Unterschiede im Lithium-Ionen-Batterieladesystem

Gegenwärtig stellt das Problem der Stromversorgung für tragbare Geräte die Systemdesigner vor viele Herausforderungen. Die Verwendung von Batterien als Hauptstromquelle wird immer beliebter. Daher müssen Systementwickler hochentwickelte Systeme entwickeln, um das volle Potenzial von Batterien auszuschöpfen. Jede Anwendung ist anders, aber eines ist dasselbe: Das Ziel, die Kapazität eines Akkus optimal zu nutzen, hängt direkt davon ab, wie ein Akku richtig aufgeladen wird. Um ein geeignetes und zuverlässiges Batterieladesystem zu entwickeln, ist ein tiefes Verständnis der Batterieladeeigenschaften und der Anwendungsanforderungen erforderlich. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, und die spezifische Anwendung und die Anforderungen sind die Schlüsselfaktoren für die Entscheidung, welche Methode am besten geeignet ist.

Ladesysteme erhalten im Design häufig wenig Aufmerksamkeit, insbesondere bei kostensensitiven Anwendungen. Die Qualität des Ladesystems ist jedoch entscheidend für die Batterielebensdauer und Zuverlässigkeit. In diesem Artikel wird das Grundprinzip des Ladens von Lithium-Ionen-Batterien erörtert, und die lineare Ladelösung und die Schaltlösung auf der Basis eines einzelnen Chips werden ausführlich erörtert. Der lineare Lademanagement-Controller von Microchip MCP73843 und MCP73861, der Einzelchip PIC16F684 und der Pulsweitenmodulator MCP1630 (PWM) werden als Beispiele zur Diskussion genommen.

Lithium-Ionen-Aufladung

Die Lade- oder Entladerate wird normalerweise als Kapazität der Batterie ausgedrückt. Diese Geschwindigkeit wird als C-Geschwindigkeit bezeichnet. Die C-Rate entspricht dem Lade- oder Entladestrom unter bestimmten Bedingungen, der wie folgt definiert ist:

I = M x Cn

Unter ihnen:

I = Lade- oder Entladestrom, A.

M ist gleich einem Vielfachen oder Bruchteil von C.

C = Wert der Nennkapazität, Ah

N = Stunden (für C).

Eine Batterie, die sich mit einer Geschwindigkeit von 1 ° C entlädt, gibt ihre Nennkapazität in einer Stunde frei. Wenn beispielsweise die Nennkapazität 1000 mAh beträgt, entspricht die Entladungsrate von 1C dem Entladestrom von 1000 mA und die Rate von C / 10 dem Entladestrom von 100 mA.

Normalerweise bezieht sich die Standardbatteriekapazität des Herstellers auf die Kapazität bei n = 5, dh 5 Stunden Entladung. Zum Beispiel kann die obige Batterie 5 Stunden Arbeitszeit bei 200 mA konstantem Strom liefern. Theoretisch könnte die Batterie eine Stunde Arbeitszeit bei einer Konstantstromentladung von 1000 mA liefern. Tatsächlich beträgt die Betriebszeit jedoch aufgrund des verringerten Wirkungsgrads beim Entladen der großen Batterie weniger als 1 Stunde.

Wie lädt man einen Lithium-Ionen-Akku richtig auf? Der am besten geeignete Ladevorgang für Lithium-Ionen-Batterien kann in vier Stufen unterteilt werden: Erhaltungsladung, Konstantstromladung, Konstantspannungsladung und Beendigung der Ladung.

Gebührenbeendigungsmethode

Es besteht kein Zweifel, dass das Überladen von Lithium-Ionen-Batterien schon immer ein großes Problem war. Eine genaue Ladeabbruchmethode ist für ein sicheres und zuverlässiges Ladesystem sehr wichtig.

Überwachung der Batterietemperatur

Im Allgemeinen sollte der Temperaturbereich in der Lithium-Ionen-Batterie zwischen 0 ° C und 45 ° C liegen. Das Laden des Akkus außerhalb dieses Bereichs kann zu einer Überhitzung des Akkus führen. Während des Ladezyklus führt ein erhöhter Druck im Inneren des Akkus auch dazu, dass der Akku anschwillt. Die Temperatur steht in direktem Zusammenhang mit dem Druck. Mit steigender Temperatur steigt auch der Druck, was zu mechanischen Schäden oder Materiallecks im Inneren der Batterie und in schweren Fällen zu Explosionen führen kann. Das Laden eines Akkus außerhalb dieses Temperaturbereichs kann auch die Leistung beeinträchtigen oder die Lebenserwartung verkürzen.

