Принцип зарядки литий-ионного аккумулятора и соответствующий ток зарядного напряжения

Эта статья начинается с принципа схемы зарядки литиевой батареи, знакомит с конструкцией схемы зарядки аккумуляторной батареи на основе глубокого понимания принципа работы литиевой батареи, а затем подробно анализирует, как выбрать подходящее напряжение зарядки и ток зарядки. , надеясь, что каждый получит глубокое понимание базовых знаний о литиевых батареях, которые невозможно открыть в повседневной жизни.

Принцип зарядки литиевой батареи

I. литиевая батарея и никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторные батареи:

Отрицательный полярный кристалл графита ионно-литиевой батареи и положительный электрод обычно представляют собой диоксид лития. Во время зарядки ионы лития перемещаются от положительного полюса к отрицательному и внедряются в слой графита. При разрядке ионы лития отделяются от поверхности отрицательного электрода кристалла графита и перемещаются к положительному электроду. Следовательно, в процессе зарядки и разрядки аккумулятора литий всегда появляется в форме иона лития, а не в форме металлического лития. Таким образом, этот вид батареи называется литий-ионным аккумулятором, сокращенно литиевым аккумулятором.

Литиевая батарея имеет следующие преимущества: небольшой размер, большая емкость, легкий вес, отсутствие загрязнений, высокое напряжение на одной секции, низкая скорость саморазряда и большее количество циклов батареи, но цена выше. Никель-кадмиевые батареи постепенно прекращаются из-за их низкой емкости, серьезного саморазряда и загрязнения окружающей среды. Никель-металлогидридный аккумулятор отличается высоким соотношением цены и качества и не загрязняет окружающую среду, но одноразовое напряжение составляет всего 1,2 В, поэтому диапазон его использования ограничен.

II. Характеристики литиевой батареи

1. Более высокая удельная масса и удельная энергия;

2. Высокое напряжение: напряжение одной литиевой батареи составляет 3,6 В, что равно последовательному напряжению трех никель-кадмиевых или никель-гидридных аккумуляторных батарей;

3. Небольшой саморазряд может сохраняться длительное время, что является самым заметным преимуществом аккумулятора;

4. Нет эффекта памяти. Литиевые батареи не обладают так называемым эффектом памяти никель-кадмиевых батарей, поэтому литиевые батареи не нужно разряжать перед зарядкой;

5, долгая жизнь. При нормальных условиях работы циклы заряда / разряда литиевой батареи намного превышают 500 раз.

6. Его можно заряжать быстро. Литиевые батареи обычно можно заряжать в 0,5 ~ 1 раза большей емкости тока, так что время зарядки сокращается до 1-2 часов;

7. Может использоваться параллельно по желанию;

8. Поскольку аккумулятор не содержит кадмия, свинца, ртути и других элементов тяжелых металлов, он не загрязняет окружающую среду и в настоящее время является наиболее передовым экологически чистым аккумулятором;

9. Высокая стоимость. Литиевые батареи дороже других аккумуляторных батарей.

III. Внутренняя структура литиевой батареи:

Литиевые батареи обычно бывают двух форм: цилиндрической и прямоугольной.

Батарея имеет структуру спиральной намотки, которая разделена очень тонким и проницаемым разделителем из полиэтиленовой пленки между положительным и отрицательным электродами. Положительный электрод включает коллектор ионов лития, состоящий из диоксида лития и кобальта, и коллектор тока, состоящий из алюминиевой пленки. Отрицательный электрод состоит из коллектора ионов лития, состоящего из листового углеродного материала, и коллектора тока, состоящего из медной пленки. Аккумулятор заполнен раствором органического электролита. Также имеется предохранительный клапан и элемент PTC для защиты аккумулятора от повреждения в ненормальных условиях и короткого замыкания на выходе.

