Typ baterii wybierany w przypadku większości produktów elektronicznych, które działają na bateriach, to akumulator litowo-jonowy. Dowiedz się, czego potrzeba, aby prawidłowo je naładować.
Li-ion to bateria najczęściej stosowana w produktach elektroniki użytkowej. Spośród innych typów, które były wcześniej używane, baterie NiCad do użytku w sprzęcie elektronicznym zostały zakazane w UE, więc ogólny popyt na te typy spadł.
akumulatory NiMH są nadal używane, ale ich niższa gęstość energii i stosunek kosztów do korzyści sprawiają, że są nieatrakcyjne.
Akumulator Litowo-jonowy działanie i budowa
akumulatory litowo-jonowe są uważane za akumulatory wtórne, co oznacza, że można je ładować. Najczęściej spotykany typ składa się z anody wykonanej z warstwy grafitu pokrytej na podłożu miedzianym lub kolektorze prądu oraz Katody z powłoki tlenku kobaltu litu na podłożu aluminiowym.
separator jest zazwyczaj cienką folią polietylenową lub polipropylenową, która elektrycznie oddziela dwie elektrody, ale umożliwia transport jonów litu przez nią. Układ ten przedstawiono na rysunku 1.
stosuje się również różne inne rodzaje materiałów anodowych i katodowych, najczęściej stosowane katody zazwyczaj nadają swoje nazwy opisowi typu baterii.
tak więc komórki katodowe tlenku kobaltu litu są znane jako komórki LCO. Typy tlenku litowo-niklowo-manganowo-kobaltowego są określane jako typy NMC, a ogniwa z katodami fosforanu litowo-żelazowego są znane jako ogniwa LFP.
Rysunek 1 – Główne składniki typowego ogniwa litowo-jonowego
w rzeczywistym ogniwie litowo-jonowym warstwy te są zazwyczaj ściśle ze sobą zwinięte, a elektrolit, podczas gdy ciecz, jest ledwo wystarczająca do zwilżenia elektrod, a w środku nie ma płynu.
ten układ jest pokazany na fig.2, który przedstawia rzeczywistą wewnętrzną konstrukcję pryzmatycznej lub prostokątnej metalowej obudowy. Inne popularne typy obudów to cylindryczne i torebki (powszechnie nazywane ogniwami polimerowymi).
nie pokazano na tym rysunku metalowych wypustek, które są przymocowane do każdego kolektora prądu. Te zakładki są połączeniami elektrycznymi z akumulatorem, zasadniczo ZACISKAMI akumulatora.
Rysunek 2 – typowa budowa wewnętrzna pryzmatycznego ogniwa li-ion
Ładowanie ogniwa li-ion polega na wykorzystaniu zewnętrznego źródła energii do napędzania dodatnio naładowanych jonów li z katody do elektrody anodowej. W ten sposób katoda staje się ujemnie naładowana, a anoda dodatnio naładowana.
zewnętrznie, Ładowanie polega na ruchu elektronów od strony anody do źródła ładowania, a taka sama liczba elektronów jest wpychana do katody. Jest to kierunek przeciwny do wewnętrznego przepływu jonów li.
podczas rozładowania zewnętrzne obciążenie jest podłączane przez zaciski akumulatora. Jony Li, które były przechowywane w anodzie, wracają do katody. Zewnętrznie, wiąże się to z ruchem elektronów z katody do anody. W ten sposób przez obciążenie przepływa prąd elektryczny.
krótko mówiąc, to, co dzieje się wewnątrz komórki podczas ładowania, na przykład, jest to, że po stronie katody tlenek kobaltu litu wydziela część swoich jonów litu, stając się związkiem o mniejszej ilości litu, który jest nadal Chemicznie stabilny.