Normalerweise werden in den Lithium-Ionen-Akkus Thermistoren verwendet, um die Akkutemperatur genau zu messen. Das Ladegerät erkennt den Widerstandswert des Thermistors. Wenn der Widerstandswert den angegebenen Arbeitsbereich überschreitet, dh die Temperatur den angegebenen Bereich überschreitet, ist das Laden verboten.

Batterieentladestrom oder umgekehrter Leckstrom

In vielen Anwendungen ist das Ladesystem auch dann noch an den Akku angeschlossen, wenn die Eingangsleistung nicht vorhanden ist. Das Ladesystem muss sicherstellen, dass die Eingangsleistung nicht vorhanden ist, wenn der aus der Batterie entnommene Strom sehr gering ist. Die maximalen Leckströme sollten weniger als einige Mikroampere betragen, normalerweise weniger als ein Mikroampere.

Lithium-Ionen-Aufladung - ein Anwendungsbeispiel

Ein geeignetes Lademanagementsystem kann unter vollständiger Berücksichtigung der obigen Überlegungen entwickelt werden.

Lineare Lösung

Lineare Ladelösungen werden normalerweise verwendet, wenn eine gut geregelte Eingangsstromversorgung vorhanden ist. Die Vorteile linearer Lösungen in solchen Anwendungen umfassen Benutzerfreundlichkeit, geringe Größe und niedrige Kosten. Aufgrund des geringen Wirkungsgrads der linearen Ladelösung ist der wichtigste Faktor, der das Design beeinflusst, das Design der Wärmeableitung. Das Wärmeableitungsdesign ist der Wärmewiderstand zwischen Eingangsspannung, Ladestrom und Übertragungstransistor sowie Umgebungskühlluft. Das schlimmste Szenario ist, wenn das Gerät von einer Erhaltungsladung zu einer konstanten Ladung übergeht. In diesem Fall muss der Übertragungstransistor die maximale Menge an Wärmeenergie abgeben und gegen Ladestrom, Systemgröße, Kosten und Kühlungsanforderungen abgewogen werden.

Beispielsweise muss ein einzelner 1000-mAh-Lithium-Ionen-Akku mit einem konstanten Strom von 0,5 ° C oder 1 ° C unter Verwendung einer 5-V-5% -Eingangsstromversorgung aufgeladen werden. Abbildung 3 zeigt, wie mit dem MCP73843 von Microchip eine kostengünstige unabhängige Lösung erstellt werden kann, für die nur eine sehr geringe Anzahl externer Komponenten erforderlich ist, um den erforderlichen Ladealgorithmus zu implementieren. Der MCP73843 kombiniert perfekt hochpräzises Laden mit konstantem Strom, Spannungsregelung mit konstanter Spannung und automatischem Ladenabbruch und anderen Funktionen.

Um die Größe, die Kosten und die Komplexität der linearen Lösung weiter zu reduzieren, können viele externe Komponenten in den Lademanagement-Controller integriert werden. Fortschrittliche Verpackungen bieten eine bessere Integration auf Kosten der Flexibilität. Eine solche Verpackung erfordert fortschrittliche Produktionsanlagen und vermeidet in vielen Fällen Nacharbeiten. Ladestromerkennung, Übertragungstransistor und Sperrentladungsschutz sind üblicherweise integriert. Darüber hinaus kann diese Art von Lademanagement-Controller eine bestimmte Wärmeregulierungsfunktion erreichen. Die Wärmeregulierungsfunktion kann den Ladestrom entsprechend der Temperatur des Gerätekerns begrenzen, um die Ladezykluszeit zu optimieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Geräts sicherzustellen. Die Wärmeregulierungsfunktion reduziert die Arbeitsbelastung bei der Wärmeableitung erheblich.

Die auf MicrochipMCP73861 basierende integrierte lineare Gesamtlösung ist in Abbildung 4 dargestellt. MCP73861 enthält alle Funktionen von MCP73843, einschließlich Stromerkennung, Übertragungstransistor, Rückentladungsschutz und Überwachung der Batterietemperatur.