Напряжение одной литиевой батареи составляет 3,6 В, а емкость не может быть бесконечной. Поэтому одну литиевую батарею часто обрабатывают последовательно и параллельно, чтобы удовлетворить требованиям различных случаев. Строка 5

IV. Требования к зарядке и разрядке литиевой батареи;

1. Зарядка литиевой батареи: в соответствии со структурными характеристиками литиевой батареи максимальное напряжение завершения зарядки должно составлять 4,2 В, которое не может быть перезаряжено. В противном случае аккумулятор будет утилизирован из-за слишком большого количества ионов лития в положительном электроде. Его требования к заряду и разрядке высоки, может использоваться для зарядки зарядного устройства с постоянным током и постоянным напряжением. Обычно зарядка постоянным током преобразуется в зарядку постоянным напряжением после того, как оно достигает 4,2 В / узел. Когда постоянное напряжение и зарядный ток упадут до менее 100 мА, он должен прекратить зарядку.

Ток зарядки (мА) = 0,1 ~ 1,5 емкости аккумулятора (например, ток зарядки аккумулятора 1350 мАч можно регулировать в диапазоне 135 ~ 2025 мА). Обычный зарядный ток может примерно в 0,5 раза превышать емкость аккумулятора, а время зарядки составляет около 2-3 часов.

2. Разряд литиевой батареи: из-за внутренней структуры литиевой батареи ионы лития не могут все перемещаться к положительному полюсу при разряде, и некоторые ионы лития должны оставаться на отрицательном полюсе, чтобы ионы лития могли плавно встраиваться в канал. при зарядке в следующий раз. В противном случае срок службы батареи соответственно сократится. Чтобы гарантировать, что некоторое количество ионов лития остается в графитовом слое после разряда, необходимо строго ограничивать минимальное напряжение прекращения разряда, то есть литиевая батарея не может быть чрезмерно разряжена. Напряжение прекращения разряда обычно составляет 3,0 В / узел, а минимальное напряжение не может быть ниже 2,5 В / узел. Продолжительность разряда батареи зависит от ее емкости и тока разряда. Время разряда батареи (ч) = емкость батареи / ток разряда. Ток разряда литиевой батареи (мА) не должен превышать емкость батареи в 3 раза. (если батарея 1000 мАч, ток разряда должен строго контролироваться в пределах 3А) в противном случае батарея будет повреждена.

В настоящее время литиевые аккумуляторные батареи, продаваемые на рынке, закрываются соответствующей платой защиты от заряда-разряда. Пока можно контролировать внешний ток заряда и разряда.

В. Схема защиты литиевой батареи:

Схема защиты от зарядки и разрядки двух литиевых батарей показана на рисунке 1. Она состоит из двух полевых трубок и специальной микросхемы защиты s-8232. Трубка управления избыточным зарядом FET2 и трубка управления избыточным разрядом FET1 подключены к цепи последовательно, а напряжение батареи отслеживается и контролируется защитной ИС. Когда напряжение аккумулятора повышается до 4,2 В, трубка защиты от перезарядки FET1 прекращает зарядку. Чтобы предотвратить неправильное срабатывание, во внешнюю цепь обычно добавляют емкость задержки. Когда аккумулятор находится в состоянии разряда и напряжение аккумулятора падает до 2,55 В, контрольная трубка FET1 переразряда отключается, чтобы прекратить подачу питания на нагрузку. Защита от перегрузки по току контролирует FET1, чтобы прекратить разрядку на нагрузку, когда через нагрузку протекает большой ток, чтобы защитить батарею и приемник. Обнаружение перегрузки по току ИСПОЛЬЗУЕТ сопротивление включения-выключения гетеродина в качестве сопротивления обнаружения, контролирует падение напряжения и прекращает разряд, когда падение напряжения превышает установленное значение. Схема задержки обычно добавляется в схему, чтобы отличить пусковой ток от тока короткого замыкания. Эта функция схемы идеальна, производительность надежна, но специализация сильна, а специализированный блок интегральной схемы нелегко купить, любителю нелегко скопировать.

