het batterijtype dat bij de meeste elektronische producten die op batterijen werken, wordt gekozen, is de li-ion-accu. Ontdek wat er nodig is om ze goed op te laden.
Li-ion is de batterij die het meest wordt gebruikt in consumentenelektronica producten. Van de andere typen die eerder werden gebruikt, zijn NiCad-Batterijen voor gebruik in elektronische apparatuur in de EU verboden, zodat de totale vraag naar deze typen is gedaald.
NiMH-batterijen worden nog steeds gebruikt, maar hun lagere energiedichtheid en kosten-batenverhouding maken ze onaantrekkelijk.
Li-ion-batterij werking en constructie
Li-ion-batterijen worden beschouwd als secundaire batterijen, wat betekent dat ze oplaadbaar zijn. Het meest voorkomende type bestaat uit een anode gemaakt van een grafiet laag gecoat op een koper substraat, of stroom collector, en een kathode van lithium kobalt oxide coating op een aluminium substraat.
het scheidingsteken is typisch een dunne polyethyleen-of polypropyleenfilm die de twee elektroden elektrisch scheidt, maar het transport van lithiumionen erdoor mogelijk maakt. Deze opstelling is weergegeven in figuur 1.
verschillende andere soorten anode-en kathodematerialen worden ook gebruikt, de meest voorkomende kathoden lenen hun naam meestal aan de typebeschrijving van de batterij.
daarom staan lithiumkobaltoxy – kathodecellen bekend als LCO-cellen. De types van het het mangaankobaltoxide van het lithiumnikkel worden aangeduid als NMC types, en de cellen met het fosfaatkathoden van het lithiumijzer zijn genoemd geworden LFP cellen.
figuur 1 – Belangrijke componenten van een typische li-ion-cel
in een echte li-ion-cel worden deze lagen meestal dicht op elkaar gewikkeld en is de elektrolyt, hoewel vloeibaar, nauwelijks genoeg om de elektroden te bevochtigen, en er is geen vloeibare klotst rond binnen.
deze opstelling is weergegeven in Figuur 2, die de werkelijke interne constructie van een prismatische of rechthoekige metalen behuizing toont. Andere populaire case types zijn cilindrische en pouch (meestal aangeduid als polymeercellen).
niet weergegeven in deze figuur zijn de metalen tabs die aan elke huidige collector zijn bevestigd. Deze tabs zijn de elektrische aansluitingen op de batterij, in wezen de batterijaansluitingen.
Figuur 2-Typische interne constructie van een prismatische li-ion-cel
opladen een li-ion-cel omvat het gebruik van een externe energiebron om positief geladen li-ionen van de kathode naar de anode-elektrode te drijven. Zo wordt de kathode negatief geladen, en de anode positief geladen.
extern gaat het laden gepaard met beweging van elektronen van de anode naar de laadbron, en hetzelfde aantal elektronen wordt in de kathode geduwd. Dit is de tegenovergestelde richting van de interne stroom van de li-Ionen.
tijdens het ontladen wordt een externe belasting aangesloten over de batterijaansluitingen. Li-ionen die in de anode waren opgeslagen, gaan terug naar de kathode. Extern, dit impliceert beweging van elektronen van de kathode aan de anode. Zo stroomt een elektrische stroom door de belasting.
Kort gezegd, wat er in de cel gebeurt tijdens het laden, bijvoorbeeld, is dat aan de kathodezijde het lithiumkobaltoxide een deel van zijn lithiumionen afgeeft, waardoor het een verbinding wordt met minder lithium die nog chemisch stabiel is.
aan de anodezijde worden deze lithiumionen ingebed of intercalaat in de interstitiële ruimten van het moleculaire grafietrooster.
tijdens het laden en lossen moeten verschillende problemen worden overwogen. Intern moeten de li-Ionen verschillende interfaces passeren tijdens het laden en ontladen. Bijvoorbeeld, tijdens het laden, moeten de li-ionen van het grootste deel van de kathode naar de kathode naar elektrolyt interface transporteren.
van daaruit moet het door de elektrolyt, door het scheidingsteken, naar het raakvlak tussen elektrolyt en anode gaan. Ten slotte moet het van deze interface naar het grootste deel van het anode materiaal diffunderen.
Het Tarief van het transport via elk van deze verschillende media wordt bepaald door de Ionische mobiliteit. Dit, op zijn beurt, wordt beïnvloed door factoren zoals temperatuur en ionenconcentratie.
in de praktijk betekent dit dat tijdens het laden en lossen voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen om ervoor te zorgen dat deze beperkingen niet worden overschreden.
overwegingen voor het opladen van Li-ion-accu ‘s
Voor het opladen van li-ion-accu’ s is een speciaal laadalgoritme vereist. Dit wordt uitgevoerd in verschillende fasen die hieronder worden beschreven:
druppellading (Voorlading)
als het batterijladingsniveau zeer laag is, wordt het opgeladen met een lagere constante stroomsnelheid die meestal ongeveer 1/10 van de volledige laadsnelheid die hierna wordt beschreven.
gedurende deze tijd neemt de batterijspanning toe en wanneer deze een bepaalde drempel heeft bereikt, wordt de laadsnelheid verhoogd tot de volledige laadsnelheid.
merk op dat sommige laders deze druppellading in twee delen splitsen: vooraf opladen en druppellading, afhankelijk van hoe laag de batterijspanning aanvankelijk is.
volle lading
als de batterijspanning aanvankelijk hoog genoeg is, of als de batterij tot op dit punt is opgeladen, wordt de volledige laadfase gestart.
