Der Batterietyp der Wahl für die meisten elektronischen Produkte, die mit Batterien betrieben werden, ist der Li-Ionen-Akku. Entdecken Sie, was es braucht, um sie richtig aufzuladen.
Li-Ion ist die Batterie, die am häufigsten in Unterhaltungselektronikprodukten verwendet wird. Von den anderen Typen, die zuvor verwendet wurden, wurden NiCad-Batterien für den Einsatz in elektronischen Geräten in der EU verboten, so dass die Gesamtnachfrage nach diesen Typen gesunken ist.NiMH-Batterien werden immer noch verwendet, aber ihre geringere Energiedichte und ihr Kosten-Nutzen-Verhältnis machen sie unattraktiv.
Betrieb und Aufbau von Li-Ionen-Batterien
Li-Ionen-Batterien gelten als Sekundärbatterien, d. h. sie sind wiederaufladbar. Der gebräuchlichste Typ besteht aus einer Anode aus einer Graphitschicht, die auf einem Kupfersubstrat oder Stromabnehmer beschichtet ist, und einer Kathode aus einer Lithiumkobaltoxidbeschichtung auf einem Aluminiumsubstrat.Der Separator ist typischerweise ein dünner Polyethylen- oder Polypropylenfilm, der die beiden Elektroden elektrisch trennt, aber den Transport von Lithiumionen durch ihn ermöglicht. Diese Anordnung ist in Abbildung 1 dargestellt.
Verschiedene andere Arten von Anoden- und Kathodenmaterialien werden ebenfalls verwendet, wobei die gebräuchlichsten Kathoden typischerweise ihre Namen der Typenbeschreibung der Batterie verleihen.
Daher sind Lithium-Kobaltoxid-Kathodenzellen als LCO-Zellen bekannt. Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Typen werden als NMC-Typen bezeichnet, und Zellen mit Lithiumeisenphosphatkathoden werden als LFP-Zellen bezeichnet.
Abbildung 1 – Hauptkomponenten einer typischen Li-Ionen-Zelle
In einer tatsächlichen Li-Ionen-Zelle sind diese Schichten typischerweise eng miteinander gewickelt, und der Elektrolyt, während er flüssig ist, reicht kaum aus, um die Elektroden zu benetzen, und im Inneren schwappt keine Flüssigkeit herum.
Diese Anordnung ist in Abbildung 2 dargestellt, die den tatsächlichen inneren Aufbau einer prismatischen oder rechteckigen Metallgehäusezelle darstellt. Andere beliebte Gehäusetypen sind zylindrisch und Beutel (allgemein als Polymerzellen bezeichnet).
In dieser Abbildung sind die Metalllaschen, die an jedem Stromabnehmer angebracht sind, nicht dargestellt. Diese Laschen sind die elektrischen Verbindungen zur Batterie, im Wesentlichen die Batterieklemmen.
Abbildung 2 – Typischer interner Aufbau einer prismatischen Li-Ionen-Zelle
Beim Laden einer Li-Ionen-Zelle wird eine externe Energiequelle verwendet, um positiv geladene Li-Ionen von der Kathode zur Anodenelektrode zu treiben. Somit wird die Kathode negativ geladen und die Anode positiv geladen.
Extern beinhaltet das Laden die Bewegung von Elektronen von der Anodenseite zur Ladequelle, und die gleiche Anzahl von Elektronen wird in die Kathode gedrückt. Dies ist die entgegengesetzte Richtung zum inneren Fluss der Li-Ionen.
Während der Entladung wird eine externe Last über die Batterieklemmen angeschlossen. Li-Ionen, die in der Anode gespeichert wurden, wandern zurück zur Kathode. Äußerlich beinhaltet dies die Bewegung von Elektronen von der Kathode zur Anode. Somit fließt ein elektrischer Strom durch die Last.Kurz gesagt, was zum Beispiel während des Ladens innerhalb der Zelle passiert, ist, dass das Lithiumkobaltoxid auf der Kathodenseite einen Teil seiner Lithiumionen abgibt und zu einer Verbindung mit weniger Lithium wird, die noch chemisch stabil ist.
Auf der Anodenseite betten sich diese Lithiumionen in die Zwischenräume des Graphitmolekülgitters ein oder interkalieren.