Der gesamte Ladezyklus des MCP73843 bei Konstantstrom-Laderaten von 1C und 0,5c ist in Abbildung 5 dargestellt. Beim Laden mit einer Rate von 0,5c anstelle von 1C endet der Ladevorgang etwa eine Stunde später. Beim Schnellladen wird der Ladeabschlussstrom proportional zum Ladestrom reduziert. Das Ergebnis ist eine Verlängerung der Ladezeit um 36% bei einer Erhöhung der Batteriekapazität um 2% und einer Verringerung des Leistungsverlusts. Der Ladeabschlussstrom fällt von 0,07 ° C auf 0,035 ° C, wodurch die endgültige Batteriekapazität von ~ 98% auf ~ 100% erhöht wird. Der Systemdesigner muss die Ladezeit, den Stromausfall und die verfügbare Akkukapazität abwägen.

Ladelösung wechseln

Schaltladelösungen werden normalerweise für Anwendungen mit großen Eingangsspannungsschwankungen oder großen Eingangs- / Ausgangsspannungsunterschieden verwendet. In solchen Anwendungen spiegeln sich die Vorteile von Schaltlösungen in der Verbesserung der Effizienz wider, während die Nachteile ein komplexes System, eine relativ große Größe und hohe Kosten sind. Zum Beispiel müssen Anwendungen den Autoadapter mit einem konstanten Strom von 0,5 C oder 1 C in einer 2200-mAh-Lithium-Ionen-Batterie mit einem einzigen Abschnitt verwenden, da die Probleme wie Wärmeableitung und lineare Lösungsimplementierung natürlich auch sehr schwierig sind unterstützen lineare Lösung der Wärmeregulierung, aber aufgrund des niedrigeren Ladestroms ist ein verlängerter Ladezyklus nicht akzeptabel.

Der erste Schritt beim erfolgreichen Entwurf einer Schaltladelösung besteht in der Auswahl der Entwurfskonfiguration: Step-Down, Step-Up, Liter / Step-Down, Flyback, Single-Terminal-Primärinduktivität (SEPIC) oder eine andere Form. Abhängig von den Anforderungen und Erfahrungen mit Eingabe und Ausgabe können Sie die Auswahl für diese Anwendung schnell auf zwei Strukturen eingrenzen: die Abwärts- oder die SEPIC-Struktur. Der Vorteil des Abwärtswandlers besteht darin, dass nur eine Induktivität erforderlich ist, während der Nachteil darin besteht, dass zusätzliche Dioden für den Sperrentladungsschutz, die High-End-Gate-Ansteuerung und Stromerkennung sowie den Impulseingangsstrom (der EMI verursachen kann) erforderlich sind. Die Vorteile der SEPIC-Topologie sind eine niedrige Gate-Ansteuerung und Stromerkennung, ein kontinuierlicher Eingangsstrom und eine Gleichstromisolation zwischen Eingang und Ausgang. Die Hauptnachteile sind die Notwendigkeit von zwei Induktivitäten und einem Energieübertragungskondensator.

MCP1630 ist ein Hochgeschwindigkeits-Pulsweitenmodulator (PWM), der mit einem Einzelchip-Mikrocomputer verwendet werden kann. Mit einem Single-Chip-Mikrocomputer kann der MCP1630 das Tastverhältnis des Stromversorgungssystems steuern und eine stabile Ausgangsspannung oder einen stabilen Ausgangsspannungsstrom bereitstellen. Die MCU PIC16F684 kann für die Stabilität der Ausgangsspannung oder des Stroms sowie für die Einstellung der Schaltfrequenz und des maximalen Tastverhältnisses verwendet werden. Der MCP1630 erzeugt ein Tastverhältnis und bietet einen schnellen Überstromschutz basierend auf verschiedenen externen Eingängen. Externe Signale umfassen Eingangsoszillator, Referenzspannung, Rückkopplungsspannung und Stromerkennung. Das Ausgangssignal ist ein Rechteckimpuls. Das Ladegerät verwendet die Leistungsstruktur von SEPIC. SCM bietet ein hohes Maß an Designflexibilität. Darüber hinaus kann die MCU mit dem Batteriemonitor (PS700 von Microchip) im Akkupack kommunizieren, wodurch die Ladezykluszeit erheblich verkürzt wird.

