مدار شارژ ماشین ال برای باتری های لیتیومی. نحوه شارژ صحیح باتری های لیتیوم یون: نکات

شارژر باتری لیتیوم یونطرحی که در این مقاله ارائه شده است، بر اساس تجربه طراحی چنین شارژرهایی، تلاش برای رفع خطاها و دستیابی به حداکثر سادگی توسعه یافته است. مشخصه شارژر پایداری بالای ولتاژ خروجی است.

شرح شارژ باتری های لیتیوم یون

عنصر اصلی طراحی (IO1) است - منبع ولتاژ مرجع. پایداری آن بسیار بهتر از حد مجاز است و همانطور که می دانید برای باتری های لیتیوم یونی، این یک ویژگی بسیار مهم در هنگام شارژ است.

عنصر TL431 در این مدار به عنوان تثبیت کننده جریان در عملکرد ترانزیستورهای T1 و T2 استفاده می شود. جریان شارژ از طریق R1 می گذرد. اگر افت ولتاژ در این مقاومت از حدود 0.6 ولت بیشتر شود، جریان عبوری از ترانزیستورهای T1 و T2 محدود می شود. مقدار مقاومت R1 معادل جریان شارژ است.

ولتاژ خروجی توسط عنصر TL431 فوق کنترل می شود. مقدار توسط تقسیم کننده ولتاژ خروجی (R5، R7، P1) تعیین می شود.

اجزای R4، C1 برای سرکوب تداخل. بسیار راحت نشان دهنده مقدار جریان شارژ با استفاده از LED1 است. درخشش نشان می دهد که چه مقدار جریان در مدار پایه ترانزیستور T2 جریان دارد که متناسب با جریان خروجی است. با شارژ شدن باتری لیتیوم یون، روشنایی LED به تدریج کاهش می یابد.

دیود D1 برای جلوگیری از تخلیه باتری لیتیوم یونی در صورت عدم وجود ولتاژ در ورودی شارژر طراحی شده است. مدار شارژ باتری نیازی به محافظت در برابر اتصال قطبیت معکوس باتری لیتیوم یونی ندارد.

تمامی قطعات روی یک برد مدار چاپی یک طرفه قرار می گیرند.

سنسور جریان - مقاومت R1 از چندین مقاومت به صورت موازی تشکیل شده است. ترانزیستور T2 باید روی هیت سینک قرار گیرد. اندازه آن به جریان شارژ و اختلاف ولتاژ بین ورودی و خروجی شارژر بستگی دارد.

مدار شارژر باتری لیتیوم یون به قدری ساده است که با نصب صحیح قطعات رادیویی، باید بار اول کار کند. تنها چیزی که ممکن است مورد نیاز باشد تنظیم ولتاژ خروجی است. برای یک باتری لیتیوم یون، این تقریباً 4.2 ولت است. در حالت بیکار، ترانزیستور T2 نباید داغ باشد. ولتاژ ورودی باید حداقل 2 ولت بیشتر از ولتاژ خروجی مورد نظر باشد.

مدار برای شارژ جریان تا 1 آمپر طراحی شده است. اگر نیاز به افزایش جریان شارژ باتری لیتیوم یون دارید، باید مقاومت مقاومت R6 را کاهش دهید و ترانزیستور خروجی T2 باید قدرت بیشتری داشته باشد.

در پایان فرآیند شارژ، LED هنوز کمی می درخشد، برای از بین بردن این، می توانید به سادگی یک مقاومت با مقاومت 10 ... 56 کیلو اهم را به موازات LED وصل کنید. بنابراین زمانی که جریان شارژ به کمتر از 10 میلی آمپر کاهش یابد، چراغ LED خاموش می شود.

http://web.quick.cz/PetrLBC/zajic.htm

ساده است شارژر برای باتری های لیتیوم یونو همچنین باتری های لیتیوم پلیمری بر روی LM317 معروف ساخته شده اند.

فرآیند شارژ در نمودار زیر نشان داده شده است. در اولین لحظه از فرآیند شارژ، جریان شارژ ثابت است، هنگامی که سطح ولتاژ هدف (Umax) روی باتری رسید، شارژر به حالتی سوئیچ می‌کند که ولتاژ ثابت بماند و جریان به طور مجانبی به سمت صفر می‌رود.

ولتاژ خروجی باتری های لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر معمولاً 4.2 ولت (4.1 ولت برای برخی از انواع) است. معمولاً ولتاژ خروجی با ولتاژ اسمی 3.7 ولت (گاهی اوقات 3.6 ولت) مطابقت ندارد.

توصیه نمی شود این نوع باتری را با ولتاژ کامل 4.2 ولت شارژ کنید زیرا باعث کاهش عمر باتری می شود. اگر ولتاژ خروجی را به 4.1 ولت کاهش دهید، ظرفیت خازن 10٪ کاهش می یابد، اما در همان زمان، عمر سرویس (تعداد سیکل ها) تقریبا دو برابر می شود. هنگام کار با باتری ها، ولتاژ نامی نباید کمتر از 3.4 ... 3.3 ولت باشد.

توضیحات شارژر

همانطور که قبلا ذکر شد، شارژ بر روی تثبیت کننده LM317 ساخته شده است. Li-Ion و Li-Pol در مورد دقت ولتاژ شارژ بسیار خواستار هستند. اگر می خواهید با ولتاژ کامل (معمولاً 4.2 ولت) شارژ کنید، باید این ولتاژ را با دقت مثبت / منفی 1٪ تنظیم کنید. پس از شارژ تا 90 درصد ظرفیت (4.1 ولت)، دقت ممکن است کمی کمتر شود (حدود 3 درصد).

