6. Заключение

Нацеленность на проблемы, существующие в двухступенчатом электромостовом преобразователе постоянного тока с плавным переключением и полным мостом с плавным переключением фаз OBC, полном мостовом преобразователе постоянного тока в постоянный с фиксирующим диодом и синхронным выпрямлением предлагается. Добавлены фиксирующие диоды для реализации широкого диапазона мягкого переключения и устранения колебаний напряжения вторичного выпрямителя. Технология синхронного выпрямления вторичной обмотки трансформатора используется для снижения высокочастотных выпрямительных потерь.Проанализированы принцип работы и способ управления преобразователем постоянного тока в постоянный, рассчитаны потери коммутирующего устройства. Результаты моделирования и экспериментов показывают, что колебания напряжения вторичной стороны трансформатора удваиваются, а КПД OBC достигает 95% при номинальной нагрузке 20–100%, что соответствует требованиям к применению бортового зарядного устройства.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы подтверждают, что содержание данной статьи не имеет конфликта интересов.

Благодарности

Авторы выражают благодарность коллегам за помощь или поддержку, а также за финансовую поддержку со стороны группы инновационных технологий по устройству силовой электроники и управления шахтами провинции Хэнань, ключевые исследовательские проекты высших учебных заведений провинции Хэнань, грант №. 18A410001, и докторский фонд Хэнаньского политехнического университета, грант № B2017-19.

Зарядные устройства и способы зарядки аккумуляторов

Зарядное устройство имеет три основные функции

• Зарядка аккумулятора (Зарядка)
• Оптимизация скорости зарядки (стабилизация)
• Знание, когда остановиться (Завершение)

Схема начисления платы представляет собой комбинацию методов начисления и завершения.

Когда аккумулятор полностью заряжен, необходимо как-то рассеять зарядный ток. В результате выделяется тепло и газы, которые вредны для аккумуляторов. Суть хорошей зарядки состоит в том, чтобы иметь возможность определять, когда восстановление активных химикатов завершено, и останавливать процесс зарядки до того, как будет нанесен какой-либо ущерб, при постоянном поддержании температуры элемента в безопасных пределах.Обнаружение этой точки отключения и прекращение заряда имеет решающее значение для продления срока службы батареи. В простейших зарядных устройствах это происходит при достижении заранее определенного верхнего предела напряжения, часто называемого напряжением завершения . Это особенно важно для устройств быстрой зарядки, где опасность перезарядки выше.

Если по какой-либо причине существует риск чрезмерной зарядки аккумулятора из-за ошибок в определении точки отключения или неправильного обращения, это обычно сопровождается повышением температуры.Условия внутренней неисправности в батарее или высокие температуры окружающей среды также могут привести к выходу батареи за пределы безопасных рабочих температур. Повышенные температуры ускоряют выход батарей из строя, а мониторинг температуры элементов — хороший способ обнаружить признаки неисправности по разным причинам. Температурный сигнал или сбрасываемый предохранитель можно использовать для выключения или отсоединения зарядного устройства при появлении знаков опасности, чтобы избежать повреждения аккумулятора. Эта простая дополнительная мера предосторожности особенно важна для аккумуляторных батарей большой мощности, где последствия отказа могут быть как серьезными, так и дорогостоящими.

Во время быстрой зарядки можно перекачивать электрическую энергию в аккумулятор быстрее, чем химический процесс может на нее отреагировать, что приводит к разрушительным результатам.

Химическое воздействие не может происходить мгновенно, и будет происходить градиент реакции в объеме электролита между электродами, при этом электролит, ближайший к преобразуемым или «заряжаемым» электродам, будет происходить раньше, чем электролит дальше.Это особенно заметно в элементах большой емкости, которые содержат большой объем электролита.

Фактически, в химических превращениях клетки участвуют по крайней мере три ключевых процесса.

• Один из них — это «перенос заряда», который представляет собой фактическую химическую реакцию, происходящую на границе раздела электрода с электролитом, и она протекает относительно быстро.
• Второй — это процесс «массопереноса» или «диффузии», в котором материалы, преобразованные в процессе переноса заряда, перемещаются с поверхности электрода, давая возможность другим материалам достичь электрода и принять участие в процессе преобразования.Это относительно медленный процесс, который продолжается до тех пор, пока все материалы не будут преобразованы.
• Процесс зарядки также может подвергаться другим значительным эффектам, время реакции которых также следует принимать во внимание, например, «процессу интеркаляции», при котором литиевые элементы заряжаются, когда ионы лития вставляются в кристаллическую решетку основного электрода. См. Также Литиевое покрытие из-за чрезмерной скорости зарядки или зарядки при низких температурах.

Все эти процессы также зависят от температуры.

Кроме того, могут быть другие паразитические или побочные эффекты, такие как пассивация электродов, образование кристаллов и скопление газа, которые влияют на время зарядки и эффективность, но они могут быть относительно незначительными или редкими, или могут возникать только в условиях неправильного обращения. . Поэтому они здесь не рассматриваются.

Таким образом, процесс зарядки аккумулятора имеет по меньшей мере три характерные постоянные времени, связанные с достижением полного преобразования активных химикатов, которые зависят как от используемых химикатов, так и от конструкции элемента.Постоянная времени, связанная с переносом заряда, может составлять одну минуту или меньше, тогда как постоянная времени массопереноса может достигать нескольких часов или более в большой ячейке с большой емкостью. Это одна из причин, по которой элементы могут передавать или принимать очень высокие импульсные токи, но гораздо более низкие постоянные токи (еще один важный фактор — это рассеиваемое тепло). Эти явления нелинейны и относятся как к процессу разрядки, так и к зарядке. Таким образом, существует предел скорости приема заряда элемента.Продолжение закачки энергии в элемент быстрее, чем химические вещества могут реагировать на заряд, может вызвать локальные условия перезаряда, включая поляризацию, перегрев, а также нежелательные химические реакции вблизи электродов, что приведет к повреждению элемента. Быстрая зарядка увеличивает скорость химической реакции в элементе (как и быстрая разрядка), и может потребоваться предоставить «периоды покоя» во время процесса зарядки, чтобы химические воздействия распространялись через большую часть химической массы в элементе и для стабилизации на прогрессивном уровне заряда.

Узнайте больше о периодах отдыха и о том, как их можно использовать для увеличения срока службы батареи и повышения точности измерений SOC на странице «Программно конфигурируемая батарея».

См. Также влияние химических изменений и скорости зарядки в разделе Срок службы батареи.

Запоминающееся, хотя и не совсем эквивалентное явление — налив пива в стакан.Очень быстрое наливание приводит к образованию большого количества пены и небольшому количеству пива на дне стакана. Медленное наливание по краю стакана или, как вариант, дать пиву отстояться, пока пена не рассеется, а затем долить, чтобы стакан наполнился полностью.

Гистерезис

Постоянные времени и вышеупомянутые явления, таким образом, вызывают гистерезис в батарее.Во время зарядки химическая реакция отстает от приложения зарядного напряжения, и аналогично, когда к батарее прикладывается нагрузка для ее разрядки, происходит задержка до того, как полный ток может пройти через нагрузку. Как и в случае с магнитным гистерезисом, энергия теряется во время цикла заряда-разряда из-за эффекта химического гистерезиса.

На приведенной ниже диаграмме показан эффект гистерезиса в литиевой батарее.

Допущение коротких периодов стабилизации или отдыха во время процессов заряда-разряда для учета времени химической реакции будет иметь тенденцию к уменьшению, но не устранению разницы напряжений из-за гистерезиса.

Истинное напряжение батареи в любом состоянии заряда (SOC), когда батарея находится в состоянии покоя или в спокойном состоянии, будет где-то между кривыми заряда и разряда.Во время зарядки измеренное напряжение элемента во время периода покоя будет медленно перемещаться вниз в сторону состояния покоя, поскольку химическое преобразование в элементе стабилизируется. Точно так же во время разряда измеренное напряжение элемента во время периода покоя будет перемещаться вверх в направлении состояния покоя.

Быстрая зарядка также вызывает повышенный джоулев нагрев элемента из-за задействованных более высоких токов, а более высокая температура, в свою очередь, вызывает увеличение скорости процессов химического преобразования.

В разделе «Скорость разряда» показано, как скорость разряда влияет на эффективную емкость элемента.

В разделе «Конструкция ячеек» описывается, как можно оптимизировать конструкции ячеек для быстрой зарядки.

Эффективность заряда

Это относится к свойствам самого аккумулятора и не зависит от зарядного устройства.Это соотношение (выраженное в процентах) между энергией, удаленной из аккумулятора во время разряда, по сравнению с энергией, используемой во время зарядки для восстановления первоначальной емкости. Также называется Coulombic Efficiency или Charge Acceptance .

Прием заряда и время заряда в значительной степени зависят от температуры, как указано выше. Более низкая температура увеличивает время зарядки и снижает прием заряда.

Обратите внимание, , что при низких температурах аккумулятор не обязательно получит полный заряд, даже если напряжение на клеммах может указывать на полный заряд. См. Факторы, влияющие на состояние заряда.

Основные методы зарядки

• Постоянное напряжение Зарядное устройство постоянного напряжения — это в основном источник питания постоянного тока, который в своей простейшей форме может состоять из понижающего трансформатора от сети с выпрямителем для подачи постоянного напряжения для зарядки аккумулятора.Такие простые конструкции часто встречаются в дешевых зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов. Свинцово-кислотные элементы, используемые для автомобилей и систем резервного питания, обычно используют зарядные устройства постоянного напряжения. Кроме того, в литий-ионных элементах часто используются системы постоянного напряжения, хотя они обычно более сложные с добавленной схемой для защиты как батарей, так и безопасности пользователя.
• Постоянный ток Зарядные устройства постоянного тока изменяют напряжение, которое они подают на батарею, чтобы поддерживать постоянный ток, и отключаются, когда напряжение достигает уровня полной зарядки.Эта конструкция обычно используется для никель-кадмиевых и никель-металлогидридных элементов или батарей.
• Конусный ток Заряжается от грубого нерегулируемого источника постоянного напряжения. Это не контролируемый заряд, как в V Taper выше. Ток уменьшается по мере нарастания напряжения элемента (противо-ЭДС). Существует серьезная опасность повреждения элементов из-за перезарядки. Чтобы избежать этого, следует ограничить скорость и продолжительность зарядки.Подходит только для батарей SLA.
• Импульсный заряд Импульсные зарядные устройства подают зарядный ток в аккумулятор импульсами. Скорость зарядки (на основе среднего тока) можно точно контролировать, изменяя ширину импульсов, обычно около одной секунды. Во время процесса зарядки короткие периоды отдыха от 20 до 30 миллисекунд между импульсами позволяют стабилизировать химическое воздействие в батарее за счет выравнивания реакции по всему объему электрода перед возобновлением заряда.Это позволяет химической реакции идти в ногу со скоростью поступления электрической энергии. Также утверждается, что этот метод может уменьшить нежелательные химические реакции на поверхности электрода, такие как газообразование, рост кристаллов и пассивация. (См. Также Импульсное зарядное устройство ниже). При необходимости можно также измерить напряжение холостого хода батареи во время периода покоя.

