4 jednostavna kruga punjača za litij-jonske baterije - Korištenje LM317, NE555, LM324

4 jednostavna kruga punjača za litij-jonske baterije - Korištenje LM317, NE555, LM324

Sljedeći post objašnjava četiri jednostavna, ali sigurna načina punjenja Li-ion baterije pomoću uobičajenih IC-a poput LM317 i NE555, koje svaki novi hobi može jednostavno konstruirati kod kuće.



Iako su Li-Ion baterije ranjivi uređaji, oni se mogu puniti jednostavnijim krugovima ako brzina punjenja ne uzrokuje značajno zagrijavanje baterije i ako korisniku ne smeta malo kašnjenje u razdoblju punjenja ćelije.

Korisnici koji žele brzo punjenje baterije ne smiju koristiti dolje objašnjene koncepte, već mogu upotrijebiti jedan od njih profesionalni pametni dizajni .





Osnovne činjenice o li-ionskom punjenju

Prije nego što naučimo postupke izrade li-ionskog punjača, bilo bi nam važno znati osnovne parametre koji se tiču ​​punjenja Li-Ion baterije.

Za razliku od olovne kiseline, Li-Ion baterija može se puniti pri znatno visokim početnim strujama koje mogu doseći i Ah vrijednost same baterije. To se naziva punjenje brzinom od 1C, gdje je C vrijednost Ah baterije.



Kad ovo kažemo, nikada nije preporučljivo koristiti ovu ekstremnu brzinu, jer bi to značilo punjenje baterije u vrlo stresnim uvjetima zbog povećanja temperature. Stopa od 0,5 ° C stoga se smatra standardnom preporučenom vrijednošću.

0,5C označava brzinu struje punjenja koja je 50% od vrijednosti Ah baterije. U tropskim ljetnim uvjetima čak i ova brzina može se pretvoriti u nepovoljnu brzinu za bateriju zbog postojeće visoke temperature okoline.

Da li punjenje litij-jonske baterije zahtijeva složena razmatranja?

Apsolutno ne. To je zapravo izuzetno prijateljski oblik baterije i napunit će se uz minimalna razmatranja, iako su ta minimalna razmatranja ključna i moraju se bezuspješno poštivati.

Nekoliko kritičnih, ali jednostavnih razmatranja su: automatsko isključivanje pri punoj razini napunjenosti, stalni napon i konstantna strujna ulazna opskrba.

Sljedeće objašnjenje pomoći će da se ovo bolje razumije.

Sljedeći graf sugerira idealan postupak punjenja standardne Li-Ion ćelije od 3,7 V, ocijenjene s 4,2 V kao puna razina punjenja.

Valni oblik Li-Ion punjenja, graf, strujni napon, trag zasićenja.

Faza # 1 : U početnoj fazi # 1 vidimo da napon baterije raste s 0,25 V na 4,0 V za otprilike jedan sat pri konstantnoj trenutnoj brzini punjenja od 1 amp. To označava PLAVA crta. 0,25 V je samo indikativne svrhe, stvarna ćelija od 3,7 V nikada se ne smije isprazniti ispod 3 V.

Faza 2: U fazi 2, punjenje ulazi u stanje napunjenosti zasićenja , gdje napon doseže najvišu razinu napunjenosti od 4,2 V, a trenutna potrošnja počinje opadati. Ovaj pad trenutne stope nastavlja se sljedećih nekoliko sati. Struja punjenja označena je CRVENOM isprekidanom linijom.

Faza # 3 : Kako struja opada, ona doseže najnižu razinu koja je niža od 3% ocjene Ah stanice.

Jednom kad se to dogodi, ulazno napajanje se ISKLJUČI i stanica se pusti smjestiti još 1 sat.

Nakon jednog sata napon ćelije ukazuje na stvarni State-of-Charge ili SoC stanice. SoC ćelije ili baterije je optimalna razina napunjenosti koju je postigla nakon punog punjenja, a ta razina pokazuje stvarnu razinu koja se može koristiti za određenu aplikaciju.

U ovom stanju možemo reći da je stanje stanice spremno za upotrebu.

Faza # 4 : U situacijama kada se ćelija ne koristi dulje vrijeme, s vremena na vrijeme primjenjuje se nadopunjavanje, pri čemu je struja koju ćelija troši ispod 3% od njene vrijednosti Ah.

