Aufladen des Li-Ionen-Akkus
Lithiumbatterien sind eine vielseitige Möglichkeit, Energie zu speichern. Sie haben eine der höchsten Energiedichten und spezifischen Energien (360 bis 900 kJ / kg) unter den wiederaufladbaren Batterien.
Der Nachteil ist, dass sie im Gegensatz zu Kondensatoren oder anderen Arten von Batterien nicht über eine normale Stromversorgung aufgeladen werden können. Sie müssen bis zu einer bestimmten Spannung und mit begrenztem Strom aufgeladen werden, sonst werden sie zu potenziellen Brandbomben.
Und das ist kein Scherz. Das Speichern einer so hohen Energiemenge in einem kleinen und normalerweise dicht verpackten Gerät kann sehr gefährlich sein.
Aber sie sind aufgrund ihrer relativ hohen Zellenspannung in der Elektronik sehr nützlich. hohe Energiedichte; ihre Form, Größe und Kapazitätsvielfalt sowie ihre Lade- / Entladeeffizienz. Und deshalb sind sie in fast jedem Produkt der Unterhaltungselektronik enthalten.
Da sie die beste Wahl für kleine und mittlere tragbare Geräte sind, sind sie in der DIY-Community sehr beliebt. Das Aufladen ist jedoch immer noch ein häufiges Problem, wenn Sie kein bestimmtes Ladegerät kaufen möchten.
In dieser Anleitung erfahren Sie, wie Sie ein geeignetes Li-Ionen-Ladegerät mit weit verbreiteten Komponenten und Teilen herstellen. Und was noch wichtiger ist, Sie werden lernen, wie es funktioniert.
Wenn Sie die Theorie überspringen und das Ladegerät tatsächlich bauen möchten, fahren Sie mit Schritt 6 fort.
Schritt 1: Ein bisschen Theorie
Es gibt viele verschiedene Arten von Lithiumbatterien, aber sie unterscheiden sich nur in den verwendeten Materialien und der Architektur. Wissenschaftler bevorzugen es, Batterien nach ihrem chemischen Namen und dem verwendeten Material zu benennen. Wenn Sie kein Chemiker sind, können diese Begriffe verwirrend werden. Die obige Tabelle bietet Klarheit, indem diese Batterien nach ihrem vollständigen Namen, ihrer chemischen Definition, ihren Abkürzungen und ihrer Kurzform aufgelistet werden.
Verschiedene Batterietypen haben unterschiedliche Charaktere und Einschränkungen. Für weitere Informationen empfehle ich Ihnen, diese Seite zu besuchen.
Das Gute ist, dass die meisten Batterien auf die gleiche Weise geladen werden, zumindest die üblichen, die Sie normalerweise für ein batteriebetriebenes Projekt finden und / oder verwenden würden.
Zunächst müssen Sie wissen, wie hoch die "C-Rate" ist, da dies die Grundlage für den Batterieverbrauch ist.
Die meisten Batterien haben eine Nennkapazität, gemessen in Ampere-Stunde (Ah) oder in Milliampere-Stunde (mAh). Das ist im Grunde der Entladestrom, den sie eine Stunde lang liefern können, bevor sie vollständig entleert werden.
Zum Beispiel haben Sie einen großen Akku mit der Bezeichnung 2400 mAh oder 2, 4 Ah. Dies bedeutet, dass er 2, 4 A durch Ihren Stromkreis schieben und sich innerhalb einer Stunde entladen kann. Dies wäre eine 1C-Entladerate, bei der der Akku mit der Nennkapazität entladen wird.
Wenn Ihre Batterie einen Stromkreis mit 1200 mA versorgt, entspricht dies einer Entladungsrate von 0, 5 ° C und sollte zwei Stunden dauern.
Einige Batterien erlauben höhere Entladeraten als 1 ° C, und wenn Sie Ihre Batterie bei 4, 8 A (2 ° C) entladen könnten, würde dies 30 Minuten dauern. Einige Batterien, die in RC-Systemen verwendet werden, ermöglichen sehr hohe Entladungsraten wie 10 oder 20 ° C. Diese Batterien sind jedoch normalerweise so ausgelegt, dass sie ausfallen, anstatt Ihr Flugzeug während des Fluges ohne Strom zu lassen. Sie sind daher nicht die sichersten.