Оптимальный профиль тока зависит от химического состава и конструкции клетки.

• Взрывная зарядка Также называется Reflex или Зарядка с отрицательным импульсом Используется вместе с импульсной зарядкой, подает очень короткий импульс разрядки, обычно в 2–3 раза превышающий зарядный ток в течение 5 миллисекунд, во время периода покоя зарядки. деполяризовать клетку. Эти импульсы вытесняют любые пузырьки газа, которые образовались на электродах во время быстрой зарядки, ускоряя процесс стабилизации и, следовательно, общий процесс зарядки.Выпуск и распространение пузырьков газа известно как «отрыжка». Были сделаны противоречивые заявления об улучшении как скорости заряда, так и срока службы батареи, а также об удалении дендритов, которое стало возможным с помощью этого метода. Самое меньшее, что можно сказать, это то, что «не повреждает аккумулятор».
• IUI Charging Это недавно разработанный профиль зарядки, используемый для быстрой зарядки стандартных свинцово-кислотных аккумуляторов от определенных производителей.Он подходит не для всех свинцово-кислотных аккумуляторов. Первоначально аккумулятор заряжается с постоянной (I) скоростью, пока напряжение элемента не достигнет заданного значения — обычно напряжения, близкого к тому, при котором происходит газообразование. Эта первая часть цикла зарядки известна как фаза объемной зарядки. По достижении заданного напряжения зарядное устройство переключается в фазу постоянного напряжения (U), и ток, потребляемый батареей, будет постепенно падать, пока не достигнет другого заданного уровня. Эта вторая часть цикла завершает нормальную зарядку аккумулятора с медленно убывающей скоростью.Наконец, зарядное устройство снова переключается в режим постоянного тока (I), и при выключении зарядного устройства напряжение продолжает повышаться до нового более высокого предварительно установленного предела. Эта последняя фаза используется для выравнивания заряда отдельных ячеек в батарее, чтобы максимально продлить срок ее службы. См. Балансировка ячеек.
• Капельная зарядка Капельная зарядка предназначена для компенсации саморазряда аккумулятора. Непрерывный заряд. Долговременная зарядка постоянным током для использования в режиме ожидания.Скорость зарядки зависит от частоты разрядки. Не подходит для некоторых типов батарей, например NiMH и литий, которые могут выйти из строя из-за перезарядки. В некоторых приложениях зарядное устройство предназначено для переключения на непрерывную зарядку, когда аккумулятор полностью заряжен.
• Плавающий заряд . Аккумулятор и нагрузка постоянно подключены параллельно к источнику заряда постоянного тока и поддерживаются при постоянном напряжении ниже верхнего предела напряжения аккумулятора.Используется для систем резервного питания аварийного питания. В основном используется со свинцово-кислотными аккумуляторами.
• Случайная зарядка Все вышеперечисленные приложения включают контролируемую зарядку аккумулятора, однако есть много приложений, в которых энергия для зарядки аккумулятора доступна только или доставляется случайным, неконтролируемым образом. Это относится к автомобильным приложениям, где энергия зависит от частоты вращения двигателя, которая постоянно меняется. Проблема стоит более остро в приложениях EV и HEV, в которых используется рекуперативное торможение, поскольку при торможении возникают большие всплески мощности, которые должна поглощать аккумулятор.Более щадящие применения — солнечные панели, которые можно заряжать только при ярком солнце. Все это требует специальных методов для ограничения зарядного тока или напряжения до уровней, которые может выдержать аккумулятор.

Тарифы зарядки

Батареи можно заряжать с разной скоростью в зависимости от требований. Типичные ставки показаны ниже:

• Медленная зарядка = ночь или 14-16 часов зарядки при 0.1С рейтинг
• Быстрая зарядка = от 3 до 6 часов зарядки при скорости 0,3 ° C
• Быстрая зарядка = менее 1 часа зарядки при скорости 1.0C

Медленная зарядка

Медленная зарядка может выполняться в относительно простых зарядных устройствах и не должна приводить к перегреву аккумулятора. По окончании зарядки аккумуляторы следует вынуть из зарядного устройства.

• Никады, как правило, наиболее устойчивы к перезарядке, и их можно оставить на непрерывной подзарядке в течение очень длительных периодов времени, поскольку процесс их рекомбинации имеет тенденцию поддерживать напряжение на безопасном уровне. Постоянная рекомбинация поддерживает высокое внутреннее давление в ячейке, поэтому уплотнения постепенно протекают. Он также поддерживает температуру ячейки выше окружающей среды, а более высокие температуры сокращают срок службы.Так что жизнь все равно лучше если снять с зарядного устройства.
• Свинцово-кислотные батареи немного менее надежны, но могут выдерживать кратковременный непрерывный заряд. Затопленные батареи, как правило, расходуют воду, а соглашения об уровне обслуживания, как правило, рано умирают из-за коррозии сети. Свинцово-кислотные соединения следует либо оставить в неподвижном состоянии, либо подзаряжать (поддерживать постоянное напряжение значительно ниже точки выделения газа).
С другой стороны, никель-металлгидридные элементы
• будут повреждены при длительной подзарядке.
Однако литий-ионные элементы
• не допускают перезарядки или перенапряжения, и заряд должен быть немедленно прекращен при достижении верхнего предела напряжения.

Быстрая / быстрая зарядка

По мере увеличения скорости зарядки возрастает опасность перезарядки или перегрева аккумулятора. Предотвращение перегрева батареи и прекращение заряда, когда батарея полностью заряжена, становятся гораздо более важными.Химический состав каждого элемента имеет свою характеристическую кривую зарядки, и зарядные устройства для аккумуляторов должны быть спроектированы таким образом, чтобы определять условия окончания заряда для конкретного химического состава. Кроме того, должна быть предусмотрена некоторая форма отключения по температуре (TCO) или термопредохранитель, чтобы предотвратить перегрев аккумулятора во время процесса зарядки.

Для быстрой зарядки и быстрой зарядки требуются более сложные зарядные устройства. Поскольку эти зарядные устройства должны быть разработаны для определенного химического состава ячеек, обычно невозможно зарядить один тип элементов в зарядном устройстве, которое было разработано для другого химического состава ячеек, и вероятно повреждение.Универсальные зарядные устройства, способные заряжать все типы элементов, должны иметь сенсорные устройства для определения типа элемента и применения соответствующего профиля зарядки.

Обратите внимание, , что для автомобильных аккумуляторов время зарядки может быть ограничено доступной мощностью, а не характеристиками аккумулятора. Внутренние кольцевые главные цепи на 13 А могут выдавать только 3 кВт. Таким образом, при условии отсутствия потери эффективности в зарядном устройстве, десятичасовая зарядка потребляет максимум 30 кВт · ч энергии.Достаточно примерно на 100 миль. Сравните это с заправкой автомобиля бензином.

Требуется около 3 минут, чтобы поместить в бак достаточно химической энергии, чтобы обеспечить 90 кВт-ч механической энергии, достаточной для того, чтобы автомобиль проехал 300 миль. Подача 90 кВт / ч электроэнергии в батарею за 3 минуты будет эквивалентна скорости зарядки 1,8 мегаватт !!

Способы прекращения начисления

В следующей таблице приведены методы прекращения зарядки для популярных аккумуляторов.Это объясняется в разделе ниже.

TCO = отключение по температуре

Delta TCO = Превышение температуры окружающей среды

I min = минимальный ток

Методы контроля заряда

Было разработано множество различных схем зарядки и завершения для разных химикатов и различных приложений.Ниже приведены наиболее распространенные из них.

Управляемая зарядка

Обычная (медленная) зарядка

• Полупостоянный ток Просто и экономично. Самый популярный. Таким образом, при слабом токе тепло не выделяется, а происходит медленно, обычно от 5 до 15 часов. Скорость заряда 0,1C. Подходит для Nicads
• Система зарядки с таймером Простая и экономичная.Надежнее, чем полупостоянный ток. Использует таймер IC. Зарядки со скоростью 0,2 ° C в течение заданного периода времени с последующей подзарядкой 0,05 ° C. Избегайте постоянного перезапуска таймера, вставляя и вынимая аккумулятор из зарядного устройства, поскольку это снизит его эффективность. Рекомендуется установка абсолютного отсечки температуры. Подходит для аккумуляторов Nicad и NiMH.

Быстрая зарядка (1-2 часа)

• Отрицательный треугольник V (NDV) Система отсечки заряда

Это самый популярный способ быстрой зарядки для Nicads.

Батареи заряжаются постоянным током со скоростью от 0,5 до 1,0 С. Напряжение аккумулятора повышается по мере того, как зарядка достигает пика при полной зарядке, а затем падает. Это падение напряжения, -delta V, связано с поляризацией или накоплением кислорода внутри элемента, которое начинает происходить, когда элемент полностью заряжен. В этот момент элемент попадает в зону опасности перезаряда, и температура начинает быстро расти, поскольку химические изменения завершены, и избыточная электрическая энергия преобразуется в тепло.Падение напряжения происходит независимо от уровня разряда или температуры окружающей среды, и поэтому его можно обнаружить и использовать для определения пика и, следовательно, для отключения зарядного устройства, когда аккумулятор полностью заряжен, или переключения на непрерывный заряд.

Этот метод не подходит для зарядных токов менее 0,5 C, так как дельта V становится трудно обнаружить. Ложная дельта V может возникнуть в начале заряда при чрезмерно разряженных элементах. Это преодолевается с помощью таймера, который задерживает обнаружение дельты V в достаточной степени, чтобы избежать проблемы.Свинцово-кислотные аккумуляторы не демонстрируют падения напряжения после завершения зарядки, поэтому этот метод зарядки не подходит для аккумуляторов SLA.

• dT / dt Система зарядки Никель-металл-гидридные батареи не демонстрируют такого выраженного падения напряжения NDV, когда они достигают конца цикла зарядки, как это видно на графике выше, и поэтому метод отключения NDV не является надежным для завершения NiMH плата.Вместо этого зарядное устройство определяет скорость повышения температуры элемента в единицу времени. Когда достигается заданная скорость, быстрая зарядка останавливается, и метод зарядки переключается на непрерывную зарядку. Этот метод более дорогой, но позволяет избежать перезарядки и продлевает срок службы. Поскольку длительная непрерывная зарядка может повредить никель-металлгидридный аккумулятор, рекомендуется использовать таймер для регулирования общего времени зарядки.
• Постоянный ток Система заряда , управляемая постоянным напряжением (CC / CV).Используется для зарядки литиевых и некоторых других батарей, которые могут быть повреждены при превышении верхнего предела напряжения. Указанная производителем скорость зарядки при постоянном токе — это максимальная скорость зарядки, которую аккумулятор может выдержать без повреждения аккумулятора. Необходимы особые меры предосторожности, чтобы максимально увеличить скорость зарядки и гарантировать полную зарядку аккумулятора, в то же время избегая перезарядки. По этой причине рекомендуется переключать метод зарядки на постоянное напряжение до того, как напряжение элемента достигнет своего верхнего предела.Обратите внимание, что это означает, что зарядные устройства для литий-ионных элементов должны быть способны контролировать как зарядный ток, так и напряжение аккумулятора.

