Ladeverfahren für Lithium-Ionen-Akkus zur Energiespeicherung

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Im Vergleich zu älteren Technologien wie Nickel-Cadmium verbessert die chemische Technologie der Lithium-Ionen-Batterien die Leistungsdichte tragbarer Geräte erheblich und gewährleistet die normale Betriebszeit dieser Systeme bei einmaligem Aufladen. Die Selbstentladungsrate des Lithium-Ionen-Akkus beträgt die Hälfte der von Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus, was auch die Haltbarkeit verbessert und das Aufladen der Geräte ermöglicht, sodass Kunden sie vor der Verwendung nicht kaufen müssen. Der Nachteil von Lithium-Ionen ist komplexer als die alte Technologie und nicht die frühe Chemie.

Durch vorsichtiges Management lässt sich die Leistungsabgabe der Lithium-Ionen-Batterien jedoch maximieren. Dies sorgt nicht nur für ein besseres Erlebnis, sondern ermöglicht Ihnen auch, Ihr Design auf die Verwendung kleinerer Batterien einzugrenzen. Da die Batterie einen erheblichen Anteil an der Größe und dem Gewicht des tragbaren Geräts hat, ist der Austausch eines Ladekreises durch einen anderen Ladekreis von Bedeutung. Das Hauptproblem von Lithium-Ionen-Akkus besteht darin, dass sie sehr empfindlich auf Überladung reagieren, da eine zu hohe Spannung zu Materialspannungen führen und so die Lebensdauer des Akkus verkürzen kann.

Übersteigt die Ladung die Spannung von 4,2 V pro Akku, birgt dies zudem Sicherheitsrisiken. Bei günstigen Ladeschaltungen kann es zu einer Überladung der Batterie kommen, da diese nicht an die eigentliche Belastungsgrenze kommt.

Dabei verwenden sie sogenannte Charging-and-Running-Strategien, diese Strategie hat den Vorteil, dass sie schnell wirkt. Diese Strategie nutzt die Eigenschaften der Lithium-Ionen-Ladekurve, die in vier Hauptphasen unterteilt werden kann. In der ersten Phase wird die Batterie mit einem konstanten Strom versorgt.

Bei der Batterie ist die Spannung mehr oder weniger linear. In der Nähe der Spitze wird die Spannung abgeflacht, und dann kann das Ladegerät anhalten. Allerdings beträgt die Ladung zu diesem Zeitpunkt nur etwa 85 %, sodass die Nutzungsdauer theoretisch gering ausfällt.

Darüber hinaus wird die Abschaltspannung aus Sicherheitsgründen normalerweise unter der Maximalspannung eingestellt, wodurch die maximale Ladung der Batterie weiter reduziert wird. Die Abschaltspannung beträgt 3,8 V statt der typischen Maximalspannung von 4 V.

2V, also 60% der Akkukapazität stehen zur Verfügung. Der restliche Ladevorgang wird während der Sättigungs- oder Konstantspannungsphase durchgeführt. Obwohl das Schnellladegerät die zum Erreichen der Sättigungsphase erforderliche Zeit durch Hinzufügen von Ladestrom verkürzen kann, hat dies zur Folge, dass die Sättigungsphase verlängert wird, und steuert die Sättigungsphase sorgfältig und genau, um vor Überlastung zu schützen.

Abbildung 1: Ladephase von Lithium-Ionen-Batterien, einschließlich thermischer Anpassungsphasen unter Hochtemperaturbedingungen. Es ist schwierig, eine überladene Batterie zu testen. Daher wird die Zeit oder der Strompegel als Anhaltspunkt verwendet, um anzuzeigen, dass die Batterie fast vollständig aufgeladen ist. Normalerweise dauert die Sättigungsladung etwa zwei Stunden und bietet somit einen angemessenen Zeitraum.

Während der Sättigungsladung sinkt der Stromindex. Wenn der Strom etwa 3 % des in der ersten Phase verwendeten Niveaus erreicht, gilt die Batterie im Allgemeinen als vollständig geladen und der Vorgang kann beendet werden. Die beim Sättigungsladen verwendete Spannung wird auf ein Prozent oder besser eingestellt.

Schaltkreise, die eine gesättigte Ladung durchführen, können Stromtests und Druckprozesse nutzen, um sicherzustellen, dass die Stromversorgung nach einer gewissen Zeit unterbrochen wird und sich das metallische Lithium ansammelt, was zu einem Brand führen kann. Die Temperatur ist auch für die Ladekontrolle nützlich. In der ersten Phase ist der Innenwiderstand relativ gering, die Batterie wird nicht entladen.

Sobald die Sättigungsphase eintritt, erwärmt sich die Batterie. Daher ist es sehr wichtig, dass der Temperatursensor gewährleistet, dass die Batterie nicht überhitzt und ein Sicherheitsrisiko besteht. Batteriehersteller geben für ihre Produkte eine sichere Temperaturgrenze an und liefern normalerweise Thermistoren, die mit ADCs oder Komparatorschaltungen in der Ladeschaltung des Batteriepacks verwendet werden können.

Der Ladevorgang soll vor der Tiefentladung erfolgen. Dabei wird Erhaltungsladung verwendet, um die aufladbare Batterie wieder aufzuladen – getestet liegt die Spannung unter 3 V. Sobald der Erhaltungsladevorgang mit ausreichend Ladung versorgt ist, steigt die Spannung auf 3 V oder mehr und der normale Ladevorgang der ersten Stufe kann übernommen werden.

