a legtöbb akkumulátorral működő elektronikai termék esetében a li-ion akkumulátor a választott akkumulátortípus. Fedezze fel, mi kell ahhoz, hogy megfelelően töltse fel őket.
A Li-ion a fogyasztói elektronikai termékekben leggyakrabban használt akkumulátor. A korábban használt egyéb típusok közül az elektronikus berendezésekben használt NiCad akkumulátorokat betiltották az EU – ban, így az ilyen típusok iránti általános kereslet csökkent.
a NiMH akkumulátorokat továbbra is használják, de alacsonyabb energiasűrűségük és költség / haszon arányuk miatt nem vonzóak.
A Li-ion akkumulátorok működése és felépítése
A Li-ion akkumulátorok másodlagos elemeknek minősülnek, vagyis újratölthetők. A leggyakoribb típus egy réz hordozóra vagy áramgyűjtőre bevont grafitrétegből készült anódból, valamint egy alumínium hordozón lévő lítium-kobalt-oxid bevonatú katódból áll.
az elválasztó jellemzően egy vékony polietilén vagy polipropilén fólia, amely elektromosan elválasztja a két elektródát, de lehetővé teszi a lítiumionok szállítását rajta keresztül. Ezt az elrendezést az 1.ábra mutatja.
számos más típusú anódot és katódot is használnak, a leggyakoribb katódok általában az akkumulátor típusleírásához adják a nevüket.
így a lítium-kobalt-oxid katódsejteket LCO sejteknek nevezzük. A lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid típusokat NMC típusoknak, a lítium-vas-foszfát katódokkal rendelkező sejteket pedig LFP sejteknek nevezik.
1.ábra – egy tipikus li-ion cella fő alkotóelemei
egy tényleges li-ion cellában ezek a rétegek jellemzően szorosan össze vannak tekerve, és az elektrolit, miközben folyékony, alig elegendő az elektródák nedvesítéséhez, és nincs benne folyadék.
ezt az elrendezést a 2.ábra mutatja, amely egy prizmatikus vagy téglalap alakú fém tok cellájának tényleges belső felépítését ábrázolja. Más népszerű toktípusok a hengeres és a tasak (általában polimer celláknak nevezik).
az ábrán nem láthatók azok a fém fülek, amelyek az egyes áramgyűjtőkhöz vannak rögzítve. Ezek a fülek az akkumulátor elektromos csatlakozásai, lényegében az akkumulátor csatlakozói.
2.ábra – a prizmatikus li-ion cella tipikus belső felépítése
A li-ion cella töltése külső energiaforrást használ a pozitív töltésű li-ionok katódból az anódelektródába történő vezetésére. Így a katód negatív töltésűvé válik, az anód pedig pozitív töltésűvé válik.
külsőleg a töltés magában foglalja az elektronok mozgását az anód oldaláról a töltőforráshoz, és ugyanannyi elektront tolnak a katódba. Ez ellentétes a li-ionok belső áramlásával.
a kisülés során külső terhelés van csatlakoztatva az akkumulátor kivezetésein. Az anódban tárolt Li-ionok visszatérnek a katódba. Külsőleg ez magában foglalja az elektronok mozgását a katódról az anódra. Így egy elektromos áram áramlik át a terhelésen.
röviden, ami a cellában történik a töltés során, például az, hogy a katód oldalán a lítium-kobalt-oxid feladja lítiumionjainak egy részét, kevesebb lítiummal rendelkező vegyületté válik, amely még mindig kémiailag stabil.
az anód oldalán ezek a lítiumionok beágyazódnak vagy interkalálódnak a grafit molekuláris rács intersticiális tereiben.
számos problémát kell figyelembe venni a töltés és a kisütés során. Belsőleg a li-ionoknak több interfészen kell áthaladniuk töltés és kisütés közben. Például töltés közben a li-ionoknak a katód nagy részéből a katódba kell szállítaniuk az elektrolit interfészbe.
innen az elektroliton keresztül, a szeparátoron keresztül az elektrolit és az anód közötti interfészig kell elmozdulnia. Végül diffundálnia kell erről az interfészről az anód anyagának nagy részére.
a töltésszállítás sebességét ezen különböző közegeken keresztül annak Ionos mobilitása szabályozza. Ezt viszont olyan tényezők befolyásolják, mint a hőmérséklet és az ionkoncentráció.
Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a töltés és a kisütés során óvintézkedéseket kell tenni annak biztosítása érdekében, hogy ezeket a korlátozásokat ne lépjék túl.
Li-ion akkumulátor töltési szempontok
A li-ion akkumulátorok töltéséhez speciális töltési algoritmus szükséges. Ezt az alábbiakban ismertetett több szakaszban hajtják végre:
csepegtető töltés (előzetes töltés)
ha az akkumulátor töltöttségi szintje nagyon alacsony, akkor csökkentett állandó áramerősséggel töltik fel, amely általában a következő teljes töltési sebesség 1/10 körül van.
Ez alatt az idő alatt az akkumulátor feszültsége növekszik, és amikor elérte az adott küszöbértéket, a töltési sebesség a teljes töltési sebességre emelkedik.
vegye figyelembe, hogy egyes töltők ezt a csepegtető töltési fokozatot két részre bontják: pre-charge és trickle charge, attól függően, hogy az akkumulátor feszültsége kezdetben milyen alacsony.
teljes töltési sebesség
Ha az akkumulátor feszültsége kezdetben elég magas, vagy ha az akkumulátor eddig a pontig feltöltődött, akkor elindul a teljes töltési sebesség szakasz.
Ez is egy állandó áramú töltési szakasz, és ebben a szakaszban az akkumulátor feszültsége továbbra is lassan emelkedik.
kúpos töltés
amikor az akkumulátor feszültsége a maximális töltési feszültségre emelkedik, megkezdődik a kúpos töltési szakasz. Ebben a szakaszban a töltési feszültség állandó marad.
Ez azért fontos, mert a li-ion akkumulátorok katasztrofálisan meghibásodnak, ha a maximális feszültségüknél nagyobb feszültséggel tölthetők. Ha ezt a töltési feszültséget állandó értéken tartják ezen a maximális értéken, akkor a töltőáram lassan csökken.
kikapcsolás / leállítás
Ha a töltőáram elég alacsony értékre csökkent, a töltő leválasztja az akkumulátort. Ez az érték általában a teljes töltési áram 1/10 vagy 1/20 része.
fontos, hogy ne lebegjen a li-ion akkumulátorok töltése, mivel ez hosszú távon csökkenti az akkumulátor teljesítményét és megbízhatóságát.
míg az előző szakasz a különböző töltési szakaszokat írja le, a különböző szakaszokra vonatkozó konkrét küszöbértékeket nem adták meg. A feszültségtől kezdve minden li-ion akkumulátortípusnak megvan a maga teljes töltésű csatlakozófeszültsége.
a leggyakoribb LCO és NCM típusok esetében ez 4.20 V. vannak 4.35 V és 4.45 V is.
az LFP típusok esetében 3,65 V. A teljes töltési küszöbérték 3,0 és 2,6 körül van az LCO/NMC, illetve az LFP típusok esetében.
az egyik típusú li-ion akkumulátor, például az LCO töltésére tervezett töltő nem használható más típusú, például LFP akkumulátor töltésére.
vegye figyelembe azonban, hogy vannak olyan töltők, amelyek többféle típusú töltésre konfigurálhatók. Ezek általában eltérő alkatrészértékeket igényelnek a töltő kialakításában az egyes típusú akkumulátorok befogadásához.
amikor a töltőáramról van szó, egy kis magyarázatra van szükség. A Li-ion akkumulátor kapacitását hagyományosan mAh, vagy milliamper-óra,vagy Ah. Ez az egység önmagában valójában nem az energiatároló kapacitás egysége. A tényleges energiakapacitás eléréséhez figyelembe kell venni az akkumulátor feszültségét.
a 3. ábra egy LCO típusú li-ion akkumulátor tipikus kisülési görbéjét mutatja. Mivel a kisülési feszültségnek lejtése van, a teljes kisülési görbe átlagos akkumulátorfeszültségét az akkumulátor feszültségének kell tekinteni.