Чтобы поддерживать заданную скорость зарядки постоянного тока, зарядное напряжение должно увеличиваться синхронно с напряжением элемента, чтобы преодолеть обратную ЭДС элемента по мере его зарядки. Это происходит довольно быстро в режиме постоянного тока до тех пор, пока не будет достигнут верхний предел напряжения элемента, после чего зарядное напряжение поддерживается на этом уровне, известном как плавающий уровень, во время режима постоянного напряжения.В течение этого периода постоянного напряжения ток уменьшается до тонкой струйки по мере того, как заряд приближается к завершению. Отключение происходит при достижении заданной минимальной точки тока, которая указывает на полный заряд. См. Также Литиевые батареи — Зарядка и производство батарей — Формирование.

Примечание 1 : Когда указаны скорости Fast Charging , они обычно относятся к режиму постоянного тока.В зависимости от химического состава ячейки этот период может составлять от 60% до 80% времени до полной зарядки. Эти значения не следует экстраполировать для оценки времени полной зарядки аккумулятора, поскольку скорость зарядки быстро снижается в течение периода постоянного напряжения.

Примечание 2: Поскольку литиевые батареи невозможно заряжать со скоростью зарядки C, указанной производителями, в течение всего времени заряда, также невозможно оценить время зарядки полностью разряженной батареи простым разделением Емкость аккумулятора в ампер-часах с указанной скоростью зарядки C, так как эта скорость изменяется во время процесса зарядки.Однако следующее уравнение дает разумное приближение времени для полной зарядки разряженной батареи при использовании стандартного метода зарядки CC / CV:

Время зарядки (ч) = 1,3 * (емкость аккумулятора в Ач) / (ток зарядки в режиме CC)

• Система заряда , управляемая напряжением. Быстрая зарядка со скоростью от 0,5 до 1,0 С. Зарядное устройство выключилось или переключилось на непрерывный заряд при достижении заданного напряжения.Должен быть объединен с датчиками температуры в батарее, чтобы избежать перезаряда или теплового разгона.
  
• V- Система заряда с конусным управлением Аналогична системе с контролем напряжения. Как только заданное напряжение достигнуто, ток быстрой зарядки постепенно уменьшается за счет снижения напряжения питания, а затем переключается на непрерывный заряд. Подходит для аккумуляторов SLA, позволяет безопасно достичь более высокого уровня заряда. (См. Также ток конуса ниже)
• Таймер отказоустойчивости

  Ограничивает ток заряда, который может протекать, чтобы удвоить емкость элемента.Например, для элемента емкостью 600 мАч ограничьте заряд до 1200 мАч. В крайнем случае, если отключение не достигнуто другими способами.

• Предварительная зарядка

В качестве меры предосторожности для аккумуляторов большой емкости часто используется предварительная зарядка. Цикл зарядки инициируется низким током. Если нет соответствующего повышения напряжения батареи, это указывает на возможное короткое замыкание в батарее.

• Интеллектуальная система зарядки
  Интеллектуальные системы зарядки объединяют системы управления в зарядном устройстве с электроникой внутри батареи, что позволяет более точно контролировать процесс зарядки. Преимущества — более быстрая и безопасная зарядка и более длительный срок службы аккумулятора. Такая система описана в разделе «Системы управления батареями».

Примечание

Большинство зарядных устройств, поставляемых с устройствами бытовой электроники, такими как мобильные телефоны и портативные компьютеры, просто обеспечивают постоянный источник напряжения.Требуемый профиль напряжения и тока для зарядки аккумулятора обеспечивается (или должен предоставляться) от электронных схем, либо внутри самого устройства, либо внутри аккумуляторной батареи, а не от зарядного устройства. Это обеспечивает гибкость при выборе зарядных устройств, а также служит для защиты устройства от потенциального повреждения из-за использования неподходящих зарядных устройств.

Измерение напряжения

Во время зарядки для простоты напряжение аккумулятора обычно измеряется на проводах зарядного устройства.Однако для сильноточных зарядных устройств может наблюдаться значительное падение напряжения на проводах зарядного устройства, что приводит к недооценке истинного напряжения батареи и, как следствие, к недозаряду батареи, если напряжение батареи используется в качестве триггера отключения. Решение состоит в том, чтобы измерить напряжение с помощью отдельной пары проводов, подключенных непосредственно к клеммам аккумулятора. Поскольку вольтметр имеет высокое внутреннее сопротивление, падение напряжения на выводах вольтметра будет минимальным, и показания будут более точными.Этот метод называется соединением Кельвина. См. Также DC Testing.

Типы зарядных устройств

обычно включают в себя некоторую форму регулирования напряжения для управления зарядным напряжением, подаваемым на аккумулятор. Выбор технологии зарядного устройства обычно зависит от цены и качества. Ниже приведены некоторые примеры:

• Регулятор режима переключения (Switcher) — Использует широтно-импульсную модуляцию для управления напряжением.Низкое рассеивание мощности при больших колебаниях входного напряжения и напряжения батареи. Более эффективен, чем линейные регуляторы, но более сложен.
  Требуется большой пассивный выходной фильтр LC (катушка индуктивности и конденсатор) для сглаживания импульсной формы волны. Размер компонента зависит от текущей пропускной способности, но может быть уменьшен за счет использования более высокой частоты переключения, обычно от 50 кГц до 500 кГц., Поскольку размер требуемых трансформаторов, катушек индуктивности и конденсаторов обратно пропорционален рабочей частоте.
  Коммутация сильных токов вызывает электромагнитные помехи и электрические помехи.
• Регулятор серии (линейный) — менее сложный, но с большими потерями — требуется радиатор для отвода тепла в последовательном транзисторе с понижением напряжения, который компенсирует разницу между напряжением питания и выходным напряжением. Весь ток нагрузки проходит через регулирующий транзистор, который, следовательно, должен быть устройством большой мощности. Поскольку нет переключения, он обеспечивает чистый постоянный ток и не требует выходного фильтра.По той же причине конструкция не страдает проблемой излучаемых и кондуктивных выбросов и электрических шумов. Это делает его подходящим для малошумных беспроводных и радиоприложений.
  С меньшим количеством компонентов они также меньше.
• Шунтирующий регулятор — Шунтирующий регулятор широко распространен в фотоэлектрических (фотоэлектрических) системах, поскольку они относительно дешевы в сборке и просты в конструкции. Ток зарядки контролируется переключателем или транзистором, подключенным параллельно фотоэлектрической панели и аккумуляторной батарее.Перезаряд батареи предотвращается за счет короткого замыкания (шунтирования) выхода PV через транзистор, когда напряжение достигает заданного предела. Если напряжение батареи превышает напряжение питания фотоэлектрической батареи, шунт также защитит фотоэлектрическую панель от повреждения из-за обратного напряжения, разряжая батарею через шунт. Регуляторы серии обычно обладают лучшими характеристиками контроля и заряда.
• Понижающий регулятор Импульсный регулятор, который включает понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный.У них высокий КПД и низкие тепловые потери. Они могут работать с высокими выходными токами и генерировать меньше радиочастотных помех, чем обычный импульсный стабилизатор. Простая бестрансформаторная конструкция с низким коммутационным напряжением и небольшим выходным фильтром.
• Импульсное зарядное устройство . Использует последовательный транзистор, который также можно переключать. При низком напряжении батареи транзистор остается включенным и проводит ток источника непосредственно к батарее. Когда напряжение батареи приближается к желаемому регулирующему напряжению, последовательный транзистор подает импульс входного тока для поддержания желаемого напряжения.Поскольку он действует как импульсный источник питания в течение части цикла, он рассеивает меньше тепла и поскольку он действует как линейный источник питания в течение части времени, выходные фильтры могут быть меньше. Импульсный режим позволяет аккумулятору стабилизироваться (восстанавливаться) с небольшими приращениями заряда при прогрессивно высоких уровнях заряда во время зарядки. В периоды покоя поляризация клетки снижается. Этот процесс обеспечивает более быструю зарядку, чем это возможно при одной продолжительной зарядке высокого уровня, которая может повредить аккумулятор, поскольку не позволяет постепенно стабилизировать активные химические вещества во время зарядки.Импульсные зарядные устройства обычно нуждаются в ограничении тока на входе источника по соображениям безопасности, что увеличивает стоимость.
• Зарядное устройство для универсальной последовательной шины (USB)

Спецификация USB была разработана группой производителей компьютеров и периферийных устройств для замены множества патентованных стандартов механических и электрических соединений для передачи данных между компьютерами и внешними устройствами. Он включал двухпроводное соединение для передачи данных, линию заземления и линию питания 5 В, обеспечиваемую главным устройством (компьютером), которая была доступна для питания внешних устройств.Неправильное использование порта USB заключалось в том, чтобы обеспечить источник 5 В не только для непосредственного питания периферийных устройств, но и для зарядки любых батарей, установленных в этих внешних устройствах. В этом случае само периферийное устройство должно включать в себя необходимую схему управления зарядом для защиты аккумулятора. Исходный стандарт USB определял скорость передачи данных 1,5 Мбит / с и максимальный ток зарядки 500 мА.

Питание всегда течет от хоста к устройству, но данные могут передаваться в обоих направлениях.По этой причине разъем USB-хоста механически отличается от разъема устройства USB, и поэтому кабели USB имеют разные разъемы на каждом конце. Это предотвращает подключение любого 5-вольтового соединения от внешнего источника USB к главному компьютеру и, таким образом, возможное повреждение хост-машины.

Последующие обновления увеличили стандартную скорость передачи данных до 5 Гбит / с, а доступный ток — до 900 мА. Однако популярность подключения USB привела к появлению множества нестандартных вариантов, в частности, к использованию разъема USB для обеспечения чистого источника питания без соответствующего подключения для передачи данных.В таких случаях порт USB может просто включать в себя регулятор напряжения для подачи 5 В от автомобильной шины питания 12 В или выпрямитель и регулятор для подачи 5 В постоянного тока от сети переменного тока 110 или 240 В с выходными токами до 2100 мА. В обоих случаях устройство, принимающее питание, должно обеспечивать необходимый контроль заряда. Источники питания USB с питанием от сети, часто известные как «глупые» зарядные устройства USB, могут быть встроены в корпус сетевых вилок или в отдельные розетки USB в настенных розетках переменного тока.

См. Дополнительную информацию о USB-соединениях в разделе, посвященном шинам передачи данных от батарей.

• Индуктивная зарядка

Индуктивная зарядка не относится к процессу зарядки самой батареи. Имеется в виду конструкция зарядного устройства. По сути, входная сторона зарядного устройства, часть, подключенная к сети переменного тока, состоит из трансформатора, который разделен на две части. Первичная обмотка трансформатора размещена в блоке, подключенном к сети переменного тока, а вторичная обмотка трансформатора размещена в том же герметичном блоке, который содержит аккумулятор вместе с остальной частью обычной электроники зарядного устройства.Это позволяет заряжать аккумулятор без физического подключения к сети и без обнажения каких-либо контактов, которые могут вызвать поражение электрическим током пользователя.

