithiumioner gennem den. Dette arrangement er vist i figur 1.
forskellige andre typer anode-og katodematerialer bruges også, de mest almindelige katoder låner typisk deres navne til typebeskrivelsen af batteriet.
således er lithiumcobaltokatodeceller kendt som LCO-celler. Litium-nikkel-mangan-kobolttyper kaldes NMC-typer, og celler med lithiumjernfosfatkatoder er kendt som LFP-celler.
Figur 1 – hovedkomponenter i en typisk li-ion-celle
i en faktisk li-ion-celle er disse lag typisk tæt viklet sammen, og elektrolytten, mens den er flydende, er næppe nok til at våde elektroderne, og der er ingen væske, der glider rundt indeni.
dette arrangement er vist i figur 2, som viser den faktiske interne konstruktion af en prismatisk eller rektangulær metalkasse, celle. Andre populære sagstyper er cylindriske og pose (almindeligvis benævnt polymerceller).
ikke vist i denne figur er metalfligene, der er fastgjort til hver strømopsamler. Disse faner er de elektriske forbindelser til batteriet, i det væsentlige batteriterminalerne.
figur 2 – typisk intern konstruktion af en prismatisk li-ioncelle
opladning af en li-ioncelle involverer brug af en ekstern energikilde til at drive positivt ladede li-ioner fra katoden til anodeelektroden. Således bliver katoden negativt ladet, og anoden positivt ladet.
eksternt involverer opladning bevægelse af elektroner fra anodesiden til opladningskilden, og det samme antal elektroner skubbes ind i katoden. Dette er den modsatte retning af den indre strøm af li-ioner.
under afladning tilsluttes en ekstern belastning på tværs af batteriterminalerne. Li-ioner, der blev opbevaret i anoden, bevæger sig tilbage til katoden. Eksternt involverer dette bevægelse af elektroner fra katoden til anoden. Således strømmer en elektrisk strøm gennem belastningen.
kort sagt, hvad der sker inde i cellen under opladning, er for eksempel, at ved katodesiden opgiver lithiumkoboltoksidet nogle af dets lithiumioner og bliver en forbindelse med mindre lithium, der stadig er kemisk stabil.
på anodesiden indlejrer eller interkalerer disse lithiumioner i de interstitielle rum i det grafitmolekylære gitter.
flere problemer skal overvejes under opladning og afladning. Internt skal li-ionerne krydse flere grænseflader under opladning og afladning. For eksempel skal li-ionerne under opladning transportere fra hovedparten af katoden til katoden til elektrolytgrænsefladen.
derfra skal den bevæge sig gennem elektrolytten gennem separatoren til grænsefladen mellem elektrolyt og anode. Endelig skal den diffundere fra denne grænseflade til hovedparten af anodematerialet.
ladningstransporten gennem hvert af disse forskellige medier styres af dens Ioniske mobilitet. Dette påvirkes igen af faktorer som temperatur og ionkoncentration.
hvad dette betyder i praksis er, at der skal træffes forholdsregler under opladning og afladning for at sikre, at disse begrænsninger ikke overskrides.
overvejelser om opladning af Li-ion-batterier
opladning af li-ion-batterier kræver en særlig opladningsalgoritme. Dette udføres i flere trin beskrevet nedenfor:
Trickle charge (Pre-charge)
Hvis batteriladningsniveauet er meget lavt, oplades det med en reduceret konstant strømhastighed, der typisk er omkring 1/10 den fulde opladningshastighed, der er beskrevet næste.
i løbet af denne tid øges batterispændingen, og når den har nået en given tærskel, øges ladningshastigheden til den fulde opladningshastighed.
Bemærk, at nogle opladere Nedbryder dette trickle charge-trin i to: foropladning og trickle charge, afhængigt af hvor lav batterispændingen oprindeligt er.
fuld opladning
hvis batterispændingen oprindeligt er høj nok, eller hvis batteriet er opladet indtil dette tidspunkt, startes fuld opladningshastighedstrinnet.
dette er også et konstant strømopladningstrin, og i løbet af dette trin fortsætter batterispændingen langsomt med at stige.
konisk opladning
når batterispændingen er steget til sin maksimale opladningsspænding, begynder konisk opladningstrinnet. I dette trin holdes opladningsspændingen konstant.
