useimpien akuilla kulkevien elektroniikkatuotteiden Akkutyyppi on li-ion-akku. Selvitä, mitä niiden lataaminen oikein vaatii.
Li-ion on kulutuselektroniikkatuotteissa yleisimmin käytetty akku. Muista aiemmin käytössä olleista tyypeistä elektroniikkalaitteissa käytettävät NiCad-akut on kielletty EU: ssa, joten niiden kokonaiskysyntä on laskenut.
NiMH-akkuja käytetään edelleen, mutta niiden alhaisempi energiatiheys ja kustannus-hyötysuhde tekevät niistä epäkiinnostavia.
Li-ioniakkujen käyttö ja rakenne
Li-ioniakkuja pidetään toisioakkuina, eli ne ovat ladattavia. Yleisin tyyppi koostuu grafiittikerroksesta valmistetusta anodista, joka on päällystetty kuparisubstraatilla eli virtakeräimellä, ja litiumkobolttioksidipinnoituksesta valmistetusta katodista alumiinisubstraatilla.
erotin on tyypillisesti ohut polyeteeni-tai polypropeenikalvo, joka erottaa sähköisesti kaksi elektrodia, mutta mahdollistaa litiumionien kuljetuksen sen läpi. Tämä järjestely esitetään kuvassa 1.
käytetään myös erilaisia muita anodi-ja katodimateriaaleja, yleisimmät katodit lainaavat nimensä tyypillisesti akun tyyppikuvaukselle.
näin litiumkobolttioksidikatodisoluja kutsutaan LCO-soluiksi. Litiumnikkeli-mangaanikobolttioksidityyppejä kutsutaan NMC-tyypeiksi ja litiumrautafosfaattikatodeja sisältäviä soluja LFP-soluiksi.
Kuva 1 – tyypillisen li-ionikennon pääkomponentit
varsinaisessa li-ionikennossa nämä kerrokset ovat tyypillisesti tiiviisti kietoutuneet toisiinsa, ja elektrolyytti, vaikka se on nestemäistä, riittää tuskin kastelemaan elektrodeja, eikä sisällä ole nestettä sloshingissa.
Tämä järjestely on esitetty kuvassa 2, joka kuvaa prismaattisen eli suorakaiteen muotoisen metallikotelon todellista sisärakennetta. Muita suosittuja kotelotyypit ovat lieriömäinen ja pussi (yleisesti kutsutaan polymeerikennot).
tässä Kuvassa ei näy kuhunkin virrankerääjään liitettyjä metallilappuja. Nämä välilehdet ovat akun sähköliitännät, lähinnä akkupäätteet.
kuva 2 – tyypillinen prismaattisen li-ionikennon sisäinen rakenne
Li-ionikennon lataaminen edellyttää ulkoisen energialähteen käyttämistä positiivisesti varautuneiden li-ionien kuljettamiseen katodilta anodielektrodille. Näin katodista tulee negatiivisesti varautunut ja anodista positiivisesti varautunut.
Ulkoisesti lataukseen liittyy elektronien liike anodin puolelta varauslähteelle, ja sama määrä elektroneja työnnetään katodille. Tämä on päinvastainen suunta kuin li-ionien sisäinen virtaus.
purkautumisen aikana ulkoinen kuorma kytketään akun liittimien poikki. Anodiin varastoituneet Li-ionit siirtyvät takaisin katodille. Ulkoisesti tähän liittyy elektronien liike katodilta anodille. Näin kuorman läpi virtaa sähkövirta.
lyhyesti voidaan todeta, mitä solun sisällä tapahtuu esimerkiksi latauksen aikana, että katodipuolella litiumkobolttioksidi luovuttaa osan litiumioneistaan muuttuen yhdisteeksi, jossa on vähemmän litiumia ja joka on edelleen kemiallisesti stabiili.
anodipuolella nämä litiumionit uppoutuvat eli interkaloituvat grafiittimolekyylihilan interstitiaalitiloihin.
