Phương pháp sạc pin lithium-ion để lưu trữ năng lượng

Forfatter: Iflowpower – Fournisseur de centrales électriques portables

So với các công nghệ cũ như niken-cadmium, công nghệ hóa học pin lithium-ion cải thiện đáng kể mật độ năng lượng của thiết bị di động và tuân thủ thời gian hoạt động bình thường của các hệ thống này khi sạc một lần. Tỷ lệ tự xả của pin lithium-ion bằng một nửa so với niken-cadmium và niken kim loại hydride, điều này cũng giúp kéo dài thời hạn sử dụng, cho phép thiết bị sạc, do đó khách hàng không phải mua trước khi sử dụng. Nhược điểm của ion lithium phức tạp hơn công nghệ cũ so với hóa học thời kỳ đầu.

Tuy nhiên, có thể sử dụng biện pháp quản lý thận trọng để tối đa hóa khả năng cung cấp năng lượng của ion lithium, không chỉ mang lại trải nghiệm tốt hơn mà còn cho phép bạn thu hẹp thiết kế để sử dụng pin nhỏ hơn. Vì pin chiếm tỷ lệ đáng kể trong kích thước và trọng lượng của thiết bị đeo được nên việc thay thế mạch sạc bằng mạch sạc khác là điều đáng chú ý. Vấn đề chính của pin lithium-ion là chúng rất nhạy cảm với việc sạc quá mức, vì điện áp quá cao có thể gây ra ứng suất vật liệu, do đó làm giảm tuổi thọ của pin.

Nếu điện áp vượt quá 4,2V trên mỗi pin, chúng cũng sẽ gây ra rủi ro về an toàn. Mạch sạc giá rẻ có thể bị sạc quá mức vì pin không đạt đến giới hạn thực tế.

Họ sử dụng cái gọi là chiến lược tấn công và chạy, chiến lược này có ưu điểm là nhìn rất nhanh. Chiến lược này sử dụng các đặc điểm của đường cong sạc ion lithium, có thể được chia thành bốn giai đoạn chính. Giai đoạn đầu tiên sử dụng dòng điện không đổi để cung cấp cho pin.

Với pin, điện áp của nó ít nhiều tuyến tính. Điện áp sẽ ổn định ở gần mức đỉnh, tại thời điểm đó bộ sạc có thể dừng lại. Tuy nhiên, lúc này pin chỉ sạc được khoảng 85% nên thời gian sử dụng về mặt lý thuyết là thấp.

Ngoài ra, vì lý do an toàn, điện áp cắt thường được đặt dưới điện áp tối đa, làm giảm thêm mức sạc tối đa cho pin. Điện áp cắt là 3,8V thay vì mức tối đa thông thường là 4V.

2V, do đó có thể sử dụng 60% dung lượng pin. Phần còn lại của quá trình sạc được thực hiện trong giai đoạn bão hòa hoặc giai đoạn điện áp không đổi. Mặc dù bộ sạc nhanh có thể rút ngắn thời gian cần thiết để đạt đến giai đoạn bão hòa bằng cách bổ sung dòng điện sạc, nhưng điều này có tác dụng kéo dài giai đoạn bão hòa và quản lý giai đoạn bão hòa một cách cẩn thận và chính xác để chống lại ứng suất.

Hình 1: Giai đoạn sạc của pin lithium ion, bao gồm các giai đoạn điều chỉnh nhiệt độ trong điều kiện nhiệt độ cao. Rất khó để kiểm tra xem pin đã đầy hay chưa, do đó, thời gian hoặc mức dòng điện được sử dụng làm chỉ số để cho biết pin đã gần sạc đầy hay chưa. Thông thường, quá trình sạc bão hòa mất khoảng hai giờ, do đó cung cấp đủ thời gian hợp lý.

Trong quá trình sạc bão hòa, chỉ số dòng điện giảm. Khi dòng điện đạt khoảng 3% mức sử dụng ở pha đầu tiên, pin thường được coi là đã được sạc đầy và quá trình này có thể dừng lại. Điện áp sử dụng trong quá trình sạc bão hòa được điều chỉnh ở mức một phần trăm hoặc tốt hơn.

Các mạch thực hiện sạc bão hòa có thể sử dụng thử nghiệm dòng điện và áp suất để quản lý các quy trình nhằm đảm bảo nguồn điện sẽ bị cắt sau một khoảng thời gian và kim loại lithium tích tụ, dẫn đến hỏa hoạn. Nhiệt độ cũng hữu ích trong việc kiểm soát quá trình sạc. Ở giai đoạn đầu, điện trở bên trong tương đối thấp, pin sẽ không bị thuôn nhọn.

Khi bước vào giai đoạn bão hòa, pin sẽ trở nên ấm hơn. Do đó, cảm biến nhiệt độ có liên quan đến việc đảm bảo pin không bị quá nhiệt và có mức độ rủi ro an toàn là rất quan trọng. Các nhà sản xuất pin sẽ cung cấp giới hạn nhiệt độ an toàn cho sản phẩm của họ và thường cung cấp nhiệt điện trở có thể sử dụng với ADC hoặc mạch so sánh trong mạch sạc trong bộ pin.

Quá trình sạc phải được thực hiện trước khi cạn độ sâu. Phương pháp này sử dụng sạc nhỏ giọt để tiếp tục sạc pin - điện áp đã được kiểm tra sẽ thấp hơn 3V. Khi quá trình nhỏ giọt được cung cấp đủ điện tích, điện áp sẽ tăng lên 3V hoặc hơn và quá trình sạc giai đoạn đầu tiên thông thường có thể được thực hiện.

