o tipo de bateria escolhido para a maioria dos produtos eletrônicos que funcionam com baterias é a bateria de iões de li. Descubra o que é preciso para carregá-los corretamente.
Li-ion é a bateria mais comumente usada em produtos eletrônicos de consumo. Dos outros tipos utilizados anteriormente, as baterias NiCad para utilização em equipamento electrónico foram proibidas na UE, pelo que a procura global desses tipos diminuiu.as pilhas NiMH ainda são utilizadas, mas a sua menor densidade de energia e relação custo / benefício tornam-nas pouco atractivas.
funcionamento e construção da bateria de iões Li
as baterias de iões Li são consideradas baterias secundárias, o que significa que são recarregáveis. O tipo mais comum consiste de um ânodo feito de uma camada de grafite revestida sobre um substrato de cobre, ou coletor de corrente, e um cátodo de revestimento de óxido de lítio cobalto sobre um substrato de alumínio.o separador é tipicamente uma fina película de polietileno ou polipropileno que separa eletricamente os dois eletrodos, mas permite o transporte de íons de lítio através dele. Este arranjo é mostrado na Figura 1.
vários outros tipos de ânodo e materiais catódicos também são usados, os cátodos mais comuns tipicamente emprestam seus nomes para a descrição tipo da bateria.assim, as células catódicas de óxido de cobalto de lítio são conhecidas como células LCO. Lítio níquel manganês tipos de óxido de cobalto são referidos como tipos NMC, e as células com cátodos de fosfato de ferro lítio são conhecidas como células LFP.
Figura 1 – Principais componentes de um típico li-íon da célula
Em uma real do li-íon da célula, estas camadas são geralmente apertados juntos, e o eletrólito, enquanto o líquido, é apenas o suficiente para molhar os eletrodos, e não há nenhum líquido deslocamento em torno e por dentro.esta disposição é ilustrada na Figura 2, que mostra a construção interna Real de uma célula prismática ou rectangular de metal. Outros tipos de casos populares são cilíndricas e Bolsas (comumente referidas como células de polímero).
não ilustrados nesta figura são as abas metálicas que estão ligadas a cada colector de corrente. Estas abas são as ligações eléctricas à bateria, essencialmente os terminais da bateria.
Figura 2 – Típica construção interna de um prismática de lítio-íon da célula
o Carregamento de uma bateria de li-íon da célula envolve o uso de uma fonte de energia externa para a unidade de carga positiva li-íons do cátodo para o ânodo eletrodo. Assim, o cátodo torna-se negativamente carregado, e o ânodo carregado positivamente.externamente, a carga envolve o movimento de elétrons do ânodo para a fonte de carga, e o mesmo número de elétrons sendo empurrados para o cátodo. Esta é a direção oposta ao fluxo interno dos li-ions.durante a descarga, uma carga externa é ligada através dos terminais da bateria. Os líons que estavam armazenados no ânodo voltam para o cátodo. Externamente, isto envolve o movimento de elétrons do cátodo para o ânodo. Assim, uma corrente elétrica flui através da carga.
brevemente, o que está acontecendo dentro da célula durante a carga, por exemplo, é que no lado do cátodo, o óxido de lítio cobalto dá alguns de seus íons de lítio, tornando-se um composto com menos lítio que ainda é quimicamente estável.
no ânodo, estes íons de lítio incorporaram, ou intercalato, nos espaços intersticiais da estrutura molecular de grafite.várias questões têm de ser consideradas durante a carga e descarga. Internamente, os li-ions têm que cruzar várias interfaces durante a carga e descarga. Por exemplo, durante a carga, os li-ions têm que transportar da maior parte do cátodo para o cátodo para a interface eletrolítica.
a partir daí tem que se mover através do eletrólito, através do separador para a interface entre eletrólito e ânodo. Finalmente, ele tem que se difundir a partir desta interface para a maior parte do material do ânodo.a taxa de transporte através de cada um destes diferentes meios é regida pela sua mobilidade iónica. Isto, por sua vez, é afetado por fatores como temperatura e concentração de íons.o que isto significa, na prática, é que devem ser tomadas precauções durante a carga e descarga para garantir que estas limitações não sejam excedidas.
considerações de carga da bateria de iões Li
carregar baterias de iões li requer um algoritmo de carga especial. Isto é realizado em várias fases descritas abaixo:
carga Trickle (pré-carga)
Se o nível de carga da bateria é muito baixo, então ele é carregado a uma taxa de corrente constante reduzida que é tipicamente em torno de 1/10 a taxa de carga total descrita a seguir.
durante este tempo, a tensão da bateria aumenta, e quando atinge um determinado limiar, a taxa de carga é aumentada para a taxa de carga total.