Beim Laden ist es im Grunde dasselbe. Das Laden eines 2400-mAh-Akkus mit einem maximalen Strom von 1200 mA entspricht einer Laderate von 0, 5 ° C. Aus Sicherheitsgründen sollten die meisten Batterien zwischen 0, 5 ° C und 0, 7 ° C aufgeladen werden.
Die meisten Lithium-Ionen-Batterien werden auf 4, 2 V pro Zelle aufgeladen. Höhere Spannungen können die Kapazität erhöhen, aber die Lebensdauer verkürzen. Und niedrigere können die Ladezyklen des Akkus auf Kosten einer kürzeren Laufzeit verlängern. (Siehe die dritte Grafik)
Ein Ladezyklus umfasst zwei Hauptstufen. Konstantstrom oder CC und Spannungsquelle oder CV, aber einige Ladegeräte überspringen oder fügen weitere Stufen hinzu. (Siehe Grafiken 1 und 2)
Die meisten Batterien gelten als überladen oder leer, wenn ihre Zellenspannung unter 2, 8-3 V liegt. Selbst in dieser Situation können die Zellen wieder aufgeladen und wiederverwendet werden. Um sie zu speichern, wird vor dem Laden eine "Konditionierungs" -Stufe durchgeführt. In dieser Stufe wird der Akku mit einer Strombegrenzung von 0, 1 ° C aufgeladen, bis er 3 V erreicht
CC-Bühne. Dies ist die Stufe, die alle Ladegeräte verwenden, und die einzige für die meisten Schnellladegeräte. Während der Konstantstromphase ist die Batterie grundsätzlich an eine strombegrenzte Stromversorgung angeschlossen, die normalerweise auf das 0, 5- bis 0, 7-fache der nominalen Batteriekapazität (0, 5 bis 0, 7 ° C) begrenzt ist, bis die Zellenspannung 4, 2 V erreicht. Am Ende dieser Phase liegt die Batterieladung bei etwa 70-80%.
CV-Stufe oder Sättigungsladung. Wenn die Batterie 4, 2 V pro Zelle erreicht, fungiert das Ladegerät als spannungsbegrenzte Stromversorgung. Die Batteriespannung bleibt bei 4, 2 V, während der Ladestrom allmählich abfällt. Wenn der Ladestrom zwischen 3 und 10% der angegebenen Kapazität liegt, gilt der Akku als voll aufgeladen.
Richtgebühr. Abhängig vom Ladegerät und der Selbstentladung des Akkus kann alle 500 Stunden oder 20 Tage eine Nachfüllladung durchgeführt werden. In der Regel wird die Ladung aktiviert, wenn die Spannung an der offenen Klemme auf 4, 05 V / Zelle abfällt, und wird ausgeschaltet, wenn sie wieder 4, 20 V / Zelle erreicht.
Normalerweise werden nur die Stufen 2 und 3 verwendet, und eine vollständige Aufladung kann je nach Laderate 2 bis 4 Stunden dauern.
Li-Ionen müssen nicht vollständig geladen sein, wie dies bei Bleisäure der Fall ist, und es ist auch nicht wünschenswert, dies zu tun. In der Tat ist es besser, nicht vollständig aufzuladen, da hohe Spannungen die Batterie belasten. Die Wahl eines niedrigeren Spannungsschwellenwerts oder die vollständige Beseitigung der Sättigungsladung verlängert die Batterielebensdauer, verringert jedoch die Laufzeit. Da der Verbrauchermarkt eine maximale Laufzeit fördert, streben diese Ladegeräte eher eine maximale Kapazität als eine längere Lebensdauer an.
Weitere Informationen finden Sie auf dieser Seite.
Schritt 2: Entwerfen der Ladeschaltung
Vor ungefähr einem Jahr begann ich mit Operationsverstärkern zu arbeiten und entschied mich, ein geeignetes Li-Ionen-Ladegerät zu entwickeln, um zu lernen, wie man sie benutzt. Ich habe auf dem Weg zum Entwerfen dieser Schaltung viel über Operationsverstärker gelernt und wollte sie teilen, damit die Leute ihre eigenen Ladegeräte herstellen können, anstatt sie zu kaufen.
Die Schaltung verwendet den beliebten Operationsverstärker LM324, um eine strom- und spannungsbegrenzte Stromversorgung zu erstellen. In diesem Fall kann der Strom mit einem Potentiometer von etwa 160 bis 1600 mA eingestellt werden, wodurch Batterien mit einem breiten Kapazitätsbereich aufgeladen werden können. Die Voltaje-Grenze liegt bei 4, 2 V, damit Sie Ihre Batterien nicht beschädigen.
