วิธีการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพื่อการเก็บพลังงาน

Awdur: Iflowpower - Proveedor de centrales eléctricas portátiles

เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีเก่าๆ เช่น นิกเกิล-แคดเมียม เทคโนโลยีเคมีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนช่วยปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานของอุปกรณ์พกพาได้อย่างมาก และปฏิบัติตามเวลาการทำงานปกติของระบบเหล่านี้เมื่อมีการชาร์จเพียงครั้งเดียว อัตราส่วนการคายประจุเองของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือครึ่งหนึ่งของนิกเกิลแคดเมียมและนิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ ซึ่งช่วยยืดอายุการเก็บรักษา ช่วยให้สามารถชาร์จอุปกรณ์ได้ ดังนั้นลูกค้าจึงไม่จำเป็นต้องซื้อก่อนใช้งาน ข้อเสียของไอออนลิเธียมมีความซับซ้อนมากกว่าเทคโนโลยีเก่ามากกว่าเคมีในยุคแรกๆ

อย่างไรก็ตาม การจัดการอย่างระมัดระวังสามารถใช้เพื่อเพิ่มการส่งพลังงานของลิเธียมไอออนให้สูงสุด ไม่เพียงแต่ให้ประสบการณ์ที่ดีขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยให้คุณจำกัดการออกแบบให้ใช้แบตเตอรี่ที่มีขนาดเล็กลงได้อีกด้วย เนื่องจากแบตเตอรี่มีอัตราส่วนที่สำคัญในขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์ที่สวมใส่ จึงเป็นเรื่องน่าทึ่งที่สามารถเปลี่ยนวงจรชาร์จเป็นวงจรชาร์จอื่น ปัญหาสำคัญของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือมีความอ่อนไหวต่อการชาร์จมากเกินไป เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่สูงเกินไปอาจทำให้เกิดความเครียดของวัสดุ ส่งผลให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานสั้นลง

หากประจุไฟเกินแรงดันไฟ 4.2V ต่อแบตเตอรี่หนึ่งก้อน ก็จะทำให้เกิดความเสี่ยงต่อความปลอดภัยได้ วงจรชาร์จราคาถูกอาจจะถูกชาร์จมากเกินไปเพราะแบตเตอรี่ไม่ถึงขีดจำกัดที่แท้จริง

พวกเขาใช้สิ่งที่เรียกว่ากลยุทธ์การชาร์จและการทำงาน กลยุทธ์นี้มีข้อดีคือดูรวดเร็ว กลยุทธ์นี้ใช้ลักษณะเฉพาะของเส้นโค้งการชาร์จลิเธียมไอออนซึ่งสามารถแบ่งได้เป็น 4 ขั้นตอนสำคัญ เฟสแรกใช้กระแสคงที่เพื่อจ่ายให้กับแบตเตอรี่

เมื่อใช้งานแบตเตอรี่ แรงดันไฟฟ้าจะมีลักษณะเชิงเส้นมากกว่าหรือน้อยกว่า แรงดันไฟฟ้าจะถูกปรับให้แบนราบในบริเวณใกล้จุดสูงสุด ซึ่งเป็นเวลาที่เครื่องชาร์จจะหยุดทำงาน อย่างไรก็ตาม ในขณะนี้ชาร์จได้เพียงประมาณ 85% เท่านั้น ซึ่งส่งผลให้เวลาใช้งานต่ำตามทฤษฎี

นอกจากนี้ เนื่องจากเหตุผลด้านความปลอดภัย แรงดันไฟตัดมักจะถูกตั้งไว้ต่ำกว่าแรงดันไฟสูงสุด ซึ่งจะช่วยลดประจุสูงสุดที่จ่ายให้กับแบตเตอรี่ลงไปอีก แรงดันไฟตัดคือ 3.8V แทนที่จะเป็นค่าสูงสุดทั่วไปที่ 4

2V ดังนั้นจึงมีความจุแบตเตอรี่เหลืออยู่ 60% ส่วนที่เหลือของการชาร์จจะดำเนินการในระหว่างเฟสอิ่มตัวหรือแรงดันไฟคงที่ แม้ว่าเครื่องชาร์จด่วนจะสามารถลดเวลาที่จำเป็นในการเข้าสู่เฟสอิ่มตัวได้โดยการเพิ่มกระแสชาร์จ แต่ก็มีผลในการขยายเฟสอิ่มตัว และจัดการเฟสอิ่มตัวอย่างระมัดระวังและแม่นยำเพื่อป้องกันความเครียด

รูปที่ 1: ขั้นตอนการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน รวมถึงขั้นตอนการปรับความร้อนภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง การทดสอบแบตเตอรี่จนเต็มนั้นทำได้ยาก ดังนั้นเวลาหรือระดับกระแสไฟจึงใช้เป็นตัวแทนเพื่อระบุว่าแบตเตอรี่ชาร์จใกล้จะเต็มแล้ว โดยทั่วไปการชาร์จแบบอิ่มตัวจะใช้เวลาประมาณ 2 ชั่วโมง ซึ่งถือเป็นระยะเวลาที่เหมาะสม

