tipul de baterie ales pentru majoritatea produselor electronice care funcționează pe baterii este bateria li-ion. Descoperiți ce este nevoie pentru a le încărca în mod corespunzător.
Li-ion este bateria cea mai frecvent utilizată în produsele electronice de larg consum. Dintre celelalte tipuri care au fost utilizate anterior, bateriile NiCad pentru utilizarea în echipamente electronice au fost interzise în UE, astfel încât cererea generală pentru aceste tipuri a scăzut.
bateriile NiMH sunt încă utilizate, dar densitatea lor energetică mai mică și raportul cost-beneficiu le fac neatractive.
funcționarea și construcția bateriei Li-ion
bateriile Li-ion sunt considerate baterii secundare, ceea ce înseamnă că sunt reîncărcabile. Cel mai comun tip constă dintr-un anod format dintr-un strat de grafit acoperit pe un substrat de cupru sau colector de curent și un catod de acoperire cu oxid de cobalt de litiu pe un substrat de aluminiu.
separatorul este de obicei o peliculă subțire de polietilenă sau polipropilenă care separă electric cei doi electrozi, dar permite transportul ionilor de litiu prin el. Acest aranjament este prezentat în Figura 1.
sunt utilizate și alte tipuri de materiale anodice și catodice, cele mai comune catozi împrumută de obicei numele lor descrierii tipului bateriei.
astfel, celulele catodice de oxid de cobalt de litiu sunt cunoscute sub numele de celule LCO. Tipurile de oxid de cobalt litiu-nichel mangan sunt denumite tipuri NMC, iar celulele cu catozi de fosfat de fier litiu sunt cunoscute sub numele de celule LFP.
Figura 1 – componentele majore ale unei celule li-ion tipice
într-o celulă li-ion reală, aceste straturi sunt de obicei strâns înfășurate împreună, iar electrolitul, în timp ce lichidul, este abia suficient pentru a uda electrozii și nu există lichid care să curgă în interior.
acest aranjament este prezentat în Figura 2, care descrie construcția internă reală a unei carcase metalice prismatice sau dreptunghiulare. Alte tipuri de cazuri populare sunt cilindrice și pungă (denumite în mod obișnuit celule polimerice).
nu sunt prezentate în această figură filele metalice care sunt atașate fiecărui colector de curent. Aceste file sunt conexiunile electrice la baterie, în esență bornele bateriei.
Figura 2 – construcția internă tipică a unei celule Li-ion prismatice
încărcarea unei celule li-ion implică utilizarea unei surse externe de energie pentru a conduce li-ionii încărcați pozitiv de la catod la electrodul anodic. Astfel, catodul devine încărcat negativ, iar anodul încărcat pozitiv.
extern, încărcarea implică mișcarea electronilor din partea anodului către sursa de încărcare și același număr de electroni fiind împinși în catod. Aceasta este direcția opusă fluxului intern al ionilor li.
în timpul descărcării, o sarcină externă este conectată la bornele bateriei. Li-ionii care au fost depozitați în anod se deplasează înapoi la catod. Extern, aceasta implică mișcarea electronilor de la catod la anod. Astfel, un curent electric curge prin sarcină.pe scurt ,ceea ce se întâmplă în interiorul celulei în timpul încărcării, de exemplu, este că la partea catodului, oxidul de cobalt de litiu renunță la o parte din ionii săi de litiu, devenind un compus cu mai puțin litiu care este încă stabil din punct de vedere chimic.
pe partea anodică, acești ioni de litiu se încorporează sau se intercalează în spațiile interstițiale ale rețelei moleculare de grafit.
Mai multe probleme trebuie luate în considerare în timpul încărcării și descărcării. Pe plan intern, li-ionii trebuie să traverseze mai multe interfețe în timpul încărcării și descărcării. De exemplu, în timpul încărcării, li-ionii trebuie să transporte de la cea mai mare parte a catodului la interfața catod la electrolit.
de acolo trebuie să se deplaseze prin electrolit, prin separator până la interfața dintre electrolit și anod. În cele din urmă, trebuie să difuzeze de la această interfață la cea mai mare parte a materialului anodic.
rata de transport a încărcăturii prin fiecare dintre aceste medii diferite este guvernată de mobilitatea sa Ionică. Aceasta, la rândul său, este afectată de factori precum temperatura și concentrația ionilor.în practică, acest lucru înseamnă că trebuie luate măsuri de precauție în timpul încărcării și descărcării pentru a se asigura că aceste limitări nu sunt depășite.
considerații de încărcare a bateriei Li-ion
încărcarea bateriilor li-ion necesită un algoritm special de încărcare. Aceasta se realizează în mai multe etape descrise mai jos:
Încărcare prelinge (pre-încărcare)
dacă nivelul de încărcare a bateriei este foarte scăzut, atunci acesta este încărcat la o rată de curent constantă redusă, care este de obicei în jur de 1/10 rata de încărcare completă descrisă în continuare.