Zapamtite, iako grafikon prikazuje ćeliju koja se puni i nakon što je dosegla 4,2 V, to je to strogo se ne preporučuje tijekom praktičnog punjenja Li-Ion stanice . Opskrba se mora automatski prekinuti čim stanica dosegne razinu od 4,2 V.

Pa, što u osnovi sugerira grafikon?

  1. Upotrijebite ulazno napajanje koje ima fiksnu struju i fiksni napon, kao što je gore spomenuto. (To obično može biti = Napon 14% veći od ispisane vrijednosti, Struja 50% vrijednosti Ah, niža struja od ove također će raditi lijepo, iako će se vrijeme punjenja proporcionalno povećavati)
  2. Punjač bi trebao imati automatski prekid rada na preporučenoj razini pune napunjenosti.
  3. Upravljanje temperaturom ili upravljanje baterijom možda neće biti potrebno ako je ulazna struja ograničena na vrijednost koja ne uzrokuje zagrijavanje baterije

Ako nemate automatsko isključivanje, jednostavno ograničite ulaz konstantnog napona na 4,1 V.

1) Najjednostavniji Li-Ion punjač koji koristi jedan MOSFET

Ako tražite najjeftiniji i najjednostavniji krug Li-Ion punjača, onda ne može biti bolje opcije od ove.

Ovaj dizajn nema regulaciju temperature, stoga se preporučuje niža ulazna struja

Pojedinačni MOSFET, unaprijed postavljeni uređaj ili trimer i otpornik od 1/4 vata od 470 ohma je sve što vam treba za izradu jednostavnog i sigurnog kruga punjača.

Prije spajanja izlaza na Li-Ion ćeliju, pobrinite se za nekoliko stvari.

1) Budući da gornji dizajn ne uključuje regulaciju temperature, ulazna struja mora biti ograničena na razinu koja ne uzrokuje značajno zagrijavanje ćelije.

2) Podesite unaprijed postavljenu vrijednost da dobije točno 4,1 V preko terminala za punjenje na koje bi ćelija trebala biti spojena. Sjajan način da se to popravi je spajanje precizne zener diode umjesto unaprijed postavljene vrijednosti i zamjena 470 ohma s otpornikom od 1 K.

Za struju bi obično bio dovoljan unos konstantne struje od oko 0,5C, to je 50% vrijednosti mAh stanice.

Dodavanje trenutnog kontrolera

Ako ulazni izvor nije kontroliran strujom, u tom slučaju možemo brzo nadograditi gornji krug jednostavnim BJT stupnjem upravljanja strujom kao što je prikazano dolje:

RX = 07 / Maksimalna struja punjenja

Prednost Li-Ion baterije

Glavna prednost Li-Ion stanica je njihova sposobnost da brzo i učinkovito prihvate naboj. Međutim, Li-Ion stanice imaju lošu reputaciju da su preosjetljive na nepovoljne ulaze poput visokog napona, jake struje i što je najvažnije u uvjetima punjenja.

Kad se napuni u bilo kojem od gore navedenih uvjeta, stanica se može previše zagrijati, a ako se uvjeti nastave, može rezultirati istjecanjem stanične tekućine ili čak eksplozijom, u konačnici trajno oštetivši stanicu.

U bilo kojim nepovoljnim uvjetima punjenja, prva stvar koja se dogodi ćeliji je porast temperature, a u predloženom konceptu kruga koristimo ovu karakteristiku uređaja za provođenje potrebnih sigurnosnih operacija, gdje ćelija nikada ne smije doseći visoke temperature održavajući parametri pod potrebnim specifikacijama ćelije.

2) Korištenje LM317 kao IC kontrolera

Na ovom smo blogu naišli na mnoge krugovi punjača baterija pomoću IC LM317 i LM338 koji su najsvestraniji i najprikladniji uređaji za razmatrane operacije.

I ovdje koristimo IC LM317, iako se ovaj uređaj koristi samo za generiranje potrebnog reguliranog napona i struje za povezanu Li-Ion ćeliju.

Stvarnu funkciju osjetljivosti obavlja nekoliko NPN tranzistora koji su postavljeni tako da dolaze u fizički kontakt s napunjenom ćelijom.