Der gesamte Ladezyklus der Schaltladelösung ist in Abbildung 6 dargestellt. Durch die Verwendung eines Batteriemonitors im Ladesystem kann der Ladezyklus erheblich verkürzt werden, und der Batteriemonitor muss die Spannung an beiden Enden von nicht mehr erfassen die Batteriepack-Schutzschaltung und den Kontaktwiderstand des Ladestroms.

Fazit

In aktuellen tragbaren Produkten erfordert die korrekte Implementierung des Batterieladens sorgfältige Überlegungen zum Design. In diesem Artikel werden die linearen und schaltenden Ladelösungen für Lithium-Ionen-Batterien erläutert. Die in diesem Dokument diskutierten Leitprinzipien und Entwurfsüberlegungen sind tatsächlich das, was alle Entwürfe von Batterieladesystemen berücksichtigen müssen.

Einführung in die

Gegenwärtig stellt das Problem der Stromversorgung für tragbare Geräte die Systemdesigner vor viele Herausforderungen. Die Verwendung von Batterien als Hauptstromquelle wird immer beliebter. Daher müssen Systementwickler hochentwickelte Systeme entwickeln, um das volle Potenzial von Batterien auszuschöpfen. Jede Anwendung ist anders, aber eines ist dasselbe: Das Ziel, die Kapazität eines Akkus optimal zu nutzen, hängt direkt davon ab, wie ein Akku richtig aufgeladen wird. Um ein geeignetes und zuverlässiges Batterieladesystem zu entwickeln, ist ein tiefes Verständnis der Batterieladeeigenschaften und der Anwendungsanforderungen erforderlich. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, und die spezifische Anwendung und die Anforderungen sind die Schlüsselfaktoren für die Entscheidung, welche Methode am besten geeignet ist.

Ladesysteme erhalten im Design häufig wenig Aufmerksamkeit, insbesondere bei kostensensitiven Anwendungen. Die Qualität des Ladesystems ist jedoch entscheidend für die Batterielebensdauer und Zuverlässigkeit. In diesem Artikel wird das Grundprinzip des Ladens von Lithium-Ionen-Batterien erörtert, und die lineare Ladelösung und die Schaltlösung auf der Basis eines einzelnen Chips werden ausführlich erörtert. Der lineare Lademanagement-Controller von Microchip MCP73843 und MCP73861, der Einzelchip PIC16F684 und der Pulsweitenmodulator MCP1630 (PWM) werden als Beispiele zur Diskussion genommen.

Lithium-Ionen-Aufladung

Die Lade- oder Entladerate wird normalerweise als Kapazität der Batterie ausgedrückt. Diese Geschwindigkeit wird als C-Geschwindigkeit bezeichnet. Die C-Rate entspricht dem Lade- oder Entladestrom unter bestimmten Bedingungen, der wie folgt definiert ist:

I = M x Cn

Unter ihnen:

I = Lade- oder Entladestrom, A.

M ist gleich einem Vielfachen oder Bruchteil von C.

C = Wert der Nennkapazität, Ah

N = Stunden (für C).

Eine Batterie, die sich mit einer Geschwindigkeit von 1 ° C entlädt, gibt ihre Nennkapazität in einer Stunde frei. Wenn beispielsweise die Nennkapazität 1000 mAh beträgt, entspricht die Entladungsrate von 1C dem Entladestrom von 1000 mA und die Rate von C / 10 entspricht dem Entladestrom von 100 mA.

Normalerweise bezieht sich die Standardbatteriekapazität des Herstellers auf die Kapazität bei n = 5, dh 5 Stunden Entladung. Zum Beispiel kann die obige Batterie 5 Stunden Arbeitszeit bei 200 mA konstantem Strom liefern. Theoretisch könnte die Batterie eine Stunde Arbeitszeit bei einer Konstantstromentladung von 1000 mA liefern. Tatsächlich beträgt die Betriebszeit jedoch aufgrund des verringerten Wirkungsgrads beim Entladen der großen Batterie weniger als 1 Stunde.

Wie lädt man einen Lithium-Ionen-Akku richtig auf? Der am besten geeignete Ladevorgang für Lithium-Ionen-Batterien kann in vier Stufen unterteilt werden: Erhaltungsladung, Konstantstromladung, Konstantspannungsladung und Beendigung der Ladung.

