Ricarica della batteria agli ioni di litio

Le batterie al litio sono un modo versatile di immagazzinare energia; hanno una delle più alte densità di energia ed energia specifica (da 360 a 900 kJ / kg) tra le batterie ricaricabili.

Il rovescio della medaglia è che, a differenza dei condensatori o di altri tipi di batterie, non possono essere caricati da un normale alimentatore. Devono essere caricati fino a una tensione specifica e con una corrente limitata, altrimenti si trasformano in potenziali bombe incendiarie.

E questo non è uno scherzo, immagazzinare una quantità così elevata di energia in un dispositivo compatto e normalmente compatto può essere davvero pericoloso.

Ma sono davvero utili nell'elettronica a causa della loro tensione cellulare relativamente alta; alta densità di energia; la loro forma, dimensione e varietà di capacità e la loro efficienza di carica / scarica. Ed è per questo che si trovano in quasi tutti i prodotti di elettronica di consumo.

Poiché sono la scelta migliore per dispositivi portatili di piccole e medie dimensioni, sono molto popolari nella comunità del fai-da-te. Ma la ricarica è ancora un problema comune da affrontare quando li si utilizza se non si desidera acquistare un caricabatterie specifico.

Tramite questo istruttore imparerai come realizzare un corretto caricabatterie agli ioni di litio con componenti e parti ampiamente disponibili. E, cosa più importante, imparerai come funziona.

Se vuoi saltare la teoria e costruire effettivamente il caricabatterie, vai al passaggio 6.

Step 1: Un po 'di teoria

Esistono molti tipi diversi di batterie a base di litio, ma differiscono solo per i materiali utilizzati e l'architettura. Gli scienziati preferiscono nominare le batterie con il loro nome chimico e il materiale utilizzato e, a meno che tu non sia un chimico, questi termini potrebbero diventare confusi. La tabella sopra offre chiarezza elencando queste batterie per nome completo, definizione chimica, abbreviazioni e forma abbreviata.

Diversi tipi di batterie hanno caratteri e limiti diversi, per maggiori dettagli, ti consiglio di visitare questa pagina.

La cosa buona è che la maggior parte delle batterie viene caricata allo stesso modo, almeno quelle comuni che normalmente si trovano e / o si usano per un progetto alimentato a batteria.

Prima di tutto, devi sapere qual è il "C-rate", perché è la base dell'utilizzo della batteria.

La maggior parte delle batterie ha una capacità nominale, misurata in amp-ora (Ah) o in milliampere (mAh). Questa è fondamentalmente la corrente di scarica che possono fornire per un'ora prima di essere completamente scaricata.

Ad esempio, hai una grande batteria etichettata come 2400 mAh o 2, 4 Ah, il che significa che può spingere 2, 4 A attraverso il circuito e scaricarsi in un periodo di un'ora. Sarebbe una velocità di scarica di 1 ° C, scaricando la batteria alla corrente di capacità nominale.

Se la batteria fornisce 1200 mA a un circuito, sarebbe una velocità di scarica di 0, 5 ° C e dovrebbe durare due ore.

Alcune batterie consentono velocità di scarica superiori a 1 ° C e, se si potesse scaricare la batteria a 4, 8 A (2 ° C), durerebbe 30 minuti. Alcune batterie utilizzate nei sistemi RC consentono velocità di scarica molto elevate, come 10 o 20 ° C, ma queste batterie sono generalmente progettate per guastarsi piuttosto che lasciare il tuo aereo impotente a metà volo, quindi non sono le più sicure.

Durante la ricarica, è praticamente lo stesso, caricare una batteria da 2400 mAh a una corrente massima di 1200mA sarebbe una velocità di carica di 0, 5 C. Per motivi di sicurezza, la maggior parte delle batterie deve essere caricata tra 0, 5 ° C e 0, 7 ° C.

La maggior parte delle batterie agli ioni di litio sono caricate a 4, 2 V per cella, tensioni più elevate potrebbero aumentare la capacità, ma ridurre la durata. E quelli più bassi possono aumentare i cicli di carica della batteria al costo di un minor tempo di funzionamento. (Vedi il terzo grafico)

Un ciclo di carica prevede due fasi principali; corrente costante o CC e sorgente di tensione o CV, ma alcuni caricabatterie saltano o aggiungono più stadi. (Vedi grafici 1 e 2)

  • La maggior parte delle batterie è considerata sovraccarica o scarica quando la tensione della cella è inferiore a 2, 8-3 V, ma anche in questa situazione, le celle possono essere ricaricate nuovamente e riutilizzate. Per salvarli, viene eseguita una fase di "condizionamento" prima della ricarica, in questa fase la batteria viene caricata con un limite di corrente di 0, 1 C fino a raggiungere 3v

  • Palco CC. Questo è il palcoscenico utilizzato da tutti i caricabatterie e l'unico per i caricabatterie più veloci. Durante lo stadio a corrente costante, la batteria è sostanzialmente collegata a un alimentatore a corrente limitata, generalmente limitato a 0, 5-0, 7 volte la capacità nominale della batteria (compresa tra 0, 5 e 0, 7 ° C) che dura fino a quando la tensione della cella raggiunge 4, 2 V. Alla fine di questa fase, la carica della batteria è di circa il 70-80%.