Примером малой мощности является электрическая зубная щетка. Зубная щетка и зарядная база образуют трансформатор, состоящий из двух частей: первичная индукционная катушка находится в основании, а вторичная индукционная катушка и электроника содержатся в зубной щетке.Когда зубная щетка помещается в основание, создается полный трансформатор, и индуцированный ток во вторичной катушке заряжает аккумулятор. Во время использования прибор полностью отключен от электросети, а поскольку аккумуляторный блок находится в герметичном отсеке, зубную щетку можно безопасно погружать в воду.

Техника также используется для зарядки имплантатов медицинских батарей.

Примером высокой мощности является система зарядки, используемая для электромобилей.По концепции аналогична зубной щетке, но в большем масштабе, это также бесконтактная система. Индукционная катушка в электромобиле принимает ток от индукционной катушки в полу гаража и заряжает автомобиль в течение ночи. Чтобы оптимизировать эффективность системы, воздушный зазор между статической катушкой и съемной катушкой можно уменьшить, опуская приемную катушку во время зарядки, и транспортное средство должно быть точно размещено над зарядным устройством.

Аналогичная система использовалась для электрических автобусов, которые принимают ток от индукционных катушек, встроенных под каждой автобусной остановкой, что позволяет увеличить дальность действия автобуса или, наоборот, для одного и того же маршрута могут быть указаны батареи меньшего размера.Еще одно преимущество этой системы заключается в том, что если заряд батареи постоянно пополняется, глубина разряда может быть минимизирована, а это приводит к увеличению срока службы. Как показано в разделе «Срок службы батареи», время цикла увеличивается экспоненциально по мере уменьшения глубины разряда.

Более простая и менее дорогая альтернатива этой возможной зарядке состоит в том, что транспортное средство создает токопроводящую связь с электрическими контактами на подвесном портале на каждой автобусной остановке.

Также были сделаны предложения по установке сетки индуктивных зарядных катушек под поверхностью вдоль дорог общего пользования, чтобы позволить транспортным средствам собирать заряд во время движения, однако практических примеров еще не было установлено.

• Зарядные станции для электромобилей

Подробнее о специализированных зарядных устройствах высокой мощности, используемых для электромобилей, см. В разделе «Инфраструктура для зарядки электромобилей».

Зарядные устройства Источники питания

При указании зарядного устройства также необходимо указать источник, от которого зарядное устройство получает свою мощность, его доступность, а также его напряжение и диапазон мощности. Следует также учитывать потери эффективности зарядного устройства, особенно для зарядных устройств большой мощности, где величина потерь может быть значительной. Ниже приведены некоторые примеры.

Управляемая зарядка

Простота установки и управления.

• Сеть переменного тока

Многие портативные зарядные устройства малой мощности для небольших электроприборов, таких как компьютеры и мобильные телефоны, должны работать на международных рынках. Поэтому они имеют автоматическое определение напряжения сети и, в особых случаях, частоты сети с автоматическим переключением на соответствующую входную цепь.

Для приложений с более высокой мощностью могут потребоваться специальные меры. Мощность однофазной сети обычно ограничивается примерно 3 кВт. Трехфазное питание может потребоваться для зарядки аккумуляторов большой емкости (более 20 кВтч), например, используемых в электромобилях, которые могут потребовать скорости зарядки более 3 кВт для достижения разумного времени зарядки.

• Регулируемый источник питания постоянного тока

Может поставляться установками специального назначения, например, передвижным генерирующим оборудованием для индивидуальных приложений.

• Специальные зарядные устройства

Портативные источники, такие как солнечные батареи.

Возможность зарядки

Зарядка с возможностью подзарядки — это зарядка аккумулятора при наличии питания или между частичными разрядками, а не ожидание полной разрядки аккумулятора. Он используется с батареями в циклическом режиме и в приложениях, когда энергия доступна только с перерывами.

Доступность энергии и уровни мощности могут сильно отличаться. Для защиты аккумулятора от перенапряжения необходима специальная управляющая электроника. Избегая полной разрядки аккумулятора, можно увеличить срок службы.

Доступность влияет на спецификацию аккумулятора, а также на зарядное устройство.

Типичные области применения: —

• Бортовые автомобильные зарядные устройства (Генераторы, рекуперативное торможение)
• Зарядные устройства индукционные (в местах остановки транспортных средств)

Механическая зарядка

Это применимо только к определенному химическому составу клеток.Это не зарядное устройство в обычном понимании этого слова. Механическая зарядка используется в некоторых батареях большой мощности, таких как батареи Flow и воздушно-цинковые батареи. Цинково-воздушные батареи заряжаются заменой цинковых электродов. Аккумуляторы Flow можно перезарядить, заменив электролит.

Механическая зарядка выполняется за считанные минуты. Это намного быстрее, чем длительное время зарядки, связанное с традиционной электрохимией обратимых ячеек, которое может занять несколько часов.Поэтому воздушно-цинковые батареи использовались для питания электрических автобусов, чтобы решить проблему чрезмерного времени зарядки.

Производительность зарядного устройства

Тип батареи и область применения, в которой она используется, устанавливают требования к характеристикам, которым должно соответствовать зарядное устройство.

• Чистота выходного напряжения

Зарядное устройство должно обеспечивать чистое регулируемое выходное напряжение с жесткими ограничениями на выбросы, пульсации, шум и радиочастотные помехи (RFI), которые могут вызвать проблемы для аккумулятора или цепей, в которых оно используется.

Для приложений с большой мощностью производительность зарядки может быть ограничена конструкцией зарядного устройства.

• КПД

При зарядке аккумуляторов большой мощности потеря энергии в зарядном устройстве может значительно увеличить время зарядки и эксплуатационные расходы приложения. Типичный КПД зарядного устройства составляет около 90%, отсюда и необходимость в эффективных конструкциях.

• Пусковой ток

Когда зарядное устройство изначально подключается к разряженной батарее, пусковой ток может быть значительно выше, чем максимальный указанный зарядный ток. Следовательно, зарядное устройство должно быть рассчитано либо на передачу, либо на ограничение этого импульса тока.

• Коэффициент мощности

Это также может быть важным фактором для зарядных устройств большой мощности.

См. Также «Контрольный список зарядного устройства»

A Руководство разработчика по зарядке литий-ионных (литий-ионных) аккумуляторов

укрепили их позицию в качестве основного источника питания для портативной электроники, несмотря на один недостаток, когда разработчикам приходится ограничивать скорость зарядки, чтобы избежать повреждения элемента и создания опасности.К счастью, современные литий-ионные аккумуляторы более надежны и могут заряжаться гораздо быстрее, используя методы «быстрой зарядки».

В этой статье подробно рассматриваются разработки литий-ионных аккумуляторов, оптимальный цикл зарядки в электрохимии и некоторые схемы быстрой зарядки. В статье также будут объяснены недостатки ускоренной зарядки, что позволит инженерам сделать осознанный выбор в отношении своей следующей конструкции зарядного устройства.

Концепция литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов проста, но все же потребовалось четыре десятилетия усилий и много долларов на исследования, чтобы разработать технологию, которая теперь надежно питает большинство современных портативных устройств.

Первые элементы были хрупкими и склонными к перегреву во время зарядки, но при разработке эти недостатки были преодолены. Тем не менее, зарядка по-прежнему должна осуществляться в точном режиме, который ограничивает токи заряда, чтобы обеспечить достижение полной емкости без перезарядки и связанного с ней риска необратимого повреждения. Хорошая новость заключается в том, что последние достижения в области материаловедения и электрохимии увеличили подвижность ионов клетки. Большая мобильность позволяет использовать более высокие зарядные токи и ускоряет «постоянный ток» части цикла зарядки.

Эти разработки позволяют заряжать смартфоны, оснащенные литий-ионными аккумуляторами последнего поколения, примерно с 20% до 70% емкости за 20–30 минут. Кратковременное обновление батареи до трех четвертей емкости привлекает потребителей с ограниченным временем жизни, открывая сектор рынка зарядных устройств, которые могут безопасно поддерживать быструю зарядку. Поставщики микросхем отреагировали, предложив разработчикам микросхемы, которые обеспечивают различную скорость зарядки, чтобы ускорить пополнение заряда литий-ионных элементов. В результате получается более быстрая зарядка, но, как всегда, приходится идти на компромисс.

Портативные устройства повышения мощности

основаны на интеркаляционных соединениях. Эти соединения представляют собой материалы со слоистой кристаллической структурой, которые позволяют ионам лития мигрировать из слоев или находиться между ними. Во время разряда литий-ионной батареи ионы перемещаются от отрицательного электрода через электролит к положительному электроду, заставляя электроны двигаться в противоположном направлении по цепи для питания нагрузки. Когда ионы в отрицательном электроде израсходованы, ток перестает течь.Зарядка батареи заставляет ионы перемещаться обратно через электролит и встраиваться в отрицательный электрод, готовые к следующему циклу разряда (рис. 1).

Рис. 1. В литий-ионной батарее ионы лития перемещаются от одного интеркалирующего соединения к другому, в то время как электроны текут по цепи для питания нагрузки. (Источник изображения: Digi-Key)

В современных элементах для положительного электрода используются интеркалирующие соединения на основе лития, такие как оксид лития-кобальта (LiCoO ₂ ), поскольку он намного более стабилен, чем высокореактивный чистый литий, и поэтому намного безопаснее.В качестве отрицательного электрода используется графит (уголь).

Хотя эти материалы удовлетворительны, все не идеально. Каждый раз, когда смещаются ионы, некоторые из них вступают в реакцию с электродом, становятся неотъемлемой частью материала и, таким образом, теряются в электрохимической реакции. В результате запас свободных ионов постепенно истощается, а срок службы батареи сокращается. Что еще хуже, каждый цикл зарядки вызывает объемное расширение электродов. Это вызывает напряжение кристаллической структуры и вызывает микроскопические повреждения, которые снижают способность электродов принимать свободные ионы.Это накладывает ограничение на количество циклов перезарядки.

Устранение этих недостатков было в центре внимания недавних исследований литий-ионных аккумуляторов, основная цель которых состоит в размещении большего количества ионов лития в электродах для увеличения плотности энергии, определяемой как энергия на единицу объема или веса. Это облегчает перемещение ионов внутрь и наружу электродов и облегчает прохождение ионов через электролит (то есть увеличивает подвижность ионов).

Время зарядки (для заданного тока) в конечном итоге определяется емкостью аккумулятора.Например, аккумулятор смартфона емкостью 3300 мАч будет заряжаться примерно в два раза дольше, чем аккумулятор емкостью 1600 мАч, когда оба заряжаются током 500 мА. Чтобы учесть это, инженеры определяют скорость зарядки в единицах «C», где 1 C соответствует максимальному току, который батарея может обеспечить в течение одного часа. Например, в случае аккумулятора на 2000 мАч, C = 2 A. Та же методика применяется к зарядке. Подача зарядного тока 1 А к батарее емкостью 2000 мАч соответствует скорости 0,5 С. ​​

Из этого следует, что увеличение зарядного тока приведет к уменьшению времени перезарядки.Это правда, но только до определенной степени. Во-первых, ионы обладают конечной подвижностью, поэтому увеличение зарядного тока выше определенного порога не приводит к их более быстрому сдвигу. Вместо этого энергия фактически рассеивается в виде тепла, повышая внутреннюю температуру аккумулятора и рискуя необратимым повреждением. Во-вторых, неограниченная зарядка при высоком токе в конечном итоге приводит к встраиванию такого количества ионов в отрицательный электрод, что электрод разрушается и батарея разрушается.