مداری که از LM317 استفاده می کند تثبیت ولتاژ نسبتاً دقیقی را فراهم می کند. ولتاژ هدف توسط R2 تنظیم می شود. تثبیت جریان به اندازه تنظیم ولتاژ حیاتی نیست، بنابراین کافی است آن را با یک مقاومت شنت Rx و یک ترانزیستور NPN (VT1) تثبیت کنید.

اگر افت ولتاژ در مقاومت Rx به حدود 0.95 ولت برسد، ترانزیستور شروع به باز شدن می کند. این باعث کاهش ولتاژ در پین "Common" تثبیت کننده Lm317 می شود و در نتیجه جریان را تثبیت می کند.

جریان شارژ مورد نیاز برای یک باتری لیتیوم یون خاص (Li-Ion) و لیتیوم پلیمر (Li-Pol) با تغییر مقاومت Rx انتخاب می شود. مقاومت Rx تقریباً با نسبت زیر مطابقت دارد: 0.95/Imax. مقدار مقاومت Rx نشان داده شده در نمودار مربوط به جریان 200 میلی آمپر است.

ولتاژ ورودی شارژر باید بین 9 تا 24 ولت باشد. فراتر رفتن از این سطح باعث افزایش تلفات برق در مدار LM317 می شود و کاهش آن باعث اختلال در عملکرد صحیح می شود (باید افت ولتاژ را در شنت و حداقل ولتاژ را در کنتاکت "معمول" دوباره محاسبه کنید). ترانزیستور VT1 را می توان با BC237، KC507، C945 یا داخلی جایگزین کرد.

در دستگاه‌های الکترونیکی سیار مدرن، حتی آن‌هایی که برای به حداقل رساندن مصرف برق طراحی شده‌اند، استفاده از باتری‌های تجدیدناپذیر در حال تبدیل شدن به چیزی از گذشته است. و از نقطه نظر اقتصادی، در حال حاضر در مدت زمان کوتاهی، کل هزینه تعداد مورد نیاز باتری یکبار مصرف به سرعت از هزینه یک باتری فراتر می رود و از نظر راحتی کاربر، شارژ مجدد آسان تر است. باتری نسبت به اینکه به دنبال جایی برای خرید باتری جدید باشید. بر این اساس، شارژرهای باتری در حال تبدیل شدن به کالایی با تقاضای تضمین شده هستند. جای تعجب نیست که تقریباً تمام تولید کنندگان مدارهای مجتمع برای دستگاه های منبع تغذیه به جهت "شارژ" توجه می کنند.

پنج سال پیش، بحث میکرو مدار برای شارژ باتری ها (Battery Chargers IC) با مقایسه انواع اصلی باتری ها - نیکل و لیتیوم آغاز شد. اما اکنون استفاده از باتری‌های نیکل عملاً متوقف شده است و اکثر تولیدکنندگان ریزمدارهای شارژ یا به طور کامل تولید ریزمدار برای باتری‌های نیکل را متوقف کرده‌اند یا ریزمدارهایی را آزاد می‌کنند که نسبت به فناوری باتری‌ها تغییر نمی‌کنند (به اصطلاح IC Multi-Chemistry). طیف محصولات STMicroelectronics در حال حاضر فقط شامل ریز مدارهایی است که برای کار با باتری های لیتیومی طراحی شده اند.

اجازه دهید به طور خلاصه ویژگی های اصلی باتری های لیتیومی را یادآوری کنیم. مزایای:

• ظرفیت الکتریکی ویژه بالا مقادیر معمولی 110…160W*h*kg است که 1.5…2.0 برابر بیشتر از پارامتر مشابه برای باتری های نیکل است. بر این اساس با ابعاد مساوی ظرفیت باتری لیتیومی بیشتر است.
• خود تخلیه کم: تقریباً 10 درصد در ماه. در باتری های نیکل، این پارامتر 20 ... 30٪ است.

هیچ "اثر حافظه" وجود ندارد، که نگهداری این باتری را آسان می کند: نیازی به تخلیه باتری قبل از شارژ مجدد نیست.

معایب باتری های لیتیومی:

• نیاز به حفاظت جریان و ولتاژ. به ویژه، لازم است که احتمال اتصال کوتاه پایانه های باتری، تامین ولتاژ قطب معکوس، شارژ بیش از حد را حذف کنید.
• نیاز به حفاظت از گرمای بیش از حد: اگر باتری بالاتر از یک دمای معین گرم شود، ظرفیت و عمر مفید آن تأثیر منفی می گذارد.

دو فناوری تولید صنعتی برای باتری‌های لیتیومی وجود دارد: لیتیوم یون (Li-Ion) و لیتیوم-پلیمر (Li-Pol). با این حال، از آنجایی که الگوریتم‌های شارژ این باتری‌ها یکسان است، تراشه‌های شارژ فناوری‌های لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر را از هم جدا نمی‌کنند. به همین دلیل از بحث مزایا و معایب باتری های Li-Ion و Li-Pol با مراجعه به ادبیات موضوع صرف نظر می کنیم.

الگوریتم شارژ باتری لیتیومی نشان داده شده در شکل 1 را در نظر بگیرید.

برنج. 1.

فاز اول، به اصطلاح پیش شارژ، تنها زمانی استفاده می شود که باتری به شدت تخلیه شده باشد. اگر ولتاژ باتری کمتر از 2.8 ولت باشد، نباید فوراً با حداکثر جریان ممکن شارژ شود: این تأثیر بسیار منفی بر عمر باتری خواهد داشت. ابتدا باید باتری را با جریان کمی تا حدود 3.0 ولت "شارژ" کنید و تنها پس از آن شارژ با حداکثر جریان قابل قبول می شود.