Gledajući zadati dijagram sklopa, dobivamo tri vrste zaštite istovremeno:

Kad se napajanje primijeni na sklop, IC 317 ograničava i generira izlaz jednak 3,9 V na povezanu Li-ion bateriju.

  1. The Otpornik 640 ohma osigurava da ovaj napon nikada ne premaši ograničenje punog napunjenja.
  2. Dva NPN tranzistora spojena u standardnom Darlingtonovom načinu na ADJ pin IC-a kontroliraju temperaturu stanice.
  3. Ovi tranzistori također rade kao graničnik struje , sprečavajući prekomjernu situaciju za Li-Ion stanicu.

Znamo da ako je ADJ-pin IC 317 uzemljen, situacija u potpunosti isključuje izlazni napon s njega.

Znači ako bi provođenje tranzistora uzrokovalo kratki spoj uzemljenja pin-a ADJ-a uzrokujući isključivanje izlaza baterije.

S gornjom značajkom u ruci, par Darlingtom ovdje obavlja nekoliko zanimljivih sigurnosnih funkcija.

Otpor 0,8 spojen preko baze i uzemljenja ograničava maksimalnu struju na oko 500 mA, ako struja prelazi tu granicu, napon na otporu od 0,8 oma postaje dovoljan za aktiviranje tranzistora koji 'guše' izlaz IC , i inhibira svaki daljnji porast struje. To zauzvrat pomaže da baterija ne dobije neželjenu količinu struje.

Korištenje otkrivanja temperature kao parametra

Međutim, glavna sigurnosna funkcija koju provode tranzistori je otkrivanje porasta temperature Li-Ion baterije.

Tranzistori kao i svi poluvodički uređaji teže provoditi struju proporcionalnije s porastom okoline ili tjelesnih temperatura.

Kao što je već rečeno, ovi tranzistori moraju biti smješteni u tijesnom fizičkom kontaktu s baterijom.

Pretpostavimo sada, u slučaju da temperatura stanice počne rasti, tranzistori bi reagirali na to i počeli provoditi, zbog provođenja bi se trenutačno ADJ pin IC-a više podvrgao potencijalu tla, što bi rezultiralo smanjenjem izlaznog napona.

S padom napona punjenja, porast temperature priključene Li-Ion baterije također bi se smanjio. Rezultat je kontrolirano punjenje ćelije, osiguravajući da stanica nikad ne dođe u biježne situacije, te održava siguran profil punjenja.

Gornji krug radi s principom kompenzacije temperature, ali ne uključuje značajku automatskog prekida prekomjernog punjenja, pa je stoga maksimalni napon punjenja fiksiran na 4,1 V.

Bez kompenzacije temperature

Ako želite izbjeći gnjavažu oko kontrole temperature, jednostavno možete zanemariti darlingtonski par BC547 i umjesto njega upotrijebiti jedan BC547.

Sada će ovo raditi samo kao napajanje kontrolirano strujom / naponom za Li-Ion ćeliju. Evo potrebnog modificiranog dizajna.

Transformator može biti transformator 0-6 / 9 / 12V

Budući da se ovdje ne koristi regulacija temperature, pobrinite se da je Rc vrijednost pravilno dimenzionirana za brzinu od 0,5 C. Za to možete koristiti sljedeću formulu:

Rc = 0,7 / 50% vrijednosti Ah

Pretpostavimo da je vrijednost Ah ispisana kao 2800 mAh. Tada bi se gornja formula mogla riješiti kao:

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

Snaga će biti 0,7 x 1,4 = 0,98, ili jednostavno 1 vata.

Isto tako, pobrinite se da je 4k7 unaprijed postavljena na točno 4,1 V preko izlaznih stezaljki.

Nakon što se izvrše gornja podešavanja, možete sigurno napuniti predviđenu Li-Ion bateriju, bez brige o bilo kakvoj štetnoj situaciji.

Budući da na 4,1 V ne možemo pretpostaviti da je baterija potpuno napunjena.

Da bi se suprotstavio gore navedenom nedostatku, automatsko isključivanje postaje povoljnije od gornjeg koncepta.

