4 enostavna vezja za polnilnike litij-ionskih baterij - z uporabo LM317, NE555, LM324

V naslednjem prispevku so razloženi štirje preprosti, a varni načini polnjenja Li-ionske baterije z običajnimi IC-ji, kot sta LM317 in NE555, ki jih lahko vsak novi ljubitelj enostavno zgradi doma.

Čeprav so Li-Ion baterije ranljive naprave, jih je mogoče polniti s preprostejšimi vezji, če hitrost polnjenja ne povzroči bistvenega segrevanja baterije in če uporabnik ne moti rahle zamude v obdobju polnjenja celice.

Uporabniki, ki želijo hitro polnjenje baterije, ne smejo uporabljati spodnjih pojasnjenih konceptov, temveč lahko uporabijo enega od teh profesionalni pametni modeli .

Osnovna dejstva o li-ionskem polnjenju

Preden se naučimo postopkov gradnje li-ionskega polnilnika, bi bilo pomembno, da poznamo osnovne parametre, ki zadevajo polnjenje Li-Ion baterije.

Za razliko od svinčeve baterije se Li-Ion baterija lahko polni pri bistveno visokih začetnih tokovih, ki so lahko tako visoki kot ocena Ah same baterije. To se imenuje polnjenje s hitrostjo 1C, kjer je C vrednost Ah baterije.

Glede na to nikoli ni priporočljivo uporabljati te ekstremne hitrosti, saj bi to pomenilo polnjenje akumulatorja v zelo stresnih pogojih zaradi povišanja temperature. Stopnja 0,5 C se zato šteje za standardno priporočeno vrednost.

0,5C pomeni hitrost polnilnega toka, ki je 50% vrednosti Ah baterije. V tropskih poletnih razmerah se lahko tudi ta hitrost zaradi obstoječe visoke temperature okolja spremeni v baterijo.

Ali polnjenje li-ionske baterije zahteva kompleksne premisleke?

Absolutno ne. To je pravzaprav izjemno prijazna oblika baterije in se bo napolnila z minimalnimi premisleki, čeprav so ti minimalni premisleki bistveni in jih je treba nujno upoštevati.

Nekaj ​​kritičnih, a enostavnih premislekov je: samodejni izklop pri polni napolnjenosti, konstantna napetost in vhod konstantnega toka.

Naslednja razlaga bo pomagala bolje razumeti to.

Naslednji graf predlaga idealen postopek polnjenja standardne 3,7 V Li-Ion celice, ocenjene s 4,2 V kot poln nivo polnjenja.

1. stopnja : Na začetni stopnji št. 1 vidimo, da se napetost akumulatorja v približno eni uri dvigne z 0,25 V na 4,0 V pri konstantni trenutni hitrosti polnjenja 1 amp. To označuje MODRA črta. 0,25 V je le okvirnega pomena, dejanska 3,7 V celica se nikoli ne sme izprazniti pod 3 V.

2. stopnja: V 2. stopnji polnjenje vstopi v stanje nasičenosti , kjer napetost doseže najvišjo stopnjo napolnjenosti 4,2 V in trenutna poraba začne padati. Ta padec trenutne stopnje se nadaljuje v naslednjih nekaj urah. Polnilni tok je označen s RDEČO pikčasto črto.

3. stopnja : Ko tok pade, doseže najnižjo raven, ki je nižja od 3% ocene Ah celice.

Ko se to zgodi, se vhodno napajanje izklopi in celica pusti, da se umiri še 1 uro.

Po eni uri napetost celice kaže resnično State-of-Charge ali SoC celice. SoC celice ali baterije je optimalna raven napolnjenosti, ki jo je dosegel po polnem polnjenju, ta raven pa prikazuje dejansko raven, ki jo je mogoče uporabiti za določeno aplikacijo.

V tem stanju lahko rečemo, da je stanje celice pripravljeno za uporabo.

4. stopnja : V primerih, ko se celica ne uporablja dlje časa, se občasno uporabi polnjenje, pri čemer je tok, ki ga porabi celica, pod 3% vrednosti Ah.

