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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Carga segura de baterías de Li-ion. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Cargadores, baterías, celdas galvánicas En los últimos años, la revista "Radio" ha descrito muchos cargadores, incluidos los llamados "inteligentes", que no sólo automatizan al máximo el proceso de carga de la batería (regulan la corriente de carga en función del voltaje que contiene, sino que apáguelo cuando esté completamente cargado), pero también descárguelo al voltaje inicial requerido antes de cargarlo. Sin embargo, todos estos dispositivos están diseñados para baterías Ni-Cd y Ni-MH y no son muy adecuados para cargar baterías de Li-ion (iones de litio) debido a sus características específicas. El artículo publicado describe un cargador sencillo diseñado para cargar precisamente este tipo de baterías. A pesar de la gran cantidad de información sobre las baterías de iones de litio, Internet está lleno de disputas de los usuarios que indican la necesidad de un dispositivo bastante simple y confiable para cargarlas. El diseño propuesto es sólo una de las posibles opciones para solucionar este problema, centrándose principalmente en el bajo coste de su fabricación. A diferencia, por ejemplo, del dispositivo descrito en [1], el coste de los microcircuitos utilizados en él no excederá de 1 dólar. Por supuesto, hay indicadores que nunca deben descuidarse por razones de bajo costo. El principal es la seguridad operativa, que se ha convertido en una "figura" en los cuentos de radioaficionados sobre explosiones de baterías de iones de litio durante experimentos descuidados con ellas. En [2] se describen con suficiente detalle las medidas tomadas por las empresas para evitar la destrucción involuntaria de baterías recargables de litio. Sin embargo, los fabricantes advierten contra su descarga a un voltaje inferior a 2,5 V o corrientes elevadas (más de 2,5 A), así como a una sobrecarga. Tanto la descarga profunda como la carga prolongada con corriente, incluso de unos pocos microamperios, pueden estimular la formación de dendritas en los electrodos de la batería y provocar su fallo prematuro. Por lo tanto, se sugiere la conclusión: para extender la "vida" de una batería de iones de litio, es mejor recargarla de manera oportuna (sin esperar a que el voltaje baje a 2,5 V), sin necesariamente alcanzar una carga completa (100 %) cargar. Es este principio el que subyace al funcionamiento del dispositivo descrito, diseñado para cargar la batería LGR18650E (sus características son casi las mismas que las del ICR-18650 de NEC [2]). Si es necesario, utilizando las fórmulas de cálculo indicadas en el artículo, puedes modificar el dispositivo para cargar la batería con otras características. El diagrama del circuito eléctrico del dispositivo se muestra en la figura. Su base es el microcircuito especializado DA1 TSM101A, producido en paquetes D1P8 y S08.
Como se sabe, las baterías de iones de litio primero deben cargarse con una corriente constante y, al alcanzar un nivel de voltaje determinado, debe disminuir según una ley exponencial [2]. En el dispositivo propuesto, el amplificador operacional DA1.2 compara la señal del sensor de corriente de carga (resistencia R3) con parte del voltaje de referencia Uo6p = 1,24 V, tomado del control deslizante de la resistencia R7, y abre el transistor VT1 exactamente tanto como necesario para crear la caída de voltaje requerida a través del sensor de corriente. Además, el dispositivo proporciona el llamado modo de acondicionamiento cuando se carga una batería muy descargada. Calculemos los parámetros del dispositivo. Dado que en este caso no se proporciona control térmico de la batería que se está cargando, nos limitaremos a la corriente de carga máxima Icarga = 1 A. Por supuesto, se puede aumentar a 1,6 A, pero en este caso es necesario tener en cuenta en cuenta las recomendaciones establecidas, por ejemplo, en [3]. El amplificador operacional del chip DA2, que en este caso no se utiliza, facilita la implementación del control térmico de la batería que se está cargando. Para el valor aceptado de la corriente de carga, la caída de voltaje a través de la resistencia R3 es de 0,22 V. Es este voltaje el que se debe configurar en el motor de la resistencia R7 antes de la instalación en el dispositivo, aplicando un voltaje de 1,24 V desde una fuente de energía estabilizada. a su terminal superior (según el circuito). El modo de acondicionamiento de la batería cargada G1 debe activarse automáticamente si el voltaje en ella al inicio de la carga no excede los 2,5 V. Para ello, el comparador DA3.1 monitorea el voltaje en G1 (a través de un divisor - resistencia