Dette er vigtigt, da li-ion-batterier mislykkes katastrofalt, hvis de får lov til at oplade ved en højere spænding end deres maksimale spænding. Hvis denne opladningsspænding holdes konstant ved denne maksimale værdi, falder ladestrømmen langsomt.
afbrydelse/afslutning
når ladestrømmen er faldet til en tilstrækkelig lav værdi, afbrydes opladeren fra batteriet. Denne værdi er typisk 1/10 eller 1/20 af den fulde ladestrøm.
det er vigtigt ikke at flyde opladning li-ion batterier, da dette vil reducere batteriets ydeevne og pålidelighed på lang sigt.
mens det foregående afsnit beskriver de forskellige opladningstrin, blev der ikke angivet specifikke tærskelværdier for de forskellige faser. Begyndende med spændingen har hver Li-ion batteritype sin egen fulde opladningsterminalspænding.
for de mest almindelige LCO-og NCM-typer er det 4,20 V. der er også nogle med 4,35 V og 4,45 v.
for LFP-typer er det 3,65 V. trickle charge til full charge threshold er henholdsvis omkring 3,0 og 2,6 for LCO/NMC og LFP-typer.
en oplader, der er designet til at oplade en type li-ion-batteri, såsom LCO, kan ikke bruges til at oplade en anden type, såsom et LFP-batteri.
Bemærk dog, at der er opladere, der kan konfigureres til at oplade flere typer. Disse kræver typisk forskellige komponentværdier i opladerdesignet for at imødekomme hver type batterier.
når det kommer til ladestrømmen, kræves en smule forklaring. Li-ion batterikapacitet er traditionelt rapporteret som mAh, eller milliAmps-Hour, eller Ah. Denne enhed er i sig selv ikke en enhed med energilagringskapacitet. For at komme til en faktisk energikapacitet skal batterispændingen overvejes.
figur 3 viser en typisk udladningskurve for et LCO-Type Li-ion-batteri. Da udladningsspændingen har en hældning, anses den gennemsnitlige batterispænding for hele udladningskurven for at være batterispændingen.
denne værdi er typisk 3,7 til 3,85 V for LCO-typer og 2,6 V for LFP-typer. Multiplikation af mAh-værdien med batteriets gennemsnitlige spænding giver derefter mvh eller energilagringskapacitet for et givet batteri.
batteri ladestrøm er angivet i form af C-rate, hvor 1C er numerisk den samme som batterikapaciteten i mA. Således har et 1000mAh batteri en C-værdi på 1000mA. Af forskellige årsager er den maksimale opladningshastighed, der er tilladt for et li-ion-batteri, typisk mellem 0,5 C og 1C for LCO-typer og 3C eller mere for LFP-typer.
et batteri kan naturligvis bestå af mindst en celle, men kan bestå af mange celler i en kombination af serieforbundne grupper af parallelforbundne celler.
scenariet tidligere gælder for enkeltcellede batterier. I tilfælde, hvor batteriet består af flere celler, skal opladningsspændingen og ladestrømmen skaleres for at matche.ladespændingen multipliceres således med antallet af serieforbundne celler eller gruppe af celler, og på samme måde multipliceres ladestrømmen med antallet af parallelforbundne celler i hver serieforbundet gruppe.
figur 3 – typisk udladningskurve for et LCO-type batteri
en meget vigtig yderligere faktor, der skal overvejes ved opladning af li-ion-batterier, er temperatur. Li-ion-batterier kan ikke oplades ved lave eller høje temperaturer.
Ved lave temperaturer bevæger li-ionerne langsomt. Dette kan få li-ionerne til at samle sig på overfladen af anoden, hvor de til sidst bliver til lithiummetal. Fordi denne lithiummetaldannelse har form af dendritter, kan den gennembore separatoren og forårsage interne shorts.
i den høje ende af temperaturområdet er problemet overskydende varmegenerering. Batteriopladning er ikke 100% effektiv, og der genereres varme under opladning. Hvis kernens indre temperatur bliver for høj, kan elektrolytten delvist nedbrydes og blive til gasformige biprodukter. Dette medfører en permanent reduktion i batterikapaciteten såvel som hævelse.
det typiske temperaturområde for opladning af li-ion-batterier er 0 liter C til 45 liter C for batterier af høj kvalitet eller ca.8 liter C til 45 liter C for billigere batterier. Nogle batterier tillader også opladning ved højere temperaturer, op til omkring 60 liter C, men ved reducerede opladningshastigheder.
alle disse overvejelser er typisk opfyldt af dedikerede opladerchips, og det anbefales stærkt at bruge sådanne chips uanset den faktiske opladningskilde.