Es verfügt über eine Ladeanzeige-LED, die aufleuchtet, während der Akku geladen wird, und sich abschaltet, wenn der Vorgang abgeschlossen ist.
Ich habe diese Schaltung so entworfen, dass sie weit verbreitete und billige Durchgangslochkomponenten verwendet, damit jeder sie bauen kann.
Fast jeder Allzweck-Operationsverstärker kann verwendet werden, es ist kein Rail-to-Rail-Betrieb erforderlich, keine Hochfrequenz oder Präzision.
Die tip122-Transistoren können durch jeden pin-kompatiblen Transistor mit einer minimalen Gleichstromverstärkung (Hfe) über 100 und einem maximalen Kollektorstrom (Ic) über 2A ersetzt werden.
Die Schaltung ist so konzipiert, dass jeder mit grundlegenden Lötfähigkeiten sie leicht bauen kann.
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Schritt 3: Das Netzteil
Das gesamte Ladegerät wird von einem 12-V-2A-Ladegerät gespeist. Da der LM324 jedoch kein Rail-to-Rail-Operationsverstärker ist, benötige ich eine zweite Spannungsschiene, damit der Operationsverstärker Spannungen in der Nähe von GND erfassen kann (kleine Spannungen für kleine Ströme) und Ausgangsspannungen, die niedrig genug sind, um die Darlington-Transistoren nicht einzuschalten, wenn dies nicht der Fall sein sollte.
Wenn Sie sich das allgemeine Schema im vorherigen Schritt ansehen, können Sie sehen, dass der Transistor, der den Stromfluss und die Spannung über die Batterie steuert, an eine Spannungsschiene und nicht an Masse angeschlossen ist. Das liegt daran, dass die Ausgangsspannung des LM324 die negative Versorgungsspannung nicht erreichen kann. Sie kann nur etwa 1, 5 bis 2 V darüber betragen. Bei dieser Spannung könnte der Darlington-Transistor nicht abschalten und Spannung und Strom nicht richtig begrenzen.
Aus diesem Grund habe ich einen der vier Operationsverstärker (IC1a) und einen Transistor verwendet, um eine virtuelle 2, 5-V-Schiene über GND zu erstellen, die den Strom ableitet, der durch den Ladeteil der Schaltung fließt.
R2 und R3 sind Spannungsteiler mit einer Ausgangsspannung von ca. 2, 5 V in Abhängigkeit von den Widerstandstoleranzen. Der Operationsverstärker steuert den Transistor so an, dass unabhängig vom Stromfluss immer 2, 5 V über ihn abfallen.
Die vier Operationsverstärker und die LED-Anzeigen werden direkt von der 12-V-Stromversorgung gespeist, der Rest des Stromkreises wird jedoch mit 9, 5 V versorgt. zwischen den 12V und den 2.5V Schienen.
Wenn Sie dieses Design verwenden, es aber effizienter gestalten möchten, können Sie Operationsverstärker von Schiene zu Schiene und ein Netzteil mit niedrigerer Spannung verwenden, sodass Sie keine zusätzliche Schienenverschwendung in einem zusätzlichen Transistor erzeugen müssen.
Die Power-LED zeigt an, wenn das Ladegerät eingeschaltet ist, und C2 glättet die Spannung vom Ladegerät.
Schritt 4: Das tatsächliche Ladegerät
Dies ist der wichtige Teil des Ladegeräts. Dadurch wird der Strom und die Spannung über der Batterie begrenzt. In diesem Fall kann der Ladestrom mit dem 10k-Potentiometer ausgewählt werden, die Grenzspannung ist jedoch eine feste 4, 2-V-Referenz, unabhängig von den Schwankungen der Versorgungsspannung.
(Sie können sehen, dass im allgemeinen Schaltplan das Potentiometer und die R8- und R9-Werte um eine Größenordnung höher sind, weil der einzige Topf, den ich hatte, ein 100K-Topf war, aber der empfohlene Wert ist 10K und für R8 & 9 die im Schaltplan über)
Der Operationsverstärker links (IC1c) sorgt dafür, dass der Strom mit dem Potentiometer auf ein Maximum eingestellt wird. Da der Messwiderstand 1 Ohm beträgt, entspricht die Spannung an ihm dem durch ihn fließenden Strom.
Das Potentiometer befindet sich oben auf einem 1k-Widerstand. Über dem Widerstand liegt ein Abfall von 160 mV, sodass die minimale Ausgangsspannung des Potentiometers 0, 16 V beträgt. In diesem Fall würde die Schaltung einen maximalen Strom von 160 mA begrenzen, ideal zum Laden einer 300 mAh-Batterie.
