4 circuiti semplici per caricabatterie agli ioni di litio - Utilizzando LM317, NE555, LM324

Il seguente post spiega un modo semplice ma sicuro per caricare una batteria agli ioni di litio utilizzando circuiti integrati ordinari come LM317 e NE555 che possono essere facilmente costruiti a casa da qualsiasi nuovo hobbista.

Sebbene le batterie agli ioni di litio siano dispositivi vulnerabili, queste possono essere caricate attraverso circuiti più semplici se la velocità di ricarica non causa un riscaldamento significativo della batteria e se l'utente non si preoccupa di un leggero ritardo nel periodo di ricarica della cella.

Per gli utenti che desiderano una ricarica rapida della batteria, non devono utilizzare i concetti spiegati di seguito, ma possono utilizzare uno di questi design intelligenti professionali .

Informazioni di base sulla ricarica agli ioni di litio

Prima di apprendere le procedure di costruzione di un caricabatterie agli ioni di litio, sarebbe importante per noi conoscere i parametri di base relativi alla ricarica della batteria agli ioni di litio.

A differenza della batteria al piombo, una batteria agli ioni di litio può essere caricata a correnti iniziali notevolmente elevate che possono raggiungere il valore di Ah della batteria stessa. Questo è definito come ricarica a velocità 1C, dove C è il valore Ah della batteria.

Detto questo, non è mai consigliabile utilizzare questa velocità estrema, in quanto ciò significherebbe caricare la batteria in condizioni di forte stress dovuto all'aumento della sua temperatura. Un tasso di 0,5 ° C è quindi considerato un valore consigliato standard.

0,5C indica un tasso di corrente di carica pari al 50% del valore Ah della batteria. In condizioni estive tropicali, anche questo tasso può trasformarsi in un tasso sfavorevole per la batteria a causa dell'elevata temperatura ambiente esistente.

La ricarica di una batteria agli ioni di litio richiede considerazioni complesse?

Assolutamente no. In realtà è una forma di batteria estremamente amichevole e verrà caricata con considerazioni minime, sebbene queste considerazioni minime siano essenziali e devono essere seguite senza fallo.

Alcune considerazioni critiche ma facili da implementare sono: spegnimento automatico a pieno livello di carica, tensione costante e alimentazione in ingresso di corrente costante.

La seguente spiegazione aiuterà a capirlo meglio.

Il grafico seguente suggerisce la procedura di carica ideale di una cella agli ioni di litio standard da 3,7 V, nominale con 4,2 V come livello di carica completa.

Fase 1 : Nella fase iniziale n. 1 vediamo che la tensione della batteria aumenta da 0,25 V a 4,0 V in circa un'ora a una velocità di carica della corrente costante di 1 amp. Ciò è indicato dalla linea BLU. Lo 0,25 V è solo a scopo indicativo, una cella effettiva da 3,7 V non dovrebbe mai essere scaricata al di sotto di 3 V.

Fase 2: Nella fase # 2, la carica entra in stato di carica di saturazione , dove la tensione raggiunge il livello di carica completa di 4,2 V e il consumo di corrente inizia a diminuire. Questo calo del tasso attuale continua per le prossime due ore. La corrente di carica è indicata dalla linea tratteggiata ROSSA.

Fase 3 : Quando la corrente diminuisce, raggiunge il livello più basso che è inferiore al 3% del rating Ah della cella.

Quando ciò accade, l'alimentazione in ingresso viene disattivata e la cella può stabilizzarsi per un'altra ora.

Dopo un'ora la tensione della cella indica il reale State-Of-Charge o il SoC della cella. Il SoC di una cella o di una batteria è il livello di carica ottimale che ha raggiunto dopo un ciclo di carica completa e questo livello mostra il livello effettivo che può essere utilizzato per una data applicazione.

In questo stato possiamo dire che la condizione della cella è pronta per l'uso.

Fase 4 : In situazioni in cui la cella non viene utilizzata per lunghi periodi, di tanto in tanto viene applicata una carica di rabbocco, in cui la corrente consumata dalla cella è inferiore al 3% del suo valore Ah.