în acest timp, tensiunea bateriei crește, iar când a atins un anumit prag, rata de încărcare este mărită la rata de încărcare completă.
rețineți că unele încărcătoare descompun această etapă de încărcare în două: pre-încărcare și încărcare, în funcție de cât de scăzută este inițial tensiunea bateriei.
full rate charge
Dacă tensiunea bateriei este inițial suficient de mare sau dacă bateria s-a încărcat până în acest moment, atunci este inițiată etapa full charge rate.
aceasta este, de asemenea, o etapă constantă de încărcare a curentului, iar în această etapă tensiunea bateriei continuă să crească încet.
Încărcare conică
când tensiunea bateriei a crescut la tensiunea maximă de încărcare, începe etapa de încărcare conică. În această etapă, tensiunea de încărcare este menținută constantă.
Acest lucru este important deoarece bateriile li-ion vor eșua catastrofal dacă li se permite să se încarce la o tensiune mai mare decât tensiunea lor maximă. Dacă această tensiune de încărcare este menținută constantă la această valoare maximă, atunci curentul de încărcare va scădea încet.
întrerupere/terminare
când curentul de încărcare a scăzut la o valoare suficient de mică, încărcătorul se deconectează de la baterie. Această valoare este de obicei 1/10 sau 1/20 din curentul de încărcare cu rată completă.
este important să nu plutiți bateriile li-ion, deoarece acest lucru va reduce performanța și fiabilitatea bateriei pe termen lung.
în timp ce secțiunea anterioară descrie diferitele etape de încărcare, valorile prag specifice pentru diferitele etape nu au fost furnizate. Începând cu tensiunea, fiecare tip de baterie li-ion are propria tensiune terminală de încărcare completă.
pentru cele mai comune tipuri de LCO și NCM, asta e 4.20 V. Există unele cu 4.35 V și 4.45 v, de asemenea.
pentru tipurile LFP, este de 3,65 V. pragul de încărcare la încărcare completă este de aproximativ 3,0 și 2,6 pentru tipurile LCO/NMC și, respectiv, LFP.
un încărcător conceput pentru a încărca un tip de baterie li-ion, cum ar fi LCO, nu poate fi utilizat pentru a încărca un alt tip, cum ar fi o baterie LFP.
rețineți, totuși, că există încărcătoare care pot fi configurate pentru a încărca mai multe tipuri. Acestea necesită de obicei valori diferite ale componentelor în designul încărcătorului pentru a se potrivi fiecărui tip de baterii.
când vine vorba de curentul de încărcare, este necesară o explicație. Capacitatea bateriei Li-ion este raportată în mod tradițional ca mAh sau miliamperi-oră sau Ah. Această unitate, în sine, nu este de fapt o unitate de capacitate de stocare a energiei. Pentru a ajunge la o capacitate reală de energie, tensiunea bateriei trebuie luată în considerare.
Figura 3 prezintă o curbă tipică de descărcare pentru o baterie li-ion de tip LCO. Deoarece tensiunea de descărcare are o pantă, tensiunea medie a bateriei întregii curbe de descărcare este considerată a fi tensiunea bateriei.
această valoare este de obicei între 3,7 și 3,85 V pentru tipurile LCO și 2,6 V pentru tipurile LFP. Înmulțirea valorii mAh cu tensiunea medie a bateriei produce apoi mWh sau capacitatea de stocare a energiei a unei baterii date.
curentul de încărcare a bateriei este dat în termeni de c-rate, unde 1C este numeric același cu capacitatea bateriei în mA. Astfel, o baterie de 1000 mAh are o valoare C de 1000mA. Din diverse motive, rata maximă de încărcare permisă pentru o baterie li-ion este de obicei între 0,5 C și 1C pentru tipurile LCO și 3C sau mai mult pentru tipurile LFP.
o baterie poate consta, desigur, dintr-un minim de o celulă, dar poate consta din mai multe celule într-o combinație de grupuri conectate în serie de celule conectate paralel.
scenariul prezentat anterior se aplică bateriilor cu o singură celulă. În cazurile în care bateria este formată din mai multe celule, tensiunea de încărcare și curentul de încărcare trebuie scalate pentru a se potrivi.
astfel, tensiunea de încărcare este înmulțită cu numărul de celule conectate în serie sau cu grupul de celule și, în mod similar, curentul de încărcare este înmulțit cu numărul de celule conectate în paralel din fiecare grup conectat în serie.