Stufe 1: Erhaltungsladung - Erhaltungsladung wird verwendet, um die vollständig entladene Batterieeinheit vorzuladen (Wiederherstellungsladung). Wenn die Batteriespannung unter etwa 3 V liegt, wird zum Laden der Batterie ein konstanter Strom von bis zu 0,1 c verwendet.

Stufe 2: Konstantstromladung - Wenn die Batteriespannung über die Erhaltungsladeschwelle steigt, wird der Ladestrom für die Konstantstromladung erhöht. Der Konstantstrom-Ladestrom liegt zwischen 0,2 c und 1,0 c. Konstantstrom-Ladestrom muss nicht sehr genau sein, Quasi-Konstantstrom kann es auch sein. Bei linearen Ladegerätkonstruktionen steigt der Strom häufig mit der Batteriespannung an, um die Wärmeableitung am Übertragungstransistor zu minimieren.

Eine Konstantstromladung von mehr als 1 ° C verkürzt nicht die gesamte Ladezykluszeit, daher ist dieser Ansatz nicht ratsam. Bei Laden mit einem höheren Strom steigt die Batteriespannung aufgrund der Überspannung der Elektrodenreaktion und des Spannungsanstiegs an der Innenimpedanz der Batterie schneller an. Die Konstantstrom-Ladestufe wird kürzer, aber da die Zeit der Konstantspannungs-Ladestufe darunter entsprechend zunimmt, wird die Gesamtladezykluszeit nicht verkürzt.

Stufe 3: Konstantspannungsladung - Wenn die Batteriespannung auf 4,2 V ansteigt, endet die Konstantstromladung und die Konstantspannungsladestufe beginnt. Für eine optimale Leistung sollte die Spannungstoleranz größer als + 1% sein.

Phase 4: Ladeabbruch - Im Gegensatz zu Nickelbatterien wird ein kontinuierliches Erhaltungsladen von Lithium-Ionen-Batterien nicht empfohlen. Kontinuierliche Erhaltungsladung führt zu einem Plattenbeschichtungseffekt von Lithiummetall. Dies macht die Batterie instabil und kann zu einer plötzlichen, automatischen und schnellen Demontage führen.

Es gibt zwei typische Methoden zur Beendigung des Ladevorgangs: Verwendung eines minimalen Ladestrom-Urteils oder Verwendung eines Timers (oder einer Kombination aus beiden). Die Methode des minimalen Stroms überwacht den Ladestrom in der Ladestufe mit konstanter Spannung und beendet den Ladevorgang, wenn der Ladestrom auf den Bereich von 0,02 ° C bis 0,07 ° C abfällt. Die zweite Methode beginnt mit dem Beginn der Konstantspannungs-Ladestufe und stoppt den Ladevorgang nach zwei Stunden kontinuierlichem Laden.

Die obige vierstufige Lademethode dauert etwa 2,5 bis 3 Stunden, um den Akku vollständig zu entladen. Fortgeschrittene Ladegeräte verfügen außerdem über mehr Sicherheitsmaßnahmen. Wenn beispielsweise die Batterietemperatur das angegebene Fenster überschreitet (normalerweise 0 bis 45 ° C), wird der Ladevorgang unterbrochen.

Lithium-Ionen-Aufladung - Überlegungen zum System

Ein Hochleistungsladesystem ist erforderlich, um den Ladevorgang schnell und zuverlässig abzuschließen. Um eine zuverlässige und kostengünstige Lösung zu erzielen, sollten die folgenden Systemparameter bei der Konstruktion berücksichtigt werden:

Die Eingangsquelle

Viele Anwendungen verwenden extrem billige Wandadapter als Eingangsleistung. Die Ausgangsspannung hängt hauptsächlich von der Eingangswechselspannung und dem vom Wandadapter fließenden Laststrom ab.

