обеспечивают простейшую защиту

Простейшей формой защиты от переполюсовки батареи является диод, включенный последовательно с положительной линией питания (рис. 1а). Диод пропускает ток от правильно установленной батареи к нагрузке и блокирует ток от установленной сзади батареи. У этого решения есть два основных недостатка: диод должен выдерживать полный ток нагрузки, а его прямое падение напряжения сокращает время работы оборудования. (Выходное напряжение регулятора на один диод ниже напряжения батареи, поэтому регулятор преждевременно отключается.

Если приложение требует щелочной батареи или батареи другого типа с относительно высоким выходным сопротивлением, вы можете защититься от обратной установки, используя параллельный (шунтирующий) диод. Схема на рис. 1б проста, но далека от идеала. Такой подход защищает нагрузку, но потребляет большой ток от закороченной батареи. Как и прежде, диод должен выдерживать большой ток.

Рис. 1. Простейшей защитой от обратного тока батареи является последовательный (а) или шунтирующий (б) диод.

В качестве улучшенной меры реверсирования батареи вы можете добавить pnp-транзистор в качестве переключателя верхнего плеча между батареей и нагрузкой (рис. 2а). При правильной установке батареи токоограничивающий резистор в выводе базы смещает переход база-эмиттер в прямом направлении. Установленная сзади батарея смещает транзистор в обратном направлении, и ток не может течь. Эта схема лучше, чем последовательный диод, потому что насыщенный pnp-транзистор обеспечивает более низкое падение напряжения, чем большинство диодов, и, таким образом, повышает эффективность работы за счет снижения рассеиваемой мощности.

Проверка на недостатки

Меньшее падение напряжения p-n-p-транзисторов также увеличивает время работы, поскольку позволяет разрядить напряжение батареи до более низкого уровня. Эти транзисторы имеют низкую стоимость и низкое напряжение насыщения, но имеют и недостатки. Например, базовый ток рассеивает часть полезной энергии батареи как V _IN × I _B , а бета (максимум примерно 50) большинства мощных pnp-транзисторов требует значительного базового тока для заданного тока нагрузки.

Вы должны спроектировать базовый ток, достаточный для комбинации максимальной нагрузки и минимальной нагрузки V

Рис. 2. Поскольку прямое падение меньше, pnp-транзистор верхнего плеча (a) обеспечивает лучшую защиту от обратного тока, чем диод. Еще лучше использовать npn-транзистор нижнего плеча (b), чье более высокое бета означает меньший ток базы и меньшие потери мощности.

Замена биполярных транзисторов на МОП-транзисторы

При заданном токе нагрузки низкое сопротивление полностью улучшенного полевого МОП-транзистора падает намного меньше напряжения, чем у эквивалентного биполярного транзистора. Результатом является меньшее рассеивание мощности, что позволяет МОП-транзистору выдерживать гораздо более высокие токи нагрузки, чем это возможно с биполярным транзистором того же размера. Это преимущество привело к производству n- и p-канальных полевых МОП-транзисторов с логическим уровнем для работы при 5 В и 3 В и даже более низких напряжениях питания. NMOS FET включают Motorola MTP-3055EL, Harris RFD14N05L и Siliconix Si9.410DY. Примерами полевых транзисторов PMOS являются Siliconix Si9433DY и Si9434DY, а также National Semiconductor NDS9435.

Обратите особое внимание на ориентацию MOSFET в цепи. МОП-транзисторы имеют встроенный в корпус диод, который проводит ток в условиях прямого смещения. Этот ток течет от стока к истоку для PMOS FET и от истока к стоку для NMOS FET. Независимо от того, используете ли вы NMOS или PMOS FET в качестве переключателя нижнего или верхнего плеча, ориентируйте диод в корпусе устройства в направлении нормального протекания тока. Затем перевернутая батарея смещает диод в обратном направлении и блокирует протекание тока.