فاز دوم: شارژر به عنوان منبع جریان ثابت. در این مرحله حداکثر جریان برای شرایط داده شده از باتری عبور می کند. در عین حال، ولتاژ باتری به تدریج افزایش می یابد تا زمانی که به مقدار حد مجاز 4.2 ولت می رسد. به طور دقیق، پس از اتمام مرحله دوم، می توان شارژ را متوقف کرد، اما باید در نظر داشت که باتری در حال حاضر توسط شارژ می شود. حدود 70 درصد ظرفیت آن است. توجه داشته باشید که در بسیاری از شارژرها، حداکثر جریان بلافاصله تامین نمی شود، اما به تدریج در عرض چند دقیقه به حداکثر افزایش می یابد - از مکانیزم Soft Start استفاده می شود.

اگر مطلوب است باتری را با مقادیر ظرفیت نزدیک به 100٪ شارژ کنید، به مرحله سوم می رویم: شارژر به عنوان منبع ولتاژ ثابت. در این مرحله یک ولتاژ ثابت 4.2 ولت به باتری اعمال می شود و جریان عبوری از باتری از حداکثر به یک مقدار حداقل از پیش تعیین شده مشخص در طول شارژ کاهش می یابد. در آن لحظه که مقدار جریان به این حد کاهش می یابد، شارژ باتری کامل در نظر گرفته می شود و فرآیند به پایان می رسد.

به یاد بیاورید که یکی از پارامترهای کلیدی باتری ظرفیت آن است (واحد اندازه گیری - Ah). بنابراین، ظرفیت معمول یک باتری لیتیوم یونی با اندازه AAA 750 ... 1300 میلی آمپر ساعت است. به عنوان مشتق از این پارامتر، از مشخصه "جریان 1C" استفاده می شود، این مقدار فعلی از نظر عددی برابر با ظرفیت اسمی است (در مثال داده شده، 750 ... 1300 میلی آمپر). مقدار "جریان 1C" تنها به عنوان تعریفی از حداکثر جریان هنگام شارژ باتری و مقدار جریانی که در آن شارژ کامل در نظر گرفته می شود، منطقی است. به طور کلی پذیرفته شده است که مقدار حداکثر جریان نباید از 1 * 1C تجاوز کند و هنگامی که جریان به مقدار 0.05 ... 0.10 * 1C کاهش یابد، می توان شارژ باتری را کامل در نظر گرفت. اما اینها پارامترهایی هستند که می توانند برای نوع خاصی از باتری بهینه در نظر گرفته شوند. در واقعیت، یک شارژر می‌تواند با باتری‌های سازنده‌های مختلف و ظرفیت‌های مختلف کار کند، در حالی که ظرفیت یک باتری خاص برای شارژر ناشناخته باقی می‌ماند. در نتیجه، شارژ باتری با هر ظرفیتی در حالت کلی در حالت بهینه برای باتری اتفاق نمی افتد، بلکه در حالت از پیش تعیین شده برای شارژر اتفاق می افتد.

بیایید به بررسی خط ریز مدارهای شارژ STMicroelectronics بپردازیم.

تراشه های STBC08 و STC4054

این ریز مدارها محصولات نسبتاً ساده ای برای شارژ باتری های لیتیومی هستند. ریز مدارها به ترتیب در بسته های مینیاتوری مانند DFN6 و TSOT23-5L ساخته می شوند. این امکان استفاده از این قطعات را در دستگاه های تلفن همراه با الزامات نسبتاً سختگیرانه برای ویژگی های وزن و اندازه (به عنوان مثال، تلفن های همراه، پخش کننده های MP3) فراهم می کند. طرح های سوئیچینگ STBC08و STC4054در شکل 2 نشان داده شده است.

برنج. 2.

علیرغم محدودیت های اعمال شده توسط حداقل تعداد پین های خارجی در بسته ها، ریز مدارها عملکرد نسبتاً گسترده ای دارند:

• نیازی به ماسفت خارجی، دیود مسدود کننده و مقاومت جریان نیست. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، اتصال خارجی به یک خازن فیلتر در ورودی، یک مقاومت برنامه ریزی و دو LED نشانگر (یکی برای STC4054) محدود می شود.
• حداکثر مقدار جریان شارژ با مقدار مقاومت خارجی برنامه ریزی می شود و می تواند به مقدار 800 میلی آمپر برسد. واقعیت پایان شارژ در لحظه ای تعیین می شود که در حالت ولتاژ ثابت ، مقدار جریان شارژ به 0.1 * I BAT کاهش می یابد ، یعنی با مقدار مقاومت خارجی نیز تنظیم می شود. حداکثر جریان شارژ از نسبت:

I BAT = (V PROG / R PROG) * 1000;

که در آن I BAT جریان شارژ بر حسب آمپر است، R PROG مقاومت مقاومت بر حسب اهم است، V PROG ولتاژ خروجی PROG برابر با 1.0 ولت است.

• در حالت ولتاژ ثابت، ولتاژ پایدار 4.2 ولت در خروجی با دقت کمتر از 1٪ تشکیل می شود.
• شارژ باتری های به شدت دشارژ شده به طور خودکار در حالت پیش شارژ شروع می شود. تا زمانی که ولتاژ خروجی باتری به 2.9 ولت برسد، شارژ با جریان ضعیف 0.1 * I BAT انجام می شود. این روش، همانطور که قبلاً ذکر شد، از خرابی بسیار محتمل در هنگام تلاش برای شارژ باتری بسیار تخلیه شده به روش معمول جلوگیری می کند. علاوه بر این، مقدار مقدار شروع جریان شارژ به اجبار محدود می شود که باعث افزایش طول عمر باتری ها نیز می شود.
• حالت شارژ قطره ای خودکار اجرا می شود - هنگامی که ولتاژ باتری به 4.05 ولت کاهش می یابد، چرخه شارژ مجدداً راه اندازی می شود. این به شما امکان می دهد از شارژ ثابت باتری در سطحی که کمتر از 80٪ ظرفیت اسمی آن نباشد اطمینان حاصل کنید.
• محافظت در برابر ولتاژ و گرمای بیش از حد. اگر مقدار ولتاژ ورودی از حد معینی بیشتر شود (به ویژه 7.2 ولت) یا اگر دمای کیس از 120 درجه سانتیگراد بیشتر شود، شارژر خاموش می شود و از خود و باتری محافظت می کند. البته حفاظت از ولتاژ ورودی پایین نیز اجرا می شود - اگر ولتاژ ورودی به زیر یک سطح خاص (U VLO) کاهش یابد، شارژر نیز خاموش می شود.
• قابلیت اتصال نشانگرهای LED به کاربر این امکان را می دهد که از وضعیت فعلی فرآیند شارژ باتری ایده داشته باشد.