Ez az érték általában 3,7-3,85 V az LCO típusoknál, és 2,6 V az LFP típusoknál. Ha megszorozzuk a mAh értéket az akkumulátor átlagos feszültségével, akkor az adott akkumulátor mWh-ját vagy energiatárolási kapacitását kapjuk.
Az akkumulátor töltési áramát C-sebességben adják meg, ahol az 1C számszerűen megegyezik az akkumulátor kapacitásával mA-ban. Így egy 1000mAh akkumulátor C értéke 1000mA. Különböző okok miatt a li-ion akkumulátor maximális töltési sebessége általában 0,5 C és 1C között van az LCO típusoknál, és 3C vagy több az LFP típusoknál.
az akkumulátor természetesen legalább egy cellából állhat, de sok cellából állhat párhuzamosan csatlakoztatott cellák sorozathoz kapcsolt csoportjainak kombinációjában.
a korábban megadott forgatókönyv az egycellás akkumulátorokra vonatkozik. Azokban az esetekben, amikor az akkumulátor több cellából áll, a töltési feszültséget és a töltőáramot úgy kell méretezni, hogy megfeleljen.
így a töltési feszültséget megszorozzuk a sorozathoz csatlakoztatott cellák vagy cellacsoportok számával, és hasonlóképpen a töltőáramot megszorozzuk a párhuzamosan csatlakoztatott cellák számával az egyes sorozathoz csatlakoztatott csoportokban.
3.ábra – az LCO típusú akkumulátor tipikus kisülési görbéje
A Li-ion akkumulátorok töltésekor figyelembe kell venni a hőmérsékletet. A Li-ion akkumulátorok nem tölthetők alacsony vagy magas hőmérsékleten.
alacsony hőmérsékleten a li-ionok lassan mozognak. Ez azt okozhatja, hogy a li-ionok az anód felületén kötődnek össze, ahol végül lítium fémdé válnak. Mivel ez a lítiumfémképződés dendritek formájában valósul meg, átszúrhatja az elválasztót, belső rövidnadrágot okozva.
a hőmérséklet-tartomány felső végén a probléma a felesleges hőtermelés. Az akkumulátor töltése nem 100% – ban hatékony, a töltés során hő keletkezik. Ha a mag belső hőmérséklete túl magas lesz, az elektrolit részlegesen lebomlik, gáznemű melléktermékekké alakul. Ez az akkumulátor kapacitásának állandó csökkenését, valamint duzzanatot okoz.
A li-ion akkumulátorok töltésének tipikus hőmérséklet-tartománya a kiváló minőségű akkumulátorok esetében 0-45 Celsius C, az olcsóbb akkumulátorok esetében pedig körülbelül 8-45 Celsius C. Egyes akkumulátorok magasabb hőmérsékleten is lehetővé teszik a töltést, körülbelül 60 C-ig, de csökkentett töltési sebesség mellett.
ezeket a megfontolásokat általában a dedikált töltő chipek teljesítik, és erősen ajánlott ilyen chipeket használni, függetlenül a tényleges töltési forrástól.