latauksen ja purkamisen aikana on pohdittava useita asioita. Sisäisesti li-ionien on läpäistävä useita rajapintoja latauksen ja purkamisen aikana. Esimerkiksi latauksen aikana li-ionien on siirryttävä katodista katodille elektrolyyttiliitäntään.
sieltä sen on siirryttävä elektrolyytin läpi erotinyksikön kautta elektrolyytin ja anodin rajapintaan. Lopuksi, se on diffuusi tästä rajapinnasta suurin osa anodimateriaalista.
näiden eri väliaineiden kautta tapahtuvaa latausnopeutta säätelee sen ioninen liikkuvuus. Tähän puolestaan vaikuttavat muun muassa lämpötila ja ionipitoisuus.
tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että latauksen ja purkamisen aikana on ryhdyttävä varotoimiin sen varmistamiseksi, etteivät nämä rajoitukset ylity.
Li-ion-akkujen latausnäkökohdat
li-ion-akkujen lataaminen vaatii erityisen latausalgoritmin. Tämä suoritetaan useassa seuraavassa kuvaillussa vaiheessa:
Trickle charge (Pre-charge)
Jos akun varaustaso on hyvin alhainen, se ladataan alennetulla vakiovirralla, joka on tyypillisesti noin 1/10 seuraavaksi kuvatusta täystaajuudesta.
tänä aikana akun jännite kasvaa, ja kun se on saavuttanut tietyn rajan, lataustahti nostetaan täyteen lataustasoon.
huomaa, että jotkin laturit jakavat tämän trickle charge-vaiheen kahdeksi: pre-charge ja trickle charge riippuen siitä, kuinka alhainen akun jännite on aluksi.
täysi lataus
Jos akun jännite on aluksi riittävän korkea tai jos akku on latautunut tähän asti, aloitetaan täysi latausvaihe.
Tämä on myös jatkuva virran latausvaihe, ja tässä vaiheessa akun jännite jatkaa hidasta nousuaan.
Kartiolataus
kun akun jännite on noussut maksimilatausjännitteeseensä, alkaa kartiolatausvaihe. Tässä vaiheessa latausjännite pidetään vakiona.
Tämä on tärkeää, sillä li-ioniakut pettävät katastrofaalisesti, jos niiden annetaan latautua suuremmalla jännitteellä kuin niiden maksimijännite. Jos tämä latausjännite pidetään vakiona tällä enimmäisarvolla, latausvirta pienenee hitaasti.
Cutoff/Termination
kun latausvirta on laskenut riittävän alhaiseksi, Laturi irtoaa akusta. Tämä arvo on tyypillisesti 1/10 eli 1/20 täyskorkoisesta latausvirrasta.
on tärkeää, että lataavia li-ion-akkuja ei kelluta, koska se heikentää akun suorituskykyä ja luotettavuutta pitkällä aikavälillä.
edellisessä jaksossa kuvataan eri maksuvaiheet, mutta eri vaiheille ei annettu erityisiä raja-arvoja. Jännitteestä alkaen jokaisella li-ion-akkutyypillä on oma täyden latauksen päätejännite.
yleisimmissä LCO-ja NCM-tyypeissä se on 4.20 V. joissakin on myös 4.35 V ja 4.45 v.
LFP-tyypeillä se on 3,65 V. trickle charge to full charge-kynnysarvo on LCO / NMC: llä noin 3,0 ja LFP-tyypeillä noin 2,6.
laturia, joka on suunniteltu lataamaan yhdenlaista li-ion-akkua, kuten LCO: ta, ei voida käyttää toisen tyypin, kuten LFP-akun lataamiseen.
