Il tipo di batteria di scelta per la maggior parte dei prodotti elettronici che funzionano a batterie è la batteria li-ion. Scopri cosa serve per caricarli correttamente.
Li-ion è la batteria più comunemente utilizzata nei prodotti di elettronica di consumo. Degli altri tipi utilizzati in precedenza, le batterie NiCad per l’uso in apparecchiature elettroniche sono state vietate nell’UE, quindi la domanda complessiva di tali tipi è diminuita.
Le batterie NiMH sono ancora utilizzate, ma la loro minore densità di energia e il rapporto costi / benefici le rendono poco attraenti.
Funzionamento e costruzione della batteria agli ioni di litio
Le batterie agli ioni di litio sono considerate batterie secondarie, il che significa che sono ricaricabili. Il tipo più comune è costituito da un anodo costituito da uno strato di grafite rivestito su un substrato di rame, o collettore di corrente, e un catodo di rivestimento di ossido di cobalto di litio su un substrato di alluminio.
Il separatore è tipicamente un sottile film di polietilene o polipropilene che separa elettricamente i due elettrodi, ma consente il trasporto di ioni di litio attraverso di esso. Questa disposizione è mostrata in figura 1.
Vengono utilizzati anche vari altri tipi di materiali anodici e catodici, i catodi più comuni in genere prestano i loro nomi alla descrizione del tipo della batteria.
Pertanto, le cellule catodiche di ossido di cobalto di litio sono note come cellule LCO. I tipi dell’ossido del cobalto del manganese del nichel del litio si riferiscono a come tipi di NMC e le cellule con i catodi del fosfato del ferro del litio sono conosciute come le cellule di LFP.
Figura 1 – Componenti principali di una tipica cella agli ioni di litio
In una cella agli ioni di litio effettiva, questi strati sono tipicamente strettamente avvolti insieme e l’elettrolita, mentre il liquido, è appena sufficiente per bagnare gli elettrodi, e non c’è liquido che scorre all’interno.
Questa disposizione è mostrata nella figura 2, che descrive l’effettiva costruzione interna di una cella prismatica o rettangolare in metallo. Altri tipi popolari di caso sono cilindrici e sacchetto (comunemente indicato come celle polimeriche).
Non sono mostrate in questa figura le linguette metalliche che sono collegate a ciascun collettore di corrente. Queste schede sono i collegamenti elettrici alla batteria, essenzialmente i terminali della batteria.
Figura 2-Tipica costruzione interna di una cella agli ioni di litio prismatica
La ricarica di una cella agli ioni di litio comporta l’utilizzo di una fonte di energia esterna per Pertanto, il catodo viene caricato negativamente e l’anodo caricato positivamente.
Esternamente, la carica comporta il movimento di elettroni dal lato dell’anodo alla sorgente di carica e lo stesso numero di elettroni viene spinto nel catodo. Questa è la direzione opposta al flusso interno degli ioni di litio.
Durante la scarica, un carico esterno è collegato attraverso i terminali della batteria. Gli ioni di litio immagazzinati nell’anodo tornano al catodo. Esternamente, ciò comporta il movimento di elettroni dal catodo all’anodo. Quindi, una corrente elettrica scorre attraverso il carico.
In breve, ciò che sta accadendo all’interno della cella durante la ricarica, ad esempio, è che sul lato del catodo, l’ossido di cobalto di litio rinuncia ad alcuni dei suoi ioni di litio, diventando un composto con meno litio che è ancora chimicamente stabile.
Sul lato dell’anodo, questi ioni di litio incorporano, o intercalano, negli spazi interstiziali del reticolo molecolare della grafite.
Diversi problemi devono essere considerati durante la carica e scarica. Internamente, gli ioni di litio devono attraversare diverse interfacce durante la carica e la scarica. Ad esempio, durante la ricarica, gli ioni di litio devono trasportare dalla maggior parte del catodo all’interfaccia catodo-elettrolita.
Da lì deve muoversi attraverso l’elettrolita, attraverso il separatore all’interfaccia tra elettrolita e anodo. Infine, deve diffondersi da questa interfaccia alla maggior parte del materiale dell’anodo.
La velocità di trasporto della carica attraverso ciascuno di questi diversi media è governata dalla sua mobilità ionica. Questo, a sua volta, è influenzato da fattori quali la temperatura e la concentrazione di ioni.
Ciò significa in pratica che è necessario prendere precauzioni durante la carica e la scarica per garantire che queste limitazioni non vengano superate.
Considerazioni sulla ricarica della batteria agli ioni di litio
La ricarica delle batterie agli ioni di litio richiede uno speciale algoritmo di ricarica. Questa operazione viene eseguita in diverse fasi descritte di seguito:
Carica di mantenimento (Pre-carica)
Se il livello di carica della batteria è molto basso, viene caricata a una velocità di corrente costante ridotta che è tipicamente intorno a 1/10 della velocità di carica completa descritta di seguito.
