4 прости вериги за зарядно устройство за литиево-йонна батерия - с помощта на LM317, NE555, LM324

Следващият пост обяснява четири прости, но безопасни начина за зареждане на литиево-йонна батерия с помощта на обикновени интегрални схеми като LM317 и NE555, които могат лесно да бъдат конструирани у дома от всеки нов любител.

Въпреки че Li-Ion батериите са уязвими устройства, те могат да се зареждат чрез по-опростени схеми, ако скоростта на зареждане не води до значително затопляне на батерията и ако потребителят няма нищо против леко забавяне в периода на зареждане на клетката.

За потребители, които искат бързо зареждане на батерията, не трябва да използват обяснените по-долу концепции, вместо това могат да използват една от тях професионални интелигентни дизайни .

Основни факти за Li-Ion зареждане

Преди да научим строителните процедури на литиево-йонно зарядно, за нас би било важно да знаем основните параметри, свързани със зареждащата се литиево-йонна батерия.

За разлика от оловно-киселинната батерия, литиево-йонната батерия може да се зарежда при значително високи начални токове, които могат да достигнат степента на Ah на самата батерия. Това се нарича зареждане със скорост 1C, където C е стойността на Ah на батерията.

Като казахте това, никога не е препоръчително да използвате тази екстремна скорост, тъй като това би означавало зареждане на батерията при силно стресови условия поради повишаване на нейната температура. Следователно скорост от 0,5 ° С се счита за стандартна препоръчителна стойност.

0.5C означава скорост на тока на зареждане, която е 50% от стойността на Ah на батерията. При тропически летни условия дори тази скорост може да се превърне в неблагоприятна скорост за батерията поради съществуващата висока околна температура.

Зареждането на литиево-йонна батерия изисква ли сложни съображения?

Абсолютно не. Всъщност това е изключително приятелска форма на батерията и ще се зарежда с минимални съображения, въпреки че тези минимални съображения са от съществено значение и трябва да се спазват непременно.

Няколко критични, но лесни за изпълнение съображения са: автоматично изключване при пълно ниво на зареждане, постоянно напрежение и постоянен ток на входа.

Следващото обяснение ще помогне да се разбере по-добре това.

Следващата графика предлага идеалната процедура за зареждане на стандартна 3,7 V Li-Ion клетка, оценена с 4,2 V като пълно ниво на зареждане.

Етап 1 : В началния етап # 1 виждаме, че напрежението на батерията се повишава от 0,25 V до 4,0 V ниво за около един час при постоянен ток на зареждане от 1 ампера. Това се обозначава със СИНАТА линия. 0,25 V е само с ориентировъчна цел, действителна клетка от 3,7 V никога не трябва да се разрежда под 3 V.

Етап 2: На етап # 2 зареждането влиза в състояние на зареждане на насищане , където напрежението достига пик до пълното ниво на заряд от 4,2 V и консумацията на ток започва да спада. Този спад в текущата ставка продължава през следващите няколко часа. Зарядният ток се обозначава с ЧЕРВЕНА пунктирана линия.

Етап # 3 : Тъй като токът пада, той достига най-ниското си ниво, което е по-ниско от 3% от рейтинга на Ah на клетката.

След като това се случи, входното захранване се изключва и клетката се оставя да се уталожи за още 1 час.

След един час напрежението на клетката показва реалното Държавно таксуване или SoC на клетката. SoC на клетка или батерия е оптималното ниво на зареждане, което е достигнал след курс на пълно зареждане и това ниво показва действителното ниво, което може да се използва за дадено приложение.

В това състояние можем да кажем, че състоянието на клетката е готово за използване.

Етап # 4 : В ситуации, в които клетката не се използва за дълги периоди, от време на време се прилага зареждане, при което токът, консумиран от клетката, е под 3% от нейната стойност Ah.

Не забравяйте, че въпреки че графиката показва зареждането на клетката дори след като е достигнала 4,2 V, това е строго не се препоръчва по време на практическо зареждане на Li-Ion клетка . Захранването трябва да бъде автоматично прекъснато, веднага щом клетката достигне ниво от 4,2 V.

И така, какво основно предлага графиката?

1. Използвайте входно захранване, което има фиксиран ток и фиксирано напрежение, както е обсъдено по-горе. (Обикновено това може да бъде = Напрежение 14% по-високо от отпечатаната стойност, Ток 50% от стойността на Ah, по-нисък ток от това също ще работи добре, въпреки че времето за зареждане ще се увеличи пропорционално)
2. Зарядното устройство трябва да има автоматично изключване при препоръчаното ниво на пълно зареждане.
3. Управление на температурата или контрол на батерията може да не се изисква, ако входният ток е ограничен до стойност, която не причинява затопляне на батерията

Ако нямате автоматично изключване, просто ограничете входа на постоянно напрежение до 4,1 V.

