batteritypen för de flesta elektroniska produkter som körs på batterier är li-ion-batteriet. Upptäck vad som krävs för att ladda dem ordentligt.
Li-ion är det batteri som oftast används i konsumentelektronikprodukter. Av de andra typerna som användes tidigare har NiCad-batterier för användning i elektronisk utrustning förbjudits i EU, så den totala efterfrågan på dessa typer har minskat.
NiMH-batterier används fortfarande, men deras lägre energitäthet och kostnad / nytta-förhållande gör dem oattraktiva.
Li-ion batteridrift och konstruktion
Li-ion batterier betraktas som sekundära batterier, vilket betyder att de är uppladdningsbara. Den vanligaste typen består av en anod gjord av ett grafitskikt belagt på ett kopparsubstrat eller strömsamlare och en katod av litiumkoboltoxidbeläggning på ett aluminiumsubstrat.
separatorn är typiskt en tunn polyeten-eller polypropenfilm som elektriskt separerar de två elektroderna, men tillåter transport av litiumjoner genom den. Detta arrangemang visas i Figur 1.
olika andra typer av anod-och katodmaterial används också, de vanligaste katoderna lånar vanligtvis sina namn till typbeskrivningen av batteriet.
således är litiumkoboltoxidkatodceller kända som LCO-celler. Litiumnickelmangankoboltoxidtyper kallas NMC-typer, och celler med litiumjärnfosfatkatoder kallas LFP-celler.
Figur 1 – huvudkomponenter i en typisk li-joncell
i en faktisk li-joncell är dessa lager vanligtvis tätt lindade ihop, och elektrolyten, medan vätska, är knappt tillräckligt för att blöta elektroderna, och det finns ingen vätska som slår runt inuti.
detta arrangemang visas i Figur 2, som visar den faktiska inre konstruktionen av ett prismatiskt eller rektangulärt metallfall, cell. Andra populära Fall typer är cylindriska och påse (vanligen kallad polymerceller).
som inte visas i denna figur är metallflikarna som är fästa vid varje strömsamlare. Dessa flikar är de elektriska anslutningarna till batteriet, i huvudsak batteripolarna.
Figur 2 – typisk intern konstruktion av en prismatisk li-joncell
laddning av en li-joncell innebär att man använder en extern energikälla för att driva positivt laddade li-joner från katoden till anodelektroden. Således blir katoden negativt laddad och anoden positivt laddad.
externt innebär laddning rörelse av elektroner från anodsidan till laddningskällan och samma antal elektroner skjuts in i katoden. Detta är motsatt riktning mot li-jonernas inre flöde.
under urladdning ansluts en extern belastning över batteripolarna. Li-joner som lagrades i anoden flyttar tillbaka till katoden. Externt innebär detta rörelse av elektroner från katoden till anoden. Således strömmar en elektrisk ström genom lasten.
kort sagt, vad som händer inuti cellen under laddning är till exempel att vid katodsidan ger litiumkoboltoxiden upp några av sina litiumjoner och blir en förening med mindre litium som fortfarande är kemiskt stabil.
på anodsidan bäddar dessa litiumjoner in eller interkalerar i de interstitiella utrymmena i grafitmolekylgitteret.
flera problem måste beaktas vid laddning och urladdning. Internt måste li-jonerna korsa flera gränssnitt under laddning och urladdning. Till exempel, under laddning, måste li-jonerna transportera från huvuddelen av katoden till katoden till elektrolytgränssnittet.
därifrån måste den röra sig genom elektrolyten, genom separatorn till gränssnittet mellan elektrolyt och anod. Slutligen måste det diffundera från detta gränssnitt till huvuddelen av anodmaterialet.
laddningshastigheten genom var och en av dessa olika medier styrs av dess Joniska rörlighet. Detta påverkas i sin tur av sådana faktorer som temperatur och jonkoncentration.
vad detta innebär i praktiken är att försiktighetsåtgärder måste vidtas under laddning och urladdning för att säkerställa att dessa begränsningar inte överskrids.
Li-ion batteriladdningsöverväganden
laddning av li-ion-batterier kräver en speciell laddningsalgoritm. Detta utförs i flera steg som beskrivs nedan:
Trickle charge (Pre-charge)
om batteriladdningsnivån är mycket låg laddas den med en reducerad konstant strömhastighet som vanligtvis är cirka 1/10 den fullhastighetsladdningshastighet som beskrivs nästa.
under denna tid ökar batterispänningen, och när den har nått ett visst tröskelvärde ökas laddningshastigheten till full laddningshastighet.