Durante questo periodo, la tensione della batteria aumenta e, quando ha raggiunto una determinata soglia, la velocità di carica viene aumentata alla velocità di carica completa.
Si noti che alcuni caricabatterie suddividono questo stadio di carica di mantenimento in due: pre-carica e carica di mantenimento, a seconda di quanto è bassa la tensione della batteria inizialmente.
Pieno tasso di carica
Se la tensione della batteria è inizialmente abbastanza alto, o se la batteria ha caricato fino a questo punto, poi la carica completa tasso di fase è avviato.
Questo è anche uno stadio di carica a corrente costante, e durante questa fase la tensione della batteria continua a salire lentamente.
Carica conica
Quando la tensione della batteria è salita alla sua massima tensione di carica, inizia la fase di carica conica. In questa fase, la tensione di carica viene mantenuta costante.
Questo è importante in quanto le batterie agli ioni di litio si guasteranno catastroficamente se consentite di caricarsi a una tensione superiore alla loro tensione massima. Se questa tensione di carica viene mantenuta costante a questo valore massimo, la corrente di carica diminuirà lentamente.
Cutoff / Terminazione
Quando la corrente di carica è diminuita a un valore abbastanza basso, il caricabatterie si disconnette dalla batteria. Questo valore è tipicamente 1/10, o 1/20, della corrente di carica full-rate.
È importante non caricare le batterie agli ioni di litio in quanto ciò ridurrà le prestazioni e l’affidabilità della batteria a lungo termine.
Mentre la sezione precedente descrive le varie fasi di ricarica, non sono stati forniti valori soglia specifici per le varie fasi. A partire dalla tensione, ogni tipo di batteria agli ioni di litio ha una propria tensione terminale di carica completa.
Per i tipi LCO e NCM più comuni, questo è 4.20 V. Ce ne sono alcuni con 4.35 V e 4.45 V pure.
Per i tipi LFP, è 3.65 V. La carica di mantenimento alla soglia di carica completa è di circa 3.0 e 2.6 per i tipi LCO / NMC e LFP rispettivamente.
Un caricabatterie progettato per caricare un tipo di batteria agli ioni di litio, come LCO, non può essere utilizzato per caricare un altro tipo come una batteria LFP.
Si noti, tuttavia, che ci sono caricabatterie che possono essere configurati per caricare più tipi. Questi in genere richiedono valori di componenti diversi nel design del caricabatterie per adattarsi a ciascun tipo di batterie.
Quando si tratta della corrente di carica, è necessario un po ‘ di spiegazione. Capacità della batteria Li-ion è tradizionalmente riportato come mAh, o milliampere-Ora, o Ah. Questa unità, di per sé, non è in realtà un’unità di capacità di accumulo di energia. Per raggiungere una capacità di energia effettiva, la tensione della batteria deve essere considerata.
La figura 3 mostra una tipica curva di scarica per una batteria li-ion di tipo LCO. Poiché la tensione di scarica ha una pendenza, la tensione media della batteria dell’intera curva di scarica è considerata la tensione della batteria.
Questo valore è in genere da 3,7 a 3,85 V per i tipi LCO e 2,6 V per i tipi LFP. Moltiplicando il valore mAh con la tensione media della batteria si ottiene quindi il MWh, o capacità di accumulo di energia, di una data batteria.
La corrente di carica della batteria è data in termini di C-rate, dove 1C è numericamente uguale alla capacità della batteria in mA. Pertanto, una batteria 1000mAh ha un valore C di 1000mA. Per vari motivi, la velocità massima di ricarica consentita per una batteria agli ioni di litio è in genere compresa tra 0,5 C e 1C per i tipi LCO e 3C o più per i tipi LFP.
Una batteria può, ovviamente, essere composta da un minimo di una cella, ma può essere costituita da molte celle in una combinazione di gruppi collegati in serie di celle collegate in parallelo.
Lo scenario indicato in precedenza si applica alle batterie a cella singola. Nei casi in cui la batteria è composta da più celle, la tensione di carica e la corrente di carica devono essere ridimensionate per corrispondere.
Quindi, la tensione di carica viene moltiplicata per il numero di celle collegate in serie, o gruppo di celle, e, allo stesso modo, la corrente di carica viene moltiplicata per il numero di celle collegate in parallelo in ciascun gruppo collegato in serie.
Figura 3-Curva di scarica tipica di una batteria di tipo LCO
Un fattore aggiuntivo molto importante che deve essere considerato quando si caricano le batterie agli ioni di litio è la temperatura. Le batterie agli ioni di litio non possono essere caricate a basse o alte temperature.