Note que alguns carregadores quebram esta fase de carga trickle em dois: carga pré-carga e carga trickle, dependendo de quão baixa a tensão da bateria é inicialmente.
carga máxima
Se a tensão da bateria for inicialmente suficientemente alta, ou se a bateria tiver carregado até este ponto, então a fase da carga máxima é iniciada.
Esta é também uma fase de carga de corrente constante, e durante esta fase a tensão da bateria continua a subir lentamente.quando a tensão da bateria atinge a sua tensão máxima, começa a fase de carga da bateria. Nesta fase, a tensão de carga é mantida constante.
isto é importante porque as baterias de iões li vão falhar catastroficamente se lhes for permitido carregar a uma tensão superior à sua tensão máxima. Se esta tensão de carga for mantida constante a este valor máximo, então a corrente de carga irá diminuir lentamente.
corte / terminação
quando a corrente de carregamento diminuiu para um valor suficientemente baixo, o carregador desconecta-se da bateria. Este valor é tipicamente 1/10, ou 1/20, da Corrente de carga de taxa integral.
é importante não flutuar baterias li-iões de carga, uma vez que isso irá reduzir o desempenho e confiabilidade da bateria a longo prazo.embora a secção anterior descreva as várias fases de tarifação, não foram apresentados valores-limite específicos para as várias fases. Começando com a tensão, cada tipo de bateria li-ion tem a sua própria tensão terminal de carga total.
para os tipos mais comuns de LCO e NCM, que é 4.20 V. Há alguns com 4.35 V e 4.45 V também.
para os tipos LFP, é de 3,65 V. A carga trickle para o limiar de carga total é de cerca de 3,0 e 2,6 para os tipos LCO/NMC, e LFP respectivamente.
um carregador que é projetado para carregar um tipo de bateria li-ion, como LCO, não pode ser usado para carregar outro tipo, como uma bateria LFP.
nota, no entanto, que existem carregadores que podem ser configurados para carregar vários tipos. Estes normalmente requerem diferentes valores de componentes no projeto do carregador para acomodar cada tipo de baterias.
Quando se trata da Corrente de carga, é necessária uma pequena explicação. A capacidade da bateria de iões Li é tradicionalmente relatada como mAh, ou miliamper-Hour, ou Ah. Esta unidade, em si mesma, não é realmente uma unidade de capacidade de armazenamento de energia. Para chegar a uma capacidade de energia real, a tensão da bateria tem de ser considerada.a Figura 3 mostra uma curva de descarga típica de uma bateria de iões li tipo LCO. Uma vez que a tensão de descarga tem um declive, a tensão média da bateria de toda a curva de descarga é considerada a tensão da bateria.
Este valor é tipicamente 3,7 a 3,85 V para tipos LCO, e 2,6 V para tipos LFP. Multiplicando o valor mAh pela tensão média da bateria, obtém-se então a mWh, ou a capacidade de armazenamento de energia, de uma dada bateria.
corrente de carga da bateria é dada em termos de taxa C, em que 1C é numericamente a mesma que a capacidade da bateria em mA. Assim, uma bateria de 1000mAh tem um valor C de 1000mA. Por várias razões, a taxa máxima de carga permitida para uma bateria de iões li é tipicamente entre 0,5 C e 1C para tipos LCO, e 3C, ou mais, para tipos LFP.
uma bateria pode, é claro, consistir de um mínimo de uma célula, mas pode consistir de muitas células em uma combinação de grupos conectados série de células paralelas.
o cenário dado anteriormente aplica-se às pilhas monocelulares. Nos casos em que a bateria é constituída por várias células, a tensão de carga e Corrente de carga têm de ser dimensionadas para coincidir.assim, a tensão de carga é multiplicada pelo número de células conectadas em série, ou grupo de células, e, da mesma forma, a corrente de carga é multiplicada pelo número de células conectadas em paralelo em cada grupo conectado em série.