Полевые МОП-транзисторы NMOS более привлекательны для сильноточных приложений, чем полевые МОП-транзисторы PMOS, поскольку полевые МОП-транзисторы NMOS имеют более низкое сопротивление во включенном состоянии, чем аналоги PMOS того же размера. Поскольку для полного улучшения необходимо поднять напряжение затвора полевого МОП-транзистора NMOS выше напряжения истока, полевой МОП-транзистор NMOS относится к цепи возврата батареи (рис. 3). Таким образом, если вы правильно установите батарею, напряжение батареи выше 10 В (5 В для полевых МОП-транзисторов логического уровня) полностью откроет МОП-транзистор. Переворачивание батареи приводит к низкому уровню клеммы затвора и отключению МОП-транзистора.

Рис. 3. NMOS FET с логическим уровнем нижнего плеча для защиты от обратного тока пропускает больший ток, чем эквивалентный биполярный транзистор.

У переключателя нижнего плеча есть один недостаток: токи возврата на землю, протекающие через переключатель, создают небольшие падения напряжения, которые могут мешать работе схемы. Альтернативой является переключатель верхнего плеча. Однако использование полевого МОП-транзистора NMOS в качестве переключателя верхнего плеча по-прежнему требует, чтобы привод затвора превышал напряжение источника, то есть привод затвора был выше, чем напряжение батареи. На рис. 4 показано одно решение, в котором устройство подкачки заряда (IC ₁ ) значительно повышает напряжение затвора по сравнению с истоком. Эта схема полностью улучшает МОП-транзистор при правильной установке батареи.

Рис. 4. Чтобы обеспечить защиту от обратного тока без нарушения обратных токов на землю, добавьте полевой МОП-транзистор на стороне высокого напряжения, управляемый микросхемой подкачки заряда.

На рисунке 4 микросхема IC ₁ принимает напряжение батареи от 3,5 В до 16,5 В и регулирует выходное напряжение батареи до (V _BATT +10 В). Эта схема позволяет стандартным полевым МОП-транзисторам NMOS в расширенном режиме работать от напряжения батареи до 3,5 В. Поскольку зарядный насос работает от напряжения батареи и, следовательно, также нуждается в защите от переполюсовки батареи, схема подключает диод между положительной клеммой батареи и V 9 микросхемы.0032 Терминал CC .

Полевые транзисторы PMOS работают на стороне высокого напряжения и не требуют дополнительных схем для управления затвором. Однако переключатель PMOS, как правило, в два раза дороже и имеет почти в три раза большее сопротивление во включенном состоянии, чем устройство NMOS с сопоставимой мощностью, работающей с аналогичным напряжением сток-исток. Вы можете улучшить имеющиеся в настоящее время PMOS-транзисторы с напряжением затвора 5 В или даже 3 В.

Если напряжение батареи вашей схемы составляет не менее 10 В, вы можете подключить затвор PMOS FET непосредственно к возврату батареи (рис. 5). Как и прежде, вы должны подключить транзистор в обратном направлении (относительно обычной практики), чтобы сориентировать его корпус диода в направлении нормального протекания тока. Это соединение подает напряжение батареи между затвором и стоком, но напряжение между затвором и истоком управляет сопротивлением канала. Однако внутренний диод создает напряжение истока на одно падение ниже напряжения стока, когда вы впервые прикладываете V _БАТТ . В результате получается жесткое напряжение затвор-исток, равное -(V _BATT -V _DIODE ), которое быстро увеличивает полевой транзистор, сводя падение VDS к желаемому минимуму.

Рис. 5. Этот переключатель на полевом транзисторе с PMOS на стороне высокого напряжения предлагает простую защиту от обратного тока в обмен на более высокое сопротивление в открытом состоянии и более высокую стоимость.

Проблема низкого напряжения батареи

Для напряжения батареи ниже 10 В, но выше 2,7 В вы можете использовать низковольтный полевой МОП-транзистор, такой как Siliconix Si9.433DY или Si9435DY. С другой стороны, обеспечение защиты от переполюсовки батареи при напряжении ниже 2,7 В может быть проблемой. Одним из решений является использование биполярного транзистора, что влечет за собой потери тока базы. Другим является использование низкопорогового полевого транзистора PMOS с зарядовым насосом для управления напряжением затвора под землей (рис. 6). Эта схема может работать с выходным напряжением 5 В или 3,3 В. Несмотря на то, что схема предназначена для работы с двумя элементами, схема обычно запускается при входном напряжении всего 1,5 В.

