4 простых схемы зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов - с использованием LM317, NE555, LM324

В следующем посте объясняются четыре простых, но безопасных способа зарядки литий-ионного аккумулятора с использованием обычных микросхем, таких как LM317 и NE555, которые может быть легко сконструирован дома любым новым любителем.

Хотя литий-ионные батареи являются уязвимыми устройствами, их можно заряжать с помощью более простых схем, если скорость зарядки не вызывает значительного нагревания батареи, и если пользователь не возражает против небольшой задержки в периоде зарядки элемента.

Пользователям, которым нужна быстрая зарядка аккумулятора, не следует использовать описанные ниже концепции, вместо этого они могут использовать один из них. профессиональные умные конструкции .

Основные факты о литий-ионной зарядке

Прежде чем изучать процедуры построения литий-ионного зарядного устройства, нам было бы важно знать основные параметры, связанные с зарядкой литий-ионного аккумулятора.

В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, литий-ионные аккумуляторы можно заряжать при очень высоких начальных токах, которые могут достигать номинальной емкости аккумулятора в Ач. Это называется зарядкой со скоростью 1С, где С - значение емкости аккумулятора в ампер-часах.

Сказав это, никогда не рекомендуется использовать эту экстремальную скорость, так как это будет означать зарядку аккумулятора в очень напряженных условиях из-за повышения его температуры. Поэтому скорость 0,5C считается стандартным рекомендуемым значением.

0.5C означает, что зарядный ток составляет 50% от значения Ач батареи. В условиях тропического лета даже такая скорость может превратиться в неблагоприятную для батареи из-за существующей высокой температуры окружающей среды.

Требует ли зарядка литий-ионного аккумулятора сложных факторов?

Точно нет. На самом деле это чрезвычайно удобный вид аккумулятора, который заряжается с минимальными усилиями, хотя эти минимальные соображения важны и должны соблюдаться в обязательном порядке.

Вот несколько важных, но легко реализуемых соображений: автоматическое отключение при полном уровне заряда, постоянное напряжение и постоянный входной ток.

Следующее объяснение поможет лучше понять это.

На следующем графике показана идеальная процедура зарядки стандартного литий-ионного элемента 3,7 В, рассчитанного на 4,2 В в качестве полного уровня заряда.

Этап 1 : На начальном этапе №1 мы видим, что напряжение батареи повышается с уровня 0,25 В до 4,0 В примерно за один час при скорости зарядки постоянным током 1 А. На это указывает СИНЯЯ линия. 0,25 В используется только для ориентировочных целей, фактический элемент 3,7 В никогда не должен разряжаться ниже 3 В.

Этап №2: На этапе № 2 зарядка поступает в состояние заряда насыщения , где напряжение достигает максимального уровня заряда 4,2 В, а потребление тока начинает падать. Это падение текущего показателя продолжится в течение следующих нескольких часов. Зарядный ток обозначен КРАСНОЙ пунктирной линией.

Этап # 3 : По мере того, как ток падает, он достигает самого низкого уровня, который ниже 3% от номинальной мощности ячейки.

Как только это произойдет, питание на входе отключается, и ячейке дают возможность успокоиться еще на 1 час.

Через час напряжение на ячейке показывает реальное State-Of-Charge или SoC ячейки. SoC элемента или аккумулятора - это оптимальный уровень заряда, которого он достиг после курса полной зарядки, и этот уровень показывает фактический уровень, который можно использовать для данного приложения.

В этом состоянии мы можем сказать, что состояние ячейки готово к использованию.

Этап # 4 : В ситуациях, когда элемент не используется в течение длительного времени, время от времени применяется дополнительная зарядка, при этом ток, потребляемый элементом, составляет менее 3% от его значения Ач.

Помните, что хотя график показывает, что элемент заряжается даже после того, как он достиг 4,2 В, это категорически не рекомендуется во время практической зарядки литий-ионного аккумулятора . Электропитание должно автоматически отключаться, как только в ячейке достигается уровень 4,2 В.

Итак, что в основном предлагает график?

1. Используйте входной источник питания с фиксированным током и фиксированным выходным напряжением, как описано выше. (Обычно это может быть = Напряжение на 14% выше указанного значения, Ток 50% от значения Ач, меньший ток, чем это, также будет работать хорошо, хотя время зарядки будет пропорционально увеличиваться)
2. Зарядное устройство должно иметь автоматическое отключение при рекомендуемом уровне полной зарядки.
3. Управление температурой или контроль для батареи может не потребоваться, если входной ток ограничен значением, которое не вызывает нагревания батареи.

Если у вас нет автоматического отключения, просто ограничьте вход постоянного напряжения до 4,1 В.