Ne pozabite, čeprav graf prikazuje polnjenje celice, tudi ko je dosegla 4,2 V, to je strogo ni priporočljivo med praktičnim polnjenjem Li-Ion celice . Dovod mora biti samodejno prekinjen, takoj ko celica doseže nivo 4,2 V.

Kaj torej v osnovi predlaga graf?

1. Uporabite vhodno napajanje s fiksnim izhodom toka in nespremenljivo napetostjo, kot je opisano zgoraj. (Običajno je to lahko = Napetost 14% višja od natisnjene vrednosti, Trenutni 50% vrednosti Ah, nižji tok od tega bo prav tako dobro deloval, čeprav se bo čas polnjenja sorazmerno povečal)
2. Polnilnik mora imeti samodejni izklop pri priporočeni polni napolnjenosti.
3. Upravljanje ali nadzor temperature za baterijo morda ne bo potrebno, če je vhodni tok omejen na vrednost, ki ne povzroči segrevanja baterije

Če nimate samodejnega izklopa, preprosto omejite vhod konstantne napetosti na 4,1 V.

1) Najenostavnejši Li-Ion polnilnik z enim MOSFET-om

Če iščete najcenejše in najpreprostejše vezje za polnilnik Li-Ion, potem ne more biti boljše možnosti od tega.

Ta zasnova nima regulacije temperature, zato je priporočljiv nižji vhodni tok

En sam MOSFET, prednastavitev ali trimer in 470 ohmski 1/4 vatni upor so vse, kar potrebujete za preprosto in varno vezje polnilnika.

Preden priključite izhod na Li-Ion celico, se prepričajte v nekaj stvari.

1) Ker zgornja zasnova ne vključuje regulacije temperature, mora biti vhodni tok omejen na raven, ki ne povzroči bistvenega segrevanja celice.

2) Prilagodite prednastavitev, da pride natanko 4,1 V prek polnilnih terminalov, kamor naj bi bila priključena celica. Odličen način za odpravo tega je, da namesto prednastavitve priključite natančno cenerjevo diodo in 470 ohmov zamenjate z uporom 1 K.

Za tok bi bil praviloma primeren konstantni vhodni tok približno 0,5C, to je 50% vrednosti mAh celice.

Dodajanje trenutnega krmilnika

Če vhodni vir ni trenutno nadzorovan, lahko v tem primeru zgoraj omenjeno vezje hitro nadgradimo s preprosto stopnjo krmiljenja toka BJT, kot je prikazano spodaj:

RX = 07 / največji polnilni tok

Prednost Li-Ion baterije

Glavna prednost Li-Ion celic je njihova sposobnost hitrega in učinkovitega sprejemanja naboja. Vendar imajo Li-Ion celice slab sloves, da so preobčutljive na neugodne vhode, kot so visoka napetost, močan tok in kar je najpomembneje pri pogojih polnjenja.

Ko se celica napolni v katerem koli od zgornjih pogojev, se lahko preveč ogreje in če pogoji ostanejo, lahko povzroči uhajanje celične tekočine ali celo eksplozijo, ki celico trajno poškoduje.

V kakršnih koli neugodnih pogojih polnjenja se celici najprej zgodi dvig temperature, v predlaganem konceptu vezja pa to značilnost naprave uporabimo za izvajanje zahtevanih varnostnih operacij, kjer celica nikoli ne sme doseči visokih temperatur parametre pod zahtevanimi specifikacijami celice.

2) Uporaba LM317 kot IC krmilnika

V tem blogu smo naleteli na številne vezja polnilnika baterij z uporabo IC LM317 in LM338 ki so najbolj vsestranski in najprimernejše naprave za obravnavane operacije.

Tudi tu uporabljamo IC LM317, čeprav se ta naprava uporablja samo za ustvarjanje zahtevane regulirane napetosti in toka za priključeno Li-Ion celico.

Dejansko zaznavalno funkcijo opravlja nekaj NPN tranzistorjev, ki so nameščeni tako, da pridejo v fizični stik z napolnjeno celico.

Če pogledamo dani diagram vezja, dobimo tri vrste zaščit hkrati:

Ko se napaja nastavitev, IC 317 omeji in ustvari izhod, enak 3,9 V, priključeni Li-ion bateriji.