Na ovom sam blogu raspravljao o mnogim sklopovima automatskih punjača oppoja, bilo koji od njih može se prijaviti za predloženi dizajn, ali budući da smo zainteresirani da dizajn bude jeftin i lak, možemo isprobati alternativnu ideju koja je prikazana u nastavku.

Primjenom SCR-a za granične vrijednosti

Ako ste zainteresirani za automatsko isključivanje, bez nadzora temperature, možete isprobati dolje objašnjeni dizajn zasnovan na SCR-u. SCR se koristi preko ADJ-a i uzemljenja IC-a za zahvatanje. Vrata su montirana na izlaz tako da kad potencijal dosegne oko 4,2 V, SCR se aktivira i zaključa, trajno prekidajući napajanje baterije.

Prag se može prilagoditi na sljedeći način:

Prvo zadržite postavku 1K prilagođenu razini zemlje (krajnje desno), na izlazne stezaljke primijenite vanjski izvor napona 4,3 V.
Sada polako podesite unaprijed postavljenu vrijednost dok se SCR samo ne aktivira (LED svijetli).

Ovo postavlja krug za akciju automatskog isključivanja.

Kako postaviti gornji krug

U početku držite središnji klizač unaprijed postavljenog dodira s uzemljivačem kruga.

Sada, bez spajanja napajanja prekidača akumulatora, provjerite izlazni napon koji bi prirodno pokazao punu razinu napunjenosti kako je postavljena otpornikom od 700 ohma.

Dalje, vrlo vješto i nježno prilagodite unaprijed postavljenu vrijednost dok se SCR ne aktivira isključivanjem izlaznog napona na nulu.

To je to, sada možete pretpostaviti da je sklop postavljen.

Spojite ispražnjenu bateriju, UKLJUČITE napajanje i provjerite odgovor, pretpostavlja se da se SCR neće aktivirati dok se ne dostigne zadani prag i prekinite čim baterija dosegne postavljeni prag punog punjenja.

3) Krug punjača za Li-Ion bateriju pomoću IC 555

Drugi jednostavan dizajn objašnjava jednostavan, ali precizan krug automatskog punjenja Li-Ion baterija pomoću sveprisutnog IC 555.

Punjenje li-ionske baterije može biti presudno

Kao što svi znamo, Li-ion bateriju treba puniti u kontroliranim uvjetima, ako se puni uobičajenim sredstvima, može dovesti do oštećenja ili čak eksplozije baterije.

U osnovi Li-ion baterije ne vole prekomjerno punjenje stanica. Kad stanice dosegnu gornji prag, napon punjenja treba prekinuti.

Sljedeći krug punjača Li-Ion baterije vrlo učinkovito slijedi gore navedene uvjete tako da priključena baterija nikada ne smije prekoračiti ograničenje prekoračenja napunjenosti.

Kada se IC 555 koristi kao usporednik, njegovi pin # 2 i pin # 6 postaju učinkoviti senzorski ulazi za otkrivanje donje i gornje granice praga napona, ovisno o postavci relevantnih postavki.

Pin # 2 nadzire razinu praga niskog napona i aktivira izlaz na visoku logiku u slučaju da razina padne ispod zadane granice.

Suprotno tome, pin # 6 nadzire gornji prag napona i vraća izlaz na najniži nivo pri otkrivanju napona viših od postavljene visoke granice detekcije.

U osnovi se radnje gornjeg odsjeka i donjeg prekidača UKLJUČAVAJU uz pomoć odgovarajućih unaprijed postavljenih postavki koje zadovoljavaju standardne specifikacije IC-a, kao i povezane baterije.

Unaprijed postavljena postavka koja se odnosi na pin # 2 mora biti postavljena tako da donja granica odgovara 1/3 Vcc-a, a na sličan način unaprijed postavljena vrijednost povezana s pin-om 6 mora biti postavljena tako da gornja granica odsjeka odgovara 2 / 3rd Vcc-a, prema standardnim pravilima IC 555.

Kako radi

Cjelokupno funkcioniranje predloženog kruga Li-Ion punjača pomoću IC 555 odvija se kako je objašnjeno u sljedećoj raspravi:

Pretpostavimo da je potpuno ispražnjena li-ionska baterija (oko 3,4 V) spojena na izlaz dolje prikazanog kruga.