de ajuste R11 ), y si es inferior a 2,5 B, el transistor de salida del comparador se abre hasta la saturación, conectando el pin 2 del microcircuito DA1 al cable común y encendiendo así la fuente de corriente de referencia. Como en el caso anterior, antes de instalar la resistencia R11 en el dispositivo, se suministra un voltaje calibrado a su terminal superior (según el diagrama) (pero ahora - 2,5 V) y al girar el control deslizante se logra un voltaje de 1,24 V en Después de encender la fuente de corriente de referencia, Iobr = El voltaje de 1,4 mA en la entrada inversora del amplificador operacional DA1.2 es la suma algebraica de las caídas de voltaje entre las resistencias R3 y R4, R6 conectadas en paralelo. Despreciando la caída de voltaje creada por la corriente Iobr en el sensor de corriente R3, calculamos la resistencia de la resistencia R4 para el valor generalmente aceptado de la corriente de acondicionamiento Icond - 0,1 Icarga:
La forma más sencilla de seleccionar la resistencia requerida es conectar en paralelo con R4 la resistencia R6 del valor nominal indicado en el diagrama. Entonces, las resistencias de ajuste de corriente indicadas en el diagrama aseguran la carga de una batería profundamente descargada con una corriente de no más de 100 mA, y cuando el voltaje aumenta a 2,5 V, con una corriente de 1 A. Hasta ahora hemos hablado de la etapa inicial de carga de la batería. Al finalizar, el amplificador operacional DA1.1 comienza a funcionar. Comparando el voltaje de referencia en la entrada no inversora con la parte del voltaje tomado de la resistencia R10, abre el transistor VT1 lo suficiente para que el voltaje en la batería no exceda el nivel especificado de 4,2 V. Para hacer esto, antes de instalarlo en el dispositivo, en el terminal superior (según el circuito) de la resistencia R10 suministra un voltaje de 4,2 V y coloca el motor en una posición en la que el voltaje a través de él es de 1,24 V. Como se mencionó anteriormente, la carga de una batería de litio debe completarse con un cierto valor actual. En este caso se elige 95 mA, lo que corresponde aproximadamente al 90% de su capacidad [2]. El indicador de corriente de carga es el LED HL2 conectado a la salida del comparador DA3.2. Este último compara la señal del transmisor de corriente R3 con la tensión de referencia. En la etapa final de carga, esta señal es muy pequeña y, para eliminar la influencia de los parámetros del comparador y la necesidad de seleccionarlos, se introdujo un amplificador operacional DA2.1 en el dispositivo. Al cambiar la resistencia de la resistencia R9 en el circuito OOS que la rodea, nos aseguramos de que el comparador funcione con una corriente de carga de 95 mA. Con las resistencias R8, R9 de los valores indicados en el diagrama, el brillo del LED HL2 a esta corriente se reduce aproximadamente a la mitad, y cuando disminuye a 93 mA, el indicador se apaga. Este comportamiento del LED se debe a la aparición de un “rebote” de tensión en la salida del comparador a medida que se acerca al punto de apagado y se observa si la batería se conecta directamente al circuito de carga, sin pasar por los contactos del relé K1. La introducción de este último hizo posible no sólo eliminar los "golpes" no deseados, sino también implementar el apagado automático de la batería al finalizar la carga. Esto sucede de la siguiente manera. Cuando presiona el botón SB1, se aplica un voltaje de polaridad positiva a la base del transistor VT2 (a través de las resistencias R15, R16) y se abre. Como resultado, el relé K1 se activa y, con sus contactos K1.1, conecta la batería al circuito de carga. Dado que tanto durante el acondicionamiento como durante la carga con alta corriente, el comparador DA3.2 enciende el LED HL2 y el diodo emisor del optoacoplador U1, el fototransistor abierto conecta la resistencia R14 al bus de alimentación de +7 V, después de lo cual se presiona el botón SB1 se puede liberar. El brillo de HL2 nos permite juzgar la fiabilidad de la conexión entre el dispositivo y la batería: si la calidad de los contactos es mala (la resistencia de transición es alta), no se enciende. En este caso, tras soltar el botón, el relé vuelve a su posición original, desconectando la batería del circuito de carga. Si la resistencia de contacto es lo suficientemente baja, la carga se realiza según el algoritmo descrito. Cuando la corriente disminuye en la etapa final y el comparador intenta crear un "rebote", al soltar el relé se desconecta la batería del circuito de carga y en su lugar se conecta el LED HL3 con la resistencia limitadora de corriente R18. El brillo HL3 indica el final de la carga. El condensador C4 en el circuito base del transistor VT2 suprime el ruido. Para no desperdiciar el recurso de la batería de iones de litio, se recomienda utilizar como carga al configurar el dispositivo una batería de dos o tres baterías de Ni-Cd con una capacidad de 0,5... 