Observera att vissa laddare bryter ner detta trickle charge-steg i två: förladdning och trickle charge, beroende på hur låg batterispänningen är initialt.
full laddning
om batterispänningen initialt är tillräckligt hög, eller om batteriet har laddats upp till denna punkt, initieras full laddningshastighetssteget.
detta är också ett konstant strömladdningssteg, och under detta steg fortsätter batterispänningen att stiga långsamt.
konisk laddning
när batterispänningen har stigit till sin maximala laddningsspänning börjar koniska laddningssteget. I detta skede hålls laddningsspänningen konstant.
detta är viktigt eftersom li-ion-batterier kommer att misslyckas katastrofalt om de får laddas vid en högre spänning än deras maximala spänning. Om denna laddningsspänning hålls konstant vid detta maximala värde, kommer laddningsströmmen långsamt att minska.
avstängning/avslutning
När laddningsströmmen har minskat till ett tillräckligt lågt värde, kopplar laddaren från batteriet. Detta värde är typiskt 1/10 eller 1/20 av fullladdningsströmmen.
det är viktigt att inte flyta laddning li-ion batterier eftersom detta kommer att minska batteriets prestanda och tillförlitlighet på lång sikt.
medan föregående avsnitt beskriver de olika laddningsstegen, tillhandahölls inga specifika tröskelvärden för de olika stegen. Från och med spänningen har varje li-ion-batterityp sin egen fullladdningsspänning.
För de vanligaste LCO-och NCM-typerna är det 4.20 V. Det finns några med 4.35 V och 4.45 V också.
för LFP-typer är det 3,65 V. trickle charge to full charge threshold är cirka 3,0 och 2,6 för LCO/NMC respektive LFP-typer.
en laddare som är utformad för att ladda en typ av li-ion-batteri, t.ex. LCO, kan inte användas för att ladda en annan typ, t. ex. ett LFP-batteri.
Observera dock att det finns laddare som kan konfigureras för att ladda flera typer. Dessa kräver vanligtvis olika komponentvärden i laddarens design för att rymma varje typ av batterier.
När det gäller laddningsströmmen krävs lite förklaring. Li-ion batterikapacitet rapporteras traditionellt som mAh, eller milliAmps-timme eller Ah. Denna enhet är i sig inte en enhet för energilagringskapacitet. För att komma till en faktisk energikapacitet måste batterispänningen beaktas.
Figur 3 visar en typisk urladdningskurva för ett li-ion-batteri av LCO-typ. Eftersom urladdningsspänningen har en lutning anses den genomsnittliga batterispänningen för hela urladdningskurvan vara batterispänningen.
detta värde är typiskt 3,7 till 3,85 V för LCO-typer och 2,6 V för LFP-typer. Multiplicera mAh-värdet med batteriets genomsnittliga spänning ger sedan mWh, eller energilagringskapacitet, för ett givet batteri.
batteriladdningsström ges i form av C-hastighet, där 1C är numeriskt densamma som batterikapaciteten i mA. Således har ett 1000mAh-batteri ett C-värde på 1000mA. Av olika skäl är den maximala laddningshastigheten som tillåts för ett li-ion-batteri vanligtvis mellan 0,5 C och 1C för LCO-typer och 3C eller mer för LFP-typer.
ett batteri kan naturligtvis bestå av minst en cell, men kan bestå av många celler i en kombination av seriekopplade grupper av parallellkopplade celler.
det tidigare angivna scenariot gäller för encellsbatterier. I de fall batteriet består av flera celler måste laddningsspänningen och laddningsströmmen skalas för att matcha.
således multipliceras laddningsspänningen med antalet seriekopplade celler eller grupp av celler, och på samma sätt multipliceras laddningsströmmen med antalet parallellkopplade celler i varje serieansluten grupp.
Figur 3 – typisk urladdningskurva för ett batteri av LCO-typ
en mycket viktig ytterligare faktor som måste beaktas vid laddning av li-ion-batterier är temperaturen. Li-ion-batterier kan inte laddas vid låga eller höga temperaturer.