Po stronie anody te jony litu osadzają się lub interkalują w przestrzeniach śródmiąższowych grafitowej sieci molekularnej.
podczas ładowania i rozładowywania należy wziąć pod uwagę kilka kwestii. Wewnętrznie jony li muszą przecinać kilka interfejsów podczas ładowania i rozładowywania. Na przykład podczas ładowania jony li muszą transportować się z masy katody na katodę do elektrolitu.
stamtąd musi przejść przez elektrolit, przez separator do styku elektrolitu z anodą. Wreszcie, musi dyfundować z tego interfejsu do większości materiału anodowego.
Tempo transportu ładunku przez każdy z tych różnych mediów jest regulowane przez jego mobilność jonową. Na to z kolei wpływają takie czynniki jak temperatura i stężenie jonów.
w praktyce oznacza to, że podczas ładowania i rozładowywania należy podjąć środki ostrożności, aby zapewnić, że ograniczenia te nie zostaną przekroczone.
rozważania dotyczące ładowania akumulatorów litowo-jonowych
Ładowanie akumulatorów litowo-jonowych wymaga specjalnego algorytmu ładowania. Odbywa się to w kilku etapach opisanych poniżej:
Ładowanie ściekowe (Ładowanie wstępne)
Jeśli poziom naładowania akumulatora jest bardzo niski, ładuje się go przy zmniejszonej stałej szybkości prądu, która zwykle wynosi około 1/10 pełnej szybkości ładowania opisanej dalej.
w tym czasie napięcie akumulatora wzrasta, a gdy osiągnie dany próg, szybkość ładowania wzrasta do pełnej szybkości ładowania.
zauważ, że niektóre Ładowarki dzielą ten etap ładowania strugowego na dwa: Ładowanie wstępne i ładowanie strugowe, w zależności od tego, jak niskie jest początkowo napięcie akumulatora.
pełne naładowanie
Jeśli napięcie akumulatora jest początkowo wystarczająco wysokie lub jeśli akumulator naładował się do tego momentu, inicjowany jest etap pełnego naładowania.
jest to również etap ładowania prądem stałym, a na tym etapie napięcie akumulatora nadal powoli rośnie.
Ładowanie stożkowe
gdy napięcie akumulatora wzrośnie do maksymalnego napięcia ładowania, rozpoczyna się etap ładowania stożkowego. Na tym etapie Napięcie ładowania jest utrzymywane na stałym poziomie.
jest to ważne, ponieważ akumulatory litowo-jonowe ulegną awarii, jeśli będą mogły ładować się przy wyższym napięciu niż ich maksymalne napięcie. Jeśli to napięcie ładowania jest utrzymywane na stałym poziomie przy tej maksymalnej wartości, prąd ładowania będzie powoli malał.
odcięcia / zakończenia
gdy prąd ładowania zmniejszy się do wystarczająco niskiej wartości, Ładowarka odłącza się od akumulatora. Wartość ta wynosi zazwyczaj 1/10 lub 1/20 pełnego prądu ładowania.
ważne jest, aby nie ładować akumulatorów litowo-jonowych na pływaku, ponieważ zmniejszy to wydajność i niezawodność akumulatora w dłuższej perspektywie.
podczas gdy poprzednia sekcja opisuje różne etapy ładowania, Nie podano szczegółowych wartości progowych dla poszczególnych etapów. Począwszy od napięcia, każdy typ akumulatora litowo-jonowego ma własne pełne napięcie zacisku ładowania.
dla najbardziej popularnych typów LCO i NCM, to jest 4.20 V. istnieją niektóre z 4.35 V i 4.45 V, jak również.
dla typów LFP wynosi 3,65 V. próg ładowania do pełnego naładowania wynosi odpowiednio około 3,0 i 2,6 dla typów LCO/NMC i LFP.
Ładowarka przeznaczona do ładowania jednego typu akumulatora litowo-jonowego, takiego jak LCO, nie może być używana do ładowania innego typu, takiego jak akumulator LFP.
należy jednak pamiętać, że istnieją ładowarki, które można skonfigurować do ładowania wielu typów. Zazwyczaj wymagają one różnych wartości komponentów w konstrukcji ładowarki, aby pomieścić każdy typ baterii.
jeśli chodzi o prąd ładowania, wymagane jest trochę wyjaśnienia. Pojemność akumulatora Li-ion jest tradycyjnie podawana jako mAh lub miliampers-Hour lub Ah. Jednostka ta sama w sobie nie jest jednostką pojemności magazynowania energii. Aby uzyskać rzeczywistą pojemność energetyczną, należy wziąć pod uwagę napięcie akumulatora.
