Универсальное зарядное устройство для Li-ion аккумуляторов

УДК 621.3.049.77

В работе представлены результаты экспериментального исследования зарядного устройства (ЗУ) для Li-ion аккумуляторов, отличающегося возможностью заряда одного или нескольких последовательно включенных аккумуляторов. Установлены оптимальные значения входного напряжения для такого ЗУ в зависимости от количества заряжаемых аккумуляторов. Разработана модель, поясняющая принцип формирования напряжения для заряда заданного количества аккумуляторов.

Ключевые слова: алгоритм, интегральная микросхема, ИМС, зарядное устройство, литий-полимерный, Li-Pol, аккумуляторная батарея, MOSFET.

Универсальность рассматриваемого зарядного устройства (ЗУ) заключается в возможности заряда как одиночных, так и цепочки из нескольких последовательно включенных Li-ion аккумуляторов, в частности, двух (такая комбинация используется, например, в качестве запасного (резервного) источника питания для планшетного компьютера ZT-180-2 (http://wkarl.narod.ru/11.htm)).

В качестве базового элемента для ЗУ была выбрана сравнительно дешевая ИМС BQ2057CSN компании Texas Instruments с внешним р-канальным MOSFET-транзистором [4], в которой используется стандартный для литиевых аккумуляторов алгоритм заряда, суть которого заключается в следующем [2] (рис. 1).

предварительный

заряд

Постоянный ток

Постоянное напряжение

4,2 В

Напри жение

1,0 *1ват

Ток

0,1 *1ват

0,05 *1ват

Рис. 1. Алгоритм заряда литиевых аккумуляторов

Первая фаза заряда, так называемый предварительный заряд, используется только в тех случаях, когда аккумуляторная батарея сильно разряжена. Если напряжение батареи ниже 2,8 В, то ее нельзя сразу заряжать максимально возможным током, так как это крайне отрицательно скажется на сроке службы аккумулятора. Необходимо сначала «подзарядить» батарею малым током (примерно до 3,0 В) и только после этого возможен переход ко второй фазе, при которой ЗУ переводится в режим источника постоянного тока с максимальным зарядным током, равным 1С, где С (Ачас) — номинальное значение емкости аккумулятора. При этом напряжение аккумулятора постепенно растет до тех пор, пока не достигнет предельного значения (около 4,2 В). В некоторых ЗУ максимальный ток подается не сразу, а плавно нарастает до максимума в течение нескольких минут (так называемый режим плавного старта — Soft Start). После завершения второго этапа аккумулятор заряжается примерно до 70% своей емкости.

Для 100%-ного заряда производится переход к третьей фазе, при котором ЗУ переводится в режим стабилизации напряжения. На этом этапе к батарее прикладывается постоянное напряжение (около 4,2 В), а протекающий через батарею ток в процессе заряда уменьшается от максимума до заранее заданного минимального значения (0,05...0,1)С, при котором заряд батареи считается законченным.

Поскольку одно и то же ЗУ может работать с аккумуляторами разной емкости, то заряд батареи любой емкости в общем случае будет происходить не в оптимальном режиме, а в режиме, предустановленном для зарядного устройства.

Максимальный зарядный ток рассматриваемого ЗУ (рис. 2) определяется отношением U1/R1, где U1 = Usns = 95,4...105...115,5 мВ — опорное напряжение, формируемое внутри ИМС. Таким образом, при типичном (среднем) значении Usns = 105 мВ максимальный зарядный ток равен 525 мА.

Рис. 2. Схема зарядного устройства

В полной схеме ЗУ, приведенной в руководстве [4], к входу TS (вывод 4) подключается защитный термистор аккумулятора. При нормальной температуре аккумулятора напряжение на выводе 4 равно Ш&4/(К3 + R4) = 0,5-Ш = 0,5^^, что и принято в нашем случае.

Режим работы по выходному напряжению (4,2 или 8,4 В) задается напряжением U2 на входе BAT. Случай U2 = Uo (переключатель П — в левом положении) соответствует режиму стабилизированного напряжения Uo = 4,2 В (нормируется в пределах 4,158...4,20...4,242 В). При N последовательно включенных однотипных аккумуляторов с конечным напряжением, равном выходному напряжению Uo, определяется из соотношения R6/R7 = N - 1 (переключатель П — в правом положении). Это соотношение вытекает из того, что коэффициент деления делителя R7/(R6 + R7) не что иное, как коэффициент отрицательной обратной связи (ООС), например, операционного усилителя, охваченного ООС по напряжению, а коэффициент усиления такого усилителя по напряжению обратно пропорционален коэффициенту ООС, т.е. равен R6/R7 + 1 = N. Упрощенная модель, выполненная в учебных целях в среде программы Electronics Workbench [4]), показана на рис. 3. Таким образом, для N = 2 отношение R6/R7 = 1, для N = 3 отношение R6/R7 = 2 и т.д.

а) б)

Рис. 3. Модель процесса формирования двух напряжений зарядки

Однако с ростом N снижается точность регулирования выходного напряжения ио и, кроме того, количество последовательно включенных аккумуляторов ограничивается максимально допустимым напряжением Ш, которое для BQ2057CSN нормируется на уровне 18 В (параметр УСС = Ш).