IC sạc LTC4065 của Linglurt sử dụng gói DFN kích thước nhỏ cung cấp cách tổ chức các vòng phản hồi để hỗ trợ nhiều chế độ sạc khác nhau cần thiết cho pin lithium ion. Thiết bị hỗ trợ phương pháp sạc dòng điện và điện áp không đổi, cũng như nhiệt độ không đổi để có thể sạc hiệu quả gần với pin. Để hỗ trợ sạc ở nhiệt độ cao, LTC4065 có mạch giới hạn nhiệt.

Tính năng này có thể thiết lập dòng điện sạc theo nhiệt độ môi trường thông thường (thay vì trường hợp xấu nhất) và đảm bảo bộ sạc sẽ tự động giảm trong trường hợp xấu nhất. Trong LTC4065, ba vòng phản hồi của bộ khuếch đại điều khiển chế độ dòng điện không đổi, điện áp không đổi và nhiệt độ không đổi. Vòng phản hồi bộ khuếch đại thứ tư được sử dụng để thêm trở kháng đầu ra của cặp nguồn dòng điện để đảm bảo rằng dòng điện thoát thứ nhất chỉ gấp một nghìn lần dòng điện thoát thứ hai.

Một vòng phản hồi riêng biệt cho hoạt động dòng điện không đổi và điện áp không đổi buộc bộ sạc phải dựa trên bất kỳ mô hình nào cố gắng giảm thiểu dòng điện sạc. Một đầu ra bộ khuếch đại khác bị bão hòa, về cơ bản loại bỏ vòng lặp của nó khỏi hệ thống. Khi ở chế độ dòng điện không đổi, nó được điều khiển chính xác đến 1v.

Chân Prog để lập trình dòng điện bằng cách sử dụng điện trở dung sai phần trăm (rPROG). Khi chế độ điện áp không đổi được sử dụng, vòng điện áp không đổi sẽ đưa đầu vào đảo ngược của nó tới điện áp tham chiếu bên trong. Bộ chia điện trở bên trong đảm bảo điện áp của pin luôn ở mức 4.

Điện áp chân 2V.Prog cũng có thể chỉ ra dòng điện sạc ở chế độ điện áp không đổi. Trong một công việc điển hình, giai đoạn sạc bắt đầu bằng chế độ dòng điện không đổi - dòng điện cung cấp cho pin bằng 1000V/rProg.

Nếu mức tiêu thụ điện năng của LTC4065 gần bằng 115°C, bộ khuếch đại nhiệt độ giới hạn sẽ bắt đầu hạ thấp dòng điện sạc, giới hạn nhiệt độ của chip trong khoảng 115°C. Khi thoát khỏi chế độ hạn chế nhiệt độ, LTC 4065 sẽ trở về chế độ dòng điện không đổi hoặc chuyển sang chế độ điện áp không đổi từ chế độ nhiệt độ không đổi. Cho dù là chế độ nào thì điện áp của chân PROG cũng tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp cho pin.

Mạch sạc nhanh bên trong và hệ thống quản lý sạc nhỏ giọt đã cải thiện các chức năng cần thiết để quản lý pin lithium-ion hiệu quả. Thiết bị cung cấp độ chính xác điện áp nổi 0,6%, chỉ cần hai thành phần bên ngoài.

Khi nguồn điện đầu vào bị ngắt, LTC4065 sẽ tự động chuyển sang trạng thái dòng điện thấp và rò rỉ pin được giảm xuống 1μA bên dưới. Sau khi cấp nguồn, LTC4065 có thể chuyển sang chế độ tắt máy và giảm nguồn điện xuống 20.

μA bên dưới. Hình 2: Biểu đồ luồng trạng thái sạc quyết định LTC4065 tương tự như thế này. Tương tự như LTC4065, MaximIntegrated MAX1551 cũng có chức năng giới hạn nhiệt, sạc tối ưu mà không bị hạn chế nhiệt bởi pin và điện áp đầu vào trong trường hợp xấu nhất.

Khi đạt đến giới hạn nhiệt, MAX 15551 và MAX 1555 sẽ không ngừng sạc hoàn toàn mà sẽ giảm dần dòng điện sạc, giúp duy trì chức năng khi làm mát hệ thống. Gói SOT23 được sử dụng, tương tự như MAX1551 và MAX 1555, MCP73811 do Microchiptechnology phát triển được cung cấp áp suất không đổi và sạc dòng điện không đổi, sau này chỉ được lập trình bằng điện trở bên ngoài và được trang bị cảm biến nhiệt tích hợp để điều khiển giới hạn nhiệt độ sạc. Dòng BQ2409X của Texas Instruments (TI) là thiết bị sạc tuyến tính tích hợp cao, hướng đến mục đích sử dụng di động trong không gian.

Các IC này được thiết kế để cấp nguồn cho cổng USB hoặc có thể không điều chỉnh được bộ đổi nguồn AC có dải điện áp đầu vào cao và bảo vệ quá áp đầu vào. BQ2904X thực hiện điều chỉnh, sạc dòng điện không đổi và điện áp không đổi. Ở mọi giai đoạn sạc, vòng điều khiển bên trong sẽ theo dõi nhiệt độ mối nối IC và giảm dòng điện sạc khi vượt quá ngưỡng nhiệt độ bên trong.

Mặc dù sự kết hợp giữa pin lithium-ion và kỹ thuật sạc cho phép xây dựng các hệ thống di động và đeo được để làm cho việc xây dựng các hệ thống di động và đeo được lâu hơn, chức năng dài nhất được cung cấp và kích thước pin có thể được giảm xuống. Sự đánh đổi tốt nhất giữa nhỏ và nặng và sự sống. .