1. The 640 ohmski upor poskrbi, da ta napetost nikoli ne preseže meje polnega polnjenja.
2. Dva NPN tranzistorja, povezana v običajnem Darlingtonovem načinu na ADJ zatič IC, nadzorujeta temperaturo celice.
3. Tudi ti tranzistorji delujejo podobno omejevalnik toka , ki preprečuje prekomerno situacijo za Li-Ion celico.

Vemo, da če je ADJ zatič IC 317 ozemljen, situacija popolnoma izklopi izhodno napetost z njega.

To pomeni, da bi, če bi tranzistorji vodili, kratek stik zatiča ADJ prizemljil in povzročil izklop izhoda akumulatorja.

Z zgoraj omenjeno funkcijo ima par Darlingtom nekaj zanimivih varnostnih funkcij.

0.8 upor, priključen na njegovo dno in ozemljitev, omejuje največji tok na približno 500 mA, če tok teži k tej meji, napetost na 0,8 ohmskem uporu postane zadostna za aktiviranje tranzistorjev, ki 'zadušijo' izhod IC in zavira nadaljnji dvig toka. To pa preprečuje, da bi baterija dobila neželene količine toka.

Uporaba zaznavanja temperature kot parametra

Vendar je glavna varnostna funkcija, ki jo izvajajo tranzistorji, zaznavanje povišanja temperature Li-Ion baterije.

Tranzistorji, tako kot vse polprevodniške naprave, ponavadi prevajajo tok bolj sorazmerno z zvišanjem okolice ali njihovih telesnih temperatur.

Kot smo že omenili, morajo biti ti tranzistorji nameščeni v tesnem fizičnem stiku z baterijo.

Zdaj, če bi se temperatura celice začela dvigovati, bi se tranzistorji odzvali na to in začeli izvajati, bi prevod takoj privedel do tega, da bi bil ADJ zatič IC bolj izpostavljen potencialu tal, kar bi povzročilo zmanjšanje izhodne napetosti.

Z zmanjšanjem polnilne napetosti bi se zmanjšal tudi dvig temperature priključene Li-Ion baterije. Rezultat tega je nadzorovano polnjenje celice, ki zagotavlja, da celica nikoli ne zaide, in ohranja varen profil polnjenja.

Zgornje vezje deluje po principu temperaturne kompenzacije, vendar ne vključuje funkcije samodejnega prekinitve polnjenja, zato je največja polnilna napetost določena na 4,1 V.

Brez temperaturne kompenzacije

Če se želite izogniti težavam z uravnavanjem temperature, lahko preprosto prezrete darlingtonski par BC547 in namesto njega uporabite en BC547.

Zdaj bo to delovalo le kot napajalno-nadzorovano napajanje za Li-Ion celico. Tu je zahtevana spremenjena zasnova.

Transformator je lahko transformator 0-6 / 9 / 12V

Ker tukaj ni uporabljen nadzor temperature, se prepričajte, da je vrednost Rc pravilno dimenzionirana s hitrostjo 0,5 C. Za to lahko uporabite naslednjo formulo:

Rc = 0,7 / 50% vrednosti Ah

Recimo, da je vrednost Ah natisnjena kot 2800 mAh. Potem bi zgornjo formulo lahko rešili kot:

Rc = 0,7 / 1400 mA = 0,7 / 1,4 = 0,5 ohma

Moč bo 0,7 x 1,4 = 0,98 ali preprosto 1 vata.

Prav tako se prepričajte, da je prednastavitev 4k7 nastavljena na natančno 4,1 V prek izhodnih sponk.

Ko so opravljene zgornje prilagoditve, lahko varno napolnite predvideno Li-Ion baterijo, ne da bi vas skrbelo kakršno koli neugodno stanje.

Ker pri 4,1 V ne moremo domnevati, da je baterija popolnoma napolnjena.

Da bi preprečili zgornjo pomanjkljivost, postane naprava za samodejni izklop ugodnejša od zgornje zasnove.

V tem blogu sem razpravljal o številnih vezjih avtomatskih polnilnikov op amp, za predlagani dizajn se lahko prijavi kateri koli od njih, a ker nas zanima, da je zasnova poceni in enostavna, lahko preizkusimo alternativno idejo, ki je prikazana spodaj.