Pod pretpostavkom da je donji prag postavljen negdje iznad razine 3,4 V, pin # 2 odmah prepoznaje situaciju niskog napona i povlači izlaz visoko na pin # 3.

Visoka vrijednost na pin 3 aktivira tranzistor koji uključuje ulazno napajanje spojene baterije.

Baterija sada postupno počinje punjenje.

Čim baterija dostigne potpuno punjenje (@ 4,2 V), pod pretpostavkom da je gornji granični prag na pinu # 6 postavljen na oko 4,2 v, razina se osjeti na pinu # 6 koji odmah vraća izlaz na nizak.

Niski izlaz trenutno isključuje tranzistor, što znači da je ulaz za punjenje sada onemogućen ili odsječen na bateriju.

Uključivanje tranzistorskog stupnja omogućuje i punjenje Li-Ion ćelija veće struje.

Transformator mora biti odabran s naponom koji ne prelazi 6V i s trenutnom strujom 1/5 od akumulatora AH akumulatora.

Kružni dijagram

Ako smatrate da je gornji dizajn mnogo složen, možete isprobati sljedeći dizajn koji izgleda puno jednostavnije:

Kako postaviti krug

Spojite potpuno napunjenu bateriju preko prikazanih točaka i prilagodite unaprijed postavljenu postavku tako da se relej samo deaktivira iz N / C u N / O položaj .... učinite to bez spajanja bilo kakvog istosmjernog ulaza u krug.

Nakon što to učinite, možete pretpostaviti da je krug postavljen i da se može koristiti za automatsko isključivanje baterije kada se potpuno napuni.

Tijekom stvarnog punjenja vodite računa da je ulazna struja punjenja uvijek niža od vrijednosti AH baterije, što znači da ako pretpostavimo da je baterija AH 900 mAH, ulaz ne smije biti veći od 500 mA.

Bateriju treba ukloniti čim se relej ISKLJUČI kako bi se spriječilo samopražnjenje baterije putem 1K postavke.

IC1 = IC555

Svi otpornici su 1/4 W CFR

IC 555 pinout

IC 555 pinout

Zaključak

Iako su gore predstavljeni dizajni svi tehnički ispravni i izvršavat će zadatke prema predloženim specifikacijama, oni se zapravo čine pretjeranim.

Objašnjen je jednostavan, ali učinkovit i siguran način punjenja Li-Ion ćelije u ovom postu , a ovaj krug može biti primjenjiv na sve oblike baterija jer savršeno brine o dva ključna parametra: stalnoj struji i automatskom prekidu punjenja. Pretpostavlja se da je konstantni napon dostupan iz izvora punjenja.

4) Punjenje mnogih Li-Ion baterija

Članak objašnjava jednostavan sklop koji se može upotrijebiti za brzo paralelno punjenje najmanje 25 nosača Li-Ion ćelija iz jednog izvora napona, poput 12V baterije ili 12V solarne ploče.

Ideju je zatražio jedan od zagriženih sljedbenika ovog bloga, čujmo:

Punjenje mnogih Li-ion baterija zajedno

Možete li mi pomoći u dizajniranju sklopa za istovremeno punjenje 25 li-on ćelijskih baterija (po 3,7 V - 800 mA). Moj izvor napajanja je iz 12v-50AH baterije. Također mi javite koliko ampera od 12v baterije bi se izvuklo ovom postavkom na sat ... hvala unaprijed.

Dizajn

Što se tiče punjenja, Li-ionske stanice zahtijevaju strože parametre u usporedbi s olovnim baterijama.

To postaje osobito važno jer Li-ionske stanice imaju tendenciju stvaranja znatne količine topline tijekom postupka punjenja, a ako to stvaranje topline prijeđe kontrolu, može dovesti do ozbiljnih oštećenja stanice ili čak moguće eksplozije.

Međutim, jedna dobra stvar kod Li-ionskih ćelija je ta što se u početku mogu puniti punim 1C, suprotno olovnim baterijama koje ne dopuštaju više od C / 5 brzine punjenja.

Navedena prednost omogućuje da se stanice Li-iona napune 10 puta brže od brojača olovnih kiselina.

Kao što je gore spomenuto, budući da upravljanje toplinom postaje ključno pitanje, ako se ovaj parametar pravilno kontrolira, ostale stvari postaju prilično jednostavne.