Der Bereich der AC-Bus-Eingangsspannung an Standard-Steckdosen in den USA liegt im Allgemeinen zwischen 90 Veff und 132 VMS. Angenommen, die Nenn-Eingangsspannung beträgt 120 Veff mit einer Toleranz von + 10%. 25%. Das Ladegerät muss eine geeignete Spannungsregelung für die Batterie bereitstellen, damit die Eingangsspannung nicht beeinträchtigt wird. Die Eingangsspannung des Ladegeräts ist proportional zur AC-Busspannung und zum Ladestrom:

VO vin = 2 x (REQ + RPTC) - a - 1 o 2 x VFDS

REQ ist die Summe aus dem Widerstand der Sekundärwicklung und dem Reflexionswiderstand der Primärwicklung (RP / a2). RPTC ist der Widerstand von PTC und VFD ist der Durchlassspannungsabfall des Brückengleichrichters. Zusätzlich wird durch den Verlust des Transformatorkerns auch die Ausgangsspannung leicht reduziert.

Apps, die Autoadapter zum Laden ihrer Batterien verwenden, haben ähnliche Probleme. Die Ausgangsspannung eines Autoadapters liegt typischerweise im Bereich von 9 V bis 18 V.

Konstante Stromladerate und Genauigkeit

Die topologische Wahl für eine bestimmte Anwendung kann durch den Ladestrom bestimmt werden. Viele Konstantstrom-Ladeanwendungen oder Mehrbatterieladeanwendungen verwenden Schaltladelösungen, um eine höhere Effizienz zu erzielen und zu vermeiden, dass zu viel Wärme erzeugt wird. Aus Gründen der Größe und der Kosten verwenden Schnellladeanwendungen mit niedrigem und mittlerem Bereich tendenziell lineare Lösungen, die mehr Energie in Form von Wärme verlieren. Bei linearen Ladesystemen wird die Konstantstrom-Ladetoleranz extrem wichtig. Wenn die Spannungstoleranz zu groß ist, müssen der Übertragungstransistor und andere Komponenten größer sein, was die Größe und die Kosten erhöht. Wenn der Konstantstrom-Ladestrom zu klein ist, verlängert sich außerdem der gesamte Ladezyklus.

Genauigkeit der Ausgangsspannungsstabilität

Um die Batteriekapazität optimal nutzen zu können, ist die Genauigkeit der Stabilisierung der Ausgangsspannung von entscheidender Bedeutung. Ein kleiner Abfall der Genauigkeit der Ausgangsspannung kann auch zu einer starken Verringerung der Batteriekapazität führen. Aus Sicherheits- und Zuverlässigkeitsgründen kann die Ausgangsspannung jedoch nicht nach Belieben zu hoch eingestellt werden. Abbildung 2 zeigt die Bedeutung der Genauigkeit der Ausgangsspannungsstabilität.

Gebührenbeendigungsmethode

Es besteht kein Zweifel, dass das Überladen von Lithium-Ionen-Batterien schon immer ein großes Problem war. Eine genaue Ladeabbruchmethode ist für ein sicheres und zuverlässiges Ladesystem sehr wichtig.

Überwachung der Batterietemperatur

Im Allgemeinen sollte der Temperaturbereich in der Lithium-Ionen-Batterie zwischen 0 ° C und 45 ° C liegen. Das Laden des Akkus außerhalb dieses Bereichs kann zu einer Überhitzung des Akkus führen. Während des Ladezyklus führt ein erhöhter Druck im Inneren des Akkus auch dazu, dass der Akku anschwillt. Die Temperatur steht in direktem Zusammenhang mit dem Druck. Mit steigender Temperatur steigt auch der Druck, was zu mechanischen Schäden oder Materiallecks im Inneren der Batterie und in schweren Fällen zu Explosionen führen kann. Das Laden eines Akkus außerhalb dieses Temperaturbereichs kann auch die Leistung beeinträchtigen oder die Lebenserwartung verkürzen.

Normalerweise werden in den Lithium-Ionen-Akkus Thermistoren verwendet, um die Akkutemperatur genau zu messen. Das Ladegerät erkennt den Widerstandswert des Thermistors. Wenn der Widerstandswert den angegebenen Arbeitsbereich überschreitet, dh die Temperatur den angegebenen Bereich überschreitet, ist das Laden verboten.

Batterieentladestrom oder umgekehrter Leckstrom

In vielen Anwendungen ist das Ladesystem auch dann noch an den Akku angeschlossen, wenn die Eingangsleistung nicht vorhanden ist. Das Ladesystem muss sicherstellen, dass die Eingangsleistung nicht vorhanden ist, wenn der aus der Batterie entnommene Strom sehr gering ist. Die maximalen Leckströme sollten weniger als einige Mikroampere betragen, normalerweise weniger als ein Mikroampere.