Uporaba SCR za mejno vrednost

Če vas zanima samo samodejni izklop, brez nadzora temperature, lahko preizkusite spodnjo razlago zasnove na osnovi SCR. SCR se uporablja za ADJ in ozemljitev IC za zaklepanje. Vrata so opremljena z izhodom tako, da ko potencial doseže približno 4,2 V, se SCR sproži in zaklene, s čimer trajno prekine napajanje akumulatorja.

Prag se lahko prilagodi na naslednji način:

Najprej nastavite, da je prednastavitev 1K nastavljena na nivo tal (skrajno desno), na izhodne sponke uporabite 4,3 V zunanji vir napetosti.
Zdaj počasi prilagajajte prednastavitev, dokler se SCR ne sproži (sveti LED).

To nastavi vezje za samodejni izklop.

Kako nastaviti zgornji krog

Sprva naj se osrednji drsni krak prednastavitve dotika talne tirnice vezja.

Zdaj, ne da bi priključili napajanje stikala akumulatorja, preverite izhodno napetost, ki bi naravno pokazala polno raven napolnjenosti, kot jo nastavi upor 700 ohmov.

Nato zelo spretno in nežno nastavite prednastavitev, dokler se SCR ne sproži in izhodno napetost izklopi na nič.

To je to, zdaj lahko domnevate, da je vezje vse nastavljeno.

Priključite izpraznjeno baterijo, vklopite napajanje in preverite odziv, verjetno SCR ne bo sprožil, dokler ne bo dosežen nastavljeni prag, in ga odrežite takoj, ko baterija doseže nastavljeni prag polnega polnjenja.

3) Vezje za polnilnik Li-Ion z uporabo IC 555

Druga preprosta zasnova pojasnjuje preprosto, a natančno vezje samodejnega polnilnika Li-Ion baterij z uporabo vseprisotnega IC 555.

Polnjenje litij-ionske baterije je lahko ključnega pomena

Litij-ionsko baterijo, kot jo vsi poznamo, je treba polniti v nadzorovanih pogojih, če lahko napolni z običajnimi sredstvi, poškoduje ali celo eksplozijo baterije.

Li-ionske baterije v bistvu ne marajo preveč polnjenja celic. Ko celice dosežejo zgornji prag, je treba polnilno napetost prekiniti.

Naslednje vezje za polnilnik baterij Li-Ion zelo učinkovito sledi zgoraj navedenim pogojem, tako da priključena baterija nikoli ne sme preseči meje presežnega polnjenja.

Ko se IC 555 uporablja kot primerjalnik, njegova pin # 2 in pin # 6 postaneta učinkovita senzorska vhoda za zaznavanje spodnje in zgornje meje napetostnega praga, odvisno od nastavitve ustreznih prednastavitev.

Nož 2 nadzoruje prag nizke napetosti in sproži izhod na visoko logiko, če nivo pade pod nastavljeno mejo.

Nasprotno pa zatič št. 6 nadzira zgornji prag napetosti in pri zaznavanju napetosti, višje od nastavljene visoke meje zaznavanja, izhod vrne na najnižjo vrednost.

Dejanja zgornjega odklopa in spodnjega stikala je treba nastaviti v glavnem s pomočjo ustreznih prednastavitev, ki ustrezajo standardnim specifikacijam IC, pa tudi povezani bateriji.

Prednastavitev za zatič št. 2 mora biti nastavljena tako, da spodnja meja ustreza 1/3 Vcc, podobno pa prednastavitev, povezana z zatičem št. 6, mora biti nastavljena tako, da zgornja meja odrezanja ustreza 2/3 Vcc, kot v skladu s standardnimi pravili IC 555.

Kako deluje

Celotno delovanje predlaganega vezja polnilnika Li-Ion z uporabo IC 555 poteka, kot je razloženo v naslednji razpravi:

Predpostavimo, da je na izhod spodnjega prikazanega vezja priključena popolnoma izpraznjena li-ionska baterija (približno 3,4 V).