Vi. Простая схема зарядки:

Многие компании сейчас продают отдельные литий-ионные батареи без зарядных устройств. Его превосходные характеристики, низкая цена, могут использоваться для ремонта и замены самодельных изделий и литиевых батарей, что так нравится большинству любителей электроники. Заинтересованные читатели могут обратиться к рисунку 2, чтобы сделать плату для зарядки. Его принцип: используйте постоянное напряжение для зарядки аккумулятора, не допускайте перезарядки. Входное постоянное напряжение на 3 В выше, чем напряжение аккумуляторной батареи. R1, Q1, W1, TL431 составляют точную регулируемую цепь регулятора напряжения, Q2, W2, R2 составляют регулируемую цепь постоянного тока, Q3, R3, R4, R5, светодиод для цепи индикатора зарядки. По мере увеличения напряжения аккумуляторной батареи зарядный ток будет постепенно уменьшаться. После полной зарядки аккумулятора падение напряжения на R4 уменьшится, так что Q3 отключится и светодиод погаснет. Чтобы зарядить аккумулятор, продолжайте зарядку в течение 1-2 часов после того, как индикатор погаснет. При использовании установите подходящий радиатор для Q2 и Q3. Преимущества этой схемы: простота изготовления, легкость приобретения компонентов, безопасность зарядки, интуитивно понятный дисплей и отсутствие повреждений аккумулятора. Изменяя W1, можно заряжать несколько последовательных литиевых батарей, а изменяя W2, ток зарядки можно регулировать в широком диапазоне. Недостатки: отсутствие схемы контроля над разрядом. На рис. 3 представлена печатная схема зарядной платы (вид в перспективе с поверхности компонента).

Примеры применения одиночной литиевой батареи

1. Замените и отремонтируйте аккумуляторные батареи.

Существует много аккумуляторных блоков: например, такие, которые используются в ноутбуках, повреждаются только при ремонте отдельных аккумуляторов. Для замены можно выбрать подходящую одиночную литиевую батарею.

2. Сделайте яркий микро фонарик.

Автор использовал одну литиевую батарею 3.6v1.6ah в сочетании с белой сверхъяркой люминесцентной трубкой, чтобы сделать миниатюрный фонарик, которым удобно пользоваться, маленьким и красивым. Из-за емкости аккумулятора средняя продолжительность использования в течение получаса в течение ночи без подзарядки составляет более двух месяцев. Схема представлена на рисунке 4.

3. Заменить блок питания 3В.

Напряжение одной литиевой батареи составляет 3,6 В. Таким образом, только одна литиевая батарея может заменить две обычные батареи для питания радио, плеера, фотоаппарата и другой мелкой бытовой техники. Он не только легкий, но и может использоваться непрерывно в течение длительного времени.

Viii. Консервация литиевой батареи:

Перед хранением литиевые батареи необходимо полностью зарядить. Видимый при температуре ниже 20 ℃, может храниться более шести месяцев, литиевая батарея подходит для хранения при низкой температуре. Было высказано предположение, что аккумуляторные батареи следует хранить в холодильнике, что действительно является хорошей идеей.

Ix. Меры предосторожности при использовании:

Литиевую батарею категорически нельзя разбирать, сверлить, протыкать, распиливать, нажимать, нагревать, иначе могут возникнуть серьезные последствия. Литиевые батареи без зарядных площадок не должны замыкаться накоротко и не должны использоваться детьми. Беречь от легковоспламеняющихся и химических продуктов. Лом литиевые батареи следует утилизировать надлежащим образом. IV. Требования к зарядке и разрядке литиевой батареи;

1. Зарядка литиевой батареи: в соответствии со структурными характеристиками литиевой батареи максимальное напряжение завершения зарядки должно составлять 4,2 В, которое не может быть перезаряжено. В противном случае аккумулятор будет утилизирован из-за слишком большого количества ионов лития в положительном электроде. Его требования к заряду и разрядке высоки, может использоваться для зарядки зарядного устройства с постоянным током и постоянным напряжением. Обычно зарядка постоянным током преобразуется в зарядку постоянным напряжением после того, как оно достигает 4,2 В / узел. Когда зарядный ток при постоянном напряжении упадет до менее 100 мА, зарядку следует прекратить.

Ток зарядки (мА) = 0,1 ~ 1,5 емкости аккумулятора (например, ток зарядки аккумулятора 1350 мАч можно регулировать в диапазоне 135 ~ 2025 мА). Обычный зарядный ток может примерно в 0,5 раза превышать емкость аккумулятора, а время зарядки составляет около 2-3 часов.