Figura 3-curva de descarga típica de uma bateria do tipo LCO
um factor adicional muito importante que tem de ser considerado quando a carga das baterias de iões li É temperatura. As baterias de iões Li não podem ser carregadas a baixas ou altas temperaturas.a baixas temperaturas, os iões-li movem-se lentamente. Isto pode fazer com que os li-ions se amontoem na superfície do ânodo, onde eles eventualmente se transformarão em metal de lítio. Como esta formação de metal de lítio assume a forma de dendritos, pode furar o separador, causando curtas internos.
na extremidade alta da Gama de temperatura, o problema é a geração de calor em excesso. Carga da bateria não é 100% eficiente, e o calor é gerado durante o carregamento. Se a temperatura interna do núcleo fica muito alta, o eletrólito pode parcialmente se decompor, e se transformar em subprodutos gasosos. Isto causa uma redução permanente na capacidade da bateria, bem como inchaço.
a gama de temperaturas típica para carregar baterias de iões li é de 0°C a 45°C para baterias de alta qualidade, ou cerca de 8°C a 45°C para baterias mais baratas. Algumas baterias também permitem carregar a temperaturas mais elevadas, até cerca de 60°C, mas com taxas de carregamento reduzidas.
Todas estas considerações são normalmente cumpridas por chips de carregador dedicados, e é altamente recomendado usar esses chips independentemente da fonte de carregamento real.Carregadores de iões de Li Carregadores de iões de Li
Carregadores de iões de Li geralmente caem em duas categorias principais: carregadores lineares e carregadores de comutação. Ambos os tipos podem cumprir os requisitos anteriormente declarados em relação ao carregamento adequado de baterias de iões li. No entanto, cada um deles tem as suas vantagens e desvantagens.
a vantagem de um carregador linear é a sua relativa simplicidade. No entanto, a sua principal desvantagem é a sua ineficácia. Por exemplo, se a tensão de alimentação é 5V, a tensão da bateria é de 3V, e a corrente de carga é 1A, O carregador linear estará dissipando 2W.
Se este carregador está incorporado em um produto, isso é um monte de calor que terá de ser dissipado. É por isso que Carregadores lineares são usados principalmente nos casos em que a corrente máxima de carga é de cerca de 1A.
para baterias grandes, Carregadores de comutação são preferidos. Podem ter níveis de eficiência até 90% em alguns casos. As desvantagens são o seu custo mais elevado e as exigências de um circuito imobiliário um pouco maior devido ao uso de indutores em seu projeto.
consideração da fonte de carga
diferentes aplicações podem exigir diferentes fontes de carga. Por exemplo, este pode ser um adaptador AC direto que fornece uma saída DC, ou um banco de energia. Também pode ser uma porta USB de um desktop ou aparelhos similares. Também pode ser de um painel solar.devido às capacidades de fornecimento de energia destas diferentes fontes, deve considerar-se a concepção do circuito real do carregador da bateria, para além de simplesmente escolher um carregador linear ou de comutação.
O caso mais simples é quando a fonte de carregamento oferece uma saída CC regulada, como um adaptador AC ou um banco de energia. O único requisito é escolher uma corrente de carga que não exceda a taxa máxima de carga da bateria, ou a capacidade de alimentação da fonte de energia.uma fonte USB requer um pouco mais de atenção. Se a porta USB é um tipo USB 2.0, então ele estará seguindo o padrão de Carga Da Bateria USB 1.2, ou BC 1.2.
isto requer que qualquer carga, neste caso o carregador da bateria, não deve ter mais de 100 mA, a menos que a carga tenha enumerado com a fonte. Neste caso, é permitido tomar 500mA em 5V.
Se a porta USB é USB 3.1, então ele pode seguir USB BC1.2, ou um circuito de controle ativo pode ser incorporado no projeto para negociar mais potência após a entrega de energia USB, ou USB PD, protocolo.as células solares como fonte de carregamento apresentam outro conjunto de desafios. Uma corrente de tensão de células solares, ou VI, é um pouco semelhante à de um diodo regular. Um diodo regular não conduz qualquer corrente apreciável abaixo de seu valor mínimo de tensão frontal, e então pode passar corrente muito maior com apenas um ligeiro aumento na tensão frontal.
uma célula solar, por outro lado, pode fornecer corrente até um certo máximo em uma tensão relativamente plana. Para além desse valor actual, a tensão cai acentuadamente.
assim, um carregador solar tem que ter um circuito de gerenciamento de energia que modula a corrente retirada da célula solar de modo a não fazer com que a tensão de saída para ir muito baixo.
felizmente, existem chips como o TI BQ2407X, BQ24295, e outros, que podem acomodar uma das mais fontes acima.
é altamente recomendado gastar o tempo para procurar por um chip de carregamento apropriado em vez de projetar um carregador de bateria a partir do zero.
finalmente, não se esqueça de baixar o seu PDF gratuito: Ultimate Guide para desenvolver e vender o seu novo produto de Hardware eletrônico. Você também receberá minha newsletter semanal onde eu compartilho conteúdo premium não disponível no meu blog.