1 Ah, que en la primera etapa se conecta directamente al cátodo VD1, sin pasar por el grupo de contactos del relé. Si sigue cuidadosamente las recomendaciones para la instalación preliminar de los motores de resistencia trimmer R7, R10, R11, es posible que ni siquiera sea necesario configurar el dispositivo, pero verifique los indicadores principales (corriente de acondicionamiento, voltaje umbral para encender la corriente de carga completa, su (valor inicial, tensión final de la batería que se está cargando, valor de la corriente final de carga indicada) sigue siendo necesario. Durante la configuración, se conectan un voltímetro digital y un amperímetro de 1 A al circuito de carga y, en lugar de una batería de iones de litio, se conecta una batería de dos celdas de Ni-Cd descargadas a 1 V. Después de aplicar una tensión de alimentación de 7 V, se debe activar el modo de aire acondicionado. La corriente requerida (0,1 A) se establece seleccionando la resistencia R6. A medida que avanza la carga, el voltaje en la batería aumentará, y tan pronto como sea igual a 2,5 V, la corriente de carga debería aumentar a 1 A. Si es necesario, este valor de corriente se establece ajustando la resistencia R7, para que su cambio ocurre a un voltaje de 2,5 V, ajuste la posición del control deslizante de la resistencia R11. Luego se conecta una batería de tres baterías al dispositivo y se observa cómo, luego de aumentar el voltaje en la misma a aproximadamente 4 V, la corriente de carga comienza a disminuir. A su valor de 95 mA, el brillo del LED HL2, como se señaló, debería reducirse a la mitad y a 93 mA debería apagarse. Durante el transcurso del intervalo de corriente de carga especificado, se oirá claramente el ruido de los contactos del relé. Dado que su grupo de contactos en esta etapa conmuta una corriente de solo aproximadamente 5 mA (enciende y apaga HL3), su condición no se deteriorará después de dicha prueba. Durante la primera carga, este proceso avanza bastante lentamente, pero si apaga el dispositivo y lo vuelve a encender (con la batería cargada), la corriente disminuye en cuestión de segundos y logra el comportamiento deseado del LED dentro de los límites especificados. del cambio de corriente (seleccionando la resistencia R9) no es difícil. Como se indica, el voltaje final de la batería se establece en 4,18 V utilizando la resistencia de recorte R10. A continuación, se conecta la batería a través de los contactos del relé y se comprueba el funcionamiento del circuito de arranque, así como la clara desconexión de la batería una vez finalizada la carga. En este caso, puede ser necesaria una descarga preliminar a corto plazo de la batería cargada a través de una resistencia con una resistencia de 5 ... 10 ohmios. Para completar la configuración, conecte una batería de Li-ion al dispositivo y, mientras lo carga, verifique que el voltaje (excepto 2,5 V, por supuesto) y la corriente de carga correspondan a los valores establecidos. Debido a algunas diferencias en la resistencia interna de las baterías de iones de litio y Ni-Cd, es posible que sea necesario reajustar el dispositivo. El dispositivo se ensambla sobre una placa de pruebas de 60x45 mm (no se desarrolló ninguna placa de circuito impreso). El transistor VT1 se instala en un disipador de calor con una superficie de enfriamiento de aproximadamente 100 cm2. Podemos reemplazar el diodo 1N5822 por cualquier otro diodo Schottky con una corriente de funcionamiento de hasta 3 A. Las resistencias recortadoras R7, R10, R11 son cables multivueltas, por ejemplo, SP5-3. Condensador C5: cualquier capacitancia de óxido de 6,8...10 μF con una tensión nominal de 10...35 V. En lugar del KT829A, puede utilizar cualquier otro transistor compuesto potente con un coeficiente de transferencia de corriente de base estática h21E 750... 1000 . El dispositivo utiliza un relé de láminas RES55A con pasaporte RS4.569.604 (nueva designación RS4.569.600-16). Dado que su voltaje de funcionamiento es significativamente menor que 7 V, la resistencia R17 está conectada en serie con el devanado. Está permitido utilizar un relé de este tipo con pasaporte RS4.569.603 (RS4.569.600-15). En este caso, la resistencia de la resistencia que absorbe el exceso de voltaje debe reducirse a 43 ohmios. Como fuente de corriente de carga, puede utilizar el adaptador de red descrito en [1], configurando su voltaje de salida en 7 V. Información sobre los chips TSM101A, LM358 y LM393 Literatura
Autor: S. Kosenko, Voronezh
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