Beim Laden und Entladen sind mehrere Punkte zu beachten. Intern müssen die Li-Ionen beim Laden und Entladen mehrere Schnittstellen überqueren. Beispielsweise müssen die Li-Ionen während des Ladens von der Masse der Kathode zur Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche transportiert werden.
Von dort muss es sich durch den Elektrolyten bewegen, durch den Separator zur Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Anode. Schließlich muss es von dieser Grenzfläche zur Masse des Anodenmaterials diffundieren.
Die Rate des Ladungstransports durch jedes dieser verschiedenen Medien wird durch seine Ionenmobilität bestimmt. Dies wird wiederum durch Faktoren wie Temperatur und Ionenkonzentration beeinflusst.
Das bedeutet in der Praxis, dass beim Laden und Entladen Vorkehrungen getroffen werden müssen, damit diese Grenzen nicht überschritten werden.
Überlegungen zum Laden von Li-Ionen-Akkus
Das Laden von Li-Ionen-Akkus erfordert einen speziellen Ladealgorithmus. Dies wird in mehreren Stufen durchgeführt, die im Folgenden beschrieben werden:
Erhaltungsladung (Vorladung)
Wenn der Batterieladestand sehr niedrig ist, wird er mit einer reduzierten Konstantstromrate geladen, die typischerweise um 1/10 der als nächstes beschriebenen Vollladungs-Rate liegt.
Während dieser Zeit steigt die Batteriespannung an, und wenn sie einen bestimmten Schwellenwert erreicht hat, wird die Ladungsrate auf die volle Ladungsrate erhöht.
Beachten Sie, dass einige Ladegeräte diese Erhaltungsladestufe in zwei Teile aufteilen: Vorladung und Erhaltungsladung, je nachdem, wie niedrig die Batteriespannung anfänglich ist.
Full rate charge
Wenn die Batteriespannung anfänglich hoch genug ist oder die Batterie bis zu diesem Punkt geladen ist, wird die Full Charge Rate-Stufe eingeleitet.
Dies ist auch eine Konstantstrom-Ladestufe, und während dieser Phase steigt die Batteriespannung langsam weiter an.
Taper charge
Wenn die Batteriespannung auf ihre maximale Ladespannung angestiegen ist, beginnt die Taper Charge-Stufe. In dieser Stufe wird die Ladespannung konstant gehalten.
Dies ist wichtig, da Li-Ionen-Batterien katastrophal ausfallen, wenn sie mit einer höheren Spannung als ihrer maximalen Spannung aufgeladen werden dürfen. Wird diese Ladespannung bei diesem Maximalwert konstant gehalten, so nimmt der Ladestrom langsam ab.
Cutoff / Termination
Wenn der Ladestrom auf einen ausreichend niedrigen Wert gesunken ist, trennt sich das Ladegerät von der Batterie. Dieser Wert beträgt typischerweise 1/10 oder 1/20 des vollen Ladestroms.
Es ist wichtig, Li-Ionen-Akkus nicht aufzuladen, da dies die Leistung und Zuverlässigkeit der Batterie langfristig beeinträchtigt.
Während im vorherigen Abschnitt die verschiedenen Ladestufen beschrieben wurden, wurden keine spezifischen Schwellenwerte für die verschiedenen Stufen angegeben. Beginnend mit der spannung, jeder li-ion batterie typ hat seine eigenen volle ladung terminal spannung.
Für die gängigsten LCO- und NCM-Typen sind das 4,20 V. Es gibt auch einige mit 4,35 V und 4,45V.
Für LFP-Typen sind es 3,65 V. Die Erhaltungsladung bis zur vollen Ladeschwelle liegt bei 3,0 und 2,6 für LCO / NMC bzw.
Ein Ladegerät, das zum Laden eines Li-Ionen-Batterietyps, z. B. LCO, ausgelegt ist, kann nicht zum Laden eines anderen Typs, z. B. eines LFP-Akkus, verwendet werden.
Beachten Sie jedoch, dass es Ladegeräte gibt, die zum Laden mehrerer Typen konfiguriert werden können. Diese erfordern typischerweise unterschiedliche Komponentenwerte im Ladegerätdesign, um jeden Batterietyp aufzunehmen.