Li-ion töltők
A Li-ion töltők nagyjából két fő kategóriába sorolhatók: lineáris és kapcsoló töltők. Mindkét típus képes teljesíteni a li-ion akkumulátorok megfelelő töltésére vonatkozóan korábban meghatározott követelményeket. Azonban mindegyiknek megvannak a maga előnyei és hátrányai.
a lineáris töltő előnye a relatív egyszerűség. Fő hátránya azonban a hatékonyság. Például, ha a tápfeszültség 5V, az akkumulátor feszültsége 3V, a töltőáram pedig 1A, A lineáris töltő 2W-ot fog eloszlatni.
Ha ez a töltő be van ágyazva egy termékbe, akkor sok hőt kell eloszlatni. Ezért a lineáris töltőket leginkább olyan esetekben használják, amikor a maximális töltési áram körülbelül 1a.
nagy akkumulátorok esetén a kapcsolótöltőket részesítik előnyben. Bizonyos esetekben akár 90% – os hatékonysági szinttel is rendelkezhetnek. Hátrányok a magasabb költségek és a valamivel nagyobb áramköri ingatlanigény, mivel az induktorokat a tervezés során használják.
töltési forrás megfontolás
a különböző alkalmazások különböző töltési forrásokat igényelhetnek. Például ez lehet egy egyenes hálózati Adapter, amely DC kimenetet biztosít, vagy egy hálózati bank. Ez lehet egy asztali vagy hasonló készülékek USB-portja is. Lehet, hogy egy napelemes szerelvényből is származik.
e különböző források áramellátási képességei miatt a lineáris vagy kapcsolótöltő egyszerű kiválasztása mellett további figyelmet kell fordítani a tényleges akkumulátortöltő áramkör kialakítására.
a legegyszerűbb eset az, amikor a töltőforrás szabályozott egyenáramú kimenetet biztosít, például hálózati adaptert vagy tápegységet. Az egyetlen követelmény olyan töltőáram kiválasztása, amely nem haladja meg az akkumulátor maximális töltési sebességét, vagy a forrás energiaellátási képességét.
az USB-forrás töltése kicsit több figyelmet igényel. Ha az USB port USB 2.0 típusú, akkor az USB akkumulátor töltési szabványát követi 1.2 vagy BC 1.2.
Ez megköveteli, hogy bármilyen terhelés, ebben az esetben az akkumulátortöltő, ne vegyen több mint 100 mA-t, kivéve, ha a terhelés a forrással együtt szerepel. Ebben az esetben megengedett, hogy 500mA-t vegyen be 5V-nál.
ha az USB-port USB 3.1, akkor követheti az USB BC1-et.2, vagy egy aktív vezérlő áramkör beépíthető a tervezésbe, hogy az USB tápellátás vagy az USB PD protokoll után több energiát tárgyaljon.
a napelemek mint töltőforrás újabb kihívásokat jelentenek. A napelem feszültsége-áram, vagy VI, némileg hasonló a szokásos diódaéhoz. A rendszeres dióda nem vezet érzékelhető áramot a minimális előremenő feszültségérték alatt, majd sokkal nagyobb áramot képes átadni, csak az előremenő feszültség enyhe növekedésével.
a napelem viszont viszonylag lapos feszültség mellett egy bizonyos maximumig képes áramot szolgáltatni. Ezen az áramértéken túl a feszültség hirtelen csökken.
tehát a napelemes töltőnek olyan energiagazdálkodási áramkörrel kell rendelkeznie, amely modulálja a napelem áramát, hogy ne okozzon túl alacsony kimeneti feszültséget.
szerencsére vannak olyan chipek, mint a TI BQ2407x, BQ24295 és mások, amelyek képesek befogadni a fenti források egyikét.
erősen ajánlott időt tölteni a megfelelő töltő chip keresésére, ahelyett, hogy az akkumulátortöltőt a semmiből tervezné.
végül ne felejtsd el letölteni az ingyenes PDF: Ultimate útmutatót az új elektronikus hardvertermék fejlesztéséhez és értékesítéséhez. Ön is megkapja a heti hírlevelemet, ahol megosztom a prémium tartalmat, amely nem érhető el a blogomban.