Der Lade-IC LTC4065 von Linglurt verwendet ein kleines DFN-Paket, das die Organisation von Rückkopplungsschleifen zur Unterstützung der verschiedenen für Lithium-Ionen-Batterien erforderlichen Lademodi bereitstellt. Das Gerät unterstützt Lademethoden mit konstantem Strom und konstanter Spannung sowie eine konstante Temperatur, um ein effektives Laden in der Nähe der Batterie zu ermöglichen. Um das Laden bei hohen Temperaturen zu unterstützen, verfügt der LTC4065 über eine Wärmebegrenzungsschaltung.

Dadurch kann der Ladestrom entsprechend einer typischen Umgebungstemperatur (und nicht dem Worst Case) eingestellt werden und sichergestellt werden, dass das Ladegerät im Worst Case automatisch reduziert wird. Im LTC4065 steuern drei Verstärker-Rückkopplungsschleifen den Konstantstrom-, Konstantspannungs- und Konstanttemperaturmodus. Die vierte Verstärker-Rückkopplungsschleife wird verwendet, um die Ausgangsimpedanz des Stromquellenpaars zu erhöhen und so sicherzustellen, dass ein Drain-Strom nur tausendmal so hoch ist wie der zweite Drain-Strom.

Eine separate Rückkopplungsschleife für den Betrieb mit konstantem Strom und konstanter Spannung zwingt das Ladegerät auf die Verwendung eines Modells, das versucht, den Ladestrom zu minimieren. Ein anderer Verstärkerausgang ist gesättigt, wodurch seine Schleife effektiv aus dem System eliminiert wird. Im Konstantstrommodus wird es genau auf 1 V gesteuert.

Prog-Pin zum Programmieren des Stroms mithilfe eines Prozenttoleranzwiderstands (rPROG). Wenn der Konstantspannungsmodus aktiviert ist, steuert die Konstantspannungsschleife ihren invertierten Eingang auf die interne Referenzspannung. Der interne Widerstandsteiler sorgt dafür, dass die Batteriespannung bei 4 bleibt.

Die 2V.Prog-Pin-Spannung kann auch den Ladestrom im Konstantspannungsmodus anzeigen. Bei einem typischen Betrieb beginnt die Ladeperiode im Konstantstrommodus – der an die Batterie gelieferte Strom beträgt 1000 V/rProg.

Liegt der Stromverbrauch des LTC4065 nahe 115°C, die grenze temperatur verstärker wird beginnen zu senken die ladestrom, begrenzen die temperatur der chip in über 115°C. Sobald der Temperaturbeschränkungsmodus beendet wird, kehrt der LTC 4065 in den Konstantstrommodus zurück oder wechselt vom Konstanttemperaturmodus in den Konstantspannungsmodus. Unabhängig vom Modus ist die Spannung des PROG-Pins proportional zum an die Batterie gelieferten Strom.

Interne Zeitschaltkreise und Erhaltungslademanagement haben die für ein effektives Lithium-Ionen-Batteriemanagement erforderlichen Funktionen verbessert. Das Gerät bietet eine Schwebespannungsgenauigkeit von 0,6 % und benötigt nur zwei externe Komponenten.

Wenn die Eingangsleistung unterbrochen wird, wechselt der LTC4065 automatisch in einen Zustand mit niedrigem Strom und der Batterieverlust wird auf 1μA unten. Nach dem Einschalten kann der LTC4065 in den Abschaltmodus wechseln und die Stromversorgung auf 20 reduzieren.

μA unten. Abbildung 2: Flussdiagramm zum Ladestatus. LTC4065-Entscheidung ähnlich dieser. Ähnlich wie LTC4065 verfügt auch MaximIntegrated MAX1551 über thermische Begrenzungsfunktionen und optimales Laden, ohne durch die Worst-Case-Batterie und Eingangsspannung thermisch eingeschränkt zu sein.

Beim Erreichen der Wärmegrenze stoppen der MAX 15551 und der MAX 1555 den Ladevorgang nicht vollständig, sondern reduzieren den Ladestrom schrittweise, was zur Aufrechterhaltung der Funktion beim Abkühlen im System beiträgt. Es wird das SOT23-Paket verwendet. Ähnlich wie beim MAX1551 und MAX 1555 wird der von Microchiptechnology entwickelte MCP73811 mit konstanter Druck- und konstanter Stromladung geliefert, wobei letztere nur durch einen externen Widerstand programmiert wird, und ist mit einem eingebauten Wärmesensor zur Steuerung der Temperaturbegrenzungsladung ausgestattet. Die BQ2409X-Serie von Texas Instruments (TI) ist ein hochintegriertes lineares Ladegerät für den mobilen Einsatz im Weltraum.

Diese ICs sind für die Stromversorgung über USB-Anschlüsse oder möglicherweise nicht angepasste AC-Adapter mit hohem Eingangsspannungsbereich und Eingangsüberspannungsschutz ausgelegt. BQ2904X führt Anpassungen sowie Laden mit konstantem Strom und konstanter Spannung durch. In allen Ladephasen überwacht eine interne Steuerschleife die IC-Verbindungstemperatur und senkt den Ladestrom, wenn die internen Temperaturschwellenwerte überschritten werden.

Obwohl die Kombination von Lithium-Ionen-Batterien mit Ladetechniken den Bau tragbarer und tragbarer Systeme ermöglicht, bleibt die Funktion länger erhalten und die Batteriegröße kann reduziert werden. Der beste Kompromiss zwischen geringem Gewicht und Lebensdauer. .