Последние разработки значительно улучшили подвижность ионов новейших литий-ионных элементов, что позволяет использовать более высокий зарядный ток без опасного повышения внутренней температуры.Но даже в самых современных продуктах все еще существует риск перезарядки, потому что это прямой результат физического устройства элемента. Следовательно, производители литий-ионных аккумуляторов предписывают строгий режим зарядки, чтобы защитить свои изделия от повреждений.

Осторожно делает

осуществляется по профилю, обеспечивающему безопасность и долгий срок службы без снижения производительности (рис. 2). Если литий-ионная батарея сильно разряжена (например, ниже 3 В), применяется небольшой «предварительный» заряд, составляющий около 10% от тока полной зарядки.Это предотвращает перегрев элемента до тех пор, пока он не сможет принять полный ток фазы постоянного тока. На самом деле, эта фаза редко требуется, потому что большинство современных мобильных устройств предназначены для выключения, пока еще остается некоторый заряд, потому что глубокая разрядка, например перезарядка, может повредить элемент.

Рис. 2: Профиль зарядки литий-ионных аккумуляторов с использованием метода постоянного тока до тех пор, пока напряжение аккумулятора не достигнет 4,1 В, с последующим «дозаправкой» с использованием метода постоянного напряжения.(Источник изображения: Texas Instruments)

Затем аккумулятор обычно заряжается постоянным током 0,5 C или менее, пока напряжение аккумулятора не достигнет 4,1 или 4,2 В (в зависимости от точной электрохимии). Когда напряжение аккумулятора достигает 4,1 или 4,2 В, зарядное устройство переключается на фазу «постоянного напряжения», чтобы исключить перезарядку. Превосходные зарядные устройства обеспечивают плавный переход от постоянного тока к постоянному напряжению, обеспечивая достижение максимальной емкости без риска повреждения аккумулятора.

Поддержание постоянного напряжения постепенно снижает ток, пока он не достигнет примерно 0,1 C, после чего зарядка прекращается. Если зарядное устройство остается подключенным к аккумуляторной батарее, применяется периодическая подзарядка для предотвращения саморазряда батареи. Подзарядка обычно начинается, когда напряжение холостого хода батареи падает ниже 3,9 до 4 В, и прекращается, когда снова достигается напряжение полной зарядки от 4,1 до 4,2 В.

Как уже упоминалось, перезарядка серьезно сокращает срок службы батареи и потенциально опасна.Как только ионы перестают двигаться, большая часть электроэнергии, подаваемой на батарею, преобразуется в тепловую. Это вызывает перегрев, что может привести к взрыву из-за выделения газа из электролита. В результате производители аккумуляторов выступают за точный контроль и соответствующие функции безопасности зарядного устройства.

Недозаряд, хотя и не опасен, может также отрицательно сказаться на емкости аккумулятора. Например, недостаточная зарядка всего на 1% может снизить емкость аккумулятора примерно на 8% (Рисунок 3).

Рисунок 3: Недостаточная зарядка всего на доли процента может значительно снизить емкость литий-ионного аккумулятора. По этой причине важно точно измерить конечное напряжение во время зарядки.

По этим причинам зарядное устройство должно контролировать конечное напряжение в пределах ± 50 мВ от 4,1 или 4,2 В и иметь возможность определять, когда аккумулятор полностью заряжен. Методы обнаружения включают определение момента, когда ток упадет до 0.1 C во время стадии постоянного напряжения и, в более простых зарядных устройствах, зарядка только в течение заранее определенного времени и при условии, что батарея полностью заряжена. Многие зарядные устройства также включают устройства для определения температуры батареи, так что зарядка может прекратиться при превышении порогового значения. ^[1]

Ускоренная зарядка

Поскольку последнее поколение аккумуляторов отличается более высокой подвижностью ионов, возможна более быстрая зарядка без риска перегрева. На сегодняшний день производители микросхем предоставили широкий спектр интегрированных решений для управления литий-ионными аккумуляторами, чтобы упростить конструкцию зарядных устройств.Теперь они также предлагают кремний, который позволяет инженерам разрабатывать продукты, которые используют преимущества более быстрой зарядки во время фазы постоянного тока. (Обратите внимание, что в отрасли не существует общепринятого определения «быстрой или быстрой зарядки» для литий-ионной батареи. Скорее, этот термин качественно применяется к любому режиму зарядки, который ускоряет зарядку по сравнению с «типичной» скоростью заряда 0,5 ° C.)

Maxim Integrated, например, предлагает MAX8900, зарядное устройство, основанное на импульсном понижающем («понижающем») источнике питания.Устройство может обеспечивать ток до 1,2 А от источника питания от 3,6 до 6,3 В, позволяя разработчику регулировать параметры заряда с помощью внешних компонентов.

Например, разработчик может реализовать быструю зарядку постоянным током, когда напряжение батареи превышает напряжение предварительного согласования и пока напряжение не достигнет 4,2 В. Максимальный ток быстрой зарядки определяется резистором между выводом SETI и землей (см. Рисунок 4).

Рисунок 4: Зарядный ток в фазе постоянного тока зарядки литий-ионного аккумулятора, обеспечиваемый MAX8900 от Maxim Integrated, может быть установлен с помощью резистора R _SETI , показанного здесь внизу в центре этого приложения схема.( Диаграмма, построенная с использованием Digi-Key Scheme-it , на основе оригинального изображения, любезно предоставленного Maxim Integrated)

Например, для R _SETI = 2,87 кОм ток быстрой зарядки составляет 1,186 А, а для R _SETI = 34 кОм ток составляет 0,1 А. На рисунке 5 показано, как изменяется ток зарядки с R _SETI . Maxim предлагает удобный комплект разработчика для MAX8900A, который позволяет разработчику экспериментировать со значениями компонентов, чтобы исследовать их влияние не только на скорость зарядки постоянным током, но и на скорость зарядки в других частях цикла зарядки.

Рисунок 5: Изменение зарядного тока в фазе постоянного тока зарядки литий-ионного аккумулятора, подаваемого MAX8900 с номиналом резистора R _SETI .

В MAX8900 встроены некоторые защитные механизмы, предотвращающие опасное повышение температуры батареи во время быстрой зарядки. Они соответствуют спецификациям Японской ассоциации производителей электроники и информационных технологий (JEITA) по безопасной зарядке литий-ионных аккумуляторов.Для литий-ионных аккумуляторов при температуре от 0 до 15 ° C ток быстрой зарядки ограничен до 50% от его запрограммированной скорости, а если температура аккумулятора поднимается выше 60 ° C, ток полностью отключается до тех пор, пока температура падает до безопасного уровня. Сам чип защищен термическим отводом, который ограничивает ток заряда до 25% от максимального уровня, если внутренняя температура превышает 85˚C.

Maxim не единственный, кто предоставляет разработчикам гибкость при выборе скорости быстрой зарядки.Импульсное зарядное устройство MC32BC3770 от NXP Semiconductors обеспечивает контроль над режимом зарядки, позволяя разработчику не только устанавливать рабочие параметры через интерфейс I ² C, но также устанавливать ток окончания заряда, напряжение регулирования аккумулятора, предварительную настройку. — ток заряда, пороговое значение напряжения быстрой зарядки и пороговое напряжение уменьшения заряда в дополнение к току быстрой зарядки.

Сам ток быстрой зарядки программируется от 100 до 2000 мА с настройкой по умолчанию 500 мА.В целях безопасности ток быстрой зарядки всегда ограничивается настройкой ограничения входного тока. MC32BC3770 может работать от входа до 20 В и имеет один вход для USB и двухканальный выход для питания устройства, если батарея полностью разряжена.

также позволяет разработчикам программировать скорость зарядки и режимы работы микросхемы через интерфейс I ² C. Устройство представляет собой USB-совместимое зарядное устройство на основе импульсного источника питания, который работает от входа 6 В (макс.) И предлагает до 1 напряжения.Зарядный ток 25 А.

FAN5400 разработан для минимизации времени зарядки и соответствует требованиям USB. Разработчик может выбрать как максимальный ток заряда, так и пороговое значение тока для прекращения зарядки во время фазы постоянного напряжения через хост I ² C. Функции безопасности включают таймер, который отключает питание, если цикл зарядки превышает установленную продолжительность, а ток заряда ограничивается, если температура микросхемы превышает 120 ° C.

Со своей стороны, Texas Instruments предлагает bq25898, переключаемое устройство управления зарядом аккумулятора, которое поддерживает быструю зарядку с высоким входным напряжением.Устройство может принимать входное напряжение до 12 В и выдает до 4 А на выходе, что делает его пригодным для зарядки аккумуляторов большей емкости в смартфонах и планшетах последнего поколения.

Подобно решениям NXP Semiconductors и Fairchild, bq25898 настраивается через последовательный интерфейс I ² C, который позволяет разработчику устанавливать ток заряда и минимальное напряжение системы. Функции безопасности включают контроль температуры аккумулятора, таймер зарядки и защиту от перенапряжения.

Компромисс для быстрой зарядки

Разработчику следует учитывать компромисс, связанный с быстрой зарядкой: чем быстрее зарядка, тем меньше емкость, когда батарея переключается на относительно медленную часть режима зарядки с постоянным напряжением. Например, зарядка при 0,7 C приводит к емкости от 50 до 70 процентов при достижении 4,1 или 4,2 В, тогда как зарядка при температуре менее 0,2 C может привести к полной зарядке батареи, как только напряжение достигнет 4,1 или 4,2 В. Другими словами, если потребителю нужно быстрое обновление, скажем, с 25 до 50 процентов, быстрая зарядка идеальна, но если потребитель обычно подключается к сети для полной подзарядки, это обычно быстрее при умеренной скорости зарядки 0.5 C, чем скорость быстрой зарядки не менее 1 C, что требует более длительной и относительно медленной «доливки».

Другой недостаток заключается в том, что повышенная внутренняя температура, создаваемая быстрой зарядкой, даже если она может быть ниже «безопасного» порога, определенного производителем конкретного литий-ионного элемента, может вызвать небольшое повреждение, что в конечном итоге приведет к снижению емкости. и меньшее количество циклов перезарядки. Тем не менее, с улучшением технологии аккумуляторов, повышающим надежность ячеек, скорость быстрой зарядки должна быть чрезмерной, чтобы сократить срок службы аккумулятора до уровня, меньшего, чем «полезное» существование портативного продукта (определяемое как время между покупкой продукта потребителем и заменив его на более новую модель).