1) Най-простото Li-Ion зарядно устройство, използващо един MOSFET

Ако търсите най-евтината и най-простата схема на Li-Ion зарядно устройство, тогава не може да има по-добър вариант от този.

Този дизайн е без регулиране на температурата, поради което се препоръчва по-нисък входен ток

Единичен MOSFET, предварително зададена настройка или тример и 470 омов 1/4 ватен резистор е всичко, от което се нуждаете, за да направите проста и безопасна схема на зарядното устройство.

Преди да свържете изхода към Li-Ion клетка, уверете се в няколко неща.

1) Тъй като горният дизайн не включва регулиране на температурата, входният ток трябва да бъде ограничен до ниво, което не причинява значително нагряване на клетката.

2) Регулирайте предварително зададената настройка, за да получите точно 4,1 V през терминалите за зареждане, където клетката трябва да бъде свързана. Чудесен начин да се коригира това е да се свърже точен ценеров диод на мястото на предварително зададената и да се замени 470 ома с 1 K резистор.

За тока обикновено постоянният токов вход от около 0.5C би бил точно, това е 50% от стойността на mAh на клетката.

Добавяне на текущ контролер

Ако входният източник не се контролира по ток, в този случай можем бързо да надстроим горната верига с прост етап на управление на тока BJT, както е показано по-долу:

RX = 07 / Максимален ток на зареждане

Предимство на Li-Ion батерията

Основното предимство на Li-Ion клетките е способността им да приемат заряд бързо и ефективно. Литиево-йонните клетки обаче имат лошата репутация, че са твърде чувствителни към неблагоприятни входове като високо напрежение, висок ток и най-важното при условията на зареждане.

Когато се зарежда при някое от горните условия, клетката може да се нагрее твърде много и ако условията продължат, може да доведе до изтичане на клетъчната течност или дори до експлозия, в крайна сметка ще нарани клетката за постоянно.

При всякакви неблагоприятни условия на зареждане първото нещо, което се случва с клетката, е повишаването на нейната температура и в предложената концепция на веригата ние използваме тази характеристика на устройството за изпълнение на необходимите операции за безопасност, където клетката никога не може да достигне високи температури, поддържайки параметрите под необходимите спецификации на клетката.

2) Използване на LM317 като IC на контролера

В този блог сме попаднали на много схеми на зарядно устройство за батерии, използващи IC LM317 и LM338 кои са най-универсалните и най-подходящите устройства за обсъжданите операции.

И тук използваме IC LM317, въпреки че това устройство се използва само за генериране на необходимото регулирано напрежение и ток за свързаната Li-Ion клетка.

Действителната сензорна функция се осъществява от двойката NPN транзистори, които са разположени така, че да влязат във физически контакт с заредената клетка.

Разглеждайки дадената електрическа схема, получаваме три вида защити едновременно:

Когато захранването се приложи към настройката, IC 317 ограничава и генерира изход, равен на 3,9 V към свързаната литиево-йонна батерия.

1. The 640 ома резистор гарантира, че това напрежение никога не надвишава границата на пълното зареждане.
2. Два NPN транзистора, свързани в стандартен режим на Дарлингтън към щифта ADJ на IC, контролират клетъчната температура.
3. Тези транзистори също работят като ограничител на тока , предотвратявайки свръх текущата ситуация за Li-Ion клетката.

Знаем, че ако ADJ щифтът на IC 317 е заземен, ситуацията напълно изключва изходното напрежение от него.

Това означава, че ако проводниците на транзисторите биха причинили късо съединение на щифта на ADJ към земята, причинявайки изхода на батерията да се изключи.

С горната функция в ръка, тук двойката Darlingtom изпълнява няколко интересни функции за безопасност.

0.8 резисторът, свързан през основата и земята, ограничава максималния ток до около 500 mA, ако токът има тенденция да надвишава тази граница, напрежението на резистора от 0.8 ома става достатъчно, за да активира транзисторите, които 'задушават' изхода на IC , и инхибира всяко по-нататъшно покачване на тока. Това от своя страна помага на батерията да не получава нежелани количества ток.

Използване на откриване на температура като параметър

Основната функция за безопасност, която се провежда от транзисторите, е засичането на повишаване на температурата на Li-Ion батерията.

Транзисторите като всички полупроводникови устройства са склонни да провеждат ток по-пропорционално с увеличаване на околната среда или телесните им температури.