Рис. 6. Использование переключателя PMOS FET верхнего плеча с низким напряжением батареи требует подкачки заряда (D ₁ , D ₂ и C ₁ ) для управления напряжением затвора под землей.

Один или два элемента батареи не обязательно производят достаточное напряжение затвор-исток для полного включения полевого транзистора. Тем не менее, коммутационный узел повышающего DC/DC преобразователя IC1 управляет простым зарядовым насосом, состоящим из C ₁ , D ₁ и D ₂ , который генерирует более чем достаточное количество энергии для этой цели. Для В _IN = 2В, привод затвора примерно -(V _IN +V _OUT ) = -7В.

Инверсия батареи делает КМОП-преобразователь постоянного тока похожим на диод с прямым смещением; преобразователь отключает ключ, подтягивая напряжение затвора как минимум на одно падение диода выше истока. Подтягивающий резистор на 100 кОм разряжает емкость затвора в течение 140 мс, но слегка нагружает зарядовый насос и не мешает усилению MOSFET. Опять же, схема подключает МОП-транзистор в обратном направлении, чтобы предотвратить прямое смещение внутреннего диода полевого транзистора во время реверсирования батареи.

Вы также можете использовать переключатель нижнего плеча NMOS для защиты, используя выход DC/DC преобразователя для повышения напряжения затвора (рис. 7). При нормальном регулировании преобразователь (IC1) притягивает затвор MOSFET выше его истока. Если вы установите батарею задом наперед, сопротивление нагрузки разряжает конденсатор выходного фильтра, который отключает полевой МОП-транзистор, удерживая затвор и исток при одном и том же потенциале.

Рис. 7. Выходной сигнал повышающего преобразователя IC1 управляет этим переключателем NMOS FET нижнего плеча.

С другой стороны, если нагрузка невелика, и вы сначала правильно устанавливаете батарею, а затем быстро переворачиваете ее, заряд выходного конденсатора удерживает МОП-транзистор во включенном состоянии и позволяет обратному току течь через регулятор. Для показанных компонентов это состояние сохраняется в течение примерно 100 мс, пока конденсатор разряжается через стабилизатор. Затем МОП-транзистор отключается и после этого блокирует ток.

Похожая версия этой статьи появилась в номере журнала 9 от 1 марта 1996 г.0006 ЕДН.

Зарядка литий-ионных аккумуляторов: 5 советов экспертов для продления срока службы | Saft

Литий-ионные аккумуляторы промышленного класса , питающие ваши удаленные или портативные устройства, имеют прочную конструкцию и высокую плотность энергии для длительного срока службы даже при экстремальных температурах. Их долговечность напрямую связана с тем, как батарея заряжается, разряжается, а также с рабочей температурой.

В этой статье мы объясним, как работают эти аккумуляторы, и поделимся нашими 5 главными советами о том, как заряжать промышленные литий-ионные аккумуляторы, чтобы продлить срок их службы. Вы узнаете , как баланс скорости и скорости зарядки является ключевым для промышленных приложений , так же как и для ваших мобильных телефонов, ноутбуков или электровелосипедов.
Читайте дальше… 
 

Совет 1. Понимание языка аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы состоят из двух электродов: положительного и отрицательного. Когда вы заряжаете или разряжаете аккумулятор, электроны выходят из аккумулятора под действием электрического тока, а ионы перетекают от одного электрода к другому. Как будто оба электрода дышат, обмениваясь ионами.
 
Когда батарея обеспечивает ток, электроны перемещаются от анода к катоду вне батареи. Подача обратного тока позволяет аккумулятору перезарядиться: электроны возвращаются к аноду, а ионы лития повторно внедряются в катод. Восстанавливает емкость аккумулятора . Весь процесс зарядки/разрядки определяется как цикл. Количество циклов, которые может выполнить ваша батарея, зависит от производственного процесса, химических компонентов и фактического использования.

Емкость аккумуляторной батареи измеряется в Ач. Например, Saft MP 176065 xtd может похвастаться емкостью 5,6 Ач, что означает, что 5,6 А могут быть выданы за час при 25°C в течение цикла.

