4 enkle Li-Ion batteriopladekredsløb - Brug af LM317, NE555, LM324

Følgende indlæg forklarer en fire enkel, men alligevel sikker måde at oplade et Li-ion-batteri ved hjælp af almindelige IC'er som LM317 og NE555, som let kan konstrueres derhjemme af enhver ny hobbyist.

Selvom Li-Ion-batterier er sårbare enheder, kan disse oplades gennem enklere kredsløb, hvis opladningshastigheden ikke medfører væsentlig opvarmning af batteriet., Og hvis brugeren ikke har noget imod en lille forsinkelse i celleens opladningsperiode.

For brugere, der ønsker hurtig opladning af batteriet, må de ikke bruge nedenstående forklarede begreber, men i stedet kan de anvende en af ​​disse professionelle smarte design .

Grundlæggende fakta om Li-Ion-opladning

Inden vi lærer konstruktionsprocedurerne for en li-ion-oplader, ville det være vigtigt for os at kende de grundlæggende parametre, der vedrører opladning af Li-Ion-batteri.

I modsætning til blybatteri kan et Li-Ion-batteri oplades med betydeligt høje startstrømme, der kan være så høje som Ah-værdien for selve batteriet. Dette betegnes som opladning ved 1C-hastighed, hvor C er Ah-værdien for batteriet.

Når det er sagt, er det aldrig tilrådeligt at bruge denne ekstreme hastighed, da dette ville betyde, at batteriet oplades under meget belastende forhold på grund af stigning i dets temperatur. En 0,5C-hastighed betragtes derfor som en standard anbefalet værdi.

0,5C betyder en opladningsstrøm, der er 50% af Ah-værdien på batteriet. Under tropiske sommerforhold kan selv denne hastighed blive til en ugunstig hastighed for batteriet på grund af den eksisterende høje omgivelsestemperatur.

Kræver opladning af et Li-Ion-batteri komplekse overvejelser?

Absolut ikke. Det er faktisk en ekstremt venlig form for batteri og oplades med minimale overvejelser, selvom disse minimale overvejelser er vigtige og skal følges uden fejl.

Et par kritiske, men nemme at implementere overvejelser er: automatisk afskæring ved fuldt opladningsniveau, konstant spænding og konstant strømforsyning.

Følgende forklaring hjælper med at forstå dette bedre.

Følgende graf foreslår den ideelle opladningsprocedure for en standard 3,7 V Li-Ion-celle, der er bedømt med 4,2 V som fuldt opladningsniveau.

Scene 1 : I det indledende trin # 1 ser vi, at batterispændingen stiger fra 0,25 V til 4,0 V niveau på omkring en time ved 1 amp konstant strømopladningshastighed. Dette er angivet med den BLÅ linje. 0,25 V er kun til vejledende formål, en faktisk 3,7 V-celle bør aldrig aflades under 3 V.

Trin # 2: I trin # 2 kommer opladningen ind i mætning opladningstilstand , hvor spændingen når det fulde opladningsniveau på 4,2 V, og strømforbruget begynder at falde. Dette fald i den aktuelle sats fortsætter i de næste par timer. Ladestrømmen er angivet med den RØDE stiplede linje.

Trin # 3 : Når strømmen falder, når den sit laveste niveau, der er lavere end 3% af cellens Ah-rating.

Når dette sker, slukkes indgangsforsyningen, og cellen får lov til at slå sig ned i yderligere 1 time.

Efter en time indikerer cellespændingen den virkelige Tilstandsstatus eller SoC af cellen. SoC for en celle eller et batteri er det optimale opladningsniveau, som den har opnået efter et fuldt opladningsforløb, og dette niveau viser det aktuelle niveau, der kan bruges til en given applikation.

I denne tilstand kan vi sige, at cellens tilstand er klar til brug.

Trin # 4 : I situationer, hvor cellen ikke bruges i lange perioder, anvendes der en gang imellem en påfyldningsopladning, hvor strømmen, der forbruges af cellen, er under 3% af Ah-værdien.