Ricorda, sebbene il grafico mostri che la cella è in carica anche dopo aver raggiunto 4,2 V, quello è assolutamente sconsigliato durante la ricarica pratica di una cella agli ioni di litio . L'alimentazione deve essere interrotta automaticamente non appena la cella raggiunge il livello di 4,2 V.

Quindi cosa suggerisce fondamentalmente il grafico?

1. Utilizzare un'alimentazione in ingresso che abbia una corrente fissa e un'uscita a tensione fissa, come discusso sopra. (Tipicamente questo può essere = tensione 14% superiore al valore stampato, corrente 50% del valore Ah, anche una corrente inferiore a questa funzionerà bene, sebbene il tempo di ricarica aumenterà proporzionalmente)
2. Il caricabatterie dovrebbe avere uno spegnimento automatico al livello di carica completo consigliato.
3. La gestione o il controllo della temperatura per la batteria potrebbe non essere necessaria se la corrente di ingresso è limitata a un valore che non causa il riscaldamento della batteria

Se non si dispone di uno spegnimento automatico, limitare semplicemente l'ingresso di tensione costante a 4,1 V.

1) Caricabatterie agli ioni di litio più semplice che utilizza un singolo MOSFET

Se stai cercando un circuito di ricarica agli ioni di litio più economico e più semplice, non può esserci un'opzione migliore di questa.

Questo design è senza regolazione della temperatura, quindi si consiglia una corrente di ingresso inferiore

Un singolo MOSFET, un preset o un trimmer e una resistenza da 470 ohm e 1/4 di watt è tutto ciò di cui hai bisogno per realizzare un circuito di ricarica semplice e sicuro.

Prima di collegare l'uscita a una cella agli ioni di litio, accertarsi di un paio di cose.

1) Poiché il progetto di cui sopra non include la regolazione della temperatura, la corrente di ingresso deve essere limitata a un livello che non provochi un riscaldamento significativo della cella.

2) Regolare il preset per ottenere esattamente 4,1 V attraverso i terminali di ricarica dove si suppone che la cella sia collegata. Un ottimo modo per risolvere questo problema è collegare un diodo zener preciso al posto del preset e sostituire il 470 ohm con un resistore da 1 K.

Per la corrente, in genere un ingresso di corrente costante di circa 0,5 ° C sarebbe giusto, ovvero il 50% del valore mAh della cella.

Aggiunta di un controller corrente

Se la sorgente di ingresso non è controllata in corrente, in tal caso possiamo aggiornare rapidamente il circuito sopra con un semplice stadio di controllo della corrente BJT come mostrato di seguito:

RX = 07 / Corrente di carica massima

Vantaggio della batteria agli ioni di litio

Il vantaggio principale delle celle agli ioni di litio è la loro capacità di accettare la carica a una velocità rapida ed efficiente. Tuttavia, le celle agli ioni di litio hanno la cattiva reputazione di essere troppo sensibili a ingressi sfavorevoli come alta tensione, alta corrente e, soprattutto, condizioni di carica.

Quando viene caricata in una delle condizioni di cui sopra, la cella potrebbe surriscaldarsi e, se le condizioni persistono, potrebbero verificarsi perdite di fluido della cella o addirittura un'esplosione, danneggiando in ultima analisi la cella in modo permanente.

In condizioni di carica sfavorevoli la prima cosa che accade alla cella è l'innalzamento della sua temperatura, e nel concetto circuitale proposto utilizziamo questa caratteristica del dispositivo per attuare le operazioni di sicurezza richieste, dove alla cella non è mai consentito di raggiungere temperature elevate mantenendo i parametri ben al di sotto delle specifiche richieste della cella.

2) Utilizzando LM317 come controller IC

In questo blog ne abbiamo incontrati tanti circuiti del caricabatterie che utilizzano l'IC LM317 e LM338 quali sono i dispositivi più versatili e più adatti alle operazioni discusse.

Anche qui utilizziamo l'IC LM317, sebbene questo dispositivo venga utilizzato solo per generare la tensione regolata richiesta e la corrente per la cella Li-Ion collegata.

La funzione di rilevamento vera e propria è svolta dalla coppia di transistor NPN che sono posizionati in modo tale da venire a contatto fisico con la cella sotto carica.