Huomaa kuitenkin, että on olemassa latureita, jotka voidaan konfiguroida lataamaan useita eri tyyppejä. Nämä vaativat tyypillisesti erilaisia komponenttiarvoja laturin suunnittelussa, jotta kukin Akkutyyppi voidaan sovittaa.
latausvirran suhteen tarvitaan hieman selitystä. Li-ion-akun kapasiteetti ilmoitetaan perinteisesti mAh: na eli milliampeeritunniksi tai Ah: ksi. Tämä yksikkö ei itsessään ole energian varastointikapasiteetin yksikkö. Jotta päästään todelliseen energiakapasiteettiin, on otettava huomioon akun jännite.
Kuvassa 3 on tyypillinen LCO-tyypin li-ioniakun purkauskäyrä. Koska purkausjännitteellä on kaltevuus, koko purkauskäyrän keskimääräiseksi akun jännitteeksi katsotaan akun jännite.
tämä arvo on tyypillisesti 3, 7-3, 85 V LCO-tyypeille ja 2, 6 V LFP-tyypeille. Kertomalla mAh-arvo akun keskimääräisellä jännitteellä saadaan tällöin tietyn akun mWh eli energian varastointikapasiteetti.
akun latausvirta ilmoitetaan C-nopeudeksi, jossa 1C on numeerisesti sama kuin akun kapasiteetti mA: ssa. Siten, 1000mAh akku on C-arvo 1000mA. Eri syistä suurin sallittu latausnopeus li-ion-akulle on tyypillisesti 0,5 C-1c LCO-tyypeille ja 3C tai enemmän LFP-tyypeille.
paristo voi toki koostua vähintään yhdestä kennosta, mutta se voi koostua useista kennoista, jotka ovat rinnakkaiskennojen sarjoihin kytkettyjä ryhmiä.
aiemmin esitetty skenaario koskee yksiparistoja. Jos akku koostuu useista kennoista, latausjännite ja latausvirta on skaalattava vastaamaan toisiaan.
näin latausjännite kerrotaan sarjaan kytkettyjen kennojen eli soluryhmän lukumäärällä ja vastaavasti latausvirta kerrotaan yhdensuuntaisten kennojen lukumäärällä kussakin sarjaan kytketyssä ryhmässä.
kuva 3 – tyypillinen purkauskäyrä LCO-tyyppiselle akulle
yksi erittäin tärkeä lisätekijä, joka on otettava huomioon li-ion-akkuja ladattaessa, on lämpötila. Li-ion-akkuja ei voi ladata alhaisissa tai korkeissa lämpötiloissa.
alhaisissa lämpötiloissa li-ionit liikkuvat hitaasti. Tämä voi aiheuttaa li-ionien kasaantumisen anodin pintaan, jossa ne lopulta muuttuvat litiummetalliksi. Koska tämä litiummetallin muodostuminen tapahtuu dendriittien muodossa, se voi lävistää erottimen aiheuttaen sisäisiä shortseja.
lämpötila-alueen yläpäässä ongelmana on liikalämmön tuottaminen. Akun lataus ei ole 100% tehokasta, ja lämpöä syntyy latauksen aikana. Jos ytimen sisälämpötila nousee liian korkeaksi, elektrolyytti voi osittain hajota ja muuttua kaasumaisiksi sivutuotteiksi. Tämä aiheuttaa akun kapasiteetin pysyvän vähenemisen sekä turvotuksen.
tyypillinen lämpötila-alue li-ion-akkujen lataamiselle on 0-45°C korkealaatuisissa akuissa ja noin 8-45°C halvemmissa akuissa. Jotkin akut mahdollistavat latauksen myös korkeammissa lämpötiloissa, jopa noin 60°C: ssa, mutta pienemmillä latausnopeuksilla.
kaikki nämä näkökohdat täyttyvät tyypillisesti dedikoiduilla laturisiruilla, ja on erittäin suositeltavaa käyttää tällaisia siruja riippumatta todellisesta latauslähteestä.