Husk, selvom grafen viser, at cellen oplades, selv efter at den har nået 4,2 V, det er anbefales strengt taget ikke under praktisk opladning af en Li-Ion-celle . Forsyningen skal automatisk afbrydes, så snart cellen når 4,2 V niveau.

Så hvad foreslår grafen grundlæggende?

1. Brug en indgangsforsyning, der har en fast strøm og en fast spændingsudgang, som beskrevet ovenfor. (Typisk kan dette være = Spænding 14% højere end den trykte værdi, Strøm 50% af Ah-værdien, lavere strøm end dette vil også fungere pænt, selvom opladningstiden øges forholdsmæssigt)
2. Opladeren skal have en automatisk afskæring på det anbefalede fulde opladningsniveau.
3. Temperaturstyring eller kontrol af batteriet er muligvis ikke nødvendigt, hvis indgangsstrømmen er begrænset til en værdi, der ikke forårsager opvarmning af batteriet

Hvis du ikke har en automatisk afskæring, skal du blot begrænse den konstante spændingsindgang til 4,1 V.

1) Enkleste Li-Ion-oplader ved hjælp af en enkelt MOSFET

Hvis du er på udkig efter et billigste og det enkleste Li-Ion-opladerkredsløb, kan der ikke være en bedre mulighed end denne.

Dette design er uden temperaturregulering, derfor anbefales lavere indgangsstrøm

En enkelt MOSFET, en forudindstilling eller trimmer og en 470 ohm 1/4 watt modstand er alt hvad du behøver for at lave et simpelt og sikkert opladerkredsløb.

Inden du tilslutter output til en Li-Ion-celle, skal du sørge for et par ting.

1) Da ovenstående design ikke indeholder temperaturregulering, skal indgangsstrømmen begrænses til et niveau, der ikke forårsager signifikant opvarmning af cellen.

2) Juster forudindstillingen for at få nøjagtigt 4,1 V over opladningsterminalerne, hvor cellen skal forbindes. En god måde at løse dette på er at forbinde en præcis zenerdiode i stedet for forudindstillingen og udskifte 470 ohm med en 1 K modstand.

For strømmen ville en konstant strømindgang på omkring 0,5C typisk være lige, det vil sige 50% af cellens mAh-værdi.

Tilføjelse af en aktuel controller

Hvis indgangskilden ikke er strømstyret, kan vi i så fald hurtigt opgradere ovenstående kredsløb med et simpelt BJT-strømstyringstrin som vist nedenfor:

RX = 07 / maks. Ladestrøm

Fordel ved Li-Ion-batteri

Den største fordel ved Li-Ion-celler er deres evne til at acceptere opladning i en hurtig og effektiv hastighed. Li-ion-celler har dog det dårlige ry for at være for følsomme over for ugunstige indgange såsom højspænding, høj strøm og vigtigst af alt under opladningsforhold.

Når den oplades under en af ​​ovenstående betingelser, kan cellen blive for varm, og hvis forholdene vedvarer, kan det resultere i lækage af cellevæsken eller endda en eksplosion og i sidste ende beskadige cellen permanent.

Under alle ugunstige opladningsforhold er det første, der sker med cellen, at temperaturen stiger, og i det foreslåede kredsløbskoncept bruger vi denne egenskab ved enheden til at gennemføre de krævede sikkerhedsoperationer, hvor cellen aldrig får lov til at nå høje temperaturer og holder parametrene godt under de krævede specifikationer for cellen.

2) Brug af LM317 som controller IC

I denne blog er vi stødt på mange batteriopladekredsløb ved hjælp af IC LM317 og LM338 som er de mest alsidige og de mest egnede enheder til de diskuterede operationer.

Også her anvender vi IC LM317, selvom denne enhed kun bruges til at generere den krævede regulerede spænding og strøm til den tilsluttede Li-Ion-celle.

Den egentlige sensorfunktion udføres af par NPN-transistorer, der er placeret således, at de kommer i fysisk kontakt med den celle, der er under opladning.

Ser vi på det givne kredsløbsdiagram, får vi tre typer beskyttelse samtidigt:

Når der tilføres strøm til opsætningen, begrænser IC 317 og genererer en udgang svarende til 3,9 V til det tilsluttede Li-ion-batteri.