Der Spannungsabfall am Potentiometer liegt bei 1, 6 V. Die maximale Strombegrenzung liegt also leicht über 1, 6 A. Durch Einstellen des Potentiometers können Sie jeden Spannungsausgang zwischen 0, 16 und 1, 6 V erhalten, was eine maximale Strombegrenzung zwischen 160 und 1600 mA bedeutet.
Der Operationsverstärker steuert den Transistor so an, dass die Spannung am Messwiderstand der des Potentiometerausgangs entspricht. Und dank der 2, 5-V-Schiene kann der Operationsverstärker eine Spannung ausgeben, die niedrig genug ist, um den Transistor fast auszuschalten und eine niedrige Strombegrenzung einzustellen.
Am Ende der Konstantstromstufe nähert sich die Batteriespannung einer Grenze von 4, 2 V, ab der die Batterie beschädigt werden würde. In diesem Moment tritt der Spannungsbegrenzerteil der Schaltung ein und die Konstantspannungsstufe beginnt.
Die 4, 7-V-Zenerdiode erzeugt zusammen mit dem Spannungsteiler R10 und 11 eine 4, 2-V-Referenz unterhalb von VCC (~ 12 V). Wenn die Spannung an der Batterie 4, 2 V erreicht, beginnt der zweite Operationsverstärker (IC1d), Spannung in den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers zu pumpen. Dadurch wird die Ausgangsspannung zum Transistor gesenkt, sodass Strom durch die Batterie fließt beginnt zu fallen, um 4, 2 V darüber zu halten.
Wenn der Akku aufgeladen wird und der Innenwiderstand zunimmt, wird weniger Strom benötigt, um 4, 2 V zu halten, sodass der Strom langsam abfällt. Wenn der durch die Batterie fließende Strom 3-10% der Nennkapazität unterschreitet, gilt die Batterie als 100% geladen.
Schritt 5: Die Ladeanzeige
Das vollständige Aufladen eines Akkus kann je nach Laderate 2 bis 4 Stunden dauern (ich empfehle, zwischen 0, 5 und 0, 7 ° C zu halten). Wenn der in die Batterie fließende Strom weniger als 3-10% der Nennkapazität beträgt, ist die Batterie zu 100% aufgeladen, und die obige Schaltung sagt uns, wann dies geschieht.
Der vierte Operationsverstärker (IC1b) wird als Komparator verwendet; Am nicht invertierenden Eingang wird die Spannung über dem Messwiderstand (über der 2, 5-V-Schiene), die während der Konstantspannungs- oder Sättigungsladestufe abfällt, mit einem Bruchteil der vom Potentiometer eingestellten Spannung verglichen.
Der Spannungsteiler R15 & 16 gibt 9% der eingestellten Spannung aus und speist die Referenz in den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ein.
Wenn die Spannung am Messwiderstand (die dem durch die Batterie fließenden Strom entspricht) unter die vom Teiler eingestellte Referenz fällt, ist die Spannung bei in größer als die bei in +, sodass der Ausgang des Operationsverstärkers auf abfällt GND und schaltet die LED aus.
Bei dieser Konfiguration leuchtet die LED während des Ladevorgangs und erlischt, wenn der Akku vollständig aufgeladen ist. Wenn Sie möchten, dass es sich nach Beendigung des Ladevorgangs einschaltet, tauschen Sie einfach die Eingangsstifte des Operationsverstärkers aus.
Schritt 6: Bauen Sie das Ladegerät
Jetzt sind wir mit der Theorie fertig, bauen wir das Ladegerät!
Zunächst benötigen Sie die Leiterplatte, Sie können sie online oder DIY bestellen. Wenn Sie Ihre Platine mit allen Löchern und verzinnten Pads bereit haben, ist es Zeit, mit dem Bestücken der Platine zu beginnen.
Mit dem Design, das ich gemacht habe, sind alle Komponenten durchgehend, so dass jeder es schaffen kann. Wenn Sie jedoch eine kleinere Version der Platine bevorzugen, können Sie die BRD-Datei herunterladen und alle Komponenten auf SMD bearbeiten.
Die meisten der von mir verwendeten Widerstände haben eine Toleranz von 1%. Das liegt daran, dass ich sie zur Hand hatte. Sie können die üblichen 5% verwenden.