Guardando lo schema del circuito dato, otteniamo tre tipi di protezioni contemporaneamente:

Quando viene applicata l'alimentazione alla configurazione, l'IC 317 si limita e genera un'uscita pari a 3,9 V alla batteria agli ioni di litio collegata.

1. Il Resistore da 640 ohm si assicura che questa tensione non superi mai il limite di carica completa.
2. Due transistor NPN collegati in modalità Darlington standard al pin ADJ dell'IC controllano la temperatura della cella.
3. Questi transistor funzionano anche come limitatore di corrente , prevenendo una situazione di sovracorrente per la cella agli ioni di litio.

Sappiamo che se il pin ADJ dell'IC 317 è messo a terra, la situazione interrompe completamente la tensione di uscita da esso.

Significa che se la conduzione dei transistor causerebbe un cortocircuito del pin ADJ a massa provocando lo spegnimento dell'uscita alla batteria.

Con la funzione di cui sopra in mano, qui la coppia Darlingtom svolge un paio di interessanti funzioni di sicurezza.

Il resistore da 0,8 collegato attraverso la sua base e la sua massa limita la corrente massima a circa 500 mA, se la corrente tende a superare questo limite, la tensione ai capi del resistore da 0,8 ohm diventa sufficiente per attivare i transistor che 'strozzano' l'uscita dell'IC e inibisce qualsiasi ulteriore aumento della corrente. Questo a sua volta aiuta a evitare che la batteria riceva quantità di corrente indesiderate.

Utilizzo del rilevamento della temperatura come parametro

Tuttavia, la principale funzione di sicurezza svolta dai transistor è quella di rilevare l'aumento della temperatura della batteria agli ioni di litio.

I transistor come tutti i dispositivi a semiconduttore tendono a condurre la corrente in modo più proporzionale con l'aumento della temperatura ambiente o del corpo.

Come discusso, questi transistor devono essere posizionati in stretto contatto fisico con la batteria.

Supponiamo ora che nel caso in cui la temperatura della cella inizi a salire, i transistor risponderebbero a questo e inizierebbero a condurre, la conduzione farebbe istantaneamente sottoporre il pin ADJ dell'IC al potenziale di terra, con conseguente diminuzione della tensione di uscita.

Con una diminuzione della tensione di carica diminuirà anche l'aumento di temperatura della batteria Li-Ion collegata. Il risultato è una ricarica controllata della cella, assicurandosi che la cella non vada mai in situazioni di fuga e mantenga un profilo di carica sicuro.

Il circuito di cui sopra funziona con il principio di compensazione della temperatura, ma non incorpora una funzione di interruzione automatica del sovraccarico e quindi la tensione di carica massima viene fissata a 4,1 V.

Senza compensazione della temperatura

Se vuoi evitare i problemi di controllo della temperatura, puoi semplicemente ignorare la coppia Darlington di BC547 e utilizzare invece un singolo BC547.

Ora, questo funzionerà solo come alimentazione controllata in corrente / tensione per la cella agli ioni di litio. Ecco il design modificato richiesto.

Il trasformatore può essere un trasformatore 0-6 / 9 / 12V

Poiché qui non viene utilizzato il controllo della temperatura, assicurarsi che il valore Rc sia dimensionato correttamente per una velocità di 0,5 C. Per questo puoi usare la seguente formula:

Rc = 0,7 / 50% del valore Ah

Supponiamo che il valore Ah venga stampato come 2800 mAh. Quindi la formula sopra potrebbe essere risolta come:

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

Il wattaggio sarà 0,7 x 1,4 = 0,98, o semplicemente 1 watt.

Allo stesso modo, assicurati che la preimpostazione 4k7 sia regolata su un esatto 4,1 V tra i terminali di uscita.

Una volta effettuate le suddette regolazioni, è possibile caricare la batteria agli ioni di litio in modo sicuro, senza preoccuparsi di situazioni spiacevoli.

Poiché a 4,1 V non possiamo presumere che la batteria sia completamente carica.

Per contrastare l'inconveniente di cui sopra, una funzione di interruzione automatica diventa più favorevole rispetto al concetto di cui sopra.