1. Det 640 ohm modstand sørger for, at denne spænding aldrig overstiger den fulde opladningsgrænse.
2. To NPN-transistorer, der er tilsluttet i en standard Darlington-tilstand til ADJ-stiften på IC'en, styrer celletemperaturen.
3. Disse transistorer fungerer også som strømbegrænser , forhindrer en alt for nuværende situation for Li-Ion-cellen.

Vi ved, at hvis ADJ-stiften på IC 317 er jordforbundet, slukker situationen fuldstændigt udgangsspændingen fra den.

Det betyder, at hvis transistoren opfører sig, vil kortslutning af ADJ-stiften blive jordforbundet, hvilket får output til batteriet til at slukke.

Med ovenstående funktion i hånden udfører Darlingtom-parret et par interessante sikkerhedsfunktioner.

0,8 modstanden, der er tilsluttet over sin base og jord, begrænser den maksimale strøm til omkring 500 mA, hvis strømmen har en tendens til at overstige denne grænse, bliver spændingen over 0,8 ohm-modstanden tilstrækkelig til at aktivere transistorer, der 'kvæler' udgangen af ​​IC og hæmmer enhver yderligere stigning i strømmen. Dette hjælper igen med at forhindre, at batteriet får uønskede mængder strøm.

Brug af temperaturregistrering som parameter

Imidlertid er den største sikkerhedsfunktion, der udføres af transistorer, detektering af stigningen i Li-Ion-batteriets temperatur.

Transistorer som alle halvlederindretninger har tendens til at lede strøm mere forholdsmæssigt med stigning i det omgivende eller deres kropstemperaturer.

Som diskuteret skal disse transistor placeres i tæt fysisk kontakt med batteriet.

Antag nu, at hvis celletemperaturen begynder at stige, ville transistorer reagere på dette og begynde at lede, ledningen med det samme ville medføre, at ADJ-stiften på IC'en blev udsat mere for jordpotentialet, hvilket resulterede i et fald i udgangsspændingen.

Med et fald i opladningsspændingen vil temperaturstigningen på det tilsluttede Li-Ion-batteri også falde. Resultatet er en kontrolleret opladning af cellen, hvilket sørger for, at cellen aldrig går i løbssituationer og opretholder en sikker opladningsprofil.

Ovenstående kredsløb fungerer med temperaturkompensationsprincippet, men det indeholder ikke en automatisk overladningsafbrydelsesfunktion, og derfor er den maksimale opladningsspænding fast ved 4,1 V.

Uden temperaturkompensation

Hvis du vil undgå de temperaturstyrende besvær, kan du blot ignorere Darlington-paret af BC547 og i stedet bruge en enkelt BC547.

Nu fungerer dette kun som en strøm / spændingsstyret forsyning til Li-Ion-cellen. Her er det krævede modificerede design.

Transformer kan være en 0-6 / 9 / 12V transformer

Da temperaturkontrol her ikke anvendes, skal du sørge for, at Rc-værdien er korrekt dimensioneret til en 0,5 C-hastighed. Til dette kan du bruge følgende formel:

Rc = 0,7 / 50% af Ah-værdien

Antag at Ah-værdien er udskrevet som 2800 mAh. Derefter kunne ovenstående formel løses som:

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

Effekten er 0,7 x 1,4 = 0,98 eller simpelthen 1 watt.

Sørg ligeledes for, at 4k7-forudindstillingen er justeret til en nøjagtig 4,1 V over udgangsterminalerne.

Når ovenstående justeringer er foretaget, kan du oplade det tilsigtede Li-Ion-batteri sikkert uden at bekymre dig om en uheldig situation.

Da vi ved 4,1 V ikke kan antage, at batteriet er fuldt opladet.

For at imødegå ovennævnte ulempe bliver en automatisk afskæringsfacilitet mere gunstig end ovenstående koncept.

Jeg har diskuteret mange op-amp-automatiske opladerkredsløb i denne blog, en hvilken som helst af dem kan anvendes til det foreslåede design, men da vi er interesserede i at holde designet billigt og nemt, kan en alternativ idé, som er vist nedenfor, blive prøvet.