Заключение

В то время как некоторые новые аккумуляторные технологии находятся в стадии разработки в лаборатории, литий-ионный элемент, похоже, станет основным носителем энергии для портативных устройств в ближайшее время. Таким образом, технология будет продолжать интенсивно развиваться, устраняя ее недостатки. Мобильность ионов является одним из этих недостатков и, вероятно, улучшится даже по сравнению с батареями последнего поколения, что приведет к более быстрой зарядке при постоянном токе.

могут воспользоваться преимуществами более быстрой зарядки, выбрав микросхему управления аккумулятором, которая дает им гибкость в выборе скорости зарядки путем выбора одного или двух внешних компонентов или программирования через интерфейс I ² C. Также стоит учитывать функции безопасности, встроенные в устройства управления батареями, поскольку, хотя современные литий-ионные элементы намного надежнее, чем их предшественники, быстрая зарядка все же представляет некоторые потенциальные опасности, которые разработчикам необходимо учитывать при разработке.

Артикул:

1. « Разработка доступных систем питания смешанных сигналов для зарядных устройств », Терри Кливленд, Скотт Дирборн, Microchip Technology Inc.

Заявление об ограничении ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

Как запустить аккумулятор электромобиля

Наряду с высоковольтными аккумуляторными батареями, которые питают двигатели электромобилей, каждый электромобиль также имеет 12-вольтовую батарею, которая поддерживает электрическую систему и аксессуары, такие как фонари и дверные замки с электроприводом, работоспособными, когда автомобиль выключен — точно так же, как газовый автомобиль.

И, как и в случае с аккумуляторной батареей для автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, 12-вольтовая батарея электромобиля может разрядиться и помешать запуску автомобиля. Несмотря на то, что задача неудобна, независимо от того, на каком автомобиле вы водите, возможен запуск электромобиля с разряженной батареей.

Следуйте этим инструкциям, чтобы узнать, как запустить электромобиль с разряженной батареей.

Разряженная 12-вольтовая батарея в электромобиле может произойти по многим причинам, включая неиспользование в течение длительного периода времени или неисправность в цепи зарядки автомобиля.Независимо от причины низкого заряда 12-вольтовой аккумуляторной батареи должно хватить мощности для запуска электрической системы автомобиля.

12-вольтовая батарея электромобиля обычно заряжается одновременно с зарядкой автомобиля, а также за счет электрического тока, который передается от высоковольтной батареи, когда она не подключена к зарядной станции.

Если 12-вольтовая аккумуляторная батарея вашего электромобиля разрядилась, вы можете использовать соединительные кабели, чтобы попытаться завести автомобиль.

Никогда не пытайтесь вскрыть высоковольтные литий-ионные батареи в электромобилях.

Транспортное средство, используемое для запуска вашего электромобиля, должно иметь 12-вольтовую аккумуляторную батарею с отрицательной системой заземления. Это типично для автомобилей с бензиновым двигателем.

Никогда не используйте электромобиль для запуска другого 12-вольтового аккумулятора. Точки зарядки электромобиля предназначены для запуска самого автомобиля от внешнего источника, а не для помощи другому транспортному средству при запуске от внешнего источника.

Эти инструкции по запуску электромобиля от внешнего источника являются общими и типичными для большинства моделей.Обратитесь к руководству пользователя, чтобы узнать расположение точек зарядки аккумулятора автомобиля и точную процедуру для вашего автомобиля.

1. Расположите вагоны . Поместите два автомобиля, электромобиль и автомобиль с исправным аккумулятором, рядом друг с другом, чтобы они не соприкасались.
2. Включите тормоз . Включите парковку и включите стояночный тормоз.
3. Выключить все . Убедитесь, что вы выключили фары и аксессуары в обоих автомобилях.
4. Подключите положительные клеммы . Теперь вы готовы подключить один конец красного положительного (+) кабеля к положительной (+) клемме разряженной батареи. Когда закончите, подсоедините другой конец положительного (+) соединительного кабеля к положительной (+) клемме вспомогательной аккумуляторной батареи автомобиля.
5. Присоедините отрицательные зажимы . Затем подключите один конец черного отрицательного (-) кабеля к отрицательной (-) клемме исправного аккумулятора. Теперь подключите отрицательный (-) соединительный кабель к отрицательной (-) точке заземления разряженного аккумулятора.
6. Чек . Убедитесь, что кабели усилителя находятся вдали от движущихся частей и что зажимы имеют хороший металлический контакт с клеммами аккумулятора и точками зарядки.
7. Заведите автомобиль автомобиля для пожертвований . Возьмите автомобиль с исправным аккумулятором и заведите его.
8. Запуск электромобиля . Наконец, попробуйте запустить электромобиль с разряженной батареей.

СОВЕТ: Портативное устройство для запуска от внешнего источника может использоваться для запуска электромобиля вместо транспортного средства-донора, если таковое имеется.

Оставьте электромобиль в режиме запуска от внешнего источника в течение нескольких минут, пока он подключен к транспортному средству-носителю. Затем отсоедините кабели.

При снятии зажимов соединительных кабелей точно поменяйте последовательность. Если кабели подсоединены или отсоединены в неправильном порядке, может произойти короткое замыкание и привести к повреждению автомобиля. Всегда подключайте и снимайте соединительные кабели в правильном порядке и следите за тем, чтобы зажимы не касались друг друга или металлических поверхностей.

После запуска электромобиля дайте ему поработать не менее 20 минут, чтобы электрическая система автомобиля зарядила разряженный аккумулятор.

Чтобы избежать дополнительных неудобств, вызванных разряженной аккумуляторной батареей электромобиля, проверьте 12-вольтовую батарею в вашем дилерском центре или у квалифицированного специалиста по обслуживанию и ремонту автомобилей.

СВЯЗАННЫЕ ИСТОРИИ: Куда деваются электрические батареи, когда мы с ними покончим?

При техническом обслуживании автомобиля всегда помните о безопасности.При запуске электромобиля помните:

• Держитесь подальше от высоковольтной батареи . Высоковольтная батарея, питающая двигатель электромобиля, не может быть запущена от внешнего источника с помощью другого транспортного средства или портативного оборудования для запуска от внешнего источника. Это может привести к травмам, смерти или повреждению автомобиля.
• Обращайтесь осторожно . Батарейки могут навредить вам. Они могут быть опасными, потому что содержат кислоту, которая может вызвать ожог, и газ, который может взорваться или воспламениться.
• Защита от износа .Защита глаз и перчатки могут помочь предотвратить травму при запуске электромобиля. Мойте руки после работы с кабелями усилителя и автомобильными аккумуляторами.
• Вынуть штекер зарядного устройства . Не пытайтесь запустить 12-вольтную батарею от внешнего источника, пока литий-ионная батарея заряжается. Это может привести к повреждению автомобиля, оборудования и вас самих.

Продажа электромобиля

Простые микросхемы зарядного устройства для любой химии

Предпосылки

Для многих устройств с батарейным питанием обычно требуются самые разные источники заряда, химический состав батарей, напряжения и токи.Например, промышленные, высокопроизводительные, многофункциональные потребительские, медицинские и автомобильные зарядные устройства требуют более высоких напряжений и токов, поскольку появляются новые аккумуляторные блоки большой емкости для всех типов аккумуляторных химикатов. Кроме того, солнечные панели с широким диапазоном уровней мощности используются для питания множества инновационных систем, содержащих перезаряжаемые герметичные свинцово-кислотные (SLA) и литиевые батареи. Примеры включают габаритные огни пешеходного перехода, портативные акустические системы, уплотнители мусора и даже огни морских буев.Более того, некоторые свинцово-кислотные (LA) батареи, используемые в солнечных батареях, представляют собой батареи глубокого цикла, способные выдерживать длительные повторяющиеся циклы зарядки в дополнение к глубоким разрядам. Хороший пример этого — глубоководные морские буи, обязательным условием которых является 10-летний срок эксплуатации. Другой пример — внесетевые (то есть отключенные от электроэнергетической компании) системы возобновляемых источников энергии, такие как солнечная или ветровая энергия, где время безотказной работы имеет первостепенное значение из-за трудностей с близким доступом.

Даже в несолнечных приложениях последние рыночные тенденции означают возобновление интереса к аккумуляторным элементам SLA большой емкости. Автомобильные или пусковые элементы SLA недороги с точки зрения соотношения цена / мощность и могут обеспечивать высокие импульсные токи в течение коротких промежутков времени, что делает их отличным выбором для автомобильных и других пусковых устройств транспортных средств. Встраиваемые автомобильные приложения имеют входное напряжение> 30 В, а в некоторых даже выше. Рассмотрим систему определения местоположения GPS, используемую в качестве средства защиты от кражи; линейное зарядное устройство с типичным входом 12 В с понижением до двух последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов (7.4 В) и нуждающиеся в защите от гораздо более высоких напряжений, могут быть полезны для этого приложения. Аккумуляторы глубокого разряда LA — еще одна технология, популярная в промышленных приложениях. У них более толстые пластины, чем у автомобильных аккумуляторов, и они рассчитаны на разряд до 20% от их общей емкости. Обычно они используются там, где мощность требуется в течение длительного времени, например, в вилочных погрузчиках и тележках для гольфа. Тем не менее, как и их литий-ионные аккумуляторы, аккумуляторы LA чувствительны к перезарядке, поэтому осторожное обращение во время цикла зарядки очень важно.

покрывают лишь небольшую часть множества возможных комбинаций входного напряжения, напряжения заряда и тока заряда. Громоздкая комбинация микросхем и дискретных компонентов обычно использовалась для покрытия большинства оставшихся, более сложных комбинаций и топологий. Так было только в 2011 году, когда компания Analog Devices обратилась к этому рыночному пространству приложений и упростила его с помощью своего популярного решения для зарядки с двумя микросхемами, состоящего из микросхемы контроллера зарядки аккумулятора LTC4000, соединенной с совместимым преобразователем постоянного тока с внешней компенсацией.

Коммутационные и линейные зарядные устройства

ИС для зарядных устройств с традиционной линейной топологией часто ценились за их компактность, простоту и низкую стоимость. Однако к недостаткам этих линейных зарядных устройств относятся ограниченный диапазон входного напряжения и напряжения батареи, более высокое относительное потребление тока, чрезмерное рассеивание мощности, ограниченные алгоритмы прекращения заряда и более низкая относительная эффективность (эффективность ~ [VOUT / VIN] × 100%). С другой стороны, импульсные зарядные устройства для аккумуляторов также являются популярным выбором из-за их гибкой топологии, мультихимической зарядки, высокой эффективности зарядки (которая минимизирует нагрев для обеспечения быстрой зарядки) и широких диапазонов рабочего напряжения.Тем не менее, некоторые из недостатков переключаемых зарядных устройств включают относительно высокую стоимость, более сложную конструкцию на основе индукторов, потенциальное шумообразование и решения, занимающие большую площадь. Современный Лос-Анджелес, беспроводное энергоснабжение, сбор энергии, солнечная зарядка, удаленный датчик и встроенные автомобильные приложения обычно питаются от высоковольтных линейных зарядных устройств по причинам, указанным выше. Однако существует возможность для более современного зарядного устройства с переключаемым режимом, которое устраняет связанные с этим недостатки.

