電池で動くほとんどの電子プロダクトのための選択の電池のタイプは李イオン電池です。 それが適切にそれらを充電するために必要なものを発見。
Li-ionは、家電製品で最も一般的に使用されるバッテリーです。 以前に使用されていた他のタイプのうち、電子機器用のNiCad電池はEUで禁止されているため、それらのタイプの全体的な需要は減少しています。
NiMH電池はまだ使用されていますが、エネルギー密度が低く、コスト対利益率が低いため、魅力的ではありません。
リチウムイオン電池の操作と建設
リチウムイオン電池は二次電池と考えられており、充電式です。 最も一般的なタイプは、銅基板または集電体上に被覆された黒鉛層からなる陽極と、アルミニウム基板上に被覆された酸化コバルトリチウムの陰極
セパレータは、典型的には、二つの電極を電気的に分離する薄いポリエチレンまたはポリプロピレンフィルムであるが、それを介してリチウムイオンの輸送を可能にする。 この配置を図1に示します。
アノードおよびカソード材料の様々な他のタイプも使用され、最も一般的なカソードは、典型的には、バッテリのタイプの説明に自分の名前を貸します。
したがって、リチウムコバルト酸化物陰極セルはLCOセルとして知られています。 リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物タイプはNMCタイプと呼ばれ、リン酸鉄リチウム陰極を有するセルはLFPセルとして知られている。
図1–典型的なリチウムイオンセルの主要なコンポーネント
実際のリチウムイオンセルでは、これらの層は典型的には密に巻かれており、電解液は液体であるが、電極を濡らすのに十分であり、内部に液体がスロッシングすることはない。
この配置は、プリズム状または長方形の金属ケースのセルの実際の内部構造を示す図2に示されています。 他の普及した場合のタイプは円柱および袋です（一般にポリマー細胞と言われる）。
この図には示されていないのは、各集電体に取り付けられている金属タブです。 これらのタブは、バッテリへの電気的接続であり、基本的にバッテリ端子です。
図2-プリズム式リチウムイオンセルの典型的な内部構造
リチウムイオンセルを充電するには、外部エネルギー源を使用して正に帯電したリチウムイオンをカソードからアノード電極に駆動する必要があります。 これにより、陰極は負に帯電し、陽極は正に帯電する。外部的には、帯電は陽極側から帯電源への電子の移動を含み、陰極に押し込まれる電子の数は同じである。
外部的には、帯電は陽極側から帯電源への電子の移動を含み、陰極に押し込まれる電子の数は同じである。 これは、liイオンの内部流れとは反対の方向です。
放電中、バッテリ端子に外部負荷が接続されます。 陽極に貯蔵されたｌｉイオンは陰極に戻って移動する。 外部的には、これは陰極から陽極への電子の移動を含む。 これにより、負荷に電流が流れる。
簡単に言えば、充電中にセル内で起こっていることは、例えば、カソード側では、リチウムコバルト酸化物がリチウムイオンの一部を放棄し、まだ化学的に安定であるより少ないリチウムを有する化合物になるということである。
アノード側では、これらのリチウムイオンはグラファイト分子格子の格子間空間に埋め込まれるか、またはインターカレートする。充電と放電中にいくつかの問題を考慮する必要があります。
充電と放電中にいくつかの問題を考慮する必要がありま 内部的には、liイオンは充放電中にいくつかの界面を横断する必要があります。 例えば、充電の間に、ｌｉ−イオンは、陰極のバルクから陰極へ、電解質界面へ輸送されなければならない。
そこから、電解質を通って、セパレータを通って電解質と陽極との界面に移動する必要があります。
そこから電解質を通って、電解質と陽極と 最後に、それはこの界面から陽極材料の大部分に拡散しなければならない。
これらの異なる媒体のそれぞれを通る電荷輸送速度は、そのイオン移動度によって支配される。 これは、温度やイオン濃度などの要因の影響を受けます。これが実際に意味することは、これらの制限を超えないように、充放電中に予防措置を講じる必要があるということです。
リチウムイオンバッテリ充電の考慮事項
リチウムイオンバッテリを充電するには、特別な充電アルゴリズムが必要です。 これは、以下に説明するいくつかの段階で実行されます。
トリクル充電（プリチャージ）
バッテリ充電レベルが非常に低い場合、通常は次に説明するフルレート充電レートの1/10程度の減少した定電流レートで充電されます。