2. Разряд литиевой батареи: из-за внутренней структуры литиевой батареи ионы лития не могут все перемещаться к положительному полюсу при разряде, и некоторые ионы лития должны оставаться на отрицательном полюсе, чтобы ионы лития могли плавно встраиваться в канал. при зарядке в следующий раз. В противном случае срок службы батареи соответственно сократится. Чтобы гарантировать, что некоторое количество ионов лития остается в графитовом слое после разряда, необходимо строго ограничивать минимальное напряжение прекращения разряда, то есть литиевая батарея не может быть чрезмерно разряжена. Напряжение прекращения разряда обычно составляет 3,0 В / узел, а минимальное напряжение не может быть ниже 2,5 В / узел. Продолжительность разряда батареи зависит от ее емкости и тока разряда. Время разряда батареи (ч) = емкость батареи / ток разряда. Ток разряда литиевой батареи (мА) не должен превышать емкость батареи в 3 раза. (если батарея 1000 мАч, ток разряда должен строго контролироваться в пределах 3А) в противном случае батарея будет повреждена.

В настоящее время литиевые аккумуляторные батареи, продаваемые на рынке, закрываются соответствующей платой защиты от заряда-разряда. Пока можно контролировать внешний ток заряда и разряда. Конструкция схемы зарядки литиевой батареи:

1. Стадия капельной зарядки. (при условии чрезмерного разряда АКБ и низкого напряжения)

Ниже 3,0 В. В среде внутри литиевой батареи произойдут некоторые физические изменения, что приведет к ухудшению характеристик зарядки и снижению емкости. На этом этапе литиевая батарея может заряжаться только медленно через струйку воды, а диэлектрик внутри литиевой батареи может медленно вернуться в нормальное состояние.

2. Стадия зарядки постоянным током. (аккумулятор восстановлен до нормального состояния из состояния чрезмерной разрядки)

Внешний вывод IC соединяется с резистором для определения. Значение сопротивления рассчитывается в соответствии с формулой, приведенной в паспорте ИС управления зарядкой.

3. Стадия зарядки с постоянным напряжением (более 85% заряда, медленное пополнение)

Когда емкость литиевой батареи достигает 85% (около значения), она должна снова перейти в стадию медленной зарядки. Медленно увеличивайте напряжение. Наконец, максимальное напряжение литиевой батареи составляет 4,2 В.

Контактный вывод BAT, который подключен к клемме литиевой батареи. В то же время этот вывод также является выводом для сбора напряжения литиевой батареи. ИС управления зарядкой литиевой батареи обнаруживает этот контакт, чтобы оценить каждое состояние батареи.

Схема питания A210

5 В подается на литиевую батарею от D2 до переключателя SW2 и от управления зарядкой ICMCP73831. Напряжение левой точки SW2 составляет 5–0,7 В = 4,3 В. Поскольку напряжение литиевой батареи ниже 4,3 В в левой точке SW2 как в полном, так и в неполном состоянии. Итак, D1 отрезан. ИС управления зарядкой может нормально заряжать литиевую батарею.

D2 и D1, LDORT9193 более позднего каскада напрямую подключены к выводу BAT, поэтому при подаче напряжения на IC будет неправильная оценка. Будет внешний источник питания, подключенный к 5 В, но литиевая батарея не будет заряжаться, и светодиодная индикация IC управления зарядкой также неверна. LDO нагрузки за кулисами не получит нормального входного напряжения (входное напряжение очень маленькое). В этом случае, пока входной вывод напряжения ИС управления зарядкой напрямую подключен к выводу BAT при коротком замыкании, все состояния снова нормальные, энергия зарядки может выполняться, и LDO нагрузки за кулисами работает нормально.

В момент, когда микросхема подключена к питанию, необходимо определить состояние BAT. Входной контакт LDO также подключен к ответвлению, соединяющему BAT и анод литиевой батареи, что повлияет на рабочее состояние контакта BAT и заставит ИС управления зарядкой перейти на этап капельной зарядки. Замкните накоротко контакт BAT и вход напряжения ИС управления зарядкой, чтобы напряжение на контакте BAT обязательно увеличилось, что заставляет ИС управления зарядкой делать вывод о том, что литиевая батарея вошла в этап зарядки с постоянным током, поэтому на выходе выводится большой ток. . Он способен управлять LDO и т. Д. На заднем этапе нагрузки.

