Método de carregamento de bateria de íons de lítio para armazenamento de energia

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Em comparação com tecnologias antigas, como níquel-cádmio, a tecnologia química de baterias de íons de lítio melhora muito a densidade de potência de equipamentos portáteis e acompanha o tempo normal de operação desses sistemas quando há uma única carga. A taxa de autodescarga da bateria de íons de lítio é metade da de níquel-cádmio e hidretos metálicos de níquel, o que também ajuda na vida útil, permitindo que o equipamento seja carregado, para que os clientes não precisem comprar antes de usar. A desvantagem dos íons de lítio é mais complexa do que a tecnologia antiga do que a química inicial.

No entanto, é possível usar um gerenciamento cauteloso para maximizar o fornecimento de energia dos íons de lítio, não apenas proporcionando uma melhor experiência, mas também permitindo que você restrinja seu design para usar baterias menores. Como a bateria é responsável por uma proporção significativa no tamanho e peso do dispositivo vestível, é notável substituir um circuito de carregamento por outro. O principal problema das baterias de íons de lítio é que elas são muito sensíveis à carga excessiva, pois uma voltagem muito alta pode causar estresse no material, reduzindo assim a vida útil da bateria.

Se a carga exceder a voltagem de 4,2 V por bateria, elas também trarão riscos de segurança. Circuitos de carregamento de baixo custo podem ser sobrecarregados, porque a bateria não atinge o limite real.

Eles usam as chamadas estratégias de carga e corrida, essa estratégia tem a vantagem de parecer rápida. Essa estratégia utiliza as características da curva de carga do íon de lítio, que pode ser dividida em quatro estágios principais. A primeira fase usa uma corrente constante para alimentar a bateria.

Com a bateria, sua voltagem é mais ou menos linear. A voltagem é achatada na proximidade do pico, momento em que o carregador pode parar. No entanto, apenas cerca de 85% da bateria é carregada neste momento, o que resulta em um tempo de uso teoricamente baixo.

Além disso, por questões de segurança, a tensão de corte normalmente é definida abaixo da tensão máxima, o que reduz ainda mais a carga máxima aplicada à bateria. A tensão de corte é de 3,8 V em vez do máximo típico de 4.

2V, então 60% da capacidade da bateria está disponível. O restante do carregamento é realizado durante a fase de saturação ou tensão constante. Embora o carregador rápido possa reduzir o tempo necessário para atingir a fase de saturação adicionando corrente de carga, isso tem o efeito de estender a fase de saturação e gerencia com cuidado e precisão o estágio de saturação para proteger contra o estresse.

Figura 1: Estágio de carga de baterias de íons de lítio, incluindo estágios de ajuste térmico sob condições de alta temperatura. É difícil testar se a bateria está cheia ou transbordando, então o tempo ou o nível de corrente são usados ​​como um proxy para indicar que a bateria está quase completamente carregada. Normalmente, o carregamento de saturação dura cerca de duas horas, fornecendo assim um tempo razoável.

Durante o carregamento de saturação, o índice atual diminui. Quando a corrente atinge cerca de 3% do nível usado na primeira fase, a bateria é geralmente considerada totalmente carregada e o processo pode parar. A voltagem usada durante o carregamento saturado é ajustada para um por cento ou mais.

Circuitos que realizam uma carga saturada podem usar testes de corrente e pressionar para gerenciar processos para garantir que a energia será cortada após um período de tempo, e o lítio metálico se acumulará, resultando em um incêndio. A temperatura também é útil no controle de carga. No primeiro estágio, a resistência interna é relativamente baixa e a bateria não será afunilada.

Ao entrar na fase de saturação, a bateria ficará mais quente. Portanto, o sensor de temperatura está relacionado a garantir que a bateria não superaqueça e tenha um risco seguro, o que é muito importante. Os fabricantes de baterias fornecerão um limite de temperatura seguro para seus produtos e normalmente fornecem termistores que podem ser usados ​​com ADCs ou circuitos comparadores no circuito do carregador no conjunto de baterias.

O processo de carregamento deve ser realizado antes do esgotamento da profundidade. Isso usa carregamento lento para retomar a bateria recarregável - testada, sua voltagem será menor que 3 V. Quando o processo de gotejamento for fornecido com carga suficiente, a voltagem aumentará para 3 V ou mais e o processo normal de carregamento do primeiro estágio poderá ser assumido.