A basse temperature, gli ioni di litio si muovono lentamente. Questo può causare gli ioni di litio a grappolo fino alla superficie dell’anodo dove alla fine si trasformano in metallo di litio. Poiché questa formazione di litio metallico assume la forma di dendriti, può perforare il separatore, causando pantaloncini interni.
Sulla fascia alta dell’intervallo di temperatura, il problema è la generazione di calore in eccesso. La ricarica della batteria non è efficiente al 100% e il calore viene generato durante la ricarica. Se la temperatura interna del nucleo diventa troppo alta, l’elettrolita può parzialmente decomporsi e trasformarsi in sottoprodotti gassosi. Ciò provoca una riduzione permanente della capacità della batteria e gonfiore.
L’intervallo di temperatura tipico per la ricarica delle batterie agli ioni di litio è compreso tra 0°C e 45°C per batterie di alta qualità o tra 8°C e 45°C per batterie più economiche. Alcune batterie consentono anche la ricarica a temperature più elevate, fino a circa 60°C, ma a velocità di ricarica ridotte.
Tutte queste considerazioni sono in genere soddisfatte da chip caricabatterie dedicati, ed è altamente raccomandato l’uso di tali chip indipendentemente dalla fonte di ricarica effettiva.
Caricabatterie agli ioni di litio
I caricabatterie agli ioni di litio rientrano ampiamente in due categorie principali: caricabatterie lineari e switching. Entrambi i tipi possono soddisfare i requisiti precedentemente indicati per quanto riguarda la corretta ricarica delle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, ognuno di essi ha i suoi vantaggi e svantaggi.
Il vantaggio di un caricatore lineare è la sua relativa semplicità. Tuttavia, il suo principale svantaggio è la sua inefficienza. Ad esempio, se la tensione di alimentazione è 5V, la tensione della batteria è a 3V e la corrente di carica è 1A, il caricabatterie lineare dissiperà 2W.
Se questo caricabatterie è incorporato in un prodotto, è molto calore che dovrà essere dissipato. Questo è il motivo per cui i caricabatterie lineari sono utilizzati principalmente nei casi in cui la corrente di carica massima è di circa 1A.
Per batterie di grandi dimensioni, i caricabatterie switching sono preferiti. Possono avere livelli di efficienza fino al 90% in alcuni casi. Gli svantaggi sono il suo costo più elevato e i requisiti immobiliari del circuito un po ‘ più grandi dovuti all’uso di induttori nella sua progettazione.
Fonte di ricarica considerazione
Diverse applicazioni possono chiamare per diverse fonti di ricarica. Ad esempio, questo può essere un adattatore CA dritto che fornisce un’uscita CC o un power bank. Potrebbe anche essere una porta USB da un desktop o apparecchi simili. Potrebbe anche essere da un gruppo di pannelli solari.
A causa delle capacità di erogazione di potenza di queste diverse fonti, è necessario considerare ulteriormente la progettazione del circuito effettivo del caricabatterie oltre alla semplice scelta di un caricabatterie lineare o switching.
Il caso più semplice è quando la fonte di ricarica fornisce un’uscita DC regolata come un adattatore CA o un power bank. L’unico requisito è scegliere una corrente di carica che non superi la velocità massima di carica della batteria o la capacità di erogazione della potenza della sorgente.
Modulo di ricarica una sorgente USB richiede un po ‘ più di attenzione. Se la porta USB è di tipo USB 2.0, seguirà lo standard di ricarica della batteria USB 1.2 o BC 1.2.
Ciò richiede che qualsiasi carico, in questo caso il caricabatterie, non dovrebbe richiedere più di 100 mA a meno che il carico non sia enumerato con la sorgente. In questo caso, è consentito prendere 500mA a 5V.
Se la porta USB è USB 3.1, può seguire USB BC1.2, o un circuito di controllo attivo può essere incorporato nella progettazione per negoziare per più potere seguendo l’erogazione di potenza USB, o USB PD, protocollo.
Le celle solari come fonte di ricarica presentano un’altra serie di sfide. Una cella solare Tensione-Corrente, o VI, è in qualche modo simile a quella di un diodo normale. Un diodo regolare non condurrà alcuna corrente apprezzabile al di sotto del suo valore minimo di tensione diretta, e quindi può passare corrente molto più grande con solo un leggero aumento della tensione diretta.
Una cella solare, d’altra parte, può fornire corrente fino a un certo massimo a una tensione relativamente piatta. Al di là di tale valore di corrente, la tensione scende bruscamente.
Quindi, un caricatore solare deve avere un circuito di gestione dell’alimentazione che modula la corrente prelevata dalla cella solare in modo da non causare la tensione di uscita troppo bassa.
Fortunatamente, ci sono chip come il TI BQ2407x, BQ24295, e altri, che possono ospitare uno dei più delle fonti di cui sopra.
Si consiglia vivamente di dedicare il tempo alla ricerca di un chip di ricarica appropriato piuttosto che progettare un caricabatterie da zero.
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