Простое зарядное устройство Buck Battery

Некоторые из более сложных проблем, с которыми сталкивается разработчик на начальном этапе разработки зарядного устройства, — это широкий диапазон источников входного сигнала в сочетании с широким диапазоном возможных аккумуляторов, высокая емкость аккумуляторов, которые необходимо заряжать, и высокое входное напряжение.

Источники входного сигнала столь же широки, сколь и разнообразны, но некоторые из наиболее сложных из них, которые имеют дело с системами зарядки аккумуляторов: мощные настенные адаптеры с диапазоном напряжений от 5 до 19 В и выше, выпрямленные системы на 24 В переменного тока, высокое сопротивление солнечные батареи, аккумуляторы для автомобилей и тяжелых грузовиков / Humvee.Следовательно, комбинация химического состава батарей, возможная в этих системах — на основе лития (Li-Ion, Li-Polymer, фосфат лития-железа (LiFePO4)) и на основе LA — еще больше увеличивает перестановки, что делает конструкцию еще более устрашающе.

Из-за сложности конструкции ИС существующие ИС для зарядки аккумуляторов в основном ограничены понижающей (или понижающей) или более сложной топологией SEPIC. Добавьте сюда возможность солнечной зарядки, и вы откроете множество других сложностей. Наконец, некоторые существующие решения заряжают аккумуляторные батареи с несколькими химическими соединениями, некоторые — со встроенной заделкой на плате.Однако до сих пор ни одно зарядное устройство для ИС не обеспечивало всех необходимых характеристик производительности для решения этих проблем.

Новые многофункциональные компактные зарядные устройства

Понижающее устройство для зарядки ИС, которое решает проблемы, описанные выше, должно обладать большинством из следующих атрибутов:

• Широкий диапазон входного напряжения
• Широкий диапазон выходного напряжения для работы с несколькими батареями
• Гибкость — возможность зарядки нескольких химических батарей
• Простая и автономная работа с бортовыми алгоритмами прекращения заряда (микропроцессор не требуется)
• Высокий зарядный ток для быстрой зарядки больших аккумуляторов большой емкости
• Возможность зарядки от солнечной батареи
• Усовершенствованная упаковка для улучшения тепловых характеристик и экономии места

Когда несколько лет назад компания ADI разработала популярную микросхему контроллера зарядки аккумулятора LTC4000 (которая работает вместе с преобразователем постоянного тока с внешней компенсацией, образуя мощное и гибкое решение для зарядки двухчиповых аккумуляторов) несколько лет назад, она значительно упростила существующий решение, которое было довольно запутанным и громоздким.Чтобы включить управление PowerPath ^TM , функции повышения / понижения и ограничение входного тока, решения состояли из импульсного регулятора постоянного тока с повышающим постоянным током или контроллера зарядного устройства с понижающим переключением в паре с внешним контроллером повышения. , а также микропроцессор, а также несколько микросхем и дискретных компонентов. К основным недостаткам относятся ограниченный диапазон рабочего напряжения, отсутствие возможности подключения солнечной панели, невозможность заряжать аккумулятор любого химического состава и отсутствие прерывания заряда на борту. Перенесемся в настоящее, и теперь доступны более простые и гораздо более компактные монолитные решения для решения этих проблем.Понижающие зарядные устройства LTC4162 и LTC4015 от Analog Devices предоставляют однокристальные решения для понижающей зарядки с различными уровнями тока заряда и полным набором функций.

Зарядное устройство LTC4162

LTC4162 — это высокоинтегрированное синхронное монолитное понижающее зарядное устройство с мультихимическим режимом высокого напряжения и диспетчером PowerPath со встроенными функциями телеметрии и дополнительным отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT). Он эффективно передает мощность от различных источников ввода, таких как настенные адаптеры, объединительные платы и солнечные панели, для зарядки литий-ионных / полимерных, LiFePO4 или батарейных блоков LA, при этом обеспечивая питание системной нагрузки до 35 В.Устройство обеспечивает расширенный системный мониторинг и управление PowerPath, а также мониторинг состояния батареи. Хотя для доступа к наиболее продвинутым функциям LTC4162 требуется главный микроконтроллер, использование порта C I ² не является обязательным. Основные характеристики зарядки продукта можно отрегулировать, используя конфигурацию штыревой перемычки и программирующие резисторы. Устройство обеспечивает точность регулирования тока заряда ± 5% до 3,2 А, регулировку напряжения заряда ± 0,75% и работает в диапазоне входного напряжения от 4,5 В до 35 В.Приложения включают портативные медицинские инструменты, устройства USB-питания (USB-C), военное оборудование, промышленные портативные компьютеры и защищенные ноутбуки / планшетные компьютеры.

Рисунок 1. Типовая схема применения LTC4162-L.

LTC4162 (см. Рисунок 1) содержит точный 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который непрерывно отслеживает многочисленные параметры системы по команде, включая входное напряжение, входной ток, напряжение батареи, ток батареи, выходное напряжение, температуру батареи. , температура кристалла и последовательное сопротивление батареи (BSR).Все параметры системы можно контролировать через двухпроводной интерфейс I ² C, а программируемые и маскируемые предупреждения гарантируют, что только интересующая информация вызовет прерывание. Алгоритм отслеживания активной точки максимальной мощности устройства глобально просматривает входной контур управления пониженным напряжением и выбирает рабочую точку для максимального извлечения энергии из солнечных панелей и других резистивных источников. Кроме того, его встроенная топология PowerPath отделяет выходное напряжение от батареи, тем самым позволяя портативному изделию запускаться мгновенно, когда источник зарядки применяется в условиях очень низкого напряжения батареи.Встроенные профили зарядки LTC4162 оптимизированы для батарей различного химического состава, включая литий-ионные / полимерные, LiFePO4 и LA. Как напряжение заряда, так и ток заряда могут автоматически регулироваться в зависимости от температуры аккумулятора в соответствии с рекомендациями JEITA или настраиваться индивидуально. Для LA непрерывная температурная кривая автоматически регулирует напряжение батареи в зависимости от температуры окружающей среды. Для любого химического состава может быть задействована дополнительная система регулирования температуры стыка фильеры, предотвращающая чрезмерный нагрев в условиях ограниченного пространства или в условиях высоких температур.См. Рисунок 2 для получения информации об эффективности зарядки литий-ионных аккумуляторов.

Наконец, LTC4162 размещен в 28-выводном корпусе QFN размером 4 мм × 5 мм с открытой металлической площадкой для обеспечения превосходных тепловых характеристик. Устройства класса E и I гарантированно работают от –40 ° C до + 125 ° C.

Рис. 2. Зависимость эффективности зарядки литий-ионных аккумуляторов от входного напряжения по количеству ячеек.

Что делать, если требуется более высокий ток?

LTC4015 также является высокоинтегрированным, многохимическим синхронным понижающим зарядным устройством высокого напряжения со встроенными функциями телеметрии.Тем не менее, он имеет архитектуру контроллера с внешними силовыми полевыми транзисторами для более высокого тока заряда (до 20 А или более в зависимости от выбранных внешних компонентов). Устройство эффективно подает питание от входного источника (сетевой адаптер, солнечная панель и т. Д.) На литий-ионный / полимерный аккумулятор, LiFePO4 или батарею LA. Он обеспечивает расширенные функции системного мониторинга и управления, включая подсчет кулонов батареи и мониторинг состояния. Хотя для доступа к наиболее продвинутым функциям LTC4015 требуется главный микроконтроллер, использование его порта I ² C не является обязательным.Основные характеристики зарядки продукта можно отрегулировать, используя конфигурацию штыревой перемычки и программирующие резисторы.

Рис. 3. Схема зарядного устройства для 2-элементной литий-ионной аккумуляторной батареи 12 В _IN на 8 А.

LTC4015 обеспечивает точность регулирования тока заряда ± 2% до 20 А, регулировку напряжения заряда ± 1,25% и работу в диапазоне входного напряжения от 4,5 В до 35 В. Приложения включают портативные медицинские инструменты, военное оборудование, приложения для резервного питания от батарей, промышленные портативные устройства, промышленное освещение, защищенные ноутбуки / планшетные компьютеры, а также системы связи и телеметрии с дистанционным питанием.

LTC4015 также содержит точный 14-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также высокоточный счетчик кулонов. АЦП непрерывно контролирует многочисленные параметры системы, включая входное напряжение, входной ток, напряжение батареи, ток батареи, и по команде сообщает о температуре батареи и последовательном сопротивлении батареи (BSR). Контролируя эти параметры, LTC4015 может сообщать о состоянии аккумулятора, а также о состоянии его заряда. Все параметры системы можно контролировать через двухпроводной интерфейс I ² C, а программируемые и маскируемые предупреждения гарантируют, что только интересующая информация вызовет прерывание.Встроенные профили зарядки LTC4015 оптимизированы для различных типов аккумуляторов, включая литий-ионные / полимерные, LiFePO4 и LA. Конфигурационные штыри позволяют пользователю выбирать между несколькими предопределенными алгоритмами заряда для каждого химического состава батареи, а также несколькими алгоритмами, параметры которых можно регулировать с помощью I ² C. Как напряжение заряда, так и ток заряда могут быть автоматически отрегулированы в зависимости от температуры батареи в соответствии с требованиями. с рекомендациями JEITA или даже с индивидуальными настройками.См. Рисунок 4 для получения информации об эффективности зарядки свинцово-кислотным аккумулятором. LTC4015 размещен в корпусе QFN размером 5 мм × 7 мм с открытой металлической площадкой для обеспечения превосходных тепловых характеристик.

Рис. 4. Эффективность заряда свинцово-кислотной батареи с LTC4015.

Экономия места, гибкость и более высокие уровни мощности

При равных уровнях мощности (например, 3 А), поскольку это монолитное устройство со встроенными силовыми полевыми МОП-транзисторами, LTC4162 может сэкономить до 50% площади печатной платы по сравнению с LTC4015.Поскольку их наборы функций аналогичны, LTC4015 следует использовать при выходных токах от> 3,2 А до 20 А или более. Ни одно из конкурирующих в отрасли решений для зарядных устройств IC не предлагает такой же высокий уровень интеграции и не может генерировать такие же уровни мощности. Те, которые приближаются к зарядному току (от 2 А до 3 А), ограничены только одним химическим составом аккумулятора (литий-ионный) или ограничены по напряжению заряда аккумулятора (максимум 13 В), и поэтому не предлагают уровни мощности или гибкость. из LTC4162 или LTC4015.Кроме того, если учесть количество внешних компонентов, необходимых для ближайшего конкурирующего решения для монолитного зарядного устройства, LTC4162 предлагает до 40% экономии площади печатной платы, что делает его еще более привлекательным выбором для разработки.