Dit is ook een constante stroom laadfase, en gedurende deze fase blijft de batterijspanning langzaam stijgen.
Taper charge
wanneer de batterijspanning is gestegen tot de maximale laadspanning, begint de taper charge fase. In dit stadium wordt de laadspanning constant gehouden.
Dit is belangrijk omdat li-ion-accu ‘ s catastrofaal uitvallen als ze bij een hogere spanning dan hun maximale spanning worden opgeladen. Als deze laadspanning constant wordt gehouden bij deze maximale waarde, zal de laadstroom langzaam afnemen.
Cutoff / Termination
wanneer de laadstroom is afgenomen tot een voldoende lage waarde, wordt de verbinding met de batterij verbroken. Deze waarde is meestal 1/10, of 1/20, van de volledige laadstroom.
Het is belangrijk om li-ion-accu ‘ s niet te laten zweven omdat dit de prestaties en betrouwbaarheid van de accu op de lange termijn vermindert.
terwijl in het vorige deel de verschillende heffingsfasen worden beschreven, zijn geen specifieke drempelwaarden voor de verschillende fasen verstrekt. Beginnend met de spanning, heeft elk Li-ion batterijtype zijn eigen voltage van de volledige lading terminal.
voor de meest voorkomende LCO-en NCM-types is dat 4.20 V. Er zijn er ook een aantal met 4.35 V en 4.45 V.
voor LFP-typen is het 3,65 V. De druppellading tot de volledige laaddrempel is ongeveer 3,0 en 2,6 voor LCO/NMC, en LFP-typen respectievelijk.
een oplader die is ontworpen om een type li-ion-batterij, zoals LCO, op te laden, kan niet worden gebruikt om een ander type, zoals een LFP-batterij, op te laden.
merk echter op dat er laders zijn die kunnen worden geconfigureerd om meerdere typen op te laden. Deze vereisen doorgaans verschillende componentwaarden in het ontwerp van de lader om elk type accu ‘ s op te nemen.
als het gaat om de laadstroom, is een beetje uitleg vereist. Li-ion batterij capaciteit wordt traditioneel gerapporteerd als mAh, of milliAmps-uur, of Ah. Deze eenheid is op zich geen eenheid van energieopslagcapaciteit. Om tot een daadwerkelijke energiecapaciteit te komen, moet rekening worden gehouden met de batterijspanning.
Figuur 3 toont een typische ontladingscurve voor een li-ion-batterij van het LCO-type. Aangezien de ontladingsspanning een helling heeft, wordt de gemiddelde batterijspanning van de volledige ontladingscurve als de batterijspanning beschouwd.
deze waarde is meestal 3,7 tot 3,85 V voor LCO-typen, en 2,6 V voor LFP-typen. Het vermenigvuldigen van de mAh-waarde met de gemiddelde spanning van de batterij levert vervolgens de mWh, of energieopslagcapaciteit, van een bepaalde batterij op.
laadstroom van de batterij wordt gegeven in termen van C-snelheid, waarbij 1C numeriek gelijk is aan de batterijcapaciteit in mA. Zo heeft een 1000mAh batterij een C-waarde van 1000mA. Om verschillende redenen is de maximale Laadsnelheid voor een li-ion-batterij meestal tussen 0,5 C en 1C voor LCO-typen en 3C of meer voor LFP-typen.
een batterij kan natuurlijk bestaan uit minimaal één cel, maar kan bestaan uit vele cellen in een combinatie van series-verbonden groepen van parallel-verbonden cellen.
het eerder gegeven scenario is van toepassing op eencellige batterijen. In gevallen waarin de batterij uit meerdere cellen bestaat, moeten de laadspanning en laadstroom aangepast worden.
de laadspanning wordt dus vermenigvuldigd met het aantal in serie verbonden cellen of groepen cellen, en op dezelfde manier wordt de laadstroom vermenigvuldigd met het aantal parallel verbonden cellen in elke in serie verbonden groep.