На эту емкость напрямую влияют: 

1. Скорость зарядки и разрядки батареи, называемая скоростью C. Токи заряда и разряда обычно выражаются в долях или кратных значениям C: Зарядка/разрядка C означает, что вы будете заряжать или разряжать батарею в течение часа. Зарядка/разрядка C/2 занимает два часа, зарядка/разрядка 2C — 30 минут и т. д. Норма Saft MP 176065 xtd C составляет 5,6 А. Зарядка C / 2 при 2,8 А займет ок. два часа.
2. Уровень напряжения, который отражает уровень заряда: в нашем примере MP 176065 xtd выше, 4,2 В указывает на полный заряд, 2,7 В указывает на то, что батарея полностью разряжена (напряжение отсечки).
3. Температура зарядки, разрядки и рабочая температура.
4. Несколько циклов: со временем батарея теряет емкость из-за физической и химической деградации электродов и электролита.

Надлежащее управление глубиной разрядки (DoD — процент емкости, которая была удалена из полностью заряженной батареи) и максимальным зарядным напряжением также может увеличить количество циклов, в течение которых батарея будет работать. работоспособность и, следовательно, срок службы.

В этой статье основное внимание уделяется рекомендациям по зарядке, а о разрядке мы поговорим в следующей статье.
 

Главный совет 2. Уважайте процесс зарядки CCCV, особенно в плавающем режиме (зарядное устройство — ваш лучший друг)

Зарядка литий-ионного аккумулятора не так проста. Зарядное устройство, которое вы выберете, играет здесь ключевую роль, поскольку способ настройки параметров влияет на срок службы батареи. Не подключайте его просто к любому источнику питания и не используйте зарядное устройство, предназначенное для другой технологии (никель-кадмиевое или свинцовое), если вы не хотите столкнуться с проблемами безопасности.

Для правильной зарядки литий-ионного аккумулятора требуется 2 этапа: постоянный ток (CC) с последующей зарядкой постоянным напряжением (CV) . Сначала применяется заряд CC, чтобы довести напряжение до уровня напряжения окончания заряда. Вы даже можете решить уменьшить целевое напряжение, чтобы сохранить электрод. Как только желаемое напряжение достигнуто, начинается зарядка CV и ток уменьшается. Когда ток слишком низкий, зарядка завершается, и ток необходимо отключить.
Например, чтобы вернуть вашему MP 176065 xtd напряжение в конце зарядки 4,2 В, вы можете подать ток 5,6 А. При достижении 4,2 В вы поддерживаете этот уровень напряжения, медленно уменьшая ток до 100 мА или меньше, а затем останавливаете его. Вы также можете выбрать только 4,1 В, тем самым сохранив эластичность электродов и увеличив срок службы батареи.

Емкость аккумулятора напрямую зависит от напряжения окончания заряда , поэтому снижение напряжения снижает емкость аккумулятора. Вам придется найти правильный компромисс между необходимой автономностью, минимальным напряжением, при котором может работать ваше устройство, и долговечностью батареи.
Оставление батареи на постоянном заряде плавающим током после режима CV в процессе зарядки называется плавающим режимом . Солнечная панель — типичный пример приложения с плавающим режимом.

Большинство производителей не рекомендуют плавающий режим, так как он со временем повреждает батарею. Литий-ионный аккумулятор не нуждается в обслуживании благодаря низкому уровню саморазряда. Кроме того, , если в конструкции батареи не предусмотрены надлежащие меры безопасности, поддержание скорости заряда в полностью заряженной ячейке может привести к ее перезарядке и взрыву.
Серия Saft xtd специально разработана для работы в плавающем режиме в безопасных условиях с ограниченным старением в широком диапазоне температур.
 

Главный совет 3.

Независимо от области применения литий-ионные аккумуляторы должны ассоциироваться с электроникой. Этот ключевой электронный компонент называется системой управления батареями (BMS). Обязательные функции безопасности прерывают разрядку/зарядку для защиты аккумулятора от перенапряжения или пониженного напряжения. BMS проверяет температуру и отключает аккумулятор во избежание перегрева.

BMS также может включать электронику, оптимизирующую однородный заряд между каждым элементом аккумуляторной батареи ( балансировка ). В батарее, объединяющей несколько последовательно соединенных элементов, через некоторое время в полевых условиях элементы из пакета будут стареть по-разному. Без этой функции балансировки в BMS самая устаревшая ячейка пакета будет стареть быстрее, чем другая. Поскольку продолжительность жизни батареи напрямую связана с самой старой ячейкой, хорошая система балансировки продлит срок службы батареи.