  • Stage CV o carica di saturazione. Quando la batteria raggiunge 4, 2 V per cella, il caricabatterie agisce come un alimentatore a voltaggio limitato, la tensione della batteria rimane a 4, 2 V mentre la corrente di carica diminuisce gradualmente. Quando la corrente di carica è compresa tra il 3 e il 10% della capacità etichettata, la batteria viene considerata completamente carica.

  • Ricarica. A seconda del caricabatterie e dell'autoscarica della batteria, è possibile implementare una ricarica aggiuntiva ogni 500 ore o 20 giorni. In genere, la carica si attiva quando la tensione del terminale aperto scende a 4, 05 V / cella e si spegne quando raggiunge nuovamente 4, 20 V / cella.

Di solito, vengono utilizzate solo le fasi 2 e 3 e una ricarica completa può richiedere da 2 a 4 ore a seconda della tariffa.

Lo ione di litio non ha bisogno di essere completamente carico, come nel caso dell'acido al piombo, né è desiderabile farlo. In effetti, è meglio non caricare completamente, poiché le alte tensioni stressano la batteria. La scelta di una soglia di tensione inferiore o l'eliminazione completa della carica di saturazione prolunga la durata della batteria, ma ciò riduce l'autonomia. Poiché il mercato dei consumatori promuove la massima autonomia, questi caricabatterie richiedono la massima capacità anziché una maggiore durata.

Per maggiori informazioni puoi visitare questa pagina.

Passaggio 2: progettazione del circuito del caricabatterie

Circa un anno fa ho iniziato a lavorare con amplificatori operazionali e ho deciso di progettare un adeguato caricabatterie agli ioni di litio per imparare ad usarli. Ho imparato molto sugli amplificatori operazionali durante la progettazione di questo circuito e volevo condividerlo, quindi le persone possono creare i propri caricabatterie invece di acquistarli.

Il circuito utilizza il popolare op-amp LM324 per creare un alimentatore limitato di corrente e tensione. In questo caso, la corrente è regolabile con un potenziometro da circa 160 a 1600 mA, che consente di caricare batterie con una vasta gamma di capacità. Il limite di voltaje è 4.2 v, quindi non si danneggiano le batterie.

Ha un LED indicatore di carica che si accenderà mentre la batteria si sta caricando e si spegne al termine.

Ho progettato questo circuito in modo che utilizzi componenti a foro passante ampiamente disponibili ed economici in modo che chiunque possa costruirlo.

È possibile utilizzare quasi tutti gli op-amp per scopi generici, non è necessaria alcuna operazione rail to rail, nessuna frequenza elevata o precisione.

I transistor tip122 possono essere sostituiti con qualsiasi transistor compatibile con pin con un guadagno di corrente CC minimo (Hfe) superiore a 100 e una corrente massima del collettore (Ic) superiore a 2A.

Il circuito è progettato in modo che chiunque abbia abilità di saldatura di base possa costruirlo facilmente.

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  • battery charger.brd Download

Passaggio 3: l'alimentatore

L'intero caricabatterie è alimentato da un caricabatterie da 12 V 2 A, ma poiché l'LM324 non è un op-amp rail to rail, ho bisogno di un secondo binario di tensione per consentire le tensioni di rilevamento dell'amplificatore operazionale vicino a GND (piccole tensioni per piccole correnti) e tensioni di uscita abbastanza basse da non accendere i transistor darlington quando non dovrebbero essere.

Se osservi lo schema generale nel passaggio precedente, puoi vedere che il transistor che controlla il flusso e la tensione di corrente attraverso la batteria è collegato a una barra di tensione e non a terra. Questo perché la tensione di uscita dell'LM324 non può raggiungere la tensione di alimentazione negativa, può solo superare 1, 5-2v. A quella tensione, il transistor darlington non sarebbe in grado di spegnersi e non limiterebbe correttamente la tensione e la corrente.

Ecco perché ho usato uno dei quattro op-amp (IC1a) e un transistor per creare una guida virtuale da 2, 5 V su GND che affonda la corrente che fluisce attraverso la parte del circuito del caricatore.