Както беше обсъдено, тези транзистори трябва да бъдат разположени в близък физически контакт с батерията.

Сега, да предположим, че в случай, че температурата на клетката започне да се повишава, транзисторите ще реагират на това и ще започнат да провеждат, проводимостта незабавно ще доведе до това, че ADJ щифтът на IC ще бъде подложен повече на потенциала на земята, което ще доведе до намаляване на изходното напрежение.

С намаляване на зарядното напрежение повишаването на температурата на свързаната Li-Ion батерия също ще намалее. Резултатът е контролирано зареждане на клетката, като се гарантира, че клетката никога няма да избяга и поддържа безопасен профил на зареждане.

Горната схема работи с принципа на температурната компенсация, но не включва функция за автоматично прекъсване на зареждането и следователно максималното напрежение на зареждане е фиксирано на 4,1 V.

Без компенсация на температурата

Ако искате да избегнете неприятностите с контрола на температурата, можете просто да игнорирате двойката Дарлингтън BC547 и вместо това да използвате един BC547.

Сега това ще работи само като ток / напрежение, контролирано от Li-Ion клетка. Ето необходимия модифициран дизайн.

Трансформаторът може да бъде трансформатор 0-6 / 9 / 12V

Тъй като тук не се използва контрол на температурата, уверете се, че стойността на Rc е правилно оразмерена за скорост 0,5 C. За това можете да използвате следната формула:

Rc = 0.7 / 50% от стойността на Ah

Да предположим, че стойността на Ah е отпечатана като 2800 mAh. Тогава горната формула може да бъде решена като:

Rc = 0.7 / 1400 mA = 0.7 / 1.4 = 0.5 ома

Мощността ще бъде 0,7 х 1,4 = 0,98 или просто 1 ват.

По същия начин се уверете, че предварителната настройка 4k7 е настроена на точно 4.1 V през изходните клеми.

След като бъдат направени горните настройки, можете да зареждате предназначената Li-Ion батерия безопасно, без да се притеснявате за нежелана ситуация.

Тъй като при 4.1 V не можем да приемем, че батерията е напълно заредена.

За да се противопостави на горния недостатък, системата за автоматично изключване става по-благоприятна от горната концепция.

В този блог съм обсъждал много схеми за автоматично зарядно устройство с усилвател, всяка от тях може да бъде приложена за предложения дизайн, но тъй като ние сме заинтересовани да поддържаме дизайна евтин и лесен, може да се изпробва алтернативна идея, показана по-долу.

Използване на SCR за границата

Ако се интересувате само от автоматично изключване, без наблюдение на температурата, можете да опитате обяснения по-долу SCR базиран дизайн. SCR се използва през ADJ и земята на интегралната схема за операция по фиксиране. Портата е монтиран с изход, така че когато потенциалът достигне около 4.2V, SCR се задейства и се заключва, като постоянно се захранва батерията.

Прагът може да се коригира по следния начин:

Първоначално запазете предварително зададената 1K настройка на нивото на земята (крайно дясно), приложете външен източник на напрежение 4.3V към изходните клеми.
Сега бавно регулирайте предварително зададената настройка, докато SCR просто се задейства (светодиодът свети).

Това задава веригата за действие на автоматично изключване.

Как да настроите горната верига

Първоначално дръжте централното плъзгащо рамо на предварителната настройка да докосва земната шина на веригата.

Сега, без да свързвате захранването на превключвателя на батерията, проверете изходното напрежение, което естествено показва пълното ниво на заряд, зададено от резистора от 700 ома.

След това много умело и внимателно регулирайте предварително зададената настройка, докато SCR просто се задейства, като изключи изходното напрежение до нула.

Това е всичко, сега можете да приемете, че веригата е настроена.

Свържете изтощена батерия, включете захранването и проверете реакцията, вероятно SCR няма да се задейства, докато достигне зададения праг, и прекъснете веднага щом батерията достигне зададения праг на пълно зареждане.

3) Литиево-йонна схема на зарядно устройство, използваща IC 555

Вторият опростен дизайн обяснява ясна, но прецизна автоматична схема на зарядно устройство за Li-Ion батерия, използваща вездесъщия IC 555.

Зареждането на литиево-йонна батерия може да бъде критично

Литиево-йонната батерия, както всички знаем, трябва да се зарежда при контролирани условия, ако се зарежда с обикновени средства, може да доведе до повреда или дори експлозия на батерията.

По принцип литиево-йонните батерии не обичат презареждането на клетките си. След като клетките достигнат горния праг, зареждащото напрежение трябва да бъде прекъснато.