Li-ion-laturit
Li-ion-laturit jakautuvat karkeasti kahteen pääluokkaan: lineaariset ja vaihtolaturit. Molemmat tyypit voivat täyttää aiemmin esitetyt vaatimukset li-ion-akkujen asianmukaisesta lataamisesta. Jokaisella on kuitenkin omat etunsa ja haittansa.
lineaarisen laturin etuna on sen suhteellinen yksinkertaisuus. Sen suurin haittapuoli on kuitenkin sen tehottomuus. Esimerkiksi jos syöttöjännite on 5V, akun jännite on 3V ja latausvirta on 1A, lineaarinen Laturi hajoaa 2W.
Jos tämä laturi on upotettu tuotteeseen, se on paljon lämpöä, joka on haihdutettava. Tämän vuoksi lineaarisia latureita käytetään useimmiten tapauksissa, joissa suurin latausvirta on noin 1A.
isoissa akuissa kytkentälatureita suositaan. Niiden hyötysuhde voi olla jopa 90% joissakin tapauksissa. Haitat ovat sen korkeammat kustannukset ja hieman suurempi piiri kiinteistöjen vaatimukset, koska käyttö induktorit sen suunnittelussa.
Latauslähdeharkinta
erilaiset sovellukset voivat vaatia erilaisia latauslähteitä. Tämä voi olla esimerkiksi suora verkkolaite, joka tarjoaa TASAVIRTALÄHDÖN, tai virtapankki. Se voi olla myös USB-portti työpöydältä tai vastaavista laitteista. Se voisi olla myös aurinkopaneelikokoonpanosta.
näiden eri lähteiden virransyöttöominaisuuksien vuoksi on pohdittava tarkemmin varsinaisen akkulaturipiirin suunnittelua pelkän lineaarisen tai kytkentälaturin valinnan lisäksi.
suoraviivaisin tapaus on, kun latauslähde tuottaa säänneltyä tasavirtalähdettä, kuten verkkolaite tai virtapankki. Ainoa vaatimus on valita latausvirta, joka ei ylitä akun enimmäislatausnopeutta tai lähdevirran syöttövalmiutta.
Latausmuoto USB-lähde vaatii hieman enemmän huomiota. Jos USB-portti on USB 2.0-tyyppinen, se seuraa USB-akun latausstandardia 1.2 tai BC 1.2.
Tämä edellyttää, että mikään kuormitus, tässä tapauksessa akkulaturi, ei saa kestää yli 100 mA, ellei kuormitus ole laskettu lähteen mukaan. Tällöin on sallittua ottaa 500mA 5V.
Jos USB-portti on USB 3.1, niin se voi seurata USB BC1.2, tai aktiivinen ohjain piiri voidaan sisällyttää suunnitteluun neuvotella enemmän valtaa jälkeen USB Power Delivery, tai USB PD, protokolla.
aurinkokennot latauslähteenä asettavat toisenlaisia haasteita. Aurinkokennon Jännitevirta eli VI muistuttaa jonkin verran tavallista diodia. Säännöllinen diodi ei johda mitään tuntuvaa virtaa alle sen vähimmäisjännitteen arvon, ja sitten voi siirtää paljon suurempi virta vain hieman lisätä eteenpäin jännite.
aurinkokenno taas voi syöttää virtaa tiettyyn maksimiin asti suhteellisen tasaisella jännitteellä. Sen jälkeen, että nykyinen arvo, jännite laskee jyrkästi.
joten aurinkolaturissa on oltava virranhallintapiiri, joka moduloi aurinkokennosta tulevaa virtaa, jotta lähtöjännite ei mene liian alhaiseksi.
onneksi on olemassa pelimerkkejä, kuten TI BQ2407x, BQ24295 ja muut, joihin mahtuu yksi useammista edellä mainituista lähteistä.
on erittäin suositeltavaa käyttää aika sopivan lataussirun etsimiseen sen sijaan, että suunnittelisi akkulaturin tyhjästä.
lopuksi, älä unohda ladata ilmaiseksi PDF: Ultimate Guide kehittää ja myydä uuden elektronisen laitteiston tuote. Saat myös viikkotiedotteeni, jossa Jaan premium-tason sisältöä, jota ei ole saatavilla blogissani.