Ho discusso di molti circuiti di caricatori automatici di amplificatori operazionali in questo blog, ognuno di essi può essere applicato per il progetto proposto, ma poiché siamo interessati a mantenere il design economico e facile, è possibile provare un'idea alternativa mostrata di seguito.

Impiego di un SCR per il cut-off

Se sei interessato ad avere solo un arresto automatico, senza monitoraggio della temperatura, puoi provare il design basato su SCR spiegato di seguito. L'SCR viene utilizzato attraverso l'ADJ e la massa dell'IC per un'operazione di blocco. Il cancello è attrezzato con l'uscita in modo tale che quando il potenziale raggiunge circa 4.2V, l'SCR si accende e si blocca, interrompendo permanentemente l'alimentazione alla batteria.

La soglia può essere regolata nel modo seguente:

Inizialmente, mantenere il preset 1K regolato al livello del suolo (estrema destra), applicare una sorgente di tensione esterna da 4,3 V ai terminali di uscita.
Ora regola lentamente il preset fino a quando l'SCR non si accende (LED illuminato).

Imposta il circuito per lo spegnimento automatico.

Come impostare il circuito sopra

Inizialmente mantieni il braccio del cursore centrale del preset a contatto con il binario di terra del circuito.

Ora, senza collegare l'interruttore della batteria all'alimentazione, controllare la tensione di uscita che mostrerebbe naturalmente il livello di carica completo come impostato dalla resistenza da 700 ohm.

Successivamente, regola molto abilmente e delicatamente il preset fino a quando l'SCR non si accende spegnendo la tensione di uscita a zero.

Questo è tutto, ora puoi presumere che il circuito sia pronto.

Collegare una batteria scarica, accendere l'alimentazione e controllare la risposta, presumibilmente l'SCR non si attiverà fino al raggiungimento della soglia impostata e si spegnerà non appena la batteria raggiunge la soglia di carica completa impostata.

3) Circuito del caricabatteria agli ioni di litio con IC 555

Il secondo design semplice spiega un circuito caricabatterie automatico agli ioni di litio semplice ma preciso che utilizza l'onnipresente IC 555.

La ricarica della batteria agli ioni di litio può essere critica

Una batteria agli ioni di litio come tutti sappiamo deve essere caricata in condizioni controllate, se caricata con mezzi ordinari potrebbe causare danni o addirittura l'esplosione della batteria.

Fondamentalmente le batterie agli ioni di litio non amano caricare eccessivamente le loro celle. Una volta che le celle raggiungono la soglia superiore, la tensione di carica dovrebbe essere interrotta.

Il seguente circuito del caricabatterie agli ioni di litio segue in modo molto efficiente le condizioni di cui sopra in modo tale che la batteria collegata non possa mai superare il limite di sovraccarico.

Quando l'IC 555 viene utilizzato come comparatore, i suoi pin # 2 e # 6 diventano ingressi di rilevamento efficaci per rilevare i limiti di soglia di tensione inferiore e superiore a seconda dell'impostazione delle preimpostazioni pertinenti.

Il pin # 2 monitora il livello di soglia della bassa tensione e attiva l'uscita su una logica alta nel caso in cui il livello scenda al di sotto del limite impostato.

Al contrario, il pin # 6 monitora la soglia di tensione superiore e riporta l'uscita a bassa quando rileva un livello di tensione superiore al limite di rilevamento alto impostato.

Fondamentalmente le azioni di interruzione superiore e di accensione inferiore devono essere impostate con l'aiuto delle relative preimpostazioni che soddisfano le specifiche standard dell'IC e della batteria collegata.

Il preset relativo al pin # 2 deve essere impostato in modo che il limite inferiore corrisponda a 1/3 della Vcc, e analogamente il preset associato al pin # 6 deve essere impostato in modo tale che il limite di cut off superiore corrisponda a 2/3 di Vcc, come secondo le regole standard dell'IC 555.

Come funziona

L'intero funzionamento del circuito del caricatore agli ioni di litio proposto utilizzando IC 555 avviene come spiegato nella seguente discussione:

Supponiamo che una batteria agli ioni di litio completamente scarica (a circa 3,4 V) sia collegata all'uscita del circuito mostrato di seguito.