تراشه های شارژ باتری L6924D و L6924U

این ریز مدارها دستگاه هایی با ویژگی های بیشتر از STBC08 و STC4054 هستند. شکل 3 مدارهای معمولی را برای روشن کردن ریز مدارها نشان می دهد L6924Dو L6924U .

برنج. 3.

ویژگی‌های عملکردی ریزمدارهای L6924 را در نظر بگیرید که به تنظیم پارامترهای فرآیند شارژ باتری مربوط می‌شوند:

1. در هر دو اصلاح، می توان حداکثر مدت زمان شارژ باتری را از لحظه انتقال به حالت تثبیت کننده DC تنظیم کرد (از اصطلاح "حالت شارژ سریع" نیز استفاده می شود - فاز شارژ سریع). هنگام تغییر به این حالت، یک تایمر نگهبان راه اندازی می شود که برای مدت زمان معینی T PRG توسط مقدار خازن متصل به ترمینال T PRG برنامه ریزی شده است. اگر قبل از انقضای این تایمر، شارژ باتری طبق الگوریتم استاندارد خاتمه نیابد (کاهش جریان عبوری از باتری کمتر از مقدار I END)، پس از اتمام تایمر، شارژ به اجبار قطع می شود. با کمک همان خازن، حداکثر مدت حالت پیش شارژ تنظیم می شود: برابر با 1/8 مدت زمان T PRG است. همچنین، اگر در این مدت هیچ انتقالی به حالت شارژ سریع وجود نداشته باشد، مدار خاموش می شود.

2. حالت پیش شارژ. اگر برای دستگاه STBC08 جریان در این حالت به عنوان مقداری برابر با 10٪ از I BAT تنظیم شده بود و ولتاژ سوئیچینگ به حالت DC ثابت بود، در اصلاح L6924U این الگوریتم بدون تغییر باقی ماند، اما در تراشه L6924D هر دو این پارامترها با استفاده از مقاومت های خارجی متصل به ورودی های I PRE و V PRE تنظیم می شوند.

3. علامت اتمام شارژ در فاز سوم (حالت تثبیت ولتاژ ثابت) در دستگاه های STBC08 و STC4054 برابر با 10% I BAT تعیین شد. در تراشه های L6924، این پارامتر با مقدار یک مقاومت خارجی متصل به پایه I END برنامه ریزی می شود. علاوه بر این، برای L6924D، امکان کاهش ولتاژ در پایه V OUT از مقدار پذیرفته شده 4.2 ولت به مقدار 4.1 ولت وجود دارد.

4. مقدار حداکثر جریان شارژ I PRG در این ریز مدارها به روش سنتی - با استفاده از مقدار مقاومت خارجی تنظیم می شود.

همانطور که می بینید، در "شارژ"های ساده STBC08 و STC4054، با استفاده از یک مقاومت خارجی، تنها یک پارامتر تنظیم شد - جریان شارژ. تمام پارامترهای دیگر یا کدگذاری شده بودند یا تابعی از I BAT بودند. در ریز مدارهای L6924، می توان چندین پارامتر دیگر را تنظیم کرد و علاوه بر این، "بیمه" برای حداکثر مدت زمان فرآیند شارژ باتری انجام می شود.

برای هر دو اصلاح L6924، اگر ولتاژ ورودی توسط آداپتور AC/DC اصلی تولید شود، دو حالت کار ارائه می شود. اولین حالت استاندارد حالت تنظیم کننده ولتاژ خروجی باک خطی است. حالت دوم، حالت کنترل کننده شبه تکانه است. در حالت اول می توان جریانی را به بار وارد کرد که مقدار آن کمی کمتر از مقدار جریان ورودی گرفته شده از آداپتور است. در حالت تثبیت DC (فاز دوم - فاز شارژ سریع)، تفاوت بین ولتاژ ورودی و ولتاژ در "پلاس" باتری به عنوان انرژی حرارتی تلف می شود که در نتیجه اتلاف توان در این فاز شارژ بیشترین. هنگام کار در حالت تنظیم کننده سوئیچینگ، می توان جریانی را به بار وارد کرد که مقدار آن بیشتر از مقدار جریان ورودی است. در عین حال، انرژی بسیار کمتری به گرما می رود. این کار اولا باعث کاهش دمای داخل کیس می شود و ثانیا باعث افزایش کارایی دستگاه می شود. اما در عین حال، باید در نظر داشت که دقت تثبیت جریان در حالت خطی تقریباً 1٪ و در حالت پالس - حدود 7٪ است.

عملکرد ریز مدارهای L6924 در حالت های خطی و شبه پالسی در شکل 4 نشان داده شده است.

برنج. 4.

علاوه بر این، تراشه L6924U می تواند نه از یک آداپتور شبکه، بلکه از یک پورت USB کار کند. در این مورد، تراشه L6924U راه‌حل‌های فنی را پیاده‌سازی می‌کند که می‌تواند با افزایش زمان شارژ، اتلاف انرژی را بیشتر کاهش دهد.