Lithium-Ionen-Aufladung - ein Anwendungsbeispiel

Ein geeignetes Lademanagementsystem kann unter vollständiger Berücksichtigung der obigen Überlegungen entwickelt werden.

Lineare Lösung

Lineare Ladelösungen werden normalerweise verwendet, wenn eine gut geregelte Eingangsstromversorgung vorhanden ist. Die Vorteile linearer Lösungen in solchen Anwendungen umfassen Benutzerfreundlichkeit, geringe Größe und niedrige Kosten. Aufgrund des geringen Wirkungsgrades der linearen Ladelösung ist der wichtigste Faktor, der das Design beeinflusst, das Design der Wärmeableitung. Das Wärmeableitungsdesign ist der Wärmewiderstand zwischen Eingangsspannung, Ladestrom und Übertragungstransistor sowie Umgebungskühlluft. Das schlimmste Szenario ist, wenn das Gerät von einer Erhaltungsladung zu einer konstanten Ladung übergeht. In diesem Fall muss der Übertragungstransistor die maximale Menge an Wärmeenergie abgeben und gegen Ladestrom, Systemgröße, Kosten und Kühlungsanforderungen abgewogen werden.

Beispielsweise muss ein einzelner 1000-mAh-Lithium-Ionen-Akku mit einem konstanten Strom von 0,5 ° C oder 1 ° C unter Verwendung einer 5-V-5% -Eingangsstromversorgung aufgeladen werden. Abbildung 3 zeigt, wie mit dem MCP73843 von Microchip eine kostengünstige unabhängige Lösung erstellt werden kann, für die nur eine sehr geringe Anzahl externer Komponenten erforderlich ist, um den erforderlichen Ladealgorithmus zu implementieren. Der MCP73843 kombiniert perfekt hochpräzises Laden mit konstantem Strom, Spannungsregelung mit konstanter Spannung und automatischem Ladenabbruch und anderen Funktionen.

Um die Größe, die Kosten und die Komplexität der linearen Lösung weiter zu reduzieren, können viele externe Komponenten in den Lademanagement-Controller integriert werden. Fortschrittliche Verpackungen bieten eine bessere Integration auf Kosten der Flexibilität. Eine solche Verpackung erfordert fortschrittliche Produktionsanlagen und vermeidet in vielen Fällen Nacharbeiten. Ladestromerkennung, Übertragungstransistor und Sperrentladungsschutz sind üblicherweise integriert. Darüber hinaus kann diese Art von Lademanagement-Controller eine bestimmte Wärmeregulierungsfunktion erreichen. Die Wärmeregulierungsfunktion kann den Ladestrom entsprechend der Temperatur des Gerätekerns begrenzen, um die Ladezykluszeit zu optimieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Geräts sicherzustellen. Die Wärmeregulierungsfunktion reduziert die Arbeitsbelastung bei der Wärmeableitung erheblich.

Die auf MicrochipMCP73861 basierende integrierte lineare Gesamtlösung ist in Abbildung 4 dargestellt. MCP73861 enthält alle Funktionen von MCP73843, einschließlich Stromerkennung, Übertragungstransistor, Rückentladungsschutz und Überwachung der Batterietemperatur.

Ladezyklus-Wellenform

Der gesamte Ladezyklus des MCP73843 bei Konstantstrom-Laderaten von 1C und 0,5c ist in Abbildung 5 dargestellt. Beim Laden mit einer Rate von 0,5c anstelle von 1C endet der Ladevorgang etwa eine Stunde später. Beim Schnellladen wird der Ladeabschlussstrom proportional zum Ladestrom reduziert. Das Ergebnis ist eine Verlängerung der Ladezeit um 36% bei einer Erhöhung der Batteriekapazität um 2% und einer Verringerung des Leistungsverlusts. Der Ladeabschlussstrom fällt von 0,07 ° C auf 0,035 ° C, wodurch die endgültige Batteriekapazität von ~ 98% auf ~ 100% erhöht wird. Der Systemdesigner muss die Ladezeit, den Stromausfall und die verfügbare Akkukapazität abwägen.