D1 и D2 используют диоды с низким перепадом давления. Такие как германиевый диод, диод Шоттки, переключающая трубка MOSFET. В конструкции, требующей переключения батарей, диод с прямым падением напряжения 10 мВ и без обратного тока утечки является «роскошью» для разработчиков. Но диоды Шоттки, безусловно, лучший выбор с положительным падением напряжения от 300 до 500 мВ. Однако для некоторых схем переключения батарей даже диод Шоттки не может соответствовать проектным требованиям. Для эффективного преобразователя напряжения сэкономленная энергия может быть полностью потрачена на положительное падение напряжения на диоде. Чтобы эффективно экономить энергию батареи в системе низкого напряжения, следует выбрать переключатель питания MOSFET вместо диода. MOSFET с инкапсуляцией SOT и сопротивлением всего в несколько десятков миллиом может игнорировать падение напряжения на текущем уровне портативных продуктов.

MOSFET для переключения источника питания, лучше всего использовать падение напряжения проводимости диода, падение напряжения проводимости MOSFET и сравнение напряжения батареи, соотношение падения напряжения и напряжения батареи как потерю эффективности. Например, если для переключения Li + батарей используется диод Шоттки с положительным падением напряжения 350 мВ (номинальное значение 3,6 В), потери составят 9,7%; если он используется для переключения двух батареек АА (номинал 2,7 В), потери составляют 13%. Эти потери могут быть приемлемы в недорогой конструкции. Однако при использовании высокоэффективного DC-DC стоимость DC-DC сравнивается со стоимостью повышения эффективности модернизации диода до MOSFET.

MOSFET, но также учитывает характеристики разряда батареи, используемой в продукте. Характеристики разряда литиевой батареи следующие:

Когда литиевая батарея потребляет 90% электроэнергии при комнатной температуре, напряжение остается около 3,5 В. Выберите устройство LDO получше. При 3,5 В выходное напряжение останется стабильным на уровне 3,3 В.

С точки зрения LDORT9193, когда сопротивление нагрузки составляет 50 Ом, а ток нагрузки составляет 60 мА, соотношение между входным напряжением и выходным напряжением показано в следующей таблице:

2,8 В 2,65 В

V3.3 3,4 В

4,0 В 3,0 В

, даже когда литиевая батарея потребляет 90% электроэнергии, выходной конец LDO может стабильно выдавать 3,3 В. Согласно анализу схемы питания на рисунке 1 A210, после добавления кремниевого диода D1 входное напряжение LDO = 3,5-0,7В = 2,8В. Таким образом, пока модуль сжигает программу, которая может работать около 2,4 В, в этой схеме также можно использовать кремниевый диод.

С точки зрения характеристик схемы, германиевый диод или диод Шоттки - лучший выбор.

Какая схема, но также должны быть основаны на их собственных продуктах другой диапазон рабочего напряжения цепи и характеристики, затраты и другие аспекты рассмотрения.

1. Какой ток лучше всего подходит для зарядки литий-ионных аккумуляторов?

Литий-ионный аккумулятор сначала требует зарядки постоянным током, а именно должен быть током, и процесс зарядки напряжения аккумулятора постепенно увеличивается, когда напряжение аккумулятора 4,2 В, 4,1 В), зарядка с постоянным напряжением, вместо зарядки с постоянным током, для напряжения должен быть ток в зависимости от степени насыщения аккумуляторов, поскольку процесс зарядки продолжает постепенно снижаться, при снижении до 0,01 C считается прекращение зарядки. (C - это способ выражения номинальной емкости аккумулятора по сравнению с током. Например, емкость аккумулятора составляет 1000 мАч, 1C - это зарядный ток 1000 мА, обратите внимание, что это мА, а не Ач, а 0,01C - это 10 мА.) Почему 0,01С считается окончанием зарядки: это предусмотрено национальным стандартом GB / t18287-2000, и это тоже обсуждается. В прошлом люди обычно получали 20 мА, что также предусмотрено отраслевым стандартом YD / t998-1999 Министерства почты и телекоммуникаций. То есть независимо от емкости аккумулятора ток останова составляет 20 мА. Национальный стандарт 0,01 ° C способствует более полной зарядке, что позволяет производителю пройти аттестацию. Кроме того, национальный стандарт предусматривает, что время зарядки не должно превышать 8 часов, то есть, даже если оно не достигло 0,01 ° C, 8 часов считаются окончанием зарядки. (качество без проблем с аккумулятором, должно быть в пределах 8 часов при 0,01 ° C, качество аккумулятора плохое, также бессмысленное ожидание) литий-ионный или литий-полимерный аккумулятор, лучшая скорость зарядки 1 ° C, что означает, что аккумулятор на 1000 мАч должен При быстром токе зарядки 1000 мА зарядка с такой скоростью может обеспечить кратчайшее время зарядки и не ухудшит характеристики аккумуляторной батареи и не сократит срок службы. Для аккумуляторов с увеличивающейся емкостью для достижения этой удовлетворительной скорости зарядки неизбежно увеличение значения зарядного тока.