1) Простейшее литий-ионное зарядное устройство с использованием одного полевого МОП-транзистора

Если вы ищете самую дешевую и простую схему зарядного устройства Li-Ion, то лучшего варианта, чем этот, быть не может.

Эта конструкция не имеет регулирования температуры, поэтому рекомендуется более низкий входной ток.

Один полевой МОП-транзистор, предустановка или подстроечный резистор и резистор на 470 Ом 1/4 Вт - это все, что вам нужно для создания простой и безопасной схемы зарядного устройства.

Перед подключением выхода к литий-ионному элементу убедитесь в нескольких вещах.

1) Поскольку вышеуказанная конструкция не включает регулирование температуры, входной ток должен быть ограничен до уровня, который не вызывает значительного нагрева элемента.

2) Отрегулируйте предварительную настройку, чтобы получить ровно 4,1 В на клеммах зарядки, к которым предполагается подключить элемент. Отличный способ исправить это - подключить точный стабилитрон вместо предустановленного и заменить 470 Ом резистором 1 К.

Для тока, как правило, будет подходящим постоянный входной ток около 0,5 ° C, что составляет 50% от значения мАч ячейки.

Добавление текущего контроллера

Если входной источник не управляется током, в этом случае мы можем быстро модернизировать вышеуказанную схему с помощью простого каскада управления током BJT, как показано ниже:

RX = 07 / Максимальный ток зарядки

Преимущество литий-ионного аккумулятора

Основным преимуществом литий-ионных элементов является их способность принимать заряд быстро и эффективно. Однако литий-ионные элементы имеют плохую репутацию слишком чувствительных к неблагоприятным воздействиям, таким как высокое напряжение, большой ток и, что наиболее важно, чрезмерная зарядка.

При зарядке в любых из вышеперечисленных условий элемент может стать слишком теплым, и, если условия сохранятся, это может привести к утечке жидкости элемента или даже к взрыву, что в конечном итоге приведет к необратимому повреждению элемента.

При любых неблагоприятных условиях зарядки первое, что происходит с аккумулятором, - это повышение его температуры, и в предлагаемой концепции схемы мы используем эту характеристику устройства для выполнения требуемых операций безопасности, когда аккумулятор никогда не может достигать высоких температур, сохраняя параметры хорошо под требуемые спецификации ячейки.

2) Использование LM317 в качестве ИС контроллера

В этом блоге мы встретили много схемы зарядного устройства на микросхемах LM317 и LM338 которые являются наиболее универсальными и наиболее подходящими устройствами для обсуждаемых операций.

Здесь мы также используем микросхему LM317, хотя это устройство используется только для генерации необходимого регулируемого напряжения и тока для подключенного литий-ионного элемента.

Фактическая функция считывания выполняется парой NPN-транзисторов, которые расположены так, что они входят в физический контакт с заряженным элементом.

Глядя на данную принципиальную схему, получаем три типа защиты одновременно:

Когда питание подается на установку, IC 317 ограничивает и генерирует выходной сигнал, равный 3,9 В, для подключенной литий-ионной батареи.

1. В Резистор 640 ом гарантирует, что это напряжение никогда не превышает предел полной зарядки.
2. Два NPN-транзистора, подключенных в стандартном режиме Дарлингтона к выводу ADJ IC, контролируют температуру ячейки.
3. Эти транзисторы также работают как ограничитель тока , предотвращая перегрузку по току для литий-ионного элемента.

Мы знаем, что если вывод ADJ IC 317 заземлен, ситуация полностью отключает выходное напряжение от него.

Это означает, что если проводящие транзисторы вызовут короткое замыкание контакта ADJ на землю, что приведет к отключению выхода на батарею.

Имея в наличии вышеупомянутую функцию, пара Darlingtom выполняет несколько интересных функций безопасности.

Резистор 0,8, подключенный к его базе и земле, ограничивает максимальный ток примерно до 500 мА, если ток имеет тенденцию превышать этот предел, напряжение на резисторе 0,8 Ом становится достаточным для активации транзисторов, которые `` дросселируют '' выход IC. , и препятствует дальнейшему увеличению тока. Это, в свою очередь, помогает предохранить аккумулятор от нежелательного тока.

Использование определения температуры в качестве параметра

Однако основная функция безопасности, выполняемая транзисторами, - это обнаружение повышения температуры литий-ионной батареи.

Транзисторы, как и все полупроводниковые устройства, имеют тенденцию проводить ток более пропорционально с увеличением температуры окружающей среды или их тела.

Как уже говорилось, эти транзисторы должны находиться в плотном физическом контакте с батареей.