この間、バッテリ電圧が上昇し、所定の閾値に達すると、充電速度がフル充電速度まで増加する。
いくつかの充電器は、このトリクル充電段階を二つに分解することに注意してください：プリチャージとトリクル充電、バッテリー電圧が最初にどのよ
フルレート充電
バッテリ電圧が最初に十分に高い場合、またはバッテリがこの時点まで充電されている場合は、フル充電レート段が開始されます。
バッテリ電圧が最初に十分に高い場合、またはバッテリ電圧がこの時点まで充電されている場合は、フル充電レート段が開始されます。
これは定電流充電段階でもあり、この段階ではバッテリ電圧はゆっくりと上昇し続けます。
テーパー充電
バッテリ電圧が最大充電電圧に上昇すると、テーパー充電ステージが開始されます。 この段階では、充電電圧は一定に保たれる。
リチウムイオン電池は、最大電圧よりも高い電圧で充電することができれば壊滅的に故障するため、これは重要です。 この充電電圧がこの最大値で一定に保たれると、充電電流は徐々に減少します。
Cutoff/Termination
充電電流が十分に低い値に減少すると、充電器はバッテリから切断されます。 この値は、通常、フルレートの充電電流の1/10または1/20です。
これは、長期的にはバッテリーの性能と信頼性を低下させるように、充電リチウムイオン電池をフロートしないことが重要です。
前のセクションでは、さまざまな充電段階について説明していますが、さまざまな段階の特定のしきい値は提供されていませんでした。 電圧から始めて、各李イオン電池のタイプに自身の完全な充満末端の電圧があります。最も一般的なLCOおよびNCMタイプの場合、それは4.20Vです。フル充電へのトリクル充電スレッショルドは、LCO/NMCでは約3.0と2.6、LFPタイプではそれぞれ約3.0と2.6です。
LFPタイプでは、3.65Vです。
LFPタイプでは、3.65Vとなります。
LCOなどのあるタイプのリチウムイオン電池を充電するように設計された充電器は、LFP電池などの別のタイプの充電には使用できません。ただし、複数のタイプを充電するように設定できる充電器があることに注意してください。
ただし、複数のタイプを充電するように設定でき これらは、通常、各タイプのバッテリに対応するために、充電器の設計において異なる部品値を必要とする。それは充電電流になると、説明のビットが必要です。
それは充電電流になると、説明のビットが必要です。
リチウムイオン電池の容量は、伝統的にmAh、またはミリアンペア時間、またはAhとして報告されています。 このユニット自体は、実際にはエネルギー貯蔵容量の単位ではありません。 実際のエネルギー容量に到達するには、バッテリ電圧を考慮する必要があります。
図3は、LCO型リチウムイオン電池の典型的な放電曲線を示しています。 放電電圧は傾きを有するので、放電曲線全体の平均電池電圧を電池電圧とする。この値は、LCOタイプでは通常3.7～3.85V、LFPタイプでは2.6Vです。 MAh値にバッテリの平均電圧を乗算すると、所定のバッテリのmWhまたはエネルギー貯蔵容量が得られます。
バッテリ充電電流はCレートで与えられ、1Cはバッテリ容量とmA単位で数値的に同じです。 したがって、1000mAhのバッテリのC値は1000mAです。 さまざまな理由から、リチウムイオンバッテリに許容される最大充電速度は、通常、LCOタイプでは0.5Cから1C、LFPタイプでは3C以上です。
バッテリーは、もちろん、一つのセルの最小値で構成することができますが、並列接続されたセルの直列接続グループの組み合わせで多くのセルで構成
前述のシナリオは、単セル電池に適用されます。 バッテリが複数のセルで構成されている場合、充電電圧と充電電流を一致させるようにスケーリングする必要があります。
したがって、充電電圧に直列接続されたセルの数、またはセルのグループが乗算され、同様に、充電電流に各直列接続されたグループの並列接続されたセ
図3-LCO型電池の典型的な放電曲線
リチウムイオン電池を充電する際に考慮 リチウムイオン電池は、低温または高温では充電できません。
低温では、liイオンはゆっくりと移動する。 これにより、リチウムイオンが陽極の表面に集まり、最終的にリチウム金属に変わる可能性があります。 このリチウム金属形成は樹状突起の形態をとるため、セパレータを貫通して内部短絡を引き起こす可能性がある。