O circuito integrado do carregador LTC4065 da Linglurt usa um pacote DFN de tamanho pequeno que fornece como organizar loops de feedback para dar suporte aos vários modos de carregamento necessários para baterias de íons de lítio. O dispositivo suporta métodos de carregamento de corrente constante e tensão constante, bem como temperatura constante para permitir um carregamento efetivo próximo à bateria. Para suportar carregamento em alta temperatura, o LTC4065 possui um circuito limitador de calor.

Isso pode definir a corrente de carga de acordo com uma temperatura ambiente típica (em vez do pior caso) e garantir que o carregador seja reduzido automaticamente no pior caso. No LTC4065, três loops de feedback de amplificadores controlam o modo de corrente constante, tensão constante e temperatura constante. O quarto loop de feedback do amplificador é usado para adicionar a impedância de saída do par de fontes de corrente para garantir que uma corrente de dreno seja apenas mil vezes maior que a segunda corrente de dreno.

Um loop de feedback separado para operações de corrente constante e tensão constante força o carregador a usar qualquer modelo que tente minimizar a corrente de carga. Outra saída do amplificador é saturada, o que efetivamente elimina seu loop do sistema. Quando em modo de corrente constante, ele é acionado com precisão para 1v.

Pino Prog para programar a corrente usando um resistor de tolerância percentual (rPROG). Quando o modo de tensão constante é usado, o loop de tensão constante aciona sua entrada invertida para a tensão de referência interna. O divisor de resistor interno garante que a voltagem da bateria permaneça em 4.

A tensão do pino 2V.Prog também pode indicar a corrente de carga no modo de tensão constante. Em um trabalho típico, o período de carga começa com o modo de corrente constante - a corrente fornecida à bateria é igual a 1000 V / rProg.

Se o consumo de energia do LTC4065 estiver próximo de 115°C, o amplificador de temperatura limite começará a diminuir a corrente de carga, limitando a temperatura do chip em cerca de 115°C. Depois que o modo de restrição de temperatura for encerrado, o LTC 4065 retornará ao modo de corrente constante ou entrará no modo de tensão constante a partir do modo de temperatura constante. Seja no modo PROG, a voltagem do pino PROG é proporcional à corrente fornecida à bateria.

O circuito interno de pressão de tempo e o gerenciamento de carregamento lento melhoraram as funções necessárias para o gerenciamento eficaz da bateria de íons de lítio. O dispositivo fornece precisão de tensão flutuante de 0,6%, apenas dois componentes externos.

Quando a energia de entrada é removida, o LTC4065 entra automaticamente em um estado de baixa corrente e o vazamento da bateria é reduzido para 1μA abaixo. Após a energia ser aplicada, o LTC4065 pode entrar no modo de desligamento e reduzir a fonte de alimentação para 20.

μA abaixo. Figura 2: Fluxograma de status de carregamento da decisão LTC4065 semelhante a esta. Semelhante ao LTC4065, o MaximIntegrated MAX1551 também possui funções de limitação térmica, carregamento ideal, sem ser restringido termicamente pelo pior caso de bateria e tensão de entrada.

Quando o limite de calor é atingido, o MAX 15551 e o MAX 1555 não param completamente de carregar, mas reduzem gradualmente a corrente de carga, o que ajuda a manter a função durante o resfriamento do sistema. É utilizado o pacote SOT23, semelhante ao MAX1551 e MAX 1555, o MCP73811 desenvolvido pela Microchiptechnology é fornecido com pressão constante e carga de corrente constante, esta última programada apenas por resistência externa, e é equipado com um sensor de calor integrado para controle de limite de temperatura de carga. A série BQ2409X da Texas Instruments (TI) é um dispositivo de carregador linear altamente integrado, voltado para uso portátil orientado ao espaço.

Esses CIs são projetados para alimentação via porta USB ou podem não ser adaptadores CA ajustados com alta faixa de tensão de entrada e proteção contra sobretensão de entrada. O BQ2904X realiza ajustes, carregamento de corrente constante e tensão constante. Em todos os estágios de carregamento, o circuito de controle interno monitora a temperatura da junção do CI e reduz a corrente de carregamento quando os limites de temperatura interna são excedidos.

Embora a combinação de baterias de íons de lítio com técnicas de carregamento permita a construção de sistemas portáteis e vestíveis para tornar a construção de sistemas portáteis e vestíveis mais longa, a função mais longa é fornecida e o tamanho da bateria pode ser reduzido. A melhor relação entre pequeno, peso e vida. .