Зарядка автомобильного аккумулятора ― 130.com.ua
Зарядка аккумулятора при постоянном токе
При данном виде заряда сила тока в процессе всей продолжительности заряда должна оставаться неизменной. Для получения такого результата в процессе заряда необходимо изменять величину напряжения зарядного устройства или изменять сопротивление цепи. Есть несколько способов регулировки силы тока при зарядке. Вот некоторые из них:
• подсоединение в цепь зарядки реостата;
• применение регуляторов силы тока (к примеру, тиристорных), которые за определенные промежутки времени автоматически включают и отключают дополнительное сопротивление в зарядной цепи и соответственно изменяют силу тока на столько, на сколько требуется среднее значение силы тока постоянным;
• управление напряжением ручным или автоматическим регулятором согласно с датчиками силы тока, подводя его до нужного постоянного значения.
Большинство существующих выпрямительных приборов для зарядки получают питание от сети переменного тока и имеют либо ступенчатую, либо совсем плавную подстройку напряжения благодаря изменению коэффициента трансформации.
В результате, в процессе зарядки необходимо довольно часто регулировать напряжение вручную.
Коэффициент полезного действия (КПД) заряда при обычной комнатной температуре для работоспособных батарей считается равным 85–95% при токе заряда аккумулятора не более 0,1С20
Коэффициент использования тока прямо зависит от силы тока для зарядки, уровня заряженности аккумулятора и значения температуры электролита. Он будет пропорционально меньше, чем величина зарядного тока, чем больше уровень заряженности и чем меньше температура электролита. При зарядке совсем разряженных батарей при обычной комнатной температуре, процедура заряда протекает с самым большим коэффициентом поглощения тока. Увеличение степени заряженности и повышение поляризации непременно увеличивают сумму внутреннего сопротивления аккумулятора и увеличивают значительно потери энергии, которая расходуется для нагрева электролита, электродов и других «запчастей» батареи. И еще: на последней степени заряда аккумулятора начинает действовать вторичный процесс — электролиз воды, которая есть составляющей электролита.
Газ, который выделяется при электролизе воды дает «эффект кипения электролита», что уже говорит о полной зарядке аккумулятора. Для уменьшения потерь электричества при зарядке, снижения нагрева аккумулятора и предотвращения уменьшения уровня электролита в батарее, необходимо при конечном этапе процесса зарядки снизить силу зарядного тока.
При осуществлении процесса зарядки постоянным током самым популярным есть режим, смысл которого заключается в двух этапах. Первый этап заряда происходит при подаче тока 0,1С20 до тех пор, пока необходимое напряжение в аккумуляторе 12 В не достигнет 14,4 В (2,4В на каждом сегменте). Позже сила зарядного тока уменьшается в 2 раза до величины 0,05С20. Процесс заряда при данной силе тока происходит до неизменности напряжения и плотности электролита в аккумуляторных батареях на протяжении 2 ч. При таком способе в конце процесса зарядки имеется бурное выделение газа, так называемое «кипение» электролита.
Важно! В процессе зарядки аккумуляторов с гелиевым или адсорбированным электролитом нужно безоговорочно выполнять инструкции производителя.
В результате даже незначительных отклонений от необходимых требований, можно очень легко испортить аккумулятор.
Небольшая сила тока в конце процесса зарядки предоставляет возможность значительного снижения интенсивности улетучивания газа, уменьшить значительно последствия перегрева на работоспособность и срок эксплуатации батареи, и, естественно, гарантировать полноту заряда.
Уравнительная зарядка аккумуляторов. Данный тип зарядки практикуется при значении постоянной силы тока менее 0,1 от номинальной емкости на протяжении чуть большего времени, чем обычно. Его цель — обеспечить максимальное восстановление активных масс во всех без исключения электродах всех аккумуляторов батареи. Уравнительный заряд призван нейтрализовать пагубное влияние глубоких разрядов и приписывается как эффективный способ устранения сульфатации электродов. Зарядка будет продолжаться до того времени, пока во всех без исключения аккумуляторах батареи не стабилизируется плотность электролита и напряжения при длительности в три часа.
Форсированная зарядка аккумуляторов. Иногда нужно за короткий промежуток времени зарядить сильно разряженную аккумуляторною батарею. При этом довольно часто население пользуется так называемой «форсированной зарядкой». Такой вариант зарядки может производиться токами величиной до 70% от номинальной емкости, но при не очень большой длительности. Время заряда прямо пропорционально величине зарядного тока. Фактически, при заряде током 0,7С20 продолжительность зарядки не должна превышать 30 мин, при 0,5С20 — 45 мин, а при 0,3С20 — 90 мин. В процессе форсированного заряда необходимо особо следить за повышением температуры электролита, а при ее увеличении до 45°С немедленно останавливать зарядку.
