valg av batteritype for de fleste elektroniske produkter som kjører på batterier, er li-ion-batteriet. Oppdag hva som trengs for å lade dem riktig.
Li-ion er batteriet som oftest brukes i forbrukerelektronikkprodukter. Av de andre typene Som ble brukt tidligere, Har NiCad-batterier til bruk i elektronisk utstyr blitt forbudt I EU, så den generelle etterspørselen etter disse typene har falt.NiMH-batterier brukes fortsatt, men deres lavere energitetthet og kostnad-til-nytte-forhold gjør Dem lite attraktive.
li-ion batteridrift og konstruksjon
Li-ion-batterier betraktes som sekundære batterier, noe som betyr at De er oppladbare. Den vanligste typen består av en anode laget av et grafittlag belagt på et kobbersubstrat, eller strømsamler, og en katode av litium koboltoksidbelegg på et aluminiumsubstrat.separatoren er vanligvis en tynn polyetylen-eller polypropylenfilm som elektrisk separerer de to elektrodene, men tillater transport av litiumioner gjennom den. Dette arrangementet er vist i figur 1.
Ulike andre typer anode-og katodematerialer brukes Også, de vanligste katodene gir vanligvis navn til typebeskrivelsen av batteriet.
således er litium koboltoksid katodeceller kjent som LCO-celler. Litium nikkel mangan kobolt oksid typer er referert TIL SOM NMC typer, og celler med litium jern fosfat katoder er kjent SOM LFP celler.
Figur 1-Hovedkomponenter i en typisk li-ioncelle
i en faktisk li-ioncelle er disse lagene vanligvis tett viklet sammen, og elektrolytten, mens væsken, er knapt nok til å våte elektrodene, og det er ingen flytende sloshing rundt innsiden.
dette arrangementet er vist i figur 2, som viser den faktiske interne konstruksjonen av en prismatisk eller rektangulær metallkasse, celle. Andre populære sakstyper er sylindriske og pose (ofte referert til som polymerceller).
Ikke vist i denne figuren er metallflikene som er festet til hver strømkollektor. Disse kategoriene er de elektriske tilkoblingene til batteriet, i hovedsak batteriterminaler.
Figur 2-Typisk intern konstruksjon av en prismatisk li-ioncelle
Lading av en li-ioncelle innebærer bruk av en ekstern energikilde for å drive positivt ladede li-ioner fra katoden til anodeelektroden. Dermed blir katoden negativt ladet, og anoden positivt ladet.Eksternt innebærer lading bevegelse av elektroner fra anodesiden til ladekilden, og det samme antall elektroner blir presset inn i katoden. Dette er motsatt retning til den indre strømmen av li-ioner.
under utladning kobles en ekstern belastning over batteriterminaler. Li-ioner som ble lagret i anoden flytte tilbake til katoden. Eksternt innebærer dette bevegelse av elektroner fra katoden til anoden. Dermed strømmer en elektrisk strøm gjennom lasten.Kort sagt, det som skjer inne i cellen under lading, er for eksempel at på katodesiden gir litiumkoboltoksidet opp noen av sine litiumioner, og blir en forbindelse med mindre litium som fortsatt er kjemisk stabil.
på anodesiden legger disse litiumioner inn, eller interkalerer, i interstitialrommene i grafittmolekylgitteret.
Flere problemer må vurderes under lading og utlading. Internt må li-ionene krysse flere grensesnitt under lading og utladning. For eksempel, under lading, må li-ionene transportere fra hovedparten av katoden til katoden til elektrolyttgrensesnittet.
Derfra må den bevege seg gjennom elektrolytten, gjennom separatoren til grensesnittet mellom elektrolytt og anode. Til slutt må den diffundere fra dette grensesnittet til hoveddelen av anodematerialet.
ladetransporten gjennom hvert av disse forskjellige mediene styres av dens ioniske mobilitet. Dette påvirkes igjen av faktorer som temperatur og ionkonsentrasjon.
hva dette betyr i praksis er at forholdsregler må tas under lading og utlading for å sikre at disse begrensningene ikke overskrides.
li-ion batteriladningshensyn
Lading av li-ion-batterier krever en spesiell ladealgoritme. Dette utføres i flere trinn beskrevet nedenfor:
Trickle charge (Pre-charge)
hvis batteriladningsnivået er svært lavt, blir det ladet med en redusert konstant strømhastighet som vanligvis er rundt 1/10 fullfrekvent ladehastighet beskrevet neste.
i løpet av denne tiden øker batterispenningen, og når den har nådd en gitt terskel, økes ladehastigheten til full ladehastighet.