Rysunek 3 przedstawia typową krzywą rozładowania akumulatora litowo-jonowego typu LCO. Ponieważ napięcie rozładowania ma nachylenie, przyjmuje się, że średnie napięcie akumulatora dla całej krzywej rozładowania jest napięciem akumulatora.
wartość ta wynosi zwykle 3,7 do 3,85 V dla typów LCO i 2,6 V dla typów LFP. Pomnożenie wartości mAh przez średnie napięcie akumulatora daje mWh lub pojemność magazynowania energii danego akumulatora.
prąd ładowania akumulatora jest podawany w kategoriach szybkości C, gdzie 1C jest numerycznie taki sam jak Pojemność akumulatora w mA. Tak więc bateria 1000mAh ma wartość C 1000mA. Z różnych powodów maksymalna szybkość ładowania akumulatora litowo-jonowego wynosi zwykle od 0,5 C do 1C dla typów LCO i 3C lub więcej dla typów LFP.
bateria może oczywiście składać się z co najmniej jednego ogniwa, ale może składać się z wielu ogniw w kombinacji połączonych szeregowo grup ogniw połączonych równolegle.
podany wcześniej scenariusz dotyczy baterii jednokomórkowych. W przypadkach, gdy akumulator składa się z wielu ogniw, Napięcie ładowania i prąd ładowania muszą być skalowane w celu dopasowania.
w ten sposób napięcie ładowania jest mnożone przez liczbę połączonych szeregowo ogniw lub grupy ogniw, a także, podobnie, prąd ładowania jest mnożony przez liczbę równoległych połączonych ogniw w każdej grupie połączonych szeregowo.
Rysunek 3 – typowa krzywa rozładowania akumulatora typu LCO
jednym bardzo ważnym dodatkowym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę podczas ładowania akumulatorów litowo-jonowych, jest temperatura. Akumulatorów litowo-jonowych nie można ładować w niskich lub wysokich temperaturach.
w niskich temperaturach jony li poruszają się powoli. Może to spowodować, że jony li zbierają się na powierzchni anody, gdzie ostatecznie zamieniają się w lit metal. Ponieważ ta forma metalu litowego przybiera postać dendrytów, może przebijać separator, powodując wewnętrzne zwarcia.
na wysokim końcu zakresu temperatur problemem jest nadmierne wytwarzanie ciepła. Ładowanie akumulatora nie jest w 100% wydajne, a ciepło jest generowane podczas ładowania. Jeśli temperatura wewnętrzna rdzenia staje się zbyt wysoka, elektrolit może częściowo ulec rozkładowi i przekształcić się w gazowe produkty uboczne. Powoduje to trwałe zmniejszenie pojemności baterii, a także pęcznienie.
typowy zakres temperatur ładowania akumulatorów litowo-jonowych wynosi od 0°C do 45°C w przypadku akumulatorów wysokiej jakości lub około 8 ° C do 45°C w przypadku tańszych akumulatorów. Niektóre akumulatory umożliwiają również ładowanie w wyższych temperaturach, do około 60°C, ale przy obniżonej szybkości ładowania.
wszystkie te względy są zazwyczaj spełnione przez dedykowane chipy Ładowarki i zaleca się stosowanie takich chipów niezależnie od rzeczywistego źródła ładowania.