Солнечная зарядка

Есть много способов использовать солнечную панель на максимальной мощности (MPP). Один из самых простых способов — подключить аккумулятор к солнечной панели через диод. Этот метод основан на согласовании максимального выходного напряжения панели с относительно узким диапазоном напряжения батареи.Когда доступные уровни мощности очень низкие (примерно менее нескольких десятков милливатт), это может быть лучшим подходом. Однако уровни мощности не всегда низкие. Поэтому в LTC4162 и LTC4015 используется метод MPPT, который определяет максимальное напряжение питания (MPV) солнечной панели при изменении количества падающего света. Это напряжение может резко измениться с 12 В до 18 В по мере того, как ток панели изменяется в течение 2 или более десятилетий динамического диапазона. Алгоритм схемы MPPT находит и отслеживает значение напряжения панели, которое обеспечивает максимальный ток заряда для аккумулятора.Функция MPPT не только непрерывно отслеживает точку максимальной мощности, но также может выбрать правильный максимум на кривой мощности для увеличения мощности, получаемой от панели в условиях частичной тени, когда на кривой мощности возникают несколько пиков. В периоды низкой освещенности режим низкого энергопотребления позволяет зарядному устройству подавать небольшой зарядный ток, даже если света недостаточно для работы функции MPPT.

Заключение

, LTC4162 и LTC4015, упрощают очень сложную систему высоковольтной и сильноточной зарядки.Эти устройства эффективно управляют распределением мощности между входными источниками, такими как настенные адаптеры, объединительные платы, солнечные панели и т. Д., А также зарядкой батарей различного химического состава, включая литий-ионные / полимерные, LiFePO4 и SLA. Их простое решение и компактные размеры позволяют им достигать высокой производительности в передовых приложениях, где когда-то единственным вариантом были только более сложные, устаревшие топологии на основе импульсных стабилизаторов, такие как SEPIC. Это значительно упрощает задачу разработчика, когда речь идет о схемах зарядного устройства для аккумуляторов средней и высокой мощности.

Импульсная, линейная и импульсная зарядка T

Аннотация: Существует три метода зарядки Li + аккумуляторов: импульсный, линейный и импульсный. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки. Зарядка в импульсном режиме сводит к минимуму рассеивание мощности в широком диапазоне напряжений адаптера переменного тока, но занимает больше места на плате и увеличивает сложность по сравнению с линейной и импульсной зарядкой. Линейные зарядные устройства имеют небольшие размеры и отлично подходят для оборудования, чувствительного к шуму, но рассеиваемая мощность высока.Импульсные зарядные устройства небольшие и эффективные, но для них требуется адаптер переменного тока с ограничением тока. Выберите метод оплаты, исходя из приоритета стоимости, площади и эффективности.

Требования к зарядным устройствам Li +

Эти функции могут быть реализованы в самом зарядном устройстве, в ASIC или дискретной схеме, или, возможно, в программном обеспечении микроконтроллера. Разработчики схем решают, какие функции включить и как их реализовать, в зависимости от конкретного приложения и приемлемого уровня стоимости или сложности.

Типы зарядных устройств Li +

с импульсным режимом обычно больше и сложнее, и для них требуется большой пассивный выходной LC-фильтр; дополнительное пространство на плате повышает эффективность.

Линейные и импульсные зарядные устройства занимают мало места на плате и требуют минимум внешних компонентов. Хотя линейному зарядному устройству может не потребоваться много места на плате для размещения ИС и ее внешних компонентов, ему может потребоваться дополнительная площадь на плате для рассеивания тепла, выделяемого проходным транзистором зарядного устройства.Импульсные зарядные устройства не представляют этой проблемы. Однако для них требуется адаптер переменного тока с ограничением по току, который обычно стоит дороже.

Импульсные зарядные устройства

Рис. 1. Зарядное устройство MAX1737 Li + Mode Switch Mode.

Импульсные зарядные устройства имеют неизменно низкую рассеиваемую мощность при больших колебаниях входного напряжения и напряжения батареи, что является несомненным преимуществом перед линейными зарядными устройствами. Импульсные зарядные устройства также имеют преимущество перед импульсными зарядными устройствами: они хорошо работают в широком диапазоне входных напряжений, что позволяет использовать меньший и более дешевый сетевой адаптер переменного тока, чем при использовании импульсного зарядного устройства.Основными недостатками зарядного устройства такого типа являются его размер и сложность. Контроллер вместе с внешними переключателями и LC-фильтром занимает больше места на плате, чем другие типы зарядных устройств. К другим недостаткам относятся электромагнитные помехи и электрические помехи, вызванные переключающим действием зарядного устройства, и излучение, вызванное индуктором выходного фильтра. Фиксированная частота переключения контроллера, однако, позволяет легко фильтровать электрические шумы, но следует соблюдать осторожность при компоновке схемы и выборе компонентов, чтобы предотвратить проблемы с помехами.

Схема зарядного устройства, показанная на Рисунке 1, включает в себя множество других функций, которые увеличивают как срок службы батареи, так и работу системы. Например, контроллер схемы зарядного устройства позволяет установить ограничение на ток, протекающий в цепи. Когда этот ток достигает предела, контроллер автоматически снижает ток, заряжающий аккумулятор, ограничивая ток, который может течь на вход схемы. Поскольку зарядное устройство ограничивает входной ток, для питания цепи можно использовать адаптер переменного тока меньшего размера и, как правило, более дешевый.

Зарядное устройство включает в себя конечный автомат, который выключает зарядное устройство после завершения зарядки и автоматически перезапускает зарядку, когда часть заряда слилась с аккумулятора. Функции безопасности включают бережную предварительную зарядку чрезмерно разряженных аккумуляторов при пониженном токе и возможность обнаружения неисправных аккумуляторов. Кроме того, индикаторы заряда и состояния могут напрямую управлять светодиодами или связываться с микроконтроллером.

Линейные зарядные устройства

Основная проблема линейного зарядного устройства — это рассеивание мощности. Зарядное устройство просто понижает напряжение адаптера переменного тока до напряжения аккумулятора.Рассеиваемая мощность проходного элемента равна напряжению адаптера минус напряжение аккумулятора, умноженное на зарядный ток. В случае зарядного устройства 1 А, регулируемого напряжения адаптера переменного тока 5 В ± 10% и напряжения батареи, которое варьируется от 4,2 В до 2,5 В, рассеиваемая мощность может составлять от 0,3 Вт до 3,0 Вт.

На рисунке 2 показано типичное линейное зарядное устройство Li +. В этой схеме используется MAX1898 и внешний полевой МОП-транзистор с p-каналом для снижения напряжения адаптера переменного тока до напряжения батареи. Этот тип зарядного устройства намного проще, чем тип переключателя, главным образом потому, что пассивный LC-фильтр не требуется.Он рассеивает наибольшую мощность, когда напряжение батареи минимально, поскольку разница между фиксированным входным напряжением и напряжением батареи наибольшая в этом состоянии. MAX1898 включает в себя функцию (называемую состоянием предварительной квалификации ), которая снижает ток зарядки для любого напряжения батареи менее 2,5 В. Поэтому в наихудшем случае рассеяние мощности происходит, когда уровень заряда батареи чуть выше номинального порога предварительной квалификации 2,5 В, а входное напряжение максимально. Для входа 5 В ± 10% максимальное входное напряжение равно 5.5В. С учетом допуска минимальное напряжение предварительной квалификации MAX1898 составляет 2,375 В. Таким образом, в худшем случае рассеиваемая мощность проходного транзистора составляет 3,125 Вт на ампер зарядного тока. При больших токах зарядки (около 1 А) из-за большого рассеивания мощности маленький мобильный телефон или КПК может стать чрезмерно горячим, что может снизить его производительность. К сожалению, уменьшение зарядного тока для устранения проблем рассеивания мощности увеличивает время зарядки. Выбор между дополнительным нагревом и временем дополнительной зарядки может быть затруднен в зависимости от области применения.

Рис. 2. Линейное зарядное устройство MAX1898 Li +.

Даже с учетом проблемы рассеивания мощности, связанной с линейной зарядкой, это все равно может быть лучшим выбором для беспроводных устройств. Поскольку нет переключающего действия и не требуются индукторы, линейные зарядные устройства имеют более низкие кондуктивные и излучаемые эмиссии, чем другие типы зарядных устройств. Благодаря такому снижению шума линейное зарядное устройство может стать подходящим решением для чувствительных к шуму беспроводных устройств.

MAX1898 включает в себя: индикатор зарядки, который может напрямую управлять светодиодом или микроконтроллером, схему пониженного напряжения аккумулятора, которая снижает ток зарядки для чрезмерно разряженных аккумуляторов, таймер для выключения зарядного устройства после завершения зарядки и регулируемый порог перезапуска до автоматически возобновляет зарядку, если аккумулятор разряжен.Вывод ISET устанавливает зарядный ток и показывает его уровень, пока зарядное устройство регулирует напряжение. Напряжение на выводе ISET можно контролировать с помощью АЦП или компаратора, чтобы определить, когда ток зарядки аккумулятора упал до достаточно низкого уровня; либо этот уровень, либо встроенный таймер можно использовать для прекращения зарядки. Контроллер также включает выходной контакт, который указывает состояние зарядки (/ CHG \), и комбинированный входной и выходной контакт (EN / OK), который указывает на наличие входного напряжения и включает зарядное устройство.

Импульсные зарядные устройства

На рисунке 3 показано импульсное зарядное устройство MAX1736 Li +. Он не уступает линейному зарядному устройству по простоте и небольшому количеству внешних компонентов. Благодаря более низкому уровню рассеиваемой мощности компромисс между временем зарядки и рассеиваемой мощностью не следует рассматривать как линейное зарядное устройство.

Рисунок 3. Зарядное устройство Li + импульсного режима.

Однако к импульсному зарядному устройству предъявляются особые требования. Во-первых, источник входного напряжения, который питает зарядное устройство, должен быть ограничен по току. Текущий предел должен быть достаточно точным; настенные кубы с таким уровнем точности доступны не так повсеместно, как кубики без точного ограничения тока. К тому же они дороже. Однако в некоторых случаях ограничение тока адаптера переменного тока указывается достаточно точно, чтобы гарантировать, что неисправность в устройстве, которое он питает, не создаст угрозы безопасности.Если по той или иной причине требуется точное ограничение входного тока, то при его использовании для зарядки не требуется никаких дополнительных затрат.

MAX1736 автоматически заряжает аккумулятор при низком токе 6 мА, когда напряжение аккумулятора ниже 2,5 В, чтобы предотвратить его повреждение в чрезмерно разряженном состоянии. Однако контроллер не прекращает зарядку автоматически. В большинстве случаев он прекращает зарядку после того, как зарядный ток упадет ниже некоторого порогового значения, обычно 10% от предельного зарядного тока.Чтобы установить этот режим прекращения заряда, вывод GATE MAX1736 используется для непосредственного управления входом микроконтроллера. Измеряя рабочий цикл напряжения на выводе GATE, микропроцессор определяет средний ток. В случае 10%, когда рабочий цикл на выводе GATE упадет ниже 10%, микроконтроллер завершит зарядку. Микроконтроллер также может отключить MAX1736, управляя контактом EN. Когда входной источник отсутствует или на контакте EN низкий уровень заряда батареи уменьшается до 2 мкА, чтобы зарядное устройство не разряжало батарею после завершения зарядки.

Author: alexxlab