Figuur 3-typische ontladingscurve van een LCO-batterij
een zeer belangrijke extra factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het opladen van li-ion-batterijen is de temperatuur. Li-ion accu ‘ s kunnen niet worden opgeladen bij lage of hoge temperaturen.
bij lage temperaturen bewegen de li-Ionen langzaam. Dit kan ervoor zorgen dat de li-ionen zich ophopen aan het oppervlak van de anode waar ze uiteindelijk in lithiummetaal zullen veranderen. Omdat deze lithiummetaalvorming de vorm van dendrieten aanneemt, kan het de afscheider doorboren, waardoor interne korte broeken ontstaan.
aan de hoge kant van het temperatuurbereik is het probleem overtollige warmteopwekking. Het opladen van de batterij is niet 100% efficiënt en er wordt warmte gegenereerd tijdens het opladen. Als de inwendige temperatuur van de kern te hoog wordt, kan de elektrolyt gedeeltelijk ontleden en in gasvormige bijproducten veranderen. Dit veroorzaakt een permanente vermindering van de capaciteit van de batterij en zwelling.
het typische temperatuurbereik voor het opladen van li-ion-batterijen is 0°C tot 45°C voor hoogwaardige batterijen, of ongeveer 8°C tot 45°C voor goedkopere batterijen. Sommige accu ‘ s kunnen ook worden opgeladen bij hogere temperaturen, tot ongeveer 60°C, maar tegen lagere laadtarieven.
aan al deze overwegingen wordt doorgaans voldaan door speciale laderchips, en het wordt ten zeerste aanbevolen om dergelijke chips te gebruiken ongeacht de werkelijke Oplaadbron.
Li-ion-laders
Li-ion-laders vallen in grote lijnen in twee hoofdcategorieën: lineaire en schakelladers. Beide types kunnen voldoen aan de eerder genoemde eisen met betrekking tot het goed opladen van li-ion batterijen. Echter, ze hebben elk hun voor-en nadelen.
het voordeel van een lineaire lader is de relatieve eenvoud. Het grootste nadeel is echter de inefficiëntie. Bijvoorbeeld, als de voedingsspanning 5V is, de batterijspanning 3V is en de laadstroom 1A is, zal de lineaire Lader 2W dissiperen.
als deze lader in een product is ingebed, is dat veel warmte die moet worden afgevoerd. Daarom worden lineaire laders meestal gebruikt in gevallen waar de maximale laadstroom ongeveer 1A is.
bij grote batterijen wordt de voorkeur gegeven aan schakelladers. Ze kunnen in sommige gevallen tot 90% efficiënter zijn. Nadelen zijn de hogere kosten en de iets grotere circuit Vastgoed eisen als gevolg van het gebruik van smoorspoelen in het ontwerp.
Oplaadbron overweging
verschillende toepassingen kunnen verschillende oplaadbronnen oproepen. Dit kan bijvoorbeeld een rechte AC-Adapter zijn die een DC-uitgang biedt, of een powerbank. Het kan ook een USB-poort van een desktop of soortgelijke apparaten. Het kan ook van een zonnepaneel zijn.
vanwege de vermogensafgifte van deze verschillende bronnen moet meer aandacht worden besteed aan het ontwerp van het eigenlijke batterijladercircuit dan alleen het kiezen van een lineaire of schakellader.
het meest eenvoudige geval is wanneer de Oplaadbron een gereguleerde DC-uitgang levert, zoals een AC-Adapter of een powerbank. De enige vereiste is het kiezen van een laadstroom die niet hoger is dan de maximale Laadsnelheid van de batterij of de capaciteit voor de levering van het bronvermogen.
Het opladen van een USB-bron vraagt iets meer aandacht. Als de USB-poort is een USB 2.0 type, dan zal het volgen van de USB-Batterij opladen standaard 1.2, of BC 1.2.
Dit vereist dat elke belasting, in dit geval de acculader, niet meer dan 100 mA mag nemen, tenzij de belasting is opgesomd met de bron. In dit geval is het toegestaan om 500mA te nemen bij 5V.
als de USB-poort USB 3.1 is, dan kan het USB BC1 volgen.2, of een actieve controller circuit kan worden opgenomen in het ontwerp om te onderhandelen voor meer macht na de USB Power Delivery, of USB PD, protocol.
zonnecellen als Oplaadbron vormen een andere reeks uitdagingen. Een zonnecel spanning-stroom, of VI, is enigszins vergelijkbaar met die van een reguliere diode. Een regelmatige diode zal geen merkbare stroom onder zijn minimale voorwaartse spanningswaarde leiden, en kan dan veel grotere stroom passeren met slechts een lichte toename van de voorwaartse spanning.
een zonnecel daarentegen kan stroom leveren tot een bepaald maximum bij een relatief vlakke spanning. Boven die stroomwaarde daalt de spanning sterk.
een zonne-oplader moet dus een stroombeheercircuit hebben dat de stroom uit de zonnecel moduleert, zodat de uitgangsspanning niet te laag wordt.
gelukkig zijn er chips zoals de TI BQ2407x, BQ24295 en andere, die geschikt zijn voor een van de bovenstaande bronnen.
Het wordt ten zeerste aanbevolen om de tijd te besteden aan het zoeken naar een geschikte laadchip in plaats van een batterijlader vanaf nul te ontwerpen.
ten slotte, vergeet niet om uw gratis PDF: Ultimate Guide te downloaden om uw nieuwe elektronische Hardware Product te ontwikkelen en te verkopen. Je ontvangt ook mijn wekelijkse nieuwsbrief waar ik premium content Deel die niet beschikbaar is op mijn blog.