ładowarki Li-ion
ładowarki Li-ion dzielą się zasadniczo na dwie główne kategorie: ładowarki liniowe i przełączające. Oba typy mogą spełniać wcześniej określone wymagania dotyczące prawidłowego ładowania akumulatorów litowo-jonowych. Jednak każdy z nich ma swoje zalety i wady.
zaletą Ładowarki liniowej jest jej względna prostota. Jednak jego główną wadą jest jego nieefektywność. Na przykład, jeśli napięcie zasilania wynosi 5V, napięcie akumulatora wynosi 3V, a prąd ładowania wynosi 1A, ładowarka liniowa rozproszy 2W.
Jeśli ta ładowarka jest wbudowana w produkt, to dużo ciepła będzie musiało zostać rozproszone. Dlatego Ładowarki liniowe są najczęściej stosowane w przypadkach, gdy maksymalny prąd ładowania wynosi około 1A.
w przypadku dużych akumulatorów preferowane są Ładowarki przełączające. Mogą one mieć poziom wydajności do 90% w niektórych przypadkach. Wadami są jego wyższy koszt i nieco większe wymagania dotyczące nieruchomości obwodów ze względu na zastosowanie cewek indukcyjnych w swojej konstrukcji.
uwzględnienie źródła ładowania
różne aplikacje mogą wywoływać różne źródła ładowania. Na przykład może to być prosty Zasilacz sieciowy, który zapewnia wyjście DC lub bank zasilania. Może to być również port USB z komputera stacjonarnego lub podobnych urządzeń. Może to być również z zespołu paneli słonecznych.
ze względu na możliwości dostarczania energii przez te różne źródła, należy wziąć pod uwagę konstrukcję rzeczywistego obwodu ładowarki akumulatora, oprócz wyboru Ładowarki liniowej lub przełączającej.
najprostszym przypadkiem jest sytuacja, gdy źródło ładowania dostarcza regulowane wyjście DC, takie jak Zasilacz sieciowy lub bank zasilania. Jedynym wymaganiem jest wybór prądu ładowania, który nie przekracza maksymalnej szybkości ładowania akumulatora lub możliwości dostarczania energii źródłowej.
Ładowanie ze źródła USB wymaga nieco więcej uwagi. Jeśli port USB jest typu USB 2.0, będzie zgodny ze standardem ładowania akumulatora USB 1.2 lub BC 1.2.
wymaga to, aby każde obciążenie, w tym przypadku ładowarka, nie zajęło więcej niż 100 mA, chyba że obciążenie zostało wyliczone ze źródłem. W takim przypadku dozwolone jest pobranie 500mA przy 5V.
jeśli port USB TO USB 3.1, to może podążać za USB BC1.2, lub aktywny Obwód kontrolera może być włączony do projektu, aby negocjować więcej mocy po dostarczeniu zasilania USB lub protokole USB PD.
ogniwa słoneczne jako źródło ładowania stanowią kolejny zestaw wyzwań. Napięcie-prąd ogniwa słonecznego, lub VI, jest nieco podobny do zwykłego Diody. Zwykła dioda nie przewodzi znaczącego prądu poniżej minimalnej wartości napięcia do przodu, a następnie może przepuścić znacznie większy prąd z niewielkim wzrostem napięcia do przodu.
z drugiej strony ogniwo słoneczne może dostarczać prąd do pewnego maksimum przy stosunkowo płaskim napięciu. Poza tą wartością prądu napięcie gwałtownie spada.
tak więc ładowarka słoneczna musi mieć Obwód zarządzania energią, który moduluje Prąd pobierany z ogniwa słonecznego, aby nie spowodować zbyt niskiego napięcia wyjściowego.
na szczęście istnieją układy takie jak TI BQ2407x, BQ24295 i inne, które mogą pomieścić jedno z powyższych źródeł.
zaleca się poświęcić czas na poszukiwanie odpowiedniego układu ładowania, a nie Projektowanie ładowarki od podstaw.
wreszcie, nie zapomnij pobrać bezpłatnego pliku PDF: Ultimate Guide, aby opracować i sprzedać swój nowy produkt sprzętu elektronicznego. Będziesz także otrzymywać mój cotygodniowy newsletter, w którym udostępniam treści premium niedostępne na moim blogu.