تراشه های L6924D و L6924U دارای ورودی اضافی برای قطع اجباری شارژ (یعنی قطع بار) SHDN هستند.

در ریزمدارهای شارژ ساده، حفاظت دما شامل پایان شارژ زمانی است که دمای داخل محفظه ریز مدار به 120 درجه سانتیگراد افزایش یابد. البته این بهتر از عدم وجود کامل محافظت است، اما مقدار 120 درجه سانتیگراد روی کیس بیش از شرطی به دمای خود باتری مربوط می شود. محصولات L6924 قابلیت اتصال یک ترمیستور را که مستقیماً با دمای باتری مرتبط است را فراهم می کند (مقاومت RT1 در شکل 3). در این مورد، تنظیم محدوده دمایی که در آن شارژ باتری امکان پذیر می شود، امکان پذیر می شود. از یک طرف شارژ باتری های لیتیومی در دمای زیر صفر توصیه نمی شود و از طرف دیگر اگر باتری در حین شارژ بیش از 50 درجه سانتی گراد گرم شود، بسیار نامطلوب است. استفاده از ترمیستور باعث می شود که باتری فقط در شرایط دمایی مطلوب شارژ شود.

به طور طبیعی، عملکرد اضافی ریزمدارهای L6924D و L6924U نه تنها قابلیت های دستگاه در حال طراحی را گسترش می دهد، بلکه منجر به افزایش منطقه روی برد می شود که هم توسط بسته ریز مدار و هم عناصر تسمه خارجی اشغال شده است.

تراشه های شارژ باتری STBC21 و STw4102

این یک پیشرفت بیشتر در تراشه L6924 است. از یک طرف، تقریباً همان بسته عملکردی پیاده سازی شده است:

• حالت خطی و شبه پالسی.
• ترمیستور متصل به باتری به عنوان یک عنصر کلیدی حفاظت از دما.
• امکان تنظیم پارامترهای کمی برای هر سه فاز فرآیند شارژ.

برخی از ویژگی های اضافی که در L6924 وجود ندارد:

• حفاظت از قطبیت معکوس
• حفاظت از اتصال کوتاه
• یک تفاوت قابل توجه با L6924 وجود یک رابط دیجیتال I 2 C برای تنظیم مقادیر پارامترها و سایر تنظیمات است. در نتیجه تنظیمات دقیق تری از فرآیند شارژ امکان پذیر می شود. نمودار سیم کشی توصیه شده STBC21در شکل 5 نشان داده شده است. بدیهی است که در این مورد، مسئله صرفه جویی در مساحت تخته و ویژگی های وزن و اندازه صلب ارزش آن را ندارد. اما بدیهی است که استفاده از این ریز مدار در ضبط صوت های کوچک، پخش کننده ها و گوشی های موبایل مدل های ساده مورد انتظار نیست. در عوض، اینها باتری هایی برای لپ تاپ ها و دستگاه های مشابه هستند، که در آنها تعویض باتری یک روش نادر است، اما همچنین ارزان نیست.

برنج. 5.

5. Camiolo Jean، Scuderi Giuseppe. کاهش کل مصرف برق بدون بار شارژرهای باتری و کاربردهای آداپتور پلیمر// مواد از STMicroelectronics. قرار دادن آنلاین:

فرآیندهای شارژ و تخلیه هر باتری به عنوان یک واکنش شیمیایی انجام می شود. با این حال، شارژ باتری های لیتیوم یونی از این قاعده مستثنی است. مطالعات علمی انرژی چنین باتری هایی را مانند حرکت آشفته یون ها نشان می دهد. اظهارات کارشناسان شایسته توجه است. اگر از نظر علمی شارژ باتری‌های لیتیوم یون درست باشد، این دستگاه‌ها باید برای همیشه دوام بیاورند.

واقعیت های از دست دادن ظرفیت مفید باتری، که توسط عمل تایید شده است، دانشمندان در یون های مسدود شده توسط به اصطلاح تله ها مشاهده می کنند.

بنابراین، مانند سایر سیستم‌های مشابه، دستگاه‌های لیتیوم یونی از نقص در فرآیند کاربرد آنها در عمل مصون نیستند.

شارژرهای طراحی لیتیوم یون شباهت هایی با دستگاه های طراحی شده برای سیستم های اسید سرب دارند.

اما تفاوت اصلی چنین شارژرهایی در تامین ولتاژ بالا به سلول ها دیده می شود. علاوه بر این، تلرانس جریان شدیدتر، به علاوه حذف شارژ متناوب یا شناور هنگام شارژ کامل باتری، ذکر شده است.

اگر آنها از نظر انعطاف پذیری از نظر اتصالات / قطع ولتاژ متفاوت باشند، سازندگان سیستم های لیتیوم-یون به طور قاطع این رویکرد را رد می کنند.

باتری های لیتیوم یون و قوانین عملکرد این دستگاه ها امکان شارژ بیش از حد نامحدود را نمی دهد.

بنابراین، شارژر به اصطلاح "معجزه آسایی" برای باتری های لیتیوم یونی وجود ندارد که بتواند عمر مفید را برای مدت طولانی افزایش دهد.

بدست آوردن ظرفیت اضافی Li-ion به دلیل بار ضربه ای یا سایر ترفندهای شناخته شده غیرممکن است. انرژی لیتیوم یون نوعی سیستم "پاک" است که مقدار محدودی از انرژی را می پذیرد.