Теперь предположим, что в случае, если температура элемента начнет повышаться, транзисторы отреагируют на это и начнут проводить, проводимость мгновенно приведет к тому, что контакт ADJ IC будет больше подвергаться воздействию потенциала земли, что приведет к снижению выходного напряжения.

С уменьшением зарядного напряжения также будет уменьшаться повышение температуры подключенного литий-ионного аккумулятора. Результатом является контролируемая зарядка ячейки, гарантирующая, что ячейка никогда не перестанет убегать, и поддерживает безопасный профиль зарядки.

Вышеупомянутая схема работает по принципу температурной компенсации, но в ней нет функции автоматического отключения избыточного заряда, поэтому максимальное напряжение зарядки установлено на уровне 4,1 В.

Без температурной компенсации

Если вы хотите избежать проблем с контролем температуры, вы можете просто проигнорировать пару Дарлингтона BC547 и использовать вместо нее один BC547.

Теперь он будет работать только как источник питания с регулируемым током / напряжением для литий-ионного элемента. Вот необходимый модифицированный дизайн.

Трансформатор может быть трансформатором 0-6 / 9 / 12В

Поскольку здесь не используется регулирование температуры, убедитесь, что значение Rc правильно выбрано для скорости 0,5 C. Для этого можно использовать следующую формулу:

Rc = 0,7 / 50% от значения Ач

Предположим, что значение Ач напечатано как 2800 мАч. Тогда указанная выше формула может быть решена как:

Rc = 0,7 / 1400 мА = 0,7 / 1,4 = 0,5 Ом

Мощность будет 0,7 х 1,4 = 0,98, или просто 1 ватт.

Точно так же убедитесь, что предустановка 4k7 настроена на точное значение 4,1 В на выходных клеммах.

После выполнения вышеуказанных настроек вы можете безопасно заряжать предполагаемую литий-ионную батарею, не беспокоясь о любых неблагоприятных ситуациях.

Поскольку при 4,1 В мы не можем считать аккумулятор полностью заряженным.

Чтобы противодействовать вышеуказанному недостатку, автоматическое отключение становится более предпочтительным, чем описанная выше концепция.

В этом блоге я обсуждал многие схемы автоматического зарядного устройства операционных усилителей, любая из них может быть применена для предлагаемой конструкции, но, поскольку мы заинтересованы в том, чтобы конструкция оставалась простой и дешевой, можно попробовать альтернативную идею, которая показана ниже.

Использование SCR для отсечки

Если вас интересует только автоматическое отключение без контроля температуры, вы можете попробовать описанную ниже конструкцию на основе SCR. SCR используется через ADJ и землю IC для операции фиксации. Затвор оснащен выходом таким образом, что, когда потенциал достигает примерно 4,2 В, SCR срабатывает и фиксируется, отключая питание батареи навсегда.

Порог можно отрегулировать следующим образом:

Изначально оставьте предустановку 1K настроенной на уровень земли (крайний справа), подайте внешний источник напряжения 4,3 В на выходные клеммы.
Теперь медленно отрегулируйте предустановку, пока SCR не сработает (загорится светодиод).

Это устанавливает схему для автоматического отключения.

Как настроить вышеуказанный контур

Изначально удерживайте центральный рычаг ползунка предустановки касанием шины заземления цепи.

Теперь, не подключая аккумуляторный переключатель к источнику питания, проверьте выходное напряжение, которое, естественно, будет показывать полный уровень заряда, установленный резистором 700 Ом.

Затем очень умело и осторожно отрегулируйте предустановку до тех пор, пока SCR не сработает, отключив выходное напряжение до нуля.

Вот и все, теперь вы можете считать, что схема настроена.

Подключите разряженную батарею, включите питание и проверьте реакцию, предположительно, SCR не сработает, пока не будет достигнут установленный порог, и отключится, как только батарея достигнет установленного порога полной зарядки.

3) Схема зарядного устройства литий-ионной батареи с использованием IC 555

Вторая простая конструкция объясняет простую, но точную схему автоматического зарядного устройства литий-ионных аккумуляторов с использованием вездесущего IC 555.

Зарядка литий-ионной батареи может быть критической

Литий-ионный аккумулятор, как мы все знаем, необходимо заряжать в контролируемых условиях, если он заряжается обычными средствами, это может привести к повреждению или даже взрыву аккумулятора.

В основном литий-ионные аккумуляторы не любят перезаряжать свои ячейки. Как только элементы достигают верхнего порогового значения, необходимо отключить зарядное напряжение.

Следующая схема зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов очень эффективно соответствует указанным выше условиям, так что подключенному аккумулятору никогда не разрешается превышать предел заряда.