Wenn es um den Ladestrom geht, ist ein wenig Erklärung erforderlich. Die Li-Ionen-Batteriekapazität wird traditionell als mAh oder Milliampere-Stunde oder Ah angegeben. Diese Einheit an sich ist eigentlich keine Einheit der Energiespeicherkapazität. Um zu einer tatsächlichen Energiekapazität zu gelangen, muss die Batteriespannung berücksichtigt werden.
Abbildung 3 zeigt eine typische Entladekurve für eine Li-Ionen-Batterie vom Typ LCO. Da die Entladespannung eine Steigung aufweist, wird die durchschnittliche Batteriespannung der gesamten Entladekurve als Batteriespannung angenommen.
Dieser Wert beträgt typischerweise 3,7 bis 3,85 V für LCO-Typen und 2,6 V für LFP-Typen. Multipliziert man den mAh-Wert mit der durchschnittlichen Spannung der Batterie, ergibt sich die MWh oder Energiespeicherkapazität einer gegebenen Batterie.
Der Ladestrom der Batterie wird als C-Rate angegeben, wobei 1C numerisch der Batteriekapazität in mA entspricht. Somit hat ein 1000mAh Akku einen C-Wert von 1000mA. Aus verschiedenen Gründen liegt die maximal zulässige Laderate für einen Li-Ionen-Akku typischerweise zwischen 0,5 C und 1C für LCO-Typen und 3C oder mehr für LFP-Typen.
Das zuvor angegebene Szenario gilt für Einzelzellenbatterien. In Fällen, in denen die Batterie aus mehreren Zellen besteht, müssen Ladespannung und Ladestrom entsprechend skaliert werden.
Somit wird die Ladespannung mit der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen oder einer Gruppe von Zellen multipliziert, und in ähnlicher Weise wird der Ladestrom mit der Anzahl der parallel geschalteten Zellen in jeder in Reihe geschalteten Gruppe multipliziert.
Abbildung 3 – Typische Entladekurve einer LCO-Batterie
Ein sehr wichtiger zusätzlicher Faktor, der beim Laden von Li-Ionen-Batterien berücksichtigt werden muss, ist die Temperatur. Li-Ionen-Akkus können nicht bei niedrigen oder hohen Temperaturen aufgeladen werden.
Bei niedrigen Temperaturen bewegen sich die Li-Ionen langsam. Dies kann dazu führen, dass sich die Li-Ionen an der Oberfläche der Anode bündeln, wo sie sich schließlich in Lithiummetall verwandeln. Da diese Lithiummetallbildung die Form von Dendriten annimmt, kann sie den Separator durchstechen und interne Kurzschlüsse verursachen.
Am oberen Ende des Temperaturbereichs liegt das Problem in der übermäßigen Wärmeerzeugung. Das Laden des Akkus ist nicht 100% effizient und während des Ladevorgangs entsteht Wärme. Wenn die Innentemperatur des Kerns zu hoch wird, kann sich der Elektrolyt teilweise zersetzen und zu gasförmigen Nebenprodukten werden. Dies führt zu einer dauerhaften Verringerung der Batteriekapazität sowie zu Schwellungen.
Der typische Temperaturbereich zum Laden von Li-Ionen-Batterien liegt bei 0 ° C bis 45 ° C für hochwertige Batterien oder bei etwa 8 ° C bis 45 ° C für billigere Batterien. Einige Batterien ermöglichen auch das Laden bei höheren Temperaturen bis zu etwa 60 ° C, jedoch mit reduzierten Laderaten.
Alle diese Überlegungen werden in der Regel durch dedizierte Ladegerät-Chips erfüllt, und es wird dringend empfohlen, solche Chips unabhängig von der tatsächlichen Ladequelle zu verwenden.
Li-Ionen-Ladegeräte
Li-Ionen-Ladegeräte lassen sich grob in zwei Hauptkategorien einteilen: lineare und schaltende Ladegeräte. Beide Typen können die zuvor genannten Anforderungen an das ordnungsgemäße Laden von Li-Ionen-Batterien erfüllen. Sie haben jedoch jeweils ihre Vor- und Nachteile.