To znači da možemo puniti Li-ion stanice punom brzinom od 1C, a da nas ništa ne muči sve dok imamo nešto što nadzire stvaranje topline iz tih stanica i pokreće potrebne korektivne mjere.

Pokušao sam to provesti pričvršćivanjem zasebnog kruga osjetnika topline koji nadzire toplinu iz ćelija i regulira struju punjenja u slučaju da toplina počne odstupati od sigurne razine.

Upravljanje temperaturom pri brzini od 1C je presudno

Prvi donji dijagram kruga prikazuje precizan krug osjetnika temperature pomoću IC LM324. Ovdje su zaposlena tri njegova opampa.

Dioda D1 je 1N4148 koja ovdje učinkovito djeluje kao temperaturni osjetnik. Napon na ovoj diodi opada za 2mV sa svakim porastom temperature.

Ova promjena napona na D1 potiče A2 da promijeni izlaznu logiku, što zauzvrat pokreće A3 da postupno povećava svoj izlazni napon u skladu s tim.

Izlaz A3 spojen je na LED opto spojnice. Prema postavci P1, izlaz A4 ima tendenciju povećanja kao odgovor na toplinu iz ćelije, sve dok na kraju ne zasvijetli spojena LED dioda i ne provede unutarnji tranzistor opta.

Kada se to dogodi, opto tranzistor napaja 12V u krug LM338 za pokretanje potrebnih korektivnih radnji.

Drugi krug prikazuje jednostavno regulirano napajanje pomoću IC LM338. Lonac od 2 k2 podešen je tako da proizvodi točno 4,5 V kroz povezane Li-ionske stanice.

Prethodni krug IC741 je prekinut krug prekomjernog punjenja koji nadgleda naboj preko ćelija i isključuje napajanje kad dosegne iznad 4,2V.

BC547 slijeva u blizini ICLM338 predstavljen je za primjenu odgovarajućih korektivnih radnji kad se stanice počnu zagrijavati.

U slučaju da se stanice počnu previše zagrijavati, napajanje iz optičke spojnice temperaturnog osjetnika pogodi tranzistor LM338 (BC547), tranzistor provede i trenutno isključi LM338 izlaz dok temperatura ne padne na normalnu razinu, taj se postupak nastavlja sve dok stanice se potpuno napune kada se IC 741 aktivira i trajno odvoji stanice od izvora.

U svih 25 ćelija mogu biti paralelno spojene na ovaj krug, svaka pozitivna linija mora sadržavati zasebnu diodu i otpor od 5 ohma od 1 vata za jednaku raspodjelu naboja.

Čitav paket ćelija trebao bi biti pričvršćen na zajedničku aluminijsku platformu tako da se toplina ravnomjerno odvodi preko aluminijske ploče.

D1 treba na odgovarajući način zalijepiti preko ove aluminijske ploče tako da senzor D1 optimalno osjeti disipiranu toplinu.

Automatski Li-Ion ćelijski punjač i krug kontrolera.

Zaključak

  • Osnovni kriteriji koje treba održavati za bilo koju bateriju su: punjenje pri prikladnim temperaturama i prekid napajanja čim se potpuno napuni. To je osnovna stvar koju morate slijediti bez obzira na vrstu baterije. Možete to nadgledati ručno ili učiniti automatskim, u oba će se slučaja baterija napuniti sigurno i imati duži vijek trajanja.
  • Struja punjenja / pražnjenja odgovorna je za temperaturu baterije, ako su one previsoke u odnosu na temperaturu okoline, vaša će baterija dugoročno patiti.
  • Drugi važan čimbenik je nikada dopuštanje da se baterija jako isprazni. Nastavite vraćati punu razinu napunjenosti ili je dopunite kad god je to moguće. To će osigurati da baterija nikad ne dosegne nižu razinu pražnjenja.
  • Ako vam je teško to ručno nadgledati, možete se odlučiti za automatski krug kako je opisano na ovoj stranici .

Imate li još dvojbi? Molimo vas da im dođu kroz polje za komentare u nastavku




Prethodno: Sekvencijalni trakasti grafikon, krug pokazivača smjera za automobil Sljedeće: Jednostavni solarni krug za vrtno svjetlo - s automatskim isključivanjem