Supponendo che la soglia inferiore sia impostata da qualche parte al di sopra del livello di 3,4 V, il pin n. 2 rileva immediatamente la situazione di bassa tensione e porta l'uscita in alto al pin n. 3.

L'alto al pin # 3 attiva il transistor che accende l'alimentazione in ingresso alla batteria collegata.

La batteria inizia ora gradualmente a caricarsi.

Non appena la batteria raggiunge la carica completa (@ 4.2V), supponendo che la soglia di interruzione superiore al pin # 6 sia impostata a circa 4.2v, il livello viene rilevato al pin # 6 che riporta immediatamente l'uscita a basso.

L'uscita bassa spegne istantaneamente il transistor, il che significa che l'ingresso di carica è ora inibito o interrotto dalla batteria.

L'inclusione di uno stadio a transistor fornisce la possibilità di caricare anche celle agli ioni di litio a corrente più elevata.

Il trasformatore deve essere selezionato con una tensione non superiore a 6 V e una corrente nominale 1/5 della batteria AH.

Schema elettrico

Se ritieni che il design di cui sopra sia molto complesso, potresti provare il seguente design che sembra molto più semplice:

Come impostare il circuito

Collegare una batteria completamente carica attraverso i punti mostrati e regolare la preimpostazione in modo che il relè si disattivi dalla posizione N / C a N / O .... farlo senza collegare alcun ingresso CC di carica al circuito.

Fatto ciò, si può presumere che il circuito sia impostato e utilizzabile per l'interruzione automatica dell'alimentazione della batteria quando è completamente carica.

Durante la carica effettiva, assicurarsi che la corrente di ingresso di carica sia sempre inferiore alla valutazione AH della batteria, il che significa che se si suppone che la batteria AH sia 900 mAH, l'ingresso non dovrebbe essere superiore a 500 mA.

La batteria deve essere rimossa non appena il relè si spegne per impedire l'autoscarica della batteria tramite il preset 1K.

IC1 = IC555

Tutti i resistori sono CFR da 1/4 watt

Pinout IC 555

Conclusione

Sebbene i progetti presentati sopra siano tutti tecnicamente corretti e svolgeranno i compiti secondo le specifiche proposte, in realtà sembrano eccessivi.

Viene spiegato un modo semplice ma efficace e sicuro per caricare una cella agli ioni di litio in questo post , e questo circuito può essere applicabile a tutti i tipi di batterie poiché si prende perfettamente cura di due parametri cruciali: corrente costante e interruzione automatica della carica completa. Si presume che sia disponibile una tensione costante dalla fonte di carica.

4) Ricarica di molte batterie agli ioni di litio

L'articolo spiega un semplice circuito che può essere utilizzato per caricare in parallelo almeno 25 nn di celle agli ioni di litio insieme rapidamente, da una singola fonte di tensione come una batteria da 12V o un pannello solare da 12V.

L'idea è stata richiesta da uno degli appassionati follower di questo blog, sentiamola:

Ricarica di molte batterie agli ioni di litio insieme

Potete aiutarmi a progettare un circuito per caricare contemporaneamente 25 batterie Li-on (3,7 V - 800 mA ciascuna). La mia fonte di alimentazione proviene da una batteria da 12 V - 50 Ah. Fammi anche sapere quanti ampere della batteria 12v verrebbero assorbiti con questa configurazione all'ora ... grazie in anticipo.

Il design

Quando si tratta di caricare, le celle agli ioni di litio richiedono parametri più rigorosi rispetto alle batterie al piombo.

Ciò diventa particolarmente cruciale perché le celle agli ioni di litio tendono a generare una notevole quantità di calore nel corso del processo di carica, e se questa generazione di calore va oltre il controllo può portare seri danni alla cella o addirittura una possibile esplosione.

Tuttavia, una cosa buona delle celle agli ioni di litio è che possono essere caricate inizialmente a una velocità 1C completa, contrariamente alle batterie al piombo che non consentono una velocità di ricarica superiore a C / 5.

Il vantaggio di cui sopra consente alle celle agli ioni di litio di caricarsi a una velocità 10 volte superiore rispetto alla controparte al piombo.

Come discusso in precedenza, poiché la gestione del calore diventa la questione cruciale, se questo parametro viene adeguatamente controllato, il resto delle cose diventa piuttosto semplice.