Перейдем к вопросу выбора входного напряжения и1 для каждого режима. Для этого был проведен «статический» эксперимент, при котором измерялись выходные напряжения иох/иоп и Шх/Шп на выходе 5 ИМС при отключенном светодиоде в режиме холостого хода ЗУ (иох и и5х) и при нагрузке 120 Ом для режима ио = иоп = 4,2 В и 240 Ом для ио = иоп = 8,4 В соответственно. Результаты измерений представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Режим Uo = 4,2 B при нагрузке 120 Ом

Ui, B Uox/Uon, B U5x/U5n, B

4 0,6/0 4/4

5 4,26/4,1 0,12/4,5

6 4,27/4,3 0,12/4,59

7 4,27/4,31 0,12/5,23

8 4,26/4,39 0,12/3,93

9 4,39/4,25 0,12/8,11

10 4,37/4,72 0,12/8,23

11 4,19/4,3 8,9/9

12 4,19/4,4 9,5/9,8

Таблица 2

Режим Uo = 8,4 B при нагрузке 240 Ом

Ui, B Uox/Uon, B U5x/U5n, B

9 8,48/8,38 0,12/3,85

10 8,48/8,49 0,12/4,25

11 8,5/8,66 0,12/4,78

12 8,45/8,64 9,5/5,4

13 8,44/8,6 10,2/11,4

14 8,43/8,8 10,8/10,8

Из табл. 1 и 2 видно, что для режима Uo = 4,2 B целесообразно использовать источник с выходным напряжением Ui в диапазоне 5...7 В, а для режима Uo = = 8,4 B — в диапазоне 9...10 В. При этом в режиме холостого хода на выходе индикации STAT пренебрежимо малое напряжение (конец зарядки), а в режиме нагрузки (зарядки) оно существенно больше и вполне достаточное для срабатывания светодиода. Эти обстоятельства позволяют использовать два светодиода: один для индикации процесса зарядки и второй — для индикации ее окончания, что было апробировано в работе [3] при 5-вольтовом напряжении питания.

Конструктивно ЗУ выполнено полунавесным монтажом и размещено в коробке из-под розетки ЛВС (рис. 4). Резистор R2 представляет собой нихромовую проволоку диаметром 0,2 мм и длиной около 5 мм, припаянную к выводам МЛТ резистора. Для подключения источника входного напряжения Ui и адаптера для аккумулятора типоразмера 16650 (для 14500 — с дополнительным переходником) используются контакты К (вилка и гнездо). Транзистор Т — типа IRF9513 (ток стока 2,5 A, напряжение сток-исток 60 B, рассеиваемая мощность 20 Вт, сопротивление открытого канала 1,5 Ом), все резисторы типа МЛТ-0,125, переключатель П типа ПД9-1.

Рис. 4. Макет ЗУ со снятой крышкой

При испытаниях ЗУ использовался разряженный аккумулятор 16650 емкостью 1800 мАчас. При заряде наблюдался заметный разогрев транзистора IRF9513 (около 60 °С). После зарядки его температура находилась на уровне комнатной, а напряжение на аккумуляторе составлялоо 4,13 В. Практически аналогичные результаты были получены и при зарядке аккумулятора SANYO UR18650FM (незащищенный, 2600 мАчас) при времени зарядки около 7 часов и конечном напряжении 4,15 В.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Том I: Моделирование элементов аналоговых систем на Electronics Workbench и MATLAB. Изд. 6-е пер. и доп. — М.: Со-лон-Пресс, 2006. [Karlashuk V.I. Elektronnaja laboratorija na IBM PC. Tom 1: Modelirovanie elementov analogovyh system na Electronics Workbench i MATLAB. Izd. 6-е per. i dop. — М.: Solon-Press, 2006.]

[2] Никитин А. Все для литиевых аккумуляторов: микросхемы STM для зарядных устройств и мониторинга батарей // Новости электроники. — 2013. — № 2. — URL: http://www.compeljournal.ru/enews/2013/2/4. [Nikitin A. Vse dlja litievyh akkumuljatiriv vbrro-shemy STM dlja zaradnyh ustrijstv I monitiringa batarej // Novosti elektroniki, 2013, N 2. — URL: http://www.compeljournal.ru/enews/2013/2/4.]

[3] USB зарядка для Li-ion аккумулятора на BQ2057. — URL: http://lasers.org.ru/forum/ threads/usb-зарядка-для-li-ion-аккумулятора-на-bq2057.836/page-1 [USB zaradka dla Li-ion akkumulatora na BQ2057. — URL: http://lasers.org.ru/forum/threads/usb-зарядка-для-li-ion-аккумулятора-на-bq2057.836/page-1]

[4] Advanced Li-Ion Linear Charge Management IC BQ2057. — URL: http://www.chipfind.ru/ datasheet/ti/bq2057. htm

UNIVERSAL CHARGING THE DEVICE FOR Li-ion ACCUMULATORS

V.I. Karlashchuk

Department of cybernetics and mechatronics Engineering Faculty Peoples Friendship University of Russia Ordzhonikidze str., 3, Moscow, Russia, 115923

In work results of an experimental research charging devices (Charger) for Li-ion the accumulators, a charge of one or several consistently included accumulators differing by possibility are presented. Optimum values of entrance pressure for such Charger depending on quantity of charged accumulators are established. The model explaining a principle formation of pressure for a charge set quantity of accumulators is developed.

Key words: algorithm, an integrated microcircuit, IC, charging the device, lithium-polymeric, Li-Pol, the storage battery, MOSFET.