Ob predpostavki, da je spodnji prag nastavljen nekje nad nivojem 3,4 V, zatič # 2 takoj zazna situacijo nizke napetosti in izvleče izhod visoko na zatiču 3.

Visoko pri pin 3 aktivira tranzistor, ki vklopi vhodno moč priključene baterije.

Zdaj se baterija začne postopoma polniti.

Takoj, ko se baterija popolnoma napolni (@ 4,2 V), ob predpostavki, da je zgornji prag odklopa na nožici 6 nastavljen na približno 4,2 v, se na pinu 6 zazna nivo, ki izhod takoj vrne na nizek.

Majhen izhod takoj izklopi tranzistor, kar pomeni, da je polnilni vhod zdaj oviran ali odrezan na baterijo.

Vključitev tranzistorske stopnje omogoča tudi polnjenje močnejših Li-Ion celic.

Transformator mora biti izbran z napetostjo, ki ne presega 6V, in trenutnim nazivom 1/5 od akumulatorja AH.

Shema vezja

Če menite, da je zgornja zasnova precej zapletena, lahko poskusite z naslednjo obliko, ki je videti precej preprostejša:

Kako nastaviti vezje

Na prikazane točke priključite popolnoma napolnjeno baterijo in prilagodite prednastavitev tako, da se rele samo izklopi iz N / C v N / O položaj .... to storite brez priključitve polnilnega enosmernega vhoda na vezje.

Ko je to končano, lahko domnevate, da je vezje nastavljeno in uporabno za samodejni izklop akumulatorja, ko je popolnoma napolnjen.

Med dejanskim polnjenjem poskrbite, da je polnilni vhodni tok vedno nižji od vrednosti akumulatorja AH, kar pomeni, da če je baterija AH 900 mAH, vhod ne sme biti večji od 500 mA.

Akumulator je treba odstraniti takoj, ko se rele IZKLOPI, da preprečite samopraznjenje baterije prek prednastavitve 1K.

IC1 = IC555

Vsi upori imajo 1/4 vata CFR

IC 555 Pinout

Zaključek

Čeprav so zgoraj predstavljeni modeli tehnično pravilni in bodo opravljali naloge v skladu s predlaganimi specifikacijami, se dejansko zdijo preveč.

Razložen je preprost, a učinkovit in varen način polnjenja Li-Ion celice v tej objavi , in to vezje je lahko uporabno za vse oblike baterij, saj popolnoma skrbi za dva ključna parametra: konstantni tok in samodejni izklop polnjenja. Predpostavlja se, da je od polnilnega vira na voljo stalna napetost.

4) Polnjenje številnih Li-Ion baterij

V članku je razloženo preprosto vezje, ki ga lahko uporabimo za hitro vzporedno polnjenje vsaj 25 nosilcev Li-Ion celic iz enega napetostnega vira, kot je 12V baterija ali 12V sončna plošča.

Idejo je zahteval eden od navdušenih privržencev tega spletnega dnevnika, poslušajmo:

Skupaj polnite veliko Li-ion baterij

Ali mi lahko pomagate pri načrtovanju vezja za polnjenje 25 li-on celičnih baterij (po 3,7 v - 800 mA) hkrati. Moj vir napajanja je iz 12v-50AH baterije. Sporočite mi tudi, koliko ojačevalcev 12v baterije bi bilo porabljenih s to nastavitvijo na uro ... hvala vnaprej.

Dizajn

Ko gre za polnjenje, Li-ionske celice zahtevajo strožje parametre v primerjavi s svinčenimi baterijami.

To postane še posebej ključno, ker Li-ionske celice med polnjenjem običajno ustvarjajo veliko toplote in če to ustvarjanje toplote preseže nadzor, lahko povzroči resno škodo na celici ali celo možno eksplozijo.

Vendar je dobra stvar pri Li-ionskih celicah ta, da jih je mogoče na začetku polniti s polno hitrostjo 1C, v nasprotju s svinčenimi baterijami, ki ne omogočajo več kot C / 5 hitrosti polnjenja.

Zgornja prednost omogoča, da se Li-ionske celice napolnijo 10-krat hitreje kot svinčeni kislinski števec.