R2 e R3 sono un divisore di tensione con una tensione di uscita di circa 2, 5 V a seconda delle tolleranze del resistore, l'amplificatore operazionale aziona il transistor in modo tale che indipendentemente dal flusso di corrente, 2, 5 V cadano sempre attraverso di esso.

I quattro amplificatori operazionali e gli indicatori LED sono alimentati direttamente dall'alimentazione a 12 V, ma il resto del circuito è alimentato a 9, 5 V; tra i binari 12v e 2.5v.

Se si utilizza questo design, ma si desidera renderlo più efficiente, è possibile utilizzare amplificatori operazionali rail-to-rail e un alimentatore a voltaggio inferiore, quindi non è necessario creare un ulteriore spreco di energia su un transistor aggiuntivo.

Il LED di alimentazione indica quando il caricabatterie è acceso e C2 attenua la tensione dal caricabatterie.

Passaggio 4: il caricatore effettivo

Questa è la parte importante del caricabatterie, questo è ciò che si occupa di limitare la corrente e la tensione attraverso la batteria. In questo caso, la corrente di carica può essere selezionata con il potenziometro 10k, ma la tensione limite sarà un riferimento fisso 4.2v, indipendentemente dalle variazioni della tensione di alimentazione.

(Puoi vedere che nello schema generale, i valori di potenziometro e R8 e R9 sono un ordine di grandezza più alto, questo perché l'unico piatto che avevo era uno da 100K, ma il valore raccomandato è 10K e per R8 e 9 quelli nello schema sopra)

L'amplificatore operazionale a sinistra (IC1c) si occupa di limitare la corrente al massimo impostato con il potenziometro. Poiché il resistore di rilevamento è 1 ohm, la tensione su di esso sarà uguale alla corrente che lo attraversa.

Il potenziometro è sopra una resistenza da 1k, attraverso la resistenza c'è una caduta di 160mV, quindi la tensione di uscita minima del potenziometro è 0, 16v, in quel caso il circuito limiterebbe una corrente massima di 160mA, ideale per caricare una batteria da 300mAh.

La caduta di tensione attraverso il potenziometro è di circa 1, 6 V, quindi il limite massimo di corrente sarà leggermente superiore a 1, 6 A. Regolando il potenziometro è possibile ottenere qualsiasi tensione in uscita tra 0, 16 e 1, 6 V, il che significa un limite di corrente massima ovunque tra 160 e 1600 mA.

L'amplificatore operazionale piloterà il transistor in modo tale che la tensione attraverso il resistore di rilevamento sia la stessa dell'uscita del potenziometro. E grazie alla guida da 2, 5 V, l'amplificatore operazionale sarà in grado di emettere una tensione abbastanza bassa da quasi spegnere il transistor e impostare un limite di corrente bassa.

Alla fine dello stadio a corrente costante, la tensione della batteria si avvicina a un limite di 4, 2 V, oltre il quale la batteria verrebbe danneggiata, in quel momento, la parte del circuito del limitatore di tensione entra in funzione e inizia lo stadio di tensione costante.

Il diodo zener 4.7v insieme al divisore di tensione R10 e 11 crea un riferimento 4.2v sotto VCC (~ 12v). Quando la tensione attraverso la batteria raggiunge 4, 2 V, il secondo amplificatore operazionale (IC1d) inizia a pompare la tensione nell'ingresso invertente del primo amplificatore operazionale, questo lo fa abbassare la tensione di uscita al transistor in modo che la corrente fluisca attraverso la batteria inizia a cadere per mantenere 4.2v attraverso di esso.

Man mano che la batteria si carica e la sua resistenza interna aumenta, è necessaria meno corrente per mantenerla 4.2v, quindi la corrente diminuirà lentamente. Quando la corrente che scorre attraverso la batteria scende al di sotto del 3-10% della capacità nominale, la batteria viene considerata carica al 100%.

Passaggio 5: l'indicatore di carica

La ricarica completa di una batteria può richiedere da 2 a 4 ore a seconda della velocità di ricarica (che consiglio di mantenere tra 0, 5 e 0, 7 ° C). Quando la corrente che scorre nella batteria è inferiore al 3-10% della capacità nominale, la batteria è carica al 100% e il circuito sopra è ciò che ci dirà quando ciò accade.

Il quarto op-amp (IC1b) viene utilizzato come comparatore; all'ingresso non invertente, prende la tensione attraverso la resistenza di rilevamento (sopra la rotaia da 2, 5 V) che cadrà durante lo stadio di tensione costante o carica di saturazione e la confronta con una frazione della tensione impostata dal potenziometro.

Il divisore di tensione R15 e 16 emette un 9% della tensione impostata e immette il riferimento nell'imput invertente dell'amplificatore operazionale.

quando la tensione attraverso la resistenza di rilevamento (che è la stessa della corrente che fluisce attraverso la batteria) scende al di sotto del riferimento impostato dal divisore, la tensione in ingresso è maggiore di quella in +, quindi l'uscita dell'amplificatore operazionale scende a GND e spegne il LED.