Vid låga temperaturer rör sig li-jonerna långsamt. Detta kan orsaka li-joner att bunta upp på ytan av anoden där de så småningom kommer att förvandlas till litiummetall. Eftersom denna litiummetallbildning har formen av dendriter kan den tränga igenom separatorn och orsaka inre shorts.
på den höga änden av temperaturområdet är problemet överskott av värmeproduktion. Batteriladdning är inte 100% effektiv och värme genereras under laddning. Om kärnans inre temperatur blir för hög kan elektrolyten delvis sönderdelas och omvandlas till gasformiga biprodukter. Detta medför en permanent minskning av batterikapaciteten samt svullnad.
det typiska temperaturområdet för laddning av li-ion-batterier är 0 C till 45 C för högkvalitativa batterier, eller cirka 8 C till 45 C för billigare batterier. Vissa batterier tillåter också laddning vid högre temperaturer, upp till ca 60 CCB, men vid reducerade laddningshastigheter.
alla dessa överväganden uppfylls vanligtvis av dedikerade laddningschips, och det rekommenderas starkt att använda sådana chips oavsett den faktiska laddningskällan.
Li-ion laddare
Li-ion laddare faller i stort sett i två huvudkategorier: linjära och omkopplingsladdare. Båda typerna kan uppfylla de krav som tidigare angivits angående korrekt laddning av li-ion-batterier. Men de har alla sina fördelar och nackdelar.
fördelen med en linjär laddare är dess relativa enkelhet. Men dess huvudsakliga nackdel är dess ineffektivitet. Till exempel, om matningsspänningen är 5V, är batterispänningen vid 3V och laddningsströmmen är 1a, kommer den linjära laddaren att sprida 2W.
om denna laddare är inbäddad i en produkt, det är mycket värme som måste släppas ut. Därför används linjära laddare oftast i fall där den maximala laddningsströmmen är ca 1A.
för stora batterier föredras omkopplingsladdare. De kan ha effektivitetsnivåer på upp till 90% i vissa fall. Nackdelar är dess högre kostnad och de något större kretsfastighetskraven på grund av användningen av induktorer i sin design.
Laddningskälla övervägande
olika applikationer kan kräva olika laddningskällor. Det kan till exempel vara en rak nätadapter som ger en DC-utgång eller en kraftbank. Det kan också vara en USB-port från ett skrivbord eller liknande apparater. Det kan också vara från en solpanelmontering.
På grund av strömförsörjningsförmågan hos dessa olika källor måste ytterligare hänsyn tas till utformningen av den faktiska batteriladdarkretsen förutom att helt enkelt välja en linjär eller en omkopplingsladdare.
det enklaste fallet är när laddningskällan levererar en reglerad DC-utgång, t.ex. en nätadapter eller en kraftbank. Det enda kravet är att välja en laddningsström som inte överstiger batteriets maximala laddningshastighet eller källans strömförsörjningskapacitet.
Laddningsform en USB-källa kräver lite mer uppmärksamhet. Om USB-porten är en USB 2.0-Typ, kommer den att följa USB-Batteriladdningsstandarden 1.2 eller BC 1.2.
detta kräver att någon belastning, i detta fall batteriladdaren, inte ska ta mer än 100 mA om inte lasten har räknats upp med källan. I det här fallet är det tillåtet att ta 500mA vid 5V.
Om USB-porten är USB 3.1 kan den följa USB BC1.2, eller en aktiv styrkrets kan införlivas i konstruktionen för att förhandla om mer ström efter USB-strömförsörjningen eller USB PD-protokollet.
solceller som laddningskälla presenterar en annan uppsättning utmaningar. En solcellsspänningsström, eller VI, är något liknande den för en vanlig diod. En vanlig diod kommer inte att leda någon märkbar ström under dess minsta framspänningsvärde och kan sedan passera mycket större ström med endast en liten ökning av framspänningen.
en solcell kan å andra sidan leverera ström till ett visst maximum vid en relativt platt spänning. Utöver det nuvarande värdet sjunker spänningen kraftigt.
så, en solladdare måste ha en strömhanteringskrets som modulerar strömmen som dras från solcellen för att inte orsaka att utspänningen går för låg.
lyckligtvis finns det chips som TI BQ2407x, BQ24295 och andra som kan rymma en av flera av ovanstående källor.
det rekommenderas starkt att spendera tid att söka efter ett lämpligt laddningschip snarare än att designa en batteriladdare från grunden.slutligen glöm inte att ladda ner din gratis PDF: Ultimate Guide för att utveckla och sälja din nya elektroniska hårdvaruprodukt. Du kommer också att få mitt veckobrev där jag delar premiuminnehåll som inte är tillgängligt på min blogg.