شارژ باتری های مخلوط کبالت

طرح های کلاسیک باتری های لیتیوم یونی مجهز به کاتدهایی هستند که ساختار آن از مواد زیر تشکیل شده است:

• کبالت،
• نیکل،
• منگنز،
• آلومینیوم

همه آنها معمولاً با ولتاژ تا 4.20 ولت / I شارژ می شوند. انحراف مجاز بیش از +/- 50 mV/I نیست. اما انواع خاصی از باتری‌های لیتیوم یون مبتنی بر نیکل نیز وجود دارند که ولتاژ شارژ تا 4.10 ولت بر متر را امکان‌پذیر می‌کنند.

همچنین پیشرفت هایی در باتری های لیتیوم یونی وجود دارد که در آن درصد لیتیوم افزایش یافته است. برای آنها، ولتاژ شارژ می تواند به مقدار 4.30V / I و بالاتر برسد.

خوب، افزایش ولتاژ باعث افزایش ظرفیت خازنی می شود، اما اگر ولتاژ فراتر از مشخصات باشد، مملو از تخریب ساختار باتری است.

بنابراین ، در بیشتر موارد ، باتری های لیتیوم یونی مجهز به مدارهای محافظ هستند که هدف آنها حفظ هنجار تعیین شده است.

شارژ کامل یا جزئی

با این حال، تمرین نشان می‌دهد که اکثر باتری‌های لیتیوم یونی قدرتمند می‌توانند سطح ولتاژ بالاتری را بپذیرند، مشروط بر اینکه برای مدت کوتاهی اعمال شوند.

با این گزینه، راندمان شارژ حدود 99 درصد است و سلول در تمام مدت زمان شارژ سرد می ماند. درست است، برخی از باتری‌های لیتیوم یونی با رسیدن به شارژ کامل، 4 تا 5 درجه سانتی‌گراد گرم می‌شوند.

شاید این به دلیل محافظت یا به دلیل مقاومت داخلی بالا باشد. برای چنین باتری هایی، هنگامی که دما با نرخ شارژ متوسط ​​بیش از 10 درجه سانتیگراد افزایش یابد، شارژ باید متوقف شود.

شارژ کامل سیستم های مخلوط کبالت با مقدار ولتاژ آستانه انجام می شود. در این حالت، جریان تا 3 -5٪ از مقدار اسمی کاهش می یابد.

باتری حتی در صورت رسیدن به سطح مشخصی از ظرفیت که برای مدت طولانی بدون تغییر باقی می ماند، شارژ کامل را نشان می دهد. دلیل این امر ممکن است افزایش خود تخلیه باتری باشد.

افزایش جریان شارژ و شارژ اشباع

لازم به ذکر است که افزایش جریان شارژ، دستیابی به حالت شارژ کامل را تسریع نمی کند. لیتیوم - سریعتر به اوج ولتاژ می رسد، اما شارژ تا اشباع کامل ظرفیت زمان بیشتری می برد. با این حال، شارژ باتری با جریان بالا به سرعت ظرفیت باتری را تا حدود 70 درصد افزایش می دهد.

باتری های لیتیوم یونی مانند دستگاه های اسید سرب نیازی به شارژ کامل ندارند. علاوه بر این، این گزینه شارژ است که برای Li-ion نامطلوب است. در واقع بهتر است باتری را به طور کامل شارژ نکنید زیرا ولتاژ بالا به باتری فشار وارد می کند.

انتخاب آستانه ولتاژ کمتر یا حذف شارژ کامل اشباع، عمر باتری لیتیوم یونی را افزایش می دهد. درست است، این رویکرد با کاهش زمان بازگشت انرژی باتری همراه است.

در اینجا لازم به ذکر است: شارژرهای خانگی، به عنوان یک قاعده، با حداکثر توان کار می کنند و از تنظیم جریان (ولتاژ) شارژ پشتیبانی نمی کنند.

سازندگان شارژرهای باتری لیتیوم یون عمر طولانی را کمتر از هزینه پیچیدگی مدار می دانند.

شارژر باتری لیتیوم یون

برخی از شارژرهای خانگی ارزان اغلب از یک روش ساده استفاده می کنند. باتری لیتیوم یون را برای یک ساعت یا کمتر بدون اینکه به حالت اشباع درآید شارژ کنید.

هنگامی که باتری در مرحله اول به آستانه ولتاژ می رسد، نشانگر آماده در چنین دستگاه هایی روشن می شود. وضعیت شارژ در این مورد حدود 85 درصد است که اغلب کاربران زیادی را راضی می کند.

شارژرهای حرفه ای (گران قیمت) از این جهت متفاوت هستند که آستانه ولتاژ شارژ را پایین می آورند و در نتیجه عمر باتری لیتیوم یون را افزایش می دهند.

جدول توان های محاسبه شده را هنگام شارژ شدن توسط چنین دستگاه هایی در آستانه های ولتاژ مختلف، با و بدون شارژ اشباع نشان می دهد:

به محض اینکه باتری لیتیوم یون شروع به شارژ شدن می کند، ولتاژ به سرعت افزایش می یابد. این رفتار با بلند کردن بار با نوار لاستیکی در زمانی که اثر تاخیری وجود دارد قابل مقایسه است.

ظرفیت در نهایت با شارژ کامل باتری پر می شود. این مشخصه شارژ برای همه باتری ها معمول است.

هرچه جریان شارژ بیشتر باشد، اثر باند لاستیکی روشن تر است. دمای پایین یا وجود سلولی با مقاومت داخلی بالا تنها اثر را افزایش می دهد.

ارزیابی وضعیت شارژ با خواندن ولتاژ باتری شارژ شده عملی نیست. اندازه گیری ولتاژ مدار باز (بیکار) پس از چند ساعت نشستن باتری بهترین شاخص ارزیابی است.