Li-ion-opladere
Li-ion-opladere falder stort set i to hovedkategorier: lineære Opladere og skifteopladere. Begge typer kan opfylde de tidligere angivne krav til korrekt opladning af li-ion-batterier. Men de har hver deres fordele og ulemper.
fordelen ved en lineær oplader er dens relative enkelhed. Den største ulempe er imidlertid dens ineffektivitet. For eksempel, hvis forsyningsspændingen er 5V, batterispændingen er ved 3V, og ladestrømmen er 1a, vil den lineære oplader sprede 2V.
hvis denne oplader er indlejret i et produkt, er det meget varme, der skal spredes. Derfor anvendes lineære opladere mest i tilfælde, hvor den maksimale ladestrøm er omkring 1a.
for store batterier foretrækkes skifteopladere. De kan have effektivitetsniveauer på op til 90% i nogle tilfælde. Ulemper er dens højere omkostninger og de noget større kredsløbskrav til fast ejendom på grund af brugen af induktorer i dens design.
overvejelse af Opladningskilde
forskellige applikationer kan kræve forskellige opladningskilder. For eksempel kan dette være en lige vekselstrømsadapter, der giver en DC-udgang eller en strømbank. Det kan også være en USB-port fra et skrivebord eller lignende apparater. Det kan også være fra en solpanelenhed.
på grund af disse forskellige kildes strømforsyningsmuligheder skal der tages yderligere hensyn til designet af det faktiske batteriopladerkredsløb ud over blot at vælge en lineær eller en koblingsoplader.
det mest enkle tilfælde er, når opladningskilden leverer en reguleret JÆVNSTRØMSUDGANG, såsom en vekselstrømsadapter eller en strømbank. Det eneste krav er at vælge en ladestrøm, der ikke overstiger batteriets maksimale opladningshastighed eller kildestrømforsyningskapaciteten.en USB-kilde kræver lidt mere opmærksomhed. Hvis USB-porten er en USB 2.0-type, følger den USB-Batteriopladningsstandarden 1.2 eller BC 1.2.
dette kræver, at enhver belastning, i dette tilfælde batteriopladeren, ikke må tage mere end 100 mA, medmindre belastningen er opregnet med kilden. I dette tilfælde er det tilladt at tage 500mA ved 5V.
Hvis USB-porten er USB 3.1, kan den følge USB BC1.2, eller et aktivt reguleringskredsløb kan inkorporeres i designet til at forhandle om mere strøm efter USB-strømforsyningen eller USB PD-protokollen.
solceller som opladningskilde præsenterer et andet sæt udfordringer. En solcellespændingsstrøm, eller VI, svarer noget til en almindelig diode. En almindelig diode vil ikke lede nogen mærkbar strøm under dens mindste fremadspændingsværdi og kan derefter passere meget større strøm med kun en lille stigning i fremspændingen.
en solcelle kan derimod levere strøm indtil et bestemt maksimum ved en relativt flad spænding. Ud over den aktuelle værdi falder spændingen kraftigt.
så en soloplader skal have et strømstyringskredsløb, der modulerer strømmen trukket fra solcellen for ikke at få udgangsspændingen til at gå for lav.
heldigvis er der chips som TI Bk2407h, BK24295 og andre, der kan rumme en af flere af ovenstående kilder.
det anbefales stærkt at bruge tiden på at søge efter en passende opladningschip i stedet for at designe en batterioplader fra bunden.
endelig, så glem ikke at hente din gratis PDF: Ultimate Guide til at udvikle og sælge din nye elektronisk udstyr produkt. Du modtager også mit ugentlige nyhedsbrev, hvor jeg deler premium-indhold, der ikke er tilgængeligt på min blog.