ในระหว่างการชาร์จอิ่มตัว ดัชนีกระแสไฟฟ้าจะลดลง เมื่อกระแสไฟถึงประมาณ 3% ของระดับที่ใช้ในเฟสแรก โดยทั่วไปถือว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้ว และสามารถหยุดกระบวนการได้ แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในการชาร์จแบบอิ่มตัวจะถูกปรับไว้ที่หนึ่งเปอร์เซ็นต์หรือดีกว่า

วงจรที่ทำการชาร์จแบบอิ่มตัวสามารถใช้การทดสอบกระแสไฟและแรงดันเพื่อจัดการกระบวนการต่างๆ เพื่อให้แน่ใจว่าไฟฟ้าจะถูกตัดหลังจากผ่านไประยะหนึ่ง และลิเธียมโลหะจะสะสมจนเกิดไฟไหม้ได้ อุณหภูมิยังมีประโยชน์ในการควบคุมการชาร์จอีกด้วย ในระยะแรกความต้านทานภายในจะค่อนข้างต่ำ แบตเตอรี่จะไม่ถูกลดรูปทรง

เมื่อเข้าสู่ช่วงอิ่มตัว แบตเตอรี่จะอุ่นขึ้น ดังนั้นเซ็นเซอร์อุณหภูมิจึงมีความสำคัญมากในการรับรองว่าแบตเตอรี่จะไม่ร้อนเกินไปและมีความเสี่ยงที่ปลอดภัย ผู้ผลิตแบตเตอรี่จะกำหนดขีดจำกัดอุณหภูมิที่ปลอดภัยสำหรับผลิตภัณฑ์ของตน และโดยทั่วไปจะจัดหาเทอร์มิสเตอร์ที่สามารถใช้กับ ADC หรือวงจรเปรียบเทียบในวงจรเครื่องชาร์จในชุดแบตเตอรี่

กระบวนการชาร์จจะต้องชาร์จก่อนที่จะลดความลึก วิธีนี้ใช้การชาร์จแบบหยดเพื่อให้แบตเตอรี่ชาร์จได้อีกครั้ง ซึ่งทดสอบแล้วพบว่าแรงดันไฟต่ำกว่า 3V เมื่อกระบวนการชาร์จแบบหยดได้รับการจ่ายประจุเพียงพอแล้ว แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็น 3V หรือมากกว่านั้น และสามารถเริ่มกระบวนการชาร์จขั้นแรกปกติได้

IC เครื่องชาร์จ LTC4065 ของ Linglurt ใช้แพ็คเกจ DFN ขนาดเล็กที่จัดเตรียมวิธีการจัดระเบียบลูปข้อเสนอแนะเพื่อรองรับโหมดการชาร์จต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อุปกรณ์นี้รองรับวิธีการชาร์จกระแสคงที่และแรงดันคงที่ ตลอดจนอุณหภูมิคงที่เพื่อให้ชาร์จแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อรองรับการชาร์จที่อุณหภูมิสูง LTC4065 จึงมีวงจรจำกัดความร้อน

ซึ่งสามารถตั้งค่ากระแสการชาร์จให้สอดคล้องกับอุณหภูมิแวดล้อมทั่วไป (ไม่ใช่กรณีที่แย่ที่สุด) และช่วยให้มั่นใจได้ว่าเครื่องชาร์จจะลดลงโดยอัตโนมัติในกรณีที่แย่ที่สุด ใน LTC4065 วงจรป้อนกลับของเครื่องขยายเสียงสามตัวจะควบคุมกระแสคงที่ แรงดันคงที่ และโหมดอุณหภูมิคงที่ วงจรป้อนกลับของเครื่องขยายเสียงตัวที่สี่ใช้เพื่อเพิ่มค่าอิมพีแดนซ์เอาต์พุตของคู่แหล่งกระแสเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสเดรนหนึ่งครั้งจะมีค่าเพียงพันเท่าของกระแสเดรนครั้งที่สองเท่านั้น

วงจรป้อนกลับแบบแยกสำหรับการทำงานกระแสคงที่และแรงดันคงที่ จะบังคับเครื่องชาร์จตามรุ่นใดๆ ที่พยายามลดกระแสการชาร์จให้เหลือน้อยที่สุด เอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงอีกตัวหนึ่งจะอิ่มตัว ซึ่งจะกำจัดลูปออกจากระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่ออยู่ในโหมดกระแสคงที่ จะถูกขับเคลื่อนอย่างแม่นยำไปที่ 1 โวลต์