Brug af en SCR til cut-off

Hvis du er interesseret i kun at få en automatisk afskæring uden temperaturovervågning, kan du prøve nedenstående forklarede SCR-baserede design. SCR bruges på tværs af ADJ og jorden på IC til en fastlåsning. Porten er rigget med output således, at når potentialet når op på ca. 4,2 V, skyder SCR'en og låser den til, hvilket afbryder strømmen til batteriet permanent.

Tærsklen kan justeres på følgende måde:

Først skal 1K-forudindstillingen justeres til jordniveau (yderst til højre), og anvend en 4,3 V ekstern spændingskilde ved udgangsterminalerne.
Justér nu langsomt forudindstillingen, indtil SCR bare affyrer (LED lyser).

Dette indstiller kredsløbet til automatisk slukning.

Sådan opsættes ovenstående kredsløb

Først skal du holde den centrale skyderarm på forudindstillingen ved at berøre kredsløbets jordskinne.

Uden tilslutning af strømafbryderen til batteriet skal du nu kontrollere udgangsspændingen, som naturligvis viser det fulde opladningsniveau som indstillet af 700 ohm-modstanden.

Dernæst skal du meget dygtigt og forsigtigt justere forudindstillingen, indtil SCR bare affyrer og slukker for udgangsspændingen til nul.

Det er det, nu kan du antage, at kredsløbet er klar.

Tilslut et afladet batteri, tænd for strømmen, og kontroller svaret, formentlig vil SCR ikke fyre, før den indstillede tærskel er nået, og afbryd, så snart batteriet når den indstillede fuldt opladningstærskel.

3) Li-Ion batteriopladekredsløb ved hjælp af IC 555

Det andet enkle design forklarer et ligetil, men alligevel præcist automatisk Li-Ion-batteriopladekredsløb ved hjælp af den allestedsnærværende IC 555.

Opladning af Li-ion-batteri kan være kritisk

Et Li-ion-batteri, som vi alle ved, skal oplades under kontrollerede forhold, hvis det oplades med almindelige midler kan føre til beskadigelse eller endda eksplosion af batteriet.

Grundlæggende kan Li-ion-batterier ikke lide for meget at oplade deres celler. Når cellerne når den øverste tærskel, skal opladningsspændingen afbrydes.

Følgende Li-Ion-batterioplader følger meget effektivt ovenstående betingelser, så det tilsluttede batteri aldrig får lov til at overskride dets overopladningsgrænse.

Når IC 555 anvendes som en komparator, bliver dens pin nr. 2 og pin nr. 6 effektive følingsindgange til detektering af de nedre og øvre spændingstærskelgrænser afhængigt af indstillingen af ​​de relevante forudindstillinger.

Pin nr. 2 overvåger tærskleniveauet for lav spænding og udløser output til en høj logik, hvis niveauet falder under den indstillede grænse.

Omvendt overvåger pin nr. 6 den øvre spændingstærskel og vender udgangen til lav ved detektering af et spændingsniveau højere end den indstillede høje detektionsgrænse.

Grundlæggende skal de øvre afskærmede og nedre tændingsfunktioner indstilles ved hjælp af de relevante forudindstillinger, der opfylder standardspecifikationerne for IC såvel som det tilsluttede batteri.

Forudindstillingen vedrørende pin nr. 2 skal indstilles således, at den nedre grænse svarer til 1/3 af Vcc, og på lignende måde skal den forudindstillede tilknyttet pin nr. 6 indstilles således, at den øvre afskæringsgrænse svarer til 2/3 af Vcc, som i henhold til standardreglerne for IC 555.

Hvordan det virker

Hele funktionen af ​​det foreslåede Li-Ion-opladerkredsløb ved hjælp af IC 555 finder sted som forklaret i følgende diskussion:

Lad os antage, at et fuldt afladet li-ion-batteri (ved omkring 3,4 V) er tilsluttet ved udgangen af ​​nedenstående viste kredsløb.