Система BMS может быть адаптирована к вашему варианту использования. Некоторые могут отображать состояние заряда и Состояние здоровья (например: 85% состояния здоровья означает, что емкость батареи уменьшилась на 15% с начала ее срока службы — интересное указание, поскольку понимается как потеря 30% исходного емкость означает, что химический срок службы батареи приближается к концу и время замены близко ).
 

Совет 4. Снизьте скорость зарядки C

При низкой скорости зарядки (C/2, C/5 или даже меньше) ионы лития плавно внедряются в графитовые листы, не повреждая электроды. 901:40 Когда скорость заряда увеличивается, эта интеркаляция становится все труднее и труднее. Если скорость слишком высока, ионы лития не успевают должным образом проникнуть в электрод и просто осаждаются на его поверхности, что приводит к преждевременному старению батареи.

Возможна быстрая зарядка 4C или 10C, например, для аккумуляторов мобильных или электромобилей, но конструкция электродов отличается, и ожидаемый срок службы короче.

В зависимости от того, сколько времени нужно вашему приложению для перезарядки и вашего варианта использования, вам нужно будет найти правильный компромисс между необходимым временем и скоростью зарядки и старением батареи. Скорость зарядки A C/50 лучше для электродов, но не каждое приложение может позволить себе время зарядки более 50 часов! Время зарядки 2C (30 минут) возможно, но ускорит старение батареи.
Поэтому Saft рекомендует ограничивать скорость зарядки своего диапазона MP до C или ниже.

Совет 5. Контролируйте температуру зарядки 

В большинстве литий-ионных аккумуляторов в одном электроде используется материал графитового типа. Повышенная температура зарядки провоцирует расслаивание графитовых листов, что ускоряет необратимую потерю емкости аккумулятора. Это явление может усугубляться, если оно связано с высокой скоростью зарядки: зарядный ток повышает температуру и вызывает ускорение явления отслоения.

Высокий уровень напряжения в сочетании с высокой температурой заставляет электрохимию генерировать газы внутри ячейки, что ускоряет старение химии. В зависимости от конструкции клетки высокие температуры также могут вызывать набухание клеток. Такая деформация может представлять угрозу безопасности, если корпус батареи или расположение устройства не рассчитаны на ее поддержку. Следите за тем, чтобы не превышать ограничения, установленные производителем аккумулятора, или, например, не ставьте аккумулятор на полную зарядку на длительное время в перегретой машине в разгар лета!

Если в конструкции батареи не предусмотрены обязательные меры защиты от перезарядки, чрезмерной разрядки и перегрева, внутренняя температура элемента выше 130°C может привести к тепловому выходу из строя.

Большинство литий-ионных аккумуляторов могут выдерживать максимальную температуру 60°C, и их рекомендуется заряжать при максимальной температуре 45°C при скорости заряда C/2, в то время как серия MP Saft может поддерживать скорость заряда C выше. до 60°C и даже C/5 до +85°C для продуктов xtd благодаря уникальному дизайну.

Очень немногие батареи можно заряжать при температуре ниже 0°C. Электродные листы сжимаются, и электронная проводимость электролита снижается, что затрудняет интеркаляцию ионов в графит. Могут образовываться отложения лития, вызывающие необратимую потерю емкости. Чтобы компенсировать и обеспечить правильную интеркалацию иона, некоторые производители рекомендуют заряжать батарею очень медленно (C/20) при работе при температуре ниже 0°C.
Ассортимент Saft MP может работать с заправками при очень низких температурах — до -30°C!— при применении скоростей C/8 и даже C/5.

Давайте обобщим наши 5 основных советов о том, как заряжать литий-ионные аккумуляторы промышленного класса, чтобы продлить срок их службы: Знание того, как работает батарея, поможет вам оптимизировать способ зарядки и разрядки, чтобы максимально использовать возможности перезаряжаемой батареи

Главный совет 2: Уважайте процесс зарядки CCCV, особенно в плавающем режиме (зарядное устройство — ваш лучший друг).