พิน Prog สำหรับตั้งโปรแกรมกระแสไฟฟ้าโดยใช้ตัวต้านทานความคลาดเคลื่อนเปอร์เซ็นต์ (rPROG) เมื่อใช้งานโหมดแรงดันคงที่ ลูปแรงดันคงที่จะส่งอินพุตแบบกลับด้านไปยังแรงดันอ้างอิงภายใน ตัวแบ่งตัวต้านทานภายในช่วยให้แน่ใจว่าแรงดันไฟแบตเตอรี่ยังคงอยู่ที่ 4

แรงดันไฟที่พิน 2V.Prog ยังสามารถระบุกระแสการชาร์จในโหมดแรงดันคงที่ได้อีกด้วย ในการทำงานทั่วไป ช่วงเวลาการชาร์จจะเริ่มต้นด้วยโหมดกระแสคงที่ โดยกระแสที่ส่งไปยังแบตเตอรี่จะเท่ากับ 1000V / rProg

หากการใช้พลังงานของ LTC4065 ใกล้เคียงกับ 115°C เครื่องขยายอุณหภูมิจำกัดจะเริ่มลดกระแสชาร์จ จำกัดอุณหภูมิของชิปในประมาณ 115°C. เมื่อออกจากโหมดจำกัดอุณหภูมิแล้ว LTC 4065 จะกลับสู่โหมดกระแสคงที่หรือเข้าสู่โหมดแรงดันคงที่จากโหมดอุณหภูมิคงที่ ไม่ว่าจะเป็นโหมดใด แรงดันไฟฟ้าของพิน PROG จะเป็นสัดส่วนกับกระแสไฟฟ้าที่ส่งไปยังแบตเตอรี่

วงจรกดเวลาภายในและการจัดการการชาร์จแบบหยดได้ปรับปรุงฟังก์ชันที่จำเป็นสำหรับการจัดการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีประสิทธิภาพ อุปกรณ์นี้จ่ายความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้าลอยตัว 0.6% โดยใช้ส่วนประกอบภายนอกเพียง 2 ชิ้นเท่านั้น

เมื่อถอดแหล่งจ่ายไฟออก LTC4065 จะเข้าสู่สถานะกระแสไฟต่ำโดยอัตโนมัติ และการรั่วไหลของแบตเตอรี่จะลดลงเหลือ 1μก. ข้างล่าง หลังจากจ่ายไฟแล้ว LTC4065 จะเข้าสู่โหมดปิดเครื่องและลดแหล่งจ่ายไฟลงเหลือ 20

μก. ข้างล่าง รูปที่ 2: แผนภูมิสถานะการชาร์จ การตัดสินใจของ LTC4065 คล้ายกับนี้ คล้ายกับ LTC4065, MaximIntegrated MAX1551 ยังมีฟังก์ชั่นจำกัดความร้อน การชาร์จที่เหมาะสม โดยไม่ถูกจำกัดความร้อนจากแบตเตอรี่ที่แย่ที่สุดและแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

เมื่อถึงขีดจำกัดความร้อนแล้ว MAX 15551 และ MAX 1555 จะไม่หยุดการชาร์จอย่างสมบูรณ์ แต่จะค่อยๆ ลดกระแสการชาร์จลง ซึ่งช่วยให้รักษาการทำงานไว้ได้เมื่อทำการระบายความร้อนในระบบ แพ็คเกจ SOT23 ที่ใช้นั้นคล้ายกับ MAX1551 และ MAX 1555 โดย MCP73811 ที่พัฒนาโดย Microchiptechnology นั้นมาพร้อมกับแรงดันคงที่และการชาร์จกระแสคงที่ โดยอย่างหลังนั้นถูกตั้งโปรแกรมโดยความต้านทานภายนอกเท่านั้น และมีเซ็นเซอร์ความร้อนในตัวเพื่อควบคุมอุณหภูมิการชาร์จ ซีรีส์ BQ2409X ของ Texas Instruments (TI) เป็นอุปกรณ์ชาร์จเชิงเส้นที่มีการผสานรวมอย่างสูง เหมาะสำหรับการใช้งานแบบพกพาที่เน้นพื้นที่

ไอซีเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้พลังงานจากพอร์ต USB หรืออาจไม่สามารถปรับอะแดปเตอร์ AC ที่มีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงและการป้องกันแรงดันไฟฟ้าอินพุตเกิน BQ2904X ทำหน้าที่ปรับการชาร์จกระแสคงที่และแรงดันไฟคงที่ ในทุกขั้นตอนการชาร์จ วงจรควบคุมภายในจะตรวจสอบอุณหภูมิของทางแยก IC และลดกระแสชาร์จเมื่อเกินเกณฑ์อุณหภูมิภายใน

แม้ว่าการใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนร่วมกันในการชาร์จเทคนิคต่างๆ จะทำให้การสร้างระบบพกพาและสวมใส่ได้นั้นยาวนานขึ้น แต่ก็มีฟังก์ชันที่ยาวนานที่สุด และสามารถลดขนาดแบตเตอรี่ได้ ทางเลือกที่ดีที่สุดระหว่างขนาดเล็ก น้ำหนัก และชีวิต .