Forudsat at den nedre tærskel skal indstilles et eller andet sted over 3.4V-niveauet, registrerer pin nr. 2 straks lavspændingssituationen og trækker udgangen højt ved pin # 3.

High at pin # 3 aktiverer transistoren, der tænder for indgangseffekten til det tilsluttede batteri.

Batteriet begynder nu gradvist at oplades.

Så snart batteriet når fuld opladning (@ 4,2 V), forudsat at den øverste afskærmningstærskel ved pin nr. 6 skal indstilles til omkring 4,2 v, registreres niveauet ved pin nr. 6, som straks vender udgangen tilbage til lav.

Den lave output slukker straks transistoren, hvilket betyder, at opladningsindgangen nu er spærret eller afskåret til batteriet.

Inkluderingen af ​​et transistortrin giver mulighed for også at oplade Li-ion-celler med højere strøm.

Transformatoren skal vælges med spænding, der ikke overstiger 6V, og strømklassificering 1/5 af batteriets AH-klassificering.

Kredsløbsdiagram

Hvis du føler, at ovenstående design er meget kompleks, kan du prøve følgende design, der ser meget enklere ud:

Sådan opsættes kredsløbet

Tilslut et fuldt opladet batteri på tværs af de viste punkter, og juster forudindstillingen, så relæet bare deaktiveres fra N / C til N / O-position .... gør dette uden at tilslutte nogen opladnings-DC-indgang til kredsløbet.

Når dette er gjort, kan du antage, at kredsløbet skal indstilles og kan bruges til automatisk afbrydelse af batteriet, når det er fuldt opladet.

Under den faktiske opladning skal du sørge for, at opladningsindgangsstrømmen altid er lavere end batteriets AH-klassificering, hvilket betyder, at hvis det antages, at batteriets AH er 900 mAh, skal indgangen ikke være mere end 500 mA.

Batteriet skal tages ud, så snart relæet slukker for at forhindre selvafladning af batteriet via 1K-forudindstillingen.

IC1 = IC555

Alle modstande er 1/4 watt CFR

IC 555 Pinout

Konklusion

Selvom de ovenfor præsenterede designs alle er teknisk korrekte og vil udføre opgaverne i henhold til de foreslåede specifikationer, ser de faktisk ud som en overkill.

En enkel, men alligevel effektiv og sikker måde at oplade en Li-Ion-celle på, forklares i dette indlæg , og dette kredsløb kan være anvendeligt til alle former for batterier, da det perfekt tager sig af to vigtige parametre: Konstantstrøm og fuld opladning automatisk afskæring. En konstant spænding antages at være tilgængelig fra opladningskilden.

4) Opladning af mange Li-Ion-batterier

Artiklen forklarer et simpelt kredsløb, som kan bruges til at oplade mindst 25 nos Li-Ion-celler parallelt sammen hurtigt fra en enkelt spændingskilde, såsom et 12V batteri eller et 12V solpanel.

Idéen blev anmodet om af en af ​​de ivrige tilhængere af denne blog, lad os høre den:

Opladning af mange Li-ion-batterier sammen

Kan du hjælpe mig med at designe et kredsløb, der skal oplade 25 li-on-batterier (3,7v- 800mA hver) på samme tid. Min strømkilde er fra 12v- 50AH batteri. Lad mig også vide, hvor mange forstærkere af 12v batteriet, der ville blive trukket med denne opsætning i timen ... tak på forhånd.

Designet

Når det kommer til opladning, kræver Li-ion-celler strengere parametre sammenlignet med blybatterier.

Dette bliver især afgørende, fordi Li-ion-celler har tendens til at generere en betydelig mængde varme i løbet af opladningsprocessen, og hvis denne varmeproduktion går ud over kontrol, kan det medføre alvorlig skade på cellen eller endda en mulig eksplosion.

En god ting ved Li-ion-celler er dog, at de i første omgang kan oplades ved fuld 1C-hastighed i modsætning til blybatterier, som ikke tillader mere end C / 5-opladningshastighed.

Ovenstående fordel gør det muligt for Li-ion-celler at blive ladet med 10 gange hurtigere hastighed end blysyretællerdelen.