Когда IC 555 используется в качестве компаратора, его контакты № 2 и № 6 становятся эффективными входами для определения нижнего и верхнего пределов порогового напряжения в зависимости от настройки соответствующих предварительных настроек.

Контакт № 2 контролирует пороговый уровень низкого напряжения и переключает выход на высокий логический уровень в случае, если уровень падает ниже установленного предела.

И наоборот, контакт № 6 контролирует верхний порог напряжения и переключает выходной сигнал на низкий при обнаружении уровня напряжения выше установленного верхнего предела обнаружения.

В основном, действия верхнего выключателя и нижнего переключателя должны быть установлены с помощью соответствующих предустановок, удовлетворяющих стандартным спецификациям IC, а также подключенной батареи.

Предустановка, относящаяся к выводу № 2, должна быть установлена ​​так, чтобы нижний предел соответствовал 1/3 от Vcc, и аналогичная предустановка, связанная с выводом № 6, должна быть установлена ​​так, чтобы верхний предел отсечки соответствовал 2/3 от Vcc, как в соответствии со стандартными правилами IC 555.

Как это устроено

Полное функционирование предлагаемой схемы зарядного устройства Li-Ion с использованием IC 555 происходит, как объясняется в следующем обсуждении:

Предположим, что полностью разряженный литий-ионный аккумулятор (около 3,4 В) подключен к выходу схемы, показанной ниже.

Предполагая, что нижний порог установлен где-то выше уровня 3,4 В, контакт №2 немедленно определяет ситуацию низкого напряжения и подтягивает выходной сигнал к высокому уровню на контакте №3.

Высокий уровень на выводе №3 активирует транзистор, который включает питание подключенной батареи.

Теперь аккумулятор постепенно начинает заряжаться.

Как только батарея достигает полного заряда (при 4,2 В), если верхний порог отключения на контакте № 6 установлен на уровне около 4,2 В, уровень измеряется на контакте № 6, который немедленно переключает выход на низкий.

Низкий выход мгновенно отключает транзистор, что означает, что вход для зарядки теперь заблокирован или отключен от батареи.

Включение транзисторного каскада также обеспечивает возможность зарядки литий-ионных элементов с более высоким током.

Трансформатор должен быть выбран с напряжением, не превышающим 6 В, и номинальным током, составляющим 1/5 от номинала батареи AH.

Принципиальная электрическая схема

Если вам кажется, что вышеприведенный дизайн слишком сложен, вы можете попробовать следующий дизайн, который выглядит намного проще:

Как настроить схему

Подключите полностью заряженную батарею к указанным точкам и отрегулируйте предустановку таким образом, чтобы реле просто деактивировалось из положения Н / З в положение Н / Н ... делайте это, не подключая к цепи вход постоянного тока для зарядки.

Как только это будет сделано, вы можете предположить, что цепь настроена и может использоваться для автоматического отключения питания от батареи при полной зарядке.

Во время фактической зарядки убедитесь, что входной ток зарядки всегда ниже, чем номинал батареи AH, то есть, если предположить, что батарея AH составляет 900 мАч, входной ток не должен превышать 500 мА.

Батарею следует извлечь, как только реле выключится, чтобы предотвратить саморазряд батареи из-за предустановки 1K.

IC1 = IC555

Все резисторы - CFR 1/4 Вт.

Распиновка IC 555

Вывод

Хотя представленные выше конструкции технически правильны и будут выполнять задачи в соответствии с предложенными спецификациями, на самом деле они кажутся излишними.

Объясняется простой, но эффективный и безопасный способ зарядки Li-Ion Cell. в этом посте , и эта схема может быть применима ко всем формам аккумуляторов, поскольку она отлично заботится о двух важнейших параметрах: постоянный ток и автоматическое отключение при полном заряде. Предполагается, что от источника заряда поступает постоянное напряжение.

4) Зарядка многих литий-ионных аккумуляторов

В статье объясняется простая схема, которую можно использовать для быстрой одновременной параллельной зарядки не менее 25 литий-ионных элементов от одного источника напряжения, такого как аккумулятор 12 В или солнечная панель на 12 В.

Идея была предложена одним из ярых подписчиков этого блога, давайте послушаем:

Совместная зарядка нескольких литий-ионных аккумуляторов

Можете ли вы помочь мне разработать схему для одновременной зарядки 25 литий-ионных аккумуляторов (3,7–800 мА каждый). Мой источник питания от батареи 12v- 50AH. Также дайте мне знать, сколько ампер 12-вольтовой батареи будет потребляться этой настройкой в ​​час ... заранее спасибо.