مانند سایر باتری‌ها، دما بر روی بی‌حرکتی اثر می‌گذارد به همان صورتی که بر ماده فعال باتری لیتیوم یونی تأثیر می‌گذارد. ، لپ تاپ و سایر دستگاه ها با شمارش کولن تخمین زده می شود.

باتری لیتیوم یون: آستانه اشباع

باتری لیتیوم یونی قادر به جذب شارژ اضافی نیست. بنابراین، هنگامی که باتری کاملاً اشباع شد، جریان شارژ باید بلافاصله حذف شود.

شارژ جریان ثابت می تواند منجر به متالیزاسیون سلول های لیتیوم شود که اصل اطمینان از ایمنی عملکرد چنین باتری هایی را نقض می کند.

برای به حداقل رساندن ایجاد نقص، باید باتری لیتیوم یون را در اسرع وقت هنگامی که به اوج شارژ رسید جدا کنید.

به محض توقف شارژ، ولتاژ باتری لیتیوم یون شروع به کاهش می کند. اثر کاهش استرس فیزیکی آشکار می شود.

برای مدتی، ولتاژ مدار باز بین سلول های شارژ ناهموار با ولتاژ 3.70 ولت و 3.90 ولت توزیع می شود.

در اینجا، هنگامی که یک باتری لیتیوم یونی که یک بار کاملاً اشباع شده دریافت کرده است، شروع به شارژ باتری همسایه (اگر در مدار باشد) که شارژ اشباع دریافت نکرده است، این فرآیند توجه را به خود جلب می کند.

هنگامی که باتری‌های لیتیوم یونی باید همیشه در شارژر نگهداری شوند تا از آماده بودن آن‌ها اطمینان حاصل شود، باید به شارژرهایی اعتماد کنید که عملکرد شارژ کوتاه‌مدت دارند.

اگر ولتاژ مدار باز به 4.05 V / ch کاهش یابد، یک شارژر با عملکرد شارژ کوتاه مدت کوتاه مدت روشن می شود و زمانی که ولتاژ به 4.20 V / ch برسد خاموش می شود.

شارژرهایی که برای حالت آماده به کار یا آماده به کار طراحی شده اند، اغلب اجازه می دهند ولتاژ باتری به 4.00 ولت در متر کاهش یابد و فقط باتری های لیتیوم یونی را تا 4.05 ولت در متر بدون رسیدن به 4.20 ولت در متر کامل شارژ می کنند.

این تکنیک ولتاژ فیزیکی ذاتی ولتاژ فنی را کاهش می دهد و به افزایش عمر باتری کمک می کند.

شارژ باتری های بدون کبالت

باتری های سنتی دارای ولتاژ اسمی سلول 3.60 ولت هستند. با این حال، برای دستگاه هایی که حاوی کبالت نیستند، مقدار متفاوت است.

بنابراین، باتری های لیتیوم فسفات دارای امتیاز 3.20 ولت (ولتاژ شارژ 3.65 ولت) هستند. و باتری های لیتیوم تیتانات جدید (ساخت روسیه) دارای ولتاژ اسمی سلولی 2.40 ولت (شارژر 2.85) هستند.

برای چنین باتری هایی، شارژرهای سنتی مناسب نیستند، زیرا باتری را با خطر انفجار بارگذاری می کنند. برعکس، یک سیستم شارژ باتری‌های بدون کبالت، شارژ کافی برای یک باتری سنتی لیتیوم یونی 3.60 ولتی را تامین نمی‌کند.

شارژ بیش از حد باتری لیتیوم یون

باتری لیتیوم یونی به طور ایمن در ولتاژهای کاری مشخص کار می کند. با این حال، اگر باتری بیش از حد مجاز شارژ شود، عملکرد ناپایدار می شود.

شارژ طولانی مدت باتری لیتیوم یون با ولتاژ بالای 4.30 ولت، که برای رتبه کاری 4.20 ولت طراحی شده است، مملو از آبکاری لیتیوم آند است.

ماده کاتد نیز به نوبه خود خواص یک عامل اکسید کننده را به دست می آورد، ثبات حالت خود را از دست می دهد و دی اکسید کربن آزاد می کند.

فشار سلول باتری افزایش می یابد و در صورت ادامه شارژ، دستگاه محافظ داخلی با فشاری بین 1000 کیلو پاسکال تا 3180 کیلو پاسکال کار می کند.

اگر افزایش فشار پس از آن ادامه یابد، غشای محافظ در سطح فشار 3.450 کیلو پاسکال باز می شود. در این حالت سلول باتری لیتیوم یون در آستانه انفجار است و در نهایت این دقیقاً همان چیزی است که اتفاق می افتد.

فعال شدن محافظ داخل باتری لیتیوم یونی به دلیل افزایش دمای محتویات داخلی است. یک باتری کاملا شارژ شده دمای داخلی بالاتری نسبت به باتری نیمه شارژ دارد.

بنابراین، باتری‌های لیتیوم یونی تحت شرایط شارژ سطح پایین، ایمن‌تر به نظر می‌رسند. به همین دلیل است که مقامات برخی کشورها استفاده از باتری های لیتیوم یونی در هواپیماها را ملزم می کنند که با انرژی اشباع شده بیش از 30 درصد ظرفیت کامل آنها نباشد.

آستانه دمای باتری داخلی در بار کامل:

• 130-150 درجه سانتیگراد (برای لیتیوم کبالت)؛
• 170-180 درجه سانتیگراد (برای نیکل-منگنز-کبالت)؛
• 230-250 درجه سانتیگراد (برای لیتیوم منگنز).

لازم به ذکر است که باتری های لیتیوم فسفات پایداری دمایی بهتری نسبت به باتری های لیتیوم منگنز دارند. باتری‌های لیتیوم یونی تنها باتری‌هایی نیستند که در شرایط اضافه بار انرژی خطرآفرین هستند.