Som omtalt ovenfor, da varmestyring bliver det afgørende problem, bliver resten af ​​tingene ret enkle, hvis denne parameter kontrolleres korrekt.

Det betyder, at vi kan oplade Li-ion-celler ved fuld 1C-hastighed uden at være generet af noget, så længe vi har noget, der overvåger varmegenerering fra disse celler og indleder de nødvendige korrigerende foranstaltninger.

Jeg har forsøgt at implementere dette ved at tilslutte et separat varmefølsomhedskredsløb, der overvåger varmen fra cellerne og regulerer ladestrømmen, hvis varmen begynder at afvige fra sikre niveauer.

Kontrol af temperatur ved 1C-hastighed er afgørende

Det første kredsløbsdiagram nedenfor viser et præcist temperatursensorkredsløb ved hjælp af IC LM324. Tre af dets opamps har været ansat her.

Dioden D1 er en 1N4148, der effektivt fungerer som temperatursensor her. Spændingen over denne diode falder med 2 mV med hver grad stigning i temperatur.

Denne ændring i spændingen over D1 beder A2 om at ændre sin udgangslogik, som igen initierer A3 til gradvist at øge sin udgangsspænding tilsvarende.

Outputtet fra A3 er tilsluttet en LED til optokobling. I henhold til indstillingen af ​​P1 har A4-output tendens til at stige som reaktion på varmen fra cellen, indtil den tilsluttede LED til sidst lyser, og den interne transistor i opto leder.

Når dette sker, leverer optotransistoren 12V til LM338-kredsløbet til initiering af de nødvendige korrigerende handlinger.

Det andet kredsløb viser en simpel reguleret strømforsyning ved hjælp af IC LM338. 2k2 potten er justeret til at producere nøjagtigt 4,5V på tværs af de tilsluttede Li-ion celler.

Det foregående IC741-kredsløb er et overladningsafbrydelseskredsløb, der overvåger opladningen over cellerne og afbryder forsyningen, når den når over 4,2V.

BC547 til venstre nær ICLM338 introduceres til anvendelse af passende korrigerende handlinger, når cellerne begynder at blive varme.

Hvis cellerne begynder at blive for varme, rammer forsyningen fra temperaturfølerens optokobler LM338-transistoren (BC547), transistoren leder og lukker øjeblikkeligt LM338-udgangen, indtil temperaturen kommer ned til normale niveauer, fortsætter denne proces, indtil celler bliver fuldt opladede, når IC 741 aktiverer og afbryder cellerne permanent fra kilden.

I alt 25 celler kan være forbundet til dette kredsløb parallelt, hver positiv linje skal indeholde en separat diode og en 5 Ohm 1 watt modstand for lige fordeling af ladning.

Hele cellepakken skal fastgøres over en fælles aluminiumplatform, så varmen spredes ensartet over aluminiumpladen.

D1 bør limes passende over denne aluminiumsplade, så den spredte varme registreres optimalt af sensoren D1.

Automatisk Li-Ion Cell Charger og Controller Circuit.

Konklusion

• De grundlæggende kriterier, der skal opretholdes for ethvert batteri, er: opladning under behagelige temperaturer og afbrydelse af forsyningen, så snart den når fuld opladning. Det er den grundlæggende ting, du skal følge, uanset batteritype. Du kan overvåge dette manuelt eller gøre det automatisk, i begge tilfælde oplades dit batteri sikkert og har en længere levetid.
• Opladnings- / afladningsstrømmen er ansvarlig for temperaturen på batteriet. Hvis disse er for høje i forhold til den omgivende temperatur, vil dit batteri på lang sigt lide hårdt.
• Den anden vigtige faktor er aldrig at lade batteriet aflades kraftigt. Bliv ved med at gendanne det fulde opladningsniveau, eller bliv ved med at fylde det op, når det er muligt. Dette vil sikre, at batteriet aldrig når dets lavere afladningsniveauer.
• Hvis du har svært ved at overvåge dette manuelt, kan du gå til et automatisk kredsløb som beskrevet på denne side .

Har du yderligere tvivl? Lad dem komme gennem kommentarfeltet nedenfor