Следващата схема на зарядно устройство за Li-Ion много ефективно следва горните условия, така че свързаната батерия никога не може да надвишава ограничението си за презареждане.

Когато IC 555 се използва като компаратор, неговите щифт # 2 и щифт # 6 стават ефективни сензорни входове за откриване на долната и горната граница на прага на напрежението в зависимост от настройката на съответните предварителни настройки.

Pin # 2 следи нивото на прага на ниско напрежение и задейства изхода на висока логика, в случай че нивото падне под зададената граница.

Обратно, щифт # 6 следи горния праг на напрежението и връща изхода на ниско ниво при откриване на ниво на напрежение, по-високо от зададената висока граница на откриване.

Основно действията за изключване на горната и долната страна на включване трябва да бъдат настроени с помощта на съответните предварителни настройки, отговарящи на стандартните спецификации на интегралната схема, както и на свързаната батерия.

Предварителната настройка, отнасяща се до пин # 2, трябва да бъде настроена така, че долната граница да съответства на 1/3 от Vcc, а също така предварителната настройка, свързана с пин # 6, трябва да бъде настроена така, че горната граница на прекъсване да съответства на 2/3 от Vcc, както съгласно стандартните правила на IC 555.

Как работи

Цялото функциониране на предложената схема на зарядно устройство Li-Ion с помощта на IC 555 се осъществява, както е обяснено в следващата дискусия:

Нека приемем, че на изхода на показаната по-долу схема е свързана напълно разредена литиево-йонна батерия (при около 3.4V).

Ако приемем, че долният праг е зададен някъде над нивото от 3.4V, щифт # 2 веднага усеща ситуацията с ниско напрежение и издърпва изхода високо на щифт # 3.

Високото ниво на щифт # 3 активира транзистора, който включва входното захранване към свързаната батерия.

Сега батерията постепенно започва да се зарежда.

Веднага след като батерията достигне пълно зареждане (@ 4.2V), ако приемем, че горният праг на изключване на пин # 6 е настроен на около 4.2v, нивото се усеща на пин # 6, което веднага връща изхода на ниско.

Ниският изход незабавно изключва транзистора, което означава, че входът за зареждане вече е блокиран или прекъснат към батерията.

Включването на транзисторен каскад осигурява възможност за зареждане и на Li-Ion клетки с по-висок ток.

Трансформаторът трябва да бъде избран с напрежение, което не надвишава 6V, и ток 1/5 от батерията AH рейтинг.

Електрическа схема

Ако смятате, че горният дизайн е много сложен, можете да опитате следния дизайн, който изглежда много по-опростен:

Как да настроите веригата

Свържете напълно заредена батерия през показаните точки и настройте предварително зададената настройка така, че релето просто да се деактивира от N / C до N / O позиция .... направете това, без да свързвате никакъв зареждащ DC вход към веригата.

След като направите това, можете да приемете, че веригата е настроена и използваема за автоматично захранване на батерията, прекъснато при пълно зареждане.

По време на действителното зареждане, уверете се, че входният ток на зареждане винаги е по-нисък от номинала на батерията AH, което означава, че ако приемем, че батерията AH е 900mAH, входът не трябва да бъде повече от 500mA.

Батерията трябва да се извади веднага щом релето се изключи, за да се предотврати саморазреждането на батерията чрез 1K предварително зададена.

IC1 = IC555

Всички резистори са 1/4 вата CFR

IC 555 Pinout

Заключение

Въпреки че дизайните, представени по-горе, са технически правилни и ще изпълняват задачите според предложените спецификации, те всъщност изглеждат като прекалено големи.

Обяснен е прост, но ефективен и безопасен начин за зареждане на Li-Ion Cell в този пост , и тази схема може да бъде приложима за всички форми на батерии, тъй като тя се грижи перфектно за два ключови параметъра: постоянен ток и автоматично изключване при пълно зареждане. Предполага се постоянно напрежение от източника на зареждане.

4) Зареждане на много литиево-йонни батерии

Статията обяснява проста схема, която може да се използва за зареждане на най-малко 25 носа Li-Ion клетки паралелно заедно, от един източник на напрежение като 12V батерия или 12V слънчев панел.

Идеята е поискана от един запален последовател на този блог, нека го чуем:

Зареждане на много литиево-йонни батерии заедно

Можете ли да ми помогнете да проектирам схема за зареждане на 25 литиеви клетъчни батерии (3.7v- 800mA всяка) едновременно. Моят източник на захранване е от 12v-50AH батерия. Също така ме уведомете колко ампера от 12v батерия ще бъдат изтеглени с тази настройка на час ... благодаря предварително.