Ladelösung wechseln

Schaltladelösungen werden normalerweise für Anwendungen mit großen Eingangsspannungsschwankungen oder großen Eingangs- / Ausgangsspannungsunterschieden verwendet. In solchen Anwendungen spiegeln sich die Vorteile von Schaltlösungen in der Verbesserung der Effizienz wider, während die Nachteile ein komplexes System, eine relativ große Größe und hohe Kosten sind. Zum Beispiel müssen Anwendungen den Autoadapter mit einem konstanten Strom von 0,5 C oder 1 C in einer 2200-mAh-Lithium-Ionen-Batterie mit einem einzigen Abschnitt verwenden, da die Probleme wie Wärmeableitung und lineare Lösungsimplementierung natürlich auch sehr schwierig sind Unterstützung einer linearen Lösung der Wärmeregulierung, aber aufgrund des niedrigeren Ladestroms ist ein verlängerter Ladezyklus nicht akzeptabel.

Der erste Schritt beim erfolgreichen Entwurf einer Schaltladelösung besteht in der Auswahl der Entwurfskonfiguration: Step-Down, Step-Up, Liter / Step-Down, Flyback, Single-Terminal-Primärinduktivität (SEPIC) oder eine andere Form. Abhängig von den Anforderungen und Erfahrungen mit Eingabe und Ausgabe können Sie die Auswahl für diese Anwendung schnell auf zwei Strukturen eingrenzen: die Abwärts- oder die SEPIC-Struktur. Der Vorteil des Abwärtswandlers besteht darin, dass nur eine Induktivität erforderlich ist, während der Nachteil darin besteht, dass zusätzliche Dioden für den Sperrentladungsschutz, die High-End-Gate-Ansteuerung und Stromerkennung sowie den Impulseingangsstrom (der EMI verursachen kann) erforderlich sind. Die Vorteile der SEPIC-Topologie sind eine niedrige Gate-Ansteuerungs- und Stromerkennung, ein kontinuierlicher Eingangsstrom und eine Gleichstromisolation zwischen Eingang und Ausgang. Die Hauptnachteile sind die Notwendigkeit von zwei Induktivitäten und einem Energieübertragungskondensator.

MCP1630 ist ein Hochgeschwindigkeits-Pulsweitenmodulator (PWM), der mit einem Einzelchip-Mikrocomputer verwendet werden kann. Mit einem Single-Chip-Mikrocomputer kann der MCP1630 das Tastverhältnis des Stromversorgungssystems steuern und eine stabile Ausgangsspannung oder einen stabilen Ausgangsspannungsstrom bereitstellen. Die MCU PIC16F684 kann für die Stabilität der Ausgangsspannung oder des Stroms sowie für die Einstellung der Schaltfrequenz und des maximalen Tastverhältnisses verwendet werden. Der MCP1630 erzeugt ein Tastverhältnis und bietet einen schnellen Überstromschutz basierend auf verschiedenen externen Eingängen. Externe Signale umfassen Eingangsoszillator, Referenzspannung, Rückkopplungsspannung und Stromerkennung. Das Ausgangssignal ist ein Rechteckimpuls. Das Ladegerät verwendet die Leistungsstruktur von SEPIC. SCM bietet ein hohes Maß an Designflexibilität. Darüber hinaus kann die MCU mit dem Batteriemonitor (PS700 von Microchip) im Akkupack kommunizieren, wodurch die Ladezykluszeit erheblich verkürzt wird.

Ladezyklus-Wellenform

Der gesamte Ladezyklus der Schaltladelösung ist in Abbildung 6 dargestellt. Durch die Verwendung eines Batteriemonitors im Ladesystem kann der Ladezyklus erheblich verkürzt werden, und der Batteriemonitor muss die Spannung an beiden Enden von nicht mehr erfassen die Batteriepack-Schutzschaltung und den Kontaktwiderstand des Ladestroms.

Fazit

In aktuellen tragbaren Produkten erfordert die korrekte Implementierung des Batterieladens sorgfältige Überlegungen zum Design. In diesem Artikel werden die linearen und schaltenden Ladelösungen für Lithium-Ionen-Batterien erläutert. Die in diesem Dokument diskutierten Leitprinzipien und Entwurfsüberlegungen sind tatsächlich das, was alle Entwürfe von Batterieladesystemen berücksichtigen müssen.

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