Дизайн

Что касается зарядки, литий-ионные элементы требуют более строгих параметров по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами.

Это становится особенно важным, потому что литий-ионные элементы имеют тенденцию выделять значительное количество тепла в процессе зарядки, и если это тепловыделение выходит за рамки контроля, это может привести к серьезному повреждению элемента или даже к возможному взрыву.

Однако одна хорошая вещь в литий-ионных элементах заключается в том, что они могут изначально заряжаться с полной скоростью 1С, в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, которые не позволяют заряжать более чем С / 5.

Вышеупомянутое преимущество позволяет литий-ионным элементам заряжаться в 10 раз быстрее, чем их свинцово-кислотный аналог.

Как обсуждалось выше, поскольку управление теплом становится решающей проблемой, при надлежащем управлении этим параметром все остальное становится довольно простым.

Это означает, что мы можем заряжать литий-ионные элементы с полной скоростью 1С, не беспокоясь ни о чем, если у нас есть что-то, что контролирует тепловыделение от этих элементов и инициирует необходимые корректирующие меры.

Я попытался реализовать это, подключив отдельную цепь датчика тепла, которая контролирует тепло от ячеек и регулирует ток зарядки в случае, если тепло начинает отклоняться от безопасного уровня.

Контроль температуры со скоростью 1 ° C имеет решающее значение

На первой схеме ниже показана точная схема датчика температуры с использованием микросхемы LM324. Здесь были задействованы три ее операционных усилителя.

Диод D1 представляет собой 1N4148, который эффективно действует как датчик температуры. Напряжение на этом диоде падает на 2 мВ с повышением температуры на каждый градус.

Это изменение напряжения на D1 побуждает A2 изменить свою выходную логику, которая, в свою очередь, заставляет A3 постепенно увеличивать свое выходное напряжение соответственно.

Выход A3 подключен к светодиоду оптопары. Согласно настройке P1, выходной сигнал A4 имеет тенденцию увеличиваться в ответ на тепло от элемента, пока, в конце концов, не загорится подключенный светодиод, а внутренний транзистор оптического сигнала не станет проводящим.

Когда это происходит, оптранзистор подает 12 В на схему LM338 для инициирования необходимых корректирующих действий.

На второй схеме показан простой регулируемый источник питания на микросхеме LM338. Поток 2k2 настроен на подачу точно 4,5 В на подключенные литий-ионные элементы.

Предыдущая схема IC741 представляет собой схему отключения при избыточном заряде, которая контролирует заряд по элементам и отключает питание, когда оно достигает значения выше 4,2 В.

BC547 слева рядом с ICLM338 вводится для применения соответствующих корректирующих действий, когда ячейки начинают нагреваться.

В случае, если элементы становятся слишком горячими, питание от оптопары датчика температуры попадает на транзистор LM338 (BC547), транзистор проводит ток и мгновенно отключает выход LM338, пока температура не снизится до нормального уровня, этот процесс продолжается до тех пор, пока Ячейки полностью заряжаются, когда IC 741 активируется и навсегда отключает ячейки от источника.

Всего 25 ячеек могут быть подключены к этой схеме параллельно, каждая положительная линия должна включать отдельный диод и резистор 5 Ом 1 Вт для равномерного распределения заряда.

Весь блок ячеек должен быть закреплен на общей алюминиевой платформе, чтобы тепло равномерно рассеивалось по алюминиевой пластине.

D1 должен быть надлежащим образом приклеен к этой алюминиевой пластине, чтобы рассеиваемое тепло оптимально воспринималось датчиком D1.

Автоматическое зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов и схема контроллера.

Вывод

• Основными критериями, которые необходимо соблюдать для любого аккумулятора, являются: зарядка при удобных температурах и отключение источника питания, как только он достигнет полной зарядки. Это основная вещь, которой вам нужно следовать, независимо от типа батареи. Вы можете контролировать это вручную или сделать это автоматически, в обоих случаях аккумулятор будет заряжаться безопасно и работать дольше.
• Ток зарядки / разрядки отвечает за температуру батареи, если она слишком высока по сравнению с температурой окружающей среды, ваша батарея сильно пострадает в долгосрочной перспективе.
• Второй важный фактор - никогда не позволять батарее сильно разряжаться. Продолжайте восстанавливать полный уровень заряда или увеличивайте его, когда это возможно. Это гарантирует, что аккумулятор никогда не достигнет нижнего уровня разряда.
• Если вам сложно контролировать это вручную, вы можете выбрать автоматический контур, как описано на этой странице .

Есть еще сомнения? Пожалуйста, дайте им возможность пройти через поле для комментариев ниже