2. Какое напряжение наиболее подходящее для зарядки литий-ионных аккумуляторов?

Номинальное напряжение литий-ионного аккумулятора 3,7 В (3,6 В), напряжение отключения при зарядке 4,2 В (4,1 В, в зависимости от марки элемента имеет разную конструкцию), как отличить аккумулятор: 4,1 В или 4,2 В: потребители не могут различить, это зависит от технических характеристик продукта производителя элемента. Некоторые марки ячеек универсальные 4,1в и 4,2в, например A&TB (Toshiba), отечественные производители в основном 4,2в. Как насчет зарядки элемента с 4,1 В до 4,2 В: это увеличит емкость аккумулятора, сделает его удобным в использовании, увеличит время ожидания, но сократит срок службы аккумулятора. Скажем, я перехожу с 500 до 300. Точно так же, если аккумулятор 4,2 В перезаряжается, его срок службы сокращается. Литий-ионные элементы хрупкие. Можем ли мы быть уверены, что в батарее есть защитная пластина? Нет, поскольку параметр отсечки защитной пластины составляет 4,35 В (что все еще хорошо, плохое - 4,4-4,5 В), с защитной пластиной следует иметь дело на случай, если батарея скоро разложится, если она будет перезаряжена. каждый раз.

Каковы технические характеристики аккумулятора яблочного iPhone?

Характеристики аккумулятора Apple iPhone: номинальное напряжение 3,7 В, напряжение отключения зарядки 4,2 В, емкость аккумулятора 1400 мАч. Согласно тому, что мы сказали выше, оптимальная скорость зарядки составляет 1С, для начала зарядки требуется ток, достигающий 1400 мА, а напряжение - 3,7 В. После того, как напряжение достигает 4,2 В, начинается зарядка с постоянным напряжением, пока не будет достигнуто значение 0,01c, то есть зарядка 14 мА прекращается.

4. Каковы напряжение и ток интерфейса USB и зарядного устройства соответственно?

Ток интерфейса USB составляет 500 мА, а напряжение составляет + 5 В. Если вы откроете HWinfo в процессе зарядки, вы увидите ExternalPower. Одна вещь - зарядное устройство на 500 мА, предназначенное для iPhone. В заключение, когда вы используете usb для зарядки, напряжение составляет + 5 В, а ток всего 500 мА. Мы знаем, что этот метод увеличит емкость батареи, обратившись к ответам на вопросы 1 и 2, что очень круто в использовании, но сократит срок службы батареи. Когда вы используете зарядное устройство для зарядки, вы можете спросить, а разве вы не говорили, что лучший тариф - 1С? Тогда iPhone должен иметь зарядный ток 1400 мА, да, но в стране есть правила, национальный стандарт зарядки с низким энергопотреблением составляет 0,2 с (арбитражная система зарядки), также возьмем, например, аккумулятор iPhone емкостью 1400 мАч, теоретически составляет 280 мА. чем меньше размер батареи, тем лучше. Но вы не можете ждать три дня, чтобы зарядить аккумулятор. (емкость мАч = ток в мА * время в час), поэтому Apple выбрала 0,7c, большинство батарей - от 0,5c до 0,8c 5, вы можете выбрать! Понятно, что некоторые люди используют usb для зарядки, что кажется долгим, но за счет времени автономной работы.