Merk at noen ladere bryter ned dette trickle charge-trinnet i to: pre-charge og trickle charge, avhengig av hvor lav batterispenningen er i utgangspunktet.
Full ladehastighet
hvis batterispenningen i utgangspunktet er høy nok, eller hvis batteriet har ladet opp til dette punktet, startes full ladehastighetstrinnet.
dette er også et konstant strømladingstrinn, og i løpet av dette stadiet fortsetter batterispenningen å stige sakte.
Konisk ladning
når batterispenningen har steget til maksimal ladespenning, begynner konisk ladestrinn. I dette stadiet holdes ladespenningen konstant.
dette er viktig da li-ion-batterier vil mislykkes katastrofalt hvis de får lov til å lade opp ved høyere spenning enn maksimal spenning. Hvis denne ladespenningen holdes konstant ved denne maksimale verdien, vil ladestrømmen sakte reduseres.
Cutoff / Termination
når ladestrømmen er redusert til en lav nok verdi, kobler laderen fra batteriet. Denne verdien er vanligvis 1/10, eller 1/20, av full rate ladestrømmen.
det er viktig å ikke flyte lade li-ion-batterier, da dette vil redusere ytelsen og påliteligheten til batteriet på lang sikt.
mens den forrige delen beskriver de ulike ladetrinnene, ble det ikke oppgitt spesifikke terskelverdier for de ulike stadiene. Fra og med spenningen har hver li-ion-batteritype sin egen fullladningsterminalspenning.
for de vanligste lco-og NCM-typene, er det 4,20 V. det er noen med 4,35 V og 4,45 V også.
FOR LFP-typer er det 3,65 V. trickle charge til full ladning terskel er rundt 3,0 og 2,6 for HENHOLDSVIS LCO/NMC og lfp-typer.en lader som er utformet for å lade en type li-ion-batteri, for EKSEMPEL LCO, kan ikke brukes til å lade en annen type, for eksempel et lfp-batteri.
Merk imidlertid at det finnes ladere som kan konfigureres til å lade flere typer. Disse krever vanligvis forskjellige komponentverdier i laderens design for å imøtekomme hver type batterier.
når det gjelder ladestrømmen, er det nødvendig med litt forklaring. Li-ion batterikapasitet er tradisjonelt rapportert som mAh, eller milliAmps-Time, Eller Ah. Denne enheten er i seg selv ikke en enhet for energilagringskapasitet. For å komme til en faktisk energikapasitet må batterispenningen vurderes.
Figur 3 viser en typisk utladningskurve for et lco-li-ion-batteri. Siden utladningsspenningen har en skråning, blir den gjennomsnittlige batterispenningen til hele utladningskurven tatt for å være batterispenningen.
denne verdien er typisk 3,7 til 3,85 V FOR LCO-typer og 2,6 V FOR LFP-typer. Ved å multiplisere mAh-verdien med gjennomsnittlig spenning på batteriet, gir det mWh, eller energilagringskapasiteten, til et gitt batteri.
batteriladestrøm er gitt I Form Av C-rate, HVOR 1c er numerisk det samme som batterikapasiteten i mA. Således har et 1000mah batteri En c-verdi på 1000mA. Av ulike grunner er maksimal ladehastighet tillatt for et li-ion-batteri vanligvis mellom 0,5 C OG 1C FOR LCO-typer, OG 3C, eller mer, FOR LFP-typer.
scenariet gitt tidligere gjelder for enkeltcellebatterier. I tilfeller der batteriet består av flere celler, må ladespenningen og ladestrømmen skaleres for å matche.dermed multipliseres ladespenningen med antall seriekoblede celler eller gruppe av celler, og på samme måte multipliseres ladestrømmen med antall parallellkoblede celler i hver seriekoblede gruppe.