Figura 3 – curba tipică de descărcare a unei baterii de tip LCO
un factor suplimentar foarte important care trebuie luat în considerare la încărcarea bateriilor li-ion este temperatura. Bateriile Li-ion nu pot fi încărcate la temperaturi scăzute sau ridicate.
la temperaturi scăzute, li-ionii se mișcă încet. Acest lucru poate determina li-ionii să se adune la suprafața anodului, unde se vor transforma în cele din urmă în litiu metal. Deoarece această formare de metal litiu ia forma dendritelor, poate străpunge separatorul, provocând pantaloni scurți interni.
la capătul înalt al intervalului de temperatură, problema este generarea de căldură în exces. Încărcarea bateriei nu este 100% eficientă, iar căldura este generată în timpul încărcării. Dacă temperatura internă a miezului devine prea mare, electrolitul se poate descompune parțial și se poate transforma în subproduse gazoase. Acest lucru determină o reducere permanentă a capacității bateriei, precum și umflarea.
intervalul tipic de temperatură pentru încărcarea bateriilor li-ion este de la 0 la 45 la 45 la 4 la 4 la 8 la 45 la 4 la 4 la sută la 4 la 4 la sută la 8 la sută pentru bateriile mai ieftine. Unele baterii permit, de asemenea, încărcarea la temperaturi mai ridicate, până la aproximativ 60 de centimetrii, dar la rate de încărcare reduse.
toate aceste considerente sunt de obicei îndeplinite de cipuri dedicate încărcătorului și este foarte recomandat să folosiți astfel de cipuri indiferent de sursa reală de încărcare.
încărcătoarele Li-ion
încărcătoarele Li-ion se împart în general în două categorii principale: Încărcătoare liniare și comutatoare. Ambele tipuri pot îndeplini cerințele menționate anterior cu privire la încărcarea corectă a bateriilor li-ion. Cu toate acestea, fiecare are avantajele și dezavantajele sale.
avantajul unui încărcător liniar este simplitatea sa relativă. Cu toate acestea, principalul său dezavantaj este ineficiența sa. De exemplu, dacă tensiunea de alimentare este de 5V, tensiunea bateriei este de 3V, iar curentul de încărcare este de 1a, încărcătorul liniar va disipa 2W.
dacă acest încărcător este încorporat într-un produs, este o mulțime de căldură care va trebui disipată. De aceea, încărcătoarele liniare sunt utilizate mai ales în cazurile în care curentul maxim de încărcare este de aproximativ 1a.
pentru bateriile mari, sunt preferate încărcătoarele de comutare. Acestea pot avea niveluri de eficiență de până la 90% în unele cazuri. Dezavantajele sunt costul său mai mare și cerințele imobiliare de circuit ceva mai mari datorită utilizării inductoarelor în proiectarea sa.
considerația sursei de încărcare
diferite aplicații pot solicita diferite surse de încărcare. De exemplu, acesta poate fi un adaptor CA drept care oferă o ieșire DC sau o bancă de alimentare. Ar putea fi, de asemenea, un port USB de pe un desktop sau aparate similare. Ar putea fi, de asemenea, dintr-un ansamblu de panouri solare.
datorită capacităților de livrare a energiei acestor surse diferite, trebuie luată în considerare în continuare proiectarea circuitului real al încărcătorului de baterii, pe lângă simpla alegere a unui încărcător liniar sau a unui încărcător de comutare.
cel mai simplu caz este atunci când sursa de încărcare furnizează o ieșire DC reglată, cum ar fi un adaptor de C.A. sau o bancă de alimentare. Singura cerință este alegerea unui curent de încărcare care să nu depășească rata maximă de încărcare a bateriei sau capacitatea de livrare a energiei sursei.
încărcarea unei surse USB necesită un pic mai multă atenție. Dacă portul USB este un tip USB 2.0, atunci acesta va urma standardul de încărcare a bateriei USB 1.2 sau BC 1.2.
Acest lucru necesită ca orice sarcină, în acest caz încărcătorul de baterii, să nu dureze mai mult de 100 mA, cu excepția cazului în care sarcina a fost enumerată cu sursa. În acest caz, este permis să luați 500mA la 5V.
dacă portul USB este USB 3.1, atunci acesta poate urma USB BC1.2, sau un circuit de controler activ poate fi încorporat în proiectare pentru a negocia pentru mai multă putere în urma livrării de energie USB sau a protocolului USB PD.
celulele solare ca sursă de încărcare prezintă un alt set de provocări. Un curent de tensiune al celulei solare, sau VI, este oarecum similar cu cel al unei diode obișnuite. O diodă obișnuită nu va conduce Niciun curent apreciabil sub valoarea sa minimă de tensiune înainte și apoi poate trece un curent mult mai mare, cu doar o ușoară creștere a tensiunii înainte.
o celulă solară, pe de altă parte, poate furniza curent până la un anumit maxim la o tensiune relativ plană. Dincolo de această valoare curentă, tensiunea scade brusc.
deci, un încărcător solar trebuie să aibă un circuit de gestionare a energiei care modulează curentul extras din celula solară pentru a nu determina tensiunea de ieșire să scadă prea mult.
Din fericire, există chips-uri, cum ar fi TI BQ2407X, BQ24295, și altele, care pot găzdui una dintre mai multe dintre sursele de mai sus.
este foarte recomandat să vă petreceți timpul pentru a căuta un cip de încărcare adecvat, mai degrabă decât să proiectați un încărcător de baterii de la zero.
în cele din urmă, nu uitați să descărcați PDF-ul gratuit: Ultimate Guide pentru a dezvolta și vinde noul dvs. produs Hardware Electronic. De asemenea, veți primi buletinul meu informativ săptămânal în care partajez conținut premium care nu este disponibil pe blogul meu.