Löten Sie die Widerstände und die Drahtbrücken, dann die Kondensatoren und die Dioden, achten Sie auf die Polarität!
Wenn Sie kein Potentiometer mit dem gleichen Gehäuse wie ich haben, können Sie ein externes mit einigen Drähten löten oder einfach den Footprint bearbeiten.
Der Messwiderstand, den ich verwendet habe, ist ein 4W 1 Ohm Widerstand. Sie können einen anderen verwenden, aber nicht unter 3W.
Bei den Transistoren handelt es sich um zwei TIP122-Darlington-Paare. Es ist nicht erforderlich, Darlington-Paare zu verwenden. Jeder BJT mit einer Verstärkung von über 100 und einer Stromstärke von 2A sollte funktionieren. Überprüfen Sie jedoch die Basiswiderstände auf Ihre Transistoren!
Sie können auch fast jeden anderen Quad-Operationsverstärker verwenden. Wählen Sie unbedingt einen Pin-kompatiblen Verstärker.
Ich habe die Karte mit zwei Ausgängen hergestellt, einen mit Schraubklemme und einen mit DSI-Batterieanschluss. Sie sind parallel geschaltet, aber Sie sollten jeweils nur eine Batterie aufladen. Denken Sie daran, dass dieses Ladegerät zum Laden eines Einzelzellenakkus ausgelegt ist, nicht zwei parallel oder zwei in Reihe.
Wenn Sie mit dem Löten fertig sind, schrauben Sie einen Kühlkörper an Ihre Transistoren, sie werden eine ganze Menge Strom verbrauchen! Das, das ich benutze, ist eher klein, vielleicht sollte ein größeres verwendet werden, aber ich denke, dass es nicht über 70 ° C wird, also ist das im Moment in Ordnung.
Fügen Sie jetzt ein wenig Stanoffs zu Ihrem Board hinzu und es ist bereit zu arbeiten.
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Schritt 7: Test Nr. 1
Als ersten Test werde ich einen 600-mAh-Akku aufladen, um ihn sicherheitshalber bei 0, 5 ° C aufzuladen.
Schließen Sie zunächst Ihr Multimeter an den Ausgang an und stellen Sie das Einstellrad auf Strom im 10A-Bereich. Schließen Sie das Ladegerät an und drehen Sie das Potentiometer, bis der Ausgangsstrom die Hälfte der Nennkapazität des Akkus beträgt, in meinem Fall 0, 3 A.
Schließen Sie dann den Akku an das Ladegerät an und achten Sie auf die Polarität. In meinem Schaltungsdesign befindet sich der positive Pin rechts von den Anschlüssen.
Ich habe die 4, 2-V-Referenz unter VCC getestet, und wie Sie auf den Bildern sehen können, ist sie eine perfekte 4, 2-V-Referenz.
Als ich anfing, den Akku aufzuladen, hatte er eine Leerlaufspannung von 3, 1 V, also ziemlich leer. Etwa anderthalb Stunden später hatte die Batterie eine Spannung von 4, 09 V und stand kurz vor dem Eintritt in die Konstantspannungsstufe.
Eineinhalb Stunden später sah ich, dass die LED ausgeblendet war, also überprüfte ich den Strom über den Spannungsabfall über dem Messwiderstand. Der Strom betrug ungefähr 24 mA, was weniger als 9% der anfänglichen 300 mA entspricht. Zu diesem Zeitpunkt war der Akku vollständig aufgeladen.
Dieses Ladegerät funktioniert hervorragend. Ich habe es mit diesem 600-mAh-Akku, einem 840-mAh-DSI-Akku, einem kleinen 200-mAh-Uhrenakku und einem 4000-mAh-Tablet-Akku getestet. Das vollständige Aufladen dauerte ungefähr 3 Stunden, das 4Ah dauerte etwas länger, aber nur, weil das Ladegerät auf 1, 6 A begrenzt ist und dies eine Laderate von 0, 4 ° C ist.
Ich hoffe, diese Anleitung ist nützlich für alle Hersteller da draußen, die anfangen, Li-Ionen-Batterien zu verwenden, sehr gut bei all Ihren Projekten!
Wenn Sie etwas nicht verstanden haben oder detailliertere Informationen benötigen, können Sie mich gerne fragen, ich werde alles beantworten, was ich kann.
Wenn Sie diese Anleitung nützlich finden, stimmen Sie sie bitte für die Wettbewerbe Epilog Challenge, Green Design und Battery-Powered ab.