温度範囲の上限では、問題は過剰な発熱です。 バッテリーの充電は100％効率的ではなく、充電中に熱が発生します。 コアの内部温度が高すぎると、電解質が部分的に分解し、ガス状の副生成物に変わる可能性があります。 これにより膨張と同様、電池容量の永久的な減少を引き起こす。リチウムイオン電池を充電するための典型的な温度範囲は、高品質の電池では0°C〜45°C、安価な電池では約8°C〜45°Cです。
いくつかの電池はまた、約60℃までのより高い温度で充電することができますが、充電速度は低下しています。
これらの考慮事項はすべて、通常、専用の充電器チップによって満たされており、実際の充電源に関係なく、このようなチップを使用することを強く
リチウムイオン充電器
リチウムイオン充電器は、大きく二つの主要なカテゴリに分類されます：リニア充電器とスイッチング充電器。 どちらのタイプも、リチウムイオン電池の適切な充電に関して以前に述べた要件を満たすことができます。 しかし、彼らはそれぞれ長所と短所を持っています。
線形充電器の利点は、その相対的な単純さです。 しかし、その主な欠点はその非効率性です。 たとえば、電源電圧が5V、バッテリ電圧が3V、充電電流が1Aの場合、リニアチャージャは2Wを消費します。
この充電器が製品に埋め込まれている場合、それは多くの熱を消費する必要があります。
この充電器が製品に組み込まれている場合、それは消費されなければなりません。 そのため、最大充電電流が約1Aの場合にリニア充電器が主に使用されています。
大型バッテリーの場合は、スイッチング充電器が好まれます。 それらは場合によっては90%までの効率のレベルがあってもいいです。 欠点は、その設計にインダクタを使用するため、コストが高く、回路の不動産要件がやや大きいことです。
充電源の検討
異なるアプリケーションは、異なる充電源を呼び出すことができます。 たとえば、DC出力を提供するストレートACアダプタ、または電源バンクなどがあります。 また、デスクトップまたは同様のアプライアンスからのUSBポートである可能性があります。 それはまた太陽電池パネルアセンブリからあることができる。
これらの異なるソースの電力供給能力のために、単にリニアまたはスイッチング充電器を選択するだけでなく、実際のバッテリ充電器回路の設計
最も簡単なケースは、充電源がACアダプタや電源バンクなどの安定化されたDC出力を供給する場合です。 唯一の要件は、バッテリの最大充電速度を超えない充電電流、または電源供給能力を選択することです。
usbソースを充電するには、もう少し注意が必要です。 USBポートがUSB2.0タイプの場合、USBバッテリー充電規格1.2またはBC1.2に従います。
これは、負荷がソースで列挙されていない限り、任意の負荷、この場合はバッテリ充電器が100mAを超えてはならないことを必要とします。 この場合、5vで500maを取ることができます。
USBポートがUSB3.1の場合、USB BC1に従うことができます。図2に示すように、またはアクティブコントローラ回路を設計に組み込んで、USB Power Delivery、またはUSB PDプロトコルに従ってより多くの電力をネゴシエートするこ
充電源としての太陽電池は、別の課題を提示します。 太陽電池の電圧-電流、またはVIは、通常のダイオードの電圧-電流と多少似ています。 通常のダイオードは、その最小順方向電圧値を下回るかなりの電流を伝導せず、順方向電圧をわずかに増加させるだけではるかに大きな電流を通過させることができます。一方、太陽電池は、比較的平坦な電圧で一定の最大値まで電流を供給することができます。
一方、太陽電池は、比較的平坦な電圧で一定の最大値まで電流を供給することができます。 その電流値を超えると、電圧は急激に低下します。そのため、ソーラー充電器は、出力電圧が低すぎないように太陽電池から引き出される電流を変調する電力管理回路を備えていなければなりません。
幸いなことに、TI Bq2407X、BQ24295などのチップがあり、上記のソースの複数のいずれかに対応できます。充電器を最初から設計するのではなく、適切な充電チップを探すために時間を費やすことを強くお勧めします。
充電器を設計するのではなく、適切な充電チップを検索することをお勧めします。
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