Der Vorteil eines linearen Ladegeräts ist seine relative Einfachheit. Sein Hauptnachteil ist jedoch seine Ineffizienz. Wenn beispielsweise die Versorgungsspannung 5 V beträgt, die Batteriespannung 3 V beträgt und der Ladestrom 1 A beträgt, leitet das lineare Ladegerät 2 W ab.
Wenn dieses Ladegerät in ein Produkt eingebettet ist, muss viel Wärme abgeführt werden. Aus diesem Grund werden lineare Ladegeräte meistens in Fällen verwendet, in denen der maximale Ladestrom etwa 1 A beträgt.
Bei großen Batterien werden Schaltladegeräte bevorzugt. Sie können in einigen Fällen Wirkungsgrade von bis zu 90% aufweisen. Nachteile sind seine höheren Kosten und die etwas größeren Anforderungen an die Schaltungsfläche aufgrund der Verwendung von Induktivitäten in seinem Design.
Berücksichtigung der Ladequelle
Verschiedene Anwendungen können unterschiedliche Ladequellen erfordern. Dies kann beispielsweise ein gerades Netzteil sein, das einen Gleichstromausgang bereitstellt, oder eine Powerbank. Es kann sich auch um einen USB-Anschluss von einem Desktop oder ähnlichen Geräten handeln. Es könnte auch von einer Solarpanel-Baugruppe stammen.
Aufgrund der Leistungsabgabefähigkeiten dieser verschiedenen Quellen muss neben der einfachen Auswahl eines linearen oder eines schaltenden Ladegeräts auch das Design der eigentlichen Batterieladeschaltung berücksichtigt werden.
Der einfachste Fall ist, wenn die Ladequelle einen geregelten Gleichstromausgang liefert, z. B. ein Netzteil oder eine Powerbank. Die einzige Anforderung ist die Wahl eines Ladestroms, der die maximale Laderate der Batterie oder die Fähigkeit der Stromversorgung der Quelle nicht überschreitet.
Das Laden von einer USB-Quelle erfordert etwas mehr Aufmerksamkeit. Wenn es sich bei dem USB-Anschluss um einen USB 2.0-Typ handelt, folgt er dem USB-Batterieladestandard 1.2 oder BC 1.2.
Dies erfordert, dass jede Last, in diesem Fall das Batterieladegerät, nicht mehr als 100 mA benötigt, es sei denn, die Last wurde mit der Quelle aufgezählt. In diesem fall, es ist erlaubt zu nehmen 500mA bei 5 V.
Wenn die USB port ist USB 3.1, dann kann es folgen USB BC1.2, oder eine aktive controller schaltung können integriert werden in die design zu verhandeln für mehr leistung folgenden die USB Power Lieferung, oder USB PD, protokoll.
Solarzellen als Ladequelle stellen eine weitere Herausforderung dar. Ein Solarzellenspannungs-Strom oder VI ist dem einer regulären Diode etwas ähnlich. Eine normale Diode leitet keinen nennenswerten Strom unterhalb ihres minimalen Durchlassspannungswerts und kann dann einen viel größeren Strom mit nur einem geringfügigen Anstieg der Durchlassspannung durchlassen.
Eine Solarzelle hingegen kann bei relativ flacher Spannung bis zu einem bestimmten Maximum Strom liefern. Ab diesem Stromwert fällt die Spannung stark ab.
Ein Solarladegerät muss also über eine Energieverwaltungsschaltung verfügen, die den von der Solarzelle entnommenen Strom moduliert, um die Ausgangsspannung nicht zu niedrig zu halten.
Glücklicherweise gibt es Chips wie den TI BQ2407x, BQ24295 und andere, die eine oder mehrere der oben genannten Quellen aufnehmen können.
Es wird dringend empfohlen, sich die Zeit zu nehmen, nach einem geeigneten Ladechip zu suchen, anstatt ein Batterieladegerät von Grund auf neu zu entwerfen.Vergessen Sie nicht, Ihr kostenloses PDF herunterzuladen: Ultimativer Leitfaden zur Entwicklung und zum Verkauf Ihres neuen elektronischen Hardwareprodukts. Sie erhalten auch meinen wöchentlichen Newsletter, in dem ich Premium-Inhalte teile, die in meinem Blog nicht verfügbar sind.