Figur 3-Typisk utladningskurve for et lco-type batteri
en svært viktig tilleggsfaktor som må vurderes når du lader li-ion-batterier, er temperatur. Li-ion-batterier kan ikke lades ved lave eller høye temperaturer.
ved lave temperaturer beveger li-ionene sakte. Dette kan føre til at li-ioner å gjeng opp på overflaten av anoden hvor de til slutt vil slå inn litiummetall. Fordi denne litiummetallformasjonen tar form av dendriter, kan den pierce separatoren og forårsake interne shorts.
på den høye enden av temperaturområdet er problemet overskuddsvarmeproduksjon. Batterilading er ikke 100% effektiv, og varme genereres under lading. Hvis kjernens indre temperatur blir for høy, kan elektrolytten delvis dekomponere og bli til gassformige biprodukter. Dette fører til en permanent reduksjon i batterikapasiteten samt hevelse.
det typiske temperaturområdet for lading av li-ion-batterier er 0 hryvnias C til 45°C for batterier av høy kvalitet, eller omtrent 8°C til 45°C for billigere batterier. Noen batterier tillater også lading ved høyere temperaturer, opp til ca 60°C, men med reduserte ladehastigheter.Alle disse hensynene er vanligvis oppfylt av dedikerte laderchips, og det anbefales sterkt å bruke slike sjetonger uavhengig av den faktiske ladekilden.
Li-ion-ladere
Li-ion-ladere faller stort sett inn i to hovedkategorier: lineære og koblingsladere. Begge typer kan oppfylle kravene som tidligere er angitt om riktig lading av li-ion-batterier. Imidlertid har de hver sine fordeler og ulemper.
fordelen med en lineær lader er dens relative enkelhet. Imidlertid er den største ulempen dens ineffektivitet. For EKSEMPEL, hvis forsyningsspenningen ER 5V, batterispenningen er 3V, og ladestrømmen ER 1A, vil den lineære laderen spre 2W.
hvis denne laderen er innebygd i et produkt, er det mye varme som må løses. Derfor brukes lineære ladere mest i tilfeller der maksimal ladestrøm er CA 1A.
for store batterier foretrekkes koblingsladere. De kan ha effektivitetsnivåer på opptil 90% i noen tilfeller. Ulemper er dens høyere kostnader og noe større krets eiendomsmegling krav på grunn av bruk av induktorer i sin design.
Lading kilde betraktning
Ulike programmer kan ringe for ulike ladekilder. For eksempel kan dette være en rett VEKSELSTRØMADAPTER som gir EN DC-utgang eller en strømbank. DET kan også være EN USB-port fra et skrivebord eller lignende apparater. Det kan også være fra en solcellepanel montering.
På grunn av strømleveringsegenskapene til disse forskjellige kildene, må det tas ytterligere hensyn til utformingen av den faktiske batteriladerkretsen, i tillegg til å velge en lineær eller en byttelader.
det enkleste tilfellet er når ladekilden leverer en regulert DC-utgang, for eksempel EN STRØMADAPTER eller en strømbank. Det eneste kravet er å velge en ladestrøm som ikke overstiger batteriets maksimale ladehastighet, eller kildeleveringsevnen.En USB-kilde krever litt mer oppmerksomhet. HVIS USB-porten er EN USB 2.0-type, vil DEN følge USB – Batteriladningsstandarden 1.2 eller BC 1.2.
dette krever at enhver last, i dette tilfellet batteriladeren, ikke skal ta mer enn 100 mA med mindre lasten er oppregnet med kilden. I dette tilfellet er det lov å ta 500mA VED 5V.
HVIS USB-porten ER USB 3.1, kan DEN følge USB BC1.2, eller en aktiv kontrollkrets kan innlemmes i designet for å forhandle om mer strøm etter USB – Strømleveransen, ELLER USB PD, protokollen.
Solceller som ladekilde presenterer et annet sett med utfordringer. En solcelle Spenning-Strøm, ELLER VI, er noe lik som en vanlig diode. En vanlig diode vil ikke utføre noen merkbar strøm under sin minste fremspenningsverdi, og kan da passere mye større strøm med bare en liten økning i fremspenningen.En solcelle kan derimot levere strøm til et visst maksimum ved en relativt flat spenning. Utover den nåværende verdien faller spenningen kraftig.så, en sollader må ha en strømstyringskrets som modulerer strømmen trukket fra solcellen for ikke å få utgangsspenningen til å gå for lav.Heldigvis finnes det sjetonger SOM TI BQ2407x, BQ24295 og andre, som kan huse en av flere av de ovennevnte kildene.
det anbefales sterkt å bruke tid på å søke etter en passende ladebrikke i stedet for å designe en batterilader fra bunnen av.Endelig, ikke glem å laste ned din GRATIS PDF: Ultimate Guide For Å Utvikle Og Selge Ditt Nye Elektroniske Maskinvareprodukt. Du vil også motta mitt ukentlige nyhetsbrev der jeg deler premium-innhold som ikke er tilgjengelig på bloggen min.