Kot smo že omenili, ker je upravljanje s toploto ključno vprašanje, če je ta parameter ustrezno nadzorovan, postanejo ostale stvari precej preproste.

To pomeni, da lahko Li-ionske celice polnimo s polno hitrostjo 1C, ne da bi nas karkoli motilo, če imamo nekaj, kar spremlja nastajanje toplote iz teh celic in sproži potrebne korektivne ukrepe.

To sem poskušal izvesti tako, da sem pritrdil ločen tokokrog za zaznavanje toplote, ki nadzira toploto iz celic in uravnava polnilni tok, če toplota začne odstopati od varne ravni.

Nadzor temperature pri hitrosti 1C je ključnega pomena

Prvi spodnji diagram vezja prikazuje natančno vezje temperaturnega senzorja z uporabo IC LM324. Tu so bili zaposleni trije njegovi opampi.

Dioda D1 je 1N4148, ki tukaj učinkovito deluje kot temperaturni senzor. Napetost na tej diodi pade za 2mV z vsakim dvigom temperature.

Ta sprememba napetosti na D1 spodbudi A2, da spremeni svojo izhodno logiko, ta pa sproži A3, da postopoma ustrezno poveča svojo izhodno napetost.

Izhod A3 je povezan z LED opto spenjačem. Glede na nastavitev P1 se izhod A4 nagiba k povečanju kot odziv na toploto iz celice, dokler sčasoma ne zasveti priključena LED in notranji tranzistor opta ne zažene.

Ko se to zgodi, optični tranzistor napaja 12V v vezje LM338 za sprožitev potrebnih korektivnih ukrepov.

Drugo vezje prikazuje preprosto regulirano napajanje z uporabo IC LM338. Lonec 2k2 je nastavljen tako, da proizvede natančno 4,5 V v povezanih Li-ionskih celicah.

Prejšnje vezje IC741 je prekinjevalno vezje, ki nadzira naboj nad celicami in prekine napajanje, ko doseže nad 4,2V.

BC547 na levi v bližini ICLM338 je predstavljen za izvajanje ustreznih korektivnih ukrepov, ko se celice začnejo segrevati.

V primeru, da se celice začnejo preveč segrevati, napajanje iz optičnega sklopnika temperaturnega senzorja zadene tranzistor LM338 (BC547), tranzistor prevede in takoj izklopi izhod LM338, dokler temperatura ne pade na normalno raven, ta postopek se nadaljuje, dokler celice se popolnoma napolnijo, ko se IC 741 aktivira in trajno odklopi celice od vira.

V vseh 25 celic je lahko vzporedno priključenih na to vezje, vsaka pozitivna črta mora vključevati ločeno diodo in 5 ohm 1 vatni upor za enako porazdelitev naboja.

Celoten celični paket mora biti pritrjen na skupno aluminijasto ploščad, tako da se toplota enakomerno odvaja po aluminijasti plošči.

D1 je treba ustrezno nalepiti na to aluminijasto ploščo, da senzor D1 optimalno zazna odvajano toploto.

Samodejni Li-Ion polnilnik in krmilno vezje.

Zaključek

• Osnovna merila, ki jih je treba upoštevati pri vsaki bateriji, so: polnjenje pri primernih temperaturah in prekinitev napajanja, takoj ko se popolnoma napolni. To je osnovna stvar, ki jo morate upoštevati ne glede na vrsto baterije. To lahko spremljate ročno ali samodejno, v obeh primerih se bo baterija varno polnila in imela daljšo življenjsko dobo.
• Tok polnjenja / praznjenja je odgovoren za temperaturo akumulatorja; če so le-te previsoke v primerjavi s temperaturo okolice, bo baterija dolgotrajno močno trpela.
• Drugi pomemben dejavnik je, da se baterija nikoli ne izprazni močno. Obnavljajte polno raven napolnjenosti ali jo dolivajte, kadar je le mogoče. To bo zagotovilo, da baterija nikoli ne doseže nižje ravni praznjenja.
• Če je to težko spremljati ročno, lahko uporabite samodejno vezje, kot je opisano na tej strani .

Imate nadaljnje dvome? Dovolite jim, da pridejo skozi spodnje polje za komentar