Significa che possiamo caricare le celle agli ioni di litio alla massima velocità di 1 ° C senza preoccuparci di nulla, purché abbiamo qualcosa che monitora la generazione di calore da queste celle e avvia le necessarie misure correttive.

Ho provato a implementarlo collegando un circuito di rilevamento del calore separato che monitora il calore dalle celle e regola la corrente di carica nel caso in cui il calore inizi a deviare dai livelli di sicurezza.

Il controllo della temperatura a 1 ° C è fondamentale

Il primo schema del circuito di seguito mostra un preciso circuito del sensore di temperatura che utilizza l'IC LM324. Tre dei suoi operazionali sono stati impiegati qui.

Il diodo D1 è un 1N4148 che funge efficacemente da sensore di temperatura qui. La tensione ai capi di questo diodo diminuisce di 2 mV con l'aumento di ogni grado della temperatura.

Questo cambiamento nella tensione attraverso D1 spinge A2 a cambiare la sua logica di uscita, che a sua volta avvia A3 per aumentare gradualmente la sua tensione di uscita in modo corrispondente.

L'uscita di A3 è collegata a un LED dell'accoppiatore ottico. Come da impostazione di P1, l'uscita A4 tende ad aumentare in risposta al calore della cella, fino a quando alla fine il LED collegato si accende e il transistor interno dell'opto conduce.

Quando ciò accade, l'opto transistor fornisce i 12V al circuito LM338 per avviare le necessarie azioni correttive.

Il secondo circuito mostra un semplice alimentatore regolato utilizzando l'IC LM338. Il potenziometro 2k2 è regolato per produrre esattamente 4,5 V attraverso le celle agli ioni di litio collegate.

Il circuito IC741 precedente è un circuito interrotto per sovraccarico che monitora la carica sulle celle e scollega l'alimentazione quando raggiunge oltre 4,2 V.

Il BC547 a sinistra vicino all'ICLM338 viene introdotto per applicare le opportune azioni correttive quando le celle iniziano a scaldarsi.

Nel caso in cui le celle inizino a surriscaldarsi, l'alimentazione dall'optoaccoppiatore del sensore di temperatura colpisce il transistor LM338 (BC547), il transistor conduce e spegne istantaneamente l'uscita LM338 fino a quando la temperatura non scende a livelli normali, questo processo continua finché il le celle si caricano completamente quando l'IC 741 si attiva e scollega le celle in modo permanente dalla sorgente.

In tutte le 25 celle possono essere collegate a questo circuito in parallelo, ogni linea positiva deve incorporare un diodo separato e un resistore da 5 Ohm da 1 watt per un'equa distribuzione della carica.

L'intero pacchetto di celle deve essere fissato su una comune piattaforma di alluminio in modo che il calore venga dissipato uniformemente sulla piastra di alluminio.

D1 deve essere incollato adeguatamente su questa piastra di alluminio in modo che il calore dissipato sia rilevato in modo ottimale dal sensore D1.

Caricatore automatico per celle agli ioni di litio e circuito di controllo.

Conclusione

• I criteri di base che devono essere mantenuti per qualsiasi batteria sono: ricarica a temperature convenienti e interruzione dell'alimentazione non appena raggiunge la carica completa. Questa è la cosa fondamentale che devi seguire indipendentemente dal tipo di batteria. Puoi monitorarlo manualmente o renderlo automatico, in entrambi i casi la batteria si caricherà in modo sicuro e avrà una vita più lunga.
• La corrente di carica / scarica è responsabile della temperatura della batteria, se questi sono troppo alti rispetto alla temperatura ambiente, la batteria ne risentirà pesantemente a lungo termine.
• Il secondo fattore importante è non consentire mai alla batteria di scaricarsi pesantemente. Continua a ripristinare il livello di carica completo o continua a rabboccarlo quando possibile. Ciò garantirà che la batteria non raggiunga mai i livelli di scarica inferiori.
• Se trovi difficile monitorarlo manualmente, puoi optare per un circuito automatico come descritto su questa pagina .

Hai ulteriori dubbi? Si prega di farli passare attraverso la casella dei commenti qui sotto