به عنوان مثال، باتری های سرب نیکل نیز مستعد ذوب شدن و به دنبال آن آتش سوزی هستند اگر اشباع انرژی بر خلاف رژیم پاسپورت انجام شود.

بنابراین، استفاده از شارژرهایی که به طور ایده‌آل برای باتری مناسب هستند برای همه باتری‌های لیتیوم یون از اهمیت بالایی برخوردار است.

برخی از نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل

شارژ باتری های لیتیوم یون با روشی ساده در مقایسه با سیستم های نیکل مشخص می شود. مدار شارژ ساده و با محدودیت های ولتاژ و جریان است.

چنین مداری بسیار ساده تر از مداری است که امضاهای ولتاژ پیچیده ای را که با استفاده از باتری تغییر می کنند، تجزیه و تحلیل می کند.

فرآیند اشباع باتری های لیتیوم یونی قطع می شود، این باتری ها مانند باتری های سرب اسیدی نیازی به اشباع کامل ندارند.

ویژگی‌های باتری‌های لیتیوم یونی مزایایی را در بهره‌برداری از منابع انرژی تجدیدپذیر (پانل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی) نوید می‌دهند. به عنوان یک قاعده، یا یک ژنراتور باد به ندرت شارژ کامل باتری را فراهم می کند.

برای لیتیوم یون، عدم نیاز به شارژ پایدار مدار کنترل کننده شارژ را ساده می کند. یک باتری لیتیوم یونی به کنترل کننده ای نیاز ندارد که ولتاژ و جریان را برابر کند، همانطور که برای باتری های سرب اسیدی لازم است.

تمام شارژرهای لیتیوم یونی خانگی و صنعتی باتری را به طور کامل شارژ می کنند. با این حال، شارژرهای باتری لیتیوم یون موجود معمولاً تنظیم ولتاژ را در پایان چرخه ارائه نمی دهند.

در حال حاضر، باتری های لیتیوم یون بسیار محبوب هستند، آنها در ابزارهای مختلف مانند تلفن، ساعت هوشمند، پخش کننده، چراغ قوه، لپ تاپ استفاده می شوند. برای اولین بار باتری از این نوع (Li-ion) توسط شرکت معروف ژاپنی سونی عرضه شد. یک نمودار شماتیک از ساده ترین باتری ها در تصویر زیر نشان داده شده است، با مونتاژ آن، شما این فرصت را خواهید داشت که به طور مستقل شارژ باتری ها را بازیابی کنید.

شارژ باتری لیتیومی خانگی - مدار الکتریکی

اساس این دستگاه دو تراشه تثبیت کننده 317 و 431 (). تثبیت کننده انتگرال LM317 در این مورد به عنوان منبع جریان عمل می کند، ما این قسمت را در بسته TO-220 می گیریم و مطمئن شوید که آن را با استفاده از خمیر حرارتی روی هیت سینک نصب کنید. تنظیم کننده ولتاژ TL431 تولید شده توسط تگزاس ابزار نیز در بسته های SOT-89، TO-92، SOP-8، SOT-23، SOT-25 و سایر بسته ها وجود دارد.

دیودهای ساطع نور (LED) D1 و D2 از هر رنگی که برای شما خوشایند باشد. من موارد زیر را انتخاب کردم: LED1 مستطیلی قرمز 2.5 میلی متر (2.5 مایل Candel) و LED2 سبز پراکنده 3 میلی متر (40-80 مایل Candel). اگر برد تمام شده را در کیس نصب نکنید، استفاده از LED های smd راحت است.

حداقل توان مقاومت R2 (22 اهم) 2 وات و R5 (11 اهم) 1 وات است. تمام ریموت 0.125-0.25W.

یک مقاومت متغیر 22 کیلو اهم باید از نوع SP5-2 (وارد شده 3296 وات) باشد. چنین مقاومت های متغیری دارای تنظیم مقاومت بسیار دقیقی هستند که می توان آن را با چرخاندن یک جفت کرم که شبیه یک پیچ برنزی است، به آرامی تنظیم کرد.

عکس اندازه گیری ولتاژ باتری لیتیوم یون از تلفن همراه قبل از شارژ (3.7 ولت) و بعد از (4.2 ولت) ظرفیت 1100 میلی آمپر ساعت.

PCB برای شارژر لیتیومی

برد مدار چاپی (PCB) در دو قالب برای برنامه های مختلف وجود دارد - آرشیو قرار دارد. ابعاد برد مدار چاپی تمام شده در کیس من 5 در 2.5 سانتی متر است، من برای بست ها در طرفین جا گذاشتم.

نحوه کار شارژ

مدار آماده چنین شارژری چگونه کار می کند؟ ابتدا باتری با جریان مستقیم شارژ می شود که با مقاومت مقاومت R5 تعیین می شود و با مقدار استاندارد 11 اهم تقریباً 100 میلی آمپر خواهد بود. علاوه بر این، هنگامی که منبع انرژی قابل شارژ دارای ولتاژ 4.15-4.2 ولت باشد، شارژ ولتاژ ثابت آغاز می شود. هنگامی که جریان شارژ به مقادیر کوچک کاهش می یابد، LED D1 خاموش می شود.

همانطور که می دانید ولتاژ استاندارد برای شارژ Li-ion 4.2 ولت است، این رقم باید در خروجی مدار بدون بار و با استفاده از ولت متر تنظیم شود تا باتری کاملا شارژ شود. اگر ولتاژ را کمی کاهش دهید، جایی 0.05-0.10 ولت، باتری شما کاملا شارژ نمی شود، اما به این ترتیب عمر بیشتری خواهد داشت. نویسنده مقاله EGOR.

در مورد مقاله شارژر باتری های لیتیومی بحث کنید