Дизайнът

Що се отнася до зареждането, Li-йонните клетки изискват по-строги параметри в сравнение с оловните батерии.

Това става особено важно, тъй като Li-йонните клетки са склонни да генерират значително количество топлина по време на процеса на зареждане и ако това генериране на топлина е извън контрола, може да доведе до сериозни щети на клетката или дори възможна експлозия.

Едно добро нещо при Li-йонните клетки е, че те могат първоначално да се зареждат с пълна скорост 1C, за разлика от оловните батерии, които не позволяват повече от C / 5 скорост на зареждане.

Горното предимство позволява на Li-йонните клетки да се зареждат с 10 пъти по-бърза скорост от брояча на оловната киселина.

Както беше обсъдено по-горе, тъй като управлението на топлината се превръща в решаващ проблем, ако този параметър се контролира по подходящ начин, останалите неща стават доста прости.

Това означава, че можем да зареждаме Li-йонните клетки с пълна скорост 1C, без да ни безпокои нищо, стига да имаме нещо, което следи генерирането на топлина от тези клетки и инициира необходимите коригиращи мерки.

Опитах се да приложа това, като прикачих отделна верига за чувствителност на топлина, която следи топлината от клетките и регулира зареждащия ток, в случай че топлината започне да се отклонява от безопасни нива.

Управлението на температурата при скорост 1С е от решаващо значение

Първата електрическа схема по-долу показва точна схема на температурния сензор, използваща IC LM324. Тук са наети три от неговите омпампи.

Диодът D1 е 1N4148, който ефективно действа като температурен датчик тук. Напрежението на този диод спада с 2mV с всеки градус повишаване на температурата.

Тази промяна в напрежението на D1 подтиква A2 да промени своята логика на изхода, което от своя страна инициира A3, за да увеличи постепенно изходното си напрежение съответно.

Изходът на A3 е свързан към светодиод с опто съединител. Според настройката на P1, изходът на A4 има тенденция да се увеличава в отговор на топлината от клетката, докато в крайна сметка свързаният светодиод светне и вътрешният транзистор на оптопроводи.

Когато това се случи, опто транзисторът подава 12V към веригата LM338 за започване на необходимите коригиращи действия.

Втората схема показва просто регулирано захранване с помощта на IC LM338. Потът 2k2 е настроен да произвежда точно 4.5V през свързаните Li-йонни клетки.

Предишната схема IC741 е верига за прекъсване на презареждането, която следи заряда над клетките и изключва захранването, когато достигне над 4.2V.

BC547 вляво в близост до ICLM338 е въведен за прилагане на подходящи коригиращи действия, когато клетките започнат да се нагряват.

В случай, че клетките започнат да се нагряват, захранването от оптичния съединител на температурния сензор попада в транзистора LM338 (BC547), транзисторът провежда и незабавно изключва изхода на LM338, докато температурата спадне до нормални нива, този процес продължава, докато клетките се зареждат напълно, когато IC 741 се активира и разкачи клетките за постоянно от източника.

Във всички 25 клетки могат да бъдат свързани паралелно към тази верига, всяка положителна линия трябва да включва отделен диод и 5 Ohm 1 ватов резистор за равно разпределение на заряда.

Целият пакет от клетки трябва да бъде фиксиран върху обща алуминиева платформа, така че топлината да се разсейва равномерно върху алуминиевата плоча.

D1 трябва да бъде залепен по подходящ начин върху тази алуминиева плоча, така че разсеяната топлина да се усеща оптимално от сензора D1.

Автоматично Li-Ion зарядно устройство и схема на контролер.

Заключение

• Основните критерии, които трябва да се поддържат за всяка батерия, са: зареждане при удобни температури и прекъсване на захранването веднага щом достигне пълното зареждане. Това е основното нещо, което трябва да следвате, независимо от типа батерия. Можете да наблюдавате това ръчно или да го направите автоматично, и в двата случая батерията ви ще се зарежда безопасно и ще има по-дълъг живот.
• Токът на зареждане / разреждане е отговорен за температурата на батерията, ако те са твърде високи в сравнение с околната температура, тогава батерията ще пострада силно в дългосрочен план.
• Вторият важен фактор е никога да не позволявате на батерията да се разрежда силно. Продължавайте да възстановявате пълното ниво на зареждане или продължете да го зареждате, когато е възможно. Това ще гарантира, че батерията никога няма да достигне по-ниските си нива на разреждане.
• Ако ви е трудно да наблюдавате това ръчно, можете да изберете автоматична схема, както е описано на тази страница .

Имате ли допълнителни съмнения? Моля, оставете ги да преминат през полето за коментари по-долу