Con questa configurazione, il LED è acceso durante la ricarica e spento quando la batteria è completamente carica. Se si desidera che si accenda al termine della carica, è sufficiente scambiare i pin di ingresso dell'amplificatore operazionale.

Passaggio 6: costruire il caricabatterie

Ora abbiamo finito con la teoria, costruiamo davvero il caricabatterie!

Prima di tutto, hai bisogno del PCB, puoi ordinarlo online o fai-da-te. Quando hai il tuo PCB pronto con tutti i fori e le pastiglie stagnate, è il momento di iniziare a popolare la scheda.

Con il design che ho realizzato, tutti i componenti sono a foro passante, quindi chiunque può realizzarlo, ma se preferisci una versione più piccola della scheda, puoi scaricare il file .brd e modificare tutti i componenti su SMD.

La maggior parte dei resistori che ho usato hanno una tolleranza dell'1%, questo perché perché li avevo a portata di mano, puoi usare quelli comuni al 5%.

Saldare i resistori e i ponticelli, quindi i condensatori e i diodi, fare attenzione alla polarità!

Se non hai un potenziometro con lo stesso pacchetto del mio, potresti saldarne uno esterno con alcuni fili o semplicemente modificare l'impronta.

Il resistore di rilevamento che ho usato è un resistore da 4 W 1ohm, puoi usarne uno diverso, ma non inferiore a 3 W.

I transistor sono due coppie di Darlington TIP122, non è necessario utilizzare quelli di Darlington, qualsiasi BJT con un guadagno superiore a 100 e con capacità di corrente di 2A dovrebbe funzionare, ma controlla le resistenze di base per abbinare i tuoi transistor!

Inoltre, puoi usare quasi tutti gli altri op-amp quad, assicurati di sceglierne uno compatibile con pin.

Ho realizzato la scheda con due uscite, una con un terminale a vite e l'altra con un connettore per batteria DSI, sono collegate in parallelo, ma è necessario caricare solo una batteria alla volta. Ricorda che questo caricabatterie è progettato per caricare una batteria a cella singola, non due in parallelo né due in serie.

Quando hai finito di saldare, avvita un dissipatore di calore ai tuoi transistor, dissiperanno una buona quantità di energia! Quello che sto usando è piuttosto piccolo, forse dovrebbe essere usato uno più grande, ma penso che non superi i 70 ° C, quindi per ora va bene.

Ora aggiungi un po 'di stanoff alla tua tavola ed è pronto per funzionare.

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Passaggio 7: test n. 1

Come primo test, sto andando a caricare una batteria da 600 mAh, sto andando a caricarlo a 0, 5 ° C per sicurezza.

Prima di tutto, collega il multimetro all'uscita e imposta il quadrante su corrente nell'intervallo 10A. Collegare il caricabatterie e ruotare il potenziometro fino a quando la corrente di uscita è la metà della capacità nominale della batteria, nel mio caso, 0, 3A.

Quindi, collega la batteria al caricabatterie e fai attenzione alla polarità, nel mio design del circuito, il pin positivo si trova sulla destra dei connettori.

Ho testato il riferimento 4.2v sotto VCC e, come puoi vedere nelle immagini, è un riferimento 4.2v perfetto.

Quando ho iniziato a caricare la batteria, aveva una tensione a circuito aperto di 3, 1 V, quindi abbastanza vuota. Circa un'ora e mezza dopo, la batteria aveva una tensione di 4, 09 V, stava per entrare nello stadio a tensione costante.

Un'ora e mezza dopo, ho visto che il LED si stava spegnendo, quindi ho controllato la corrente attraverso la caduta di tensione attraverso il resistore di rilevamento, la corrente era di circa 24 mA, che è inferiore al 9% dei 300 mA iniziali. A quel punto la batteria era completamente carica.

Questo caricabatterie funziona alla grande, l'ho testato con quella batteria da 600 mAh, una batteria DSI da 840 mAh, una piccola batteria da orologio da 200 mAh e una batteria per tablet da 4000 mAh. Il caricamento completo è durato circa 3 ore, il 4Ah ha richiesto un po 'più di tempo, ma solo perché il caricabatterie è limitato a 1, 6 A e questo è un tasso di carica di 0, 4 C.

Spero che questo istruttore sia utile per tutti i produttori là fuori che iniziano a usare batterie agli ioni di litio, buon luch con tutti i tuoi progetti!

Se non hai capito qualcosa o hai bisogno di informazioni più dettagliate, non esitare a chiedermelo, risponderò a tutto ciò che posso.

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