Имейте ввиду, что способ форсированного заряда должен быть крайней необходимостью, потому как его систематическое многократное использование конкретно укорачивает срок ее эксплуатации.
Зарядка автомобильного аккумулятора при постоянном напряжении
При таком способе, на протяжении всего времени зарядки напряжение зарядного устройства не изменяется.
Зарядный ток идет на спад на протяжении заряда благодаря увеличению внутреннего сопротивления батареи. В первое время после включения зарядного устройства, сила зарядного тока прямо зависит от следующих факторов: выходного напряжения зарядного устройства, уровня заряда батареи и количества последовательно подключенных батарей и температуры электролита аккумулятора. Сила зарядного тока в первые секунды заряда может приравниваться к 1,0–1,5)С20.
Для работоспособных, но разряженных полностью батарей эти токи не приведут к неблагоприятным последствиям. Не обращая внимание на большие токи в начале зарядного процесса, суммарная длительность полного цикла зарядки аккумуляторных батарей почти соответствует режиму при постоянном токе. А истина кроется в том, что на конечном этапе, зарядка, при условии постоянного напряжения, происходит при довольно маленькой силе тока. Заряд батарей таким способом считается предпочтительным, так как он позволяет достичь скорое доведение батареи до состояния, которое уже позволяет завести двигатель.
Стоит отметить, что первоначальная энергия при данном способе используется исключительно на главный зарядный процесс — на восстановление активной массы электродов. А химическая реакция образования газа в аккумуляторе еще не возможна.
Из всего выше сказанного можем сделать вывод, что зарядка при постоянном напряжении позволяет значительно увеличить скорость заряда аккумуляторов при установке под капот автомобиля.
Модифицированный заряд. Этот способ зарядки представляет из себя некоторое подобие к зарядке при способе постоянного напряжения. Его главной целью есть необходимость уменьшения силы тока в первоначальный период заряда и уменьшить влияние размаха значения напряжения в сети на зарядный ток. Для этого в электрическую цепь последовательно с аккумуляторной батареей подсоединяют резистор малого сопротивления. Этот способ профессионалы именуют, как «способ с полупостоянным напряжением». При таком подходе, напряжение на клеммах зарядного устройства устанавливается постоянным в пределах 2,5–3,0 В на единицу аккумулятора.
Признано считать, что для свинцовых аккумуляторов оптимальным есть напряжение 2,6 В на аккумулятор, которое обеспечивает заряд длительностью около 8 часов.
Постоянная подзарядка. Постоянные подзарядки наиболее свойственны стационарным аккумуляторам. Напряжение постоянной подзарядки варьируется, исходя из конструкции аккумуляторов и длительности эксплуатации с целью максимальной компенсации потери емкости от саморазряда. Для достойного функционирования аккумуляторов с низким саморазрядом, лучше применять периодические подзарядки. Выбор режима подзарядки зависит напрямую от условий эксплуатации, типом аккумулятора и степенью его изношенности. Главным недостатком режима постоянной подзарядки есть параллельное воздействие вторичного процесса, что фактически вызывает преждевременное понижение качественных характеристик аккумулятора.
Статьи :: Справочная :: Рекомендации по зарядке/разрядке Ni-Mh аккумуляторной батареи
| Для вычисления времени зарядки необходимо использовать следующую формулу: Время зарядки = (Емкость батарей, мАч + 10%) / Сила тока ЗУ, мА Для нормальной работы Ni-Mh батареи необходимо соблюдать следующие правила:
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Таблица для «медленного» (trickle) заряда типовых элементов
Данные в таблице актуальны для полностью разряженных аккумуляторов |
Заряд батарей при температурах ниже 5o C или выше 50o C значительно снижает срок службы батарей.
0 A
0 A
0 A
5 A
0 AКонтакты
| Опт, склад, интернет- магазин |
10.  00-19.00 Пн-Пт |
Расширенный поиск
Корзина
Мой кабинет
- Вход / Регистрация
- Мои заказы
А знаете ли вы что..
Счетчики
А знаете ли вы что..
Цепь зарядки аккумулятора (Полное руководство)
Ваш телефон, смарт-часы или даже Airpods используют аккумуляторы. Часто вы просто берете эти устройства и подключаете их к зарядным устройствам. Но задумывались ли вы когда-нибудь, используете ли вы правильную схему зарядки аккумулятора? Лучший тип должен сохранять срок службы батареи во время ее зарядки.
Одним из преимуществ жизни в быстро меняющемся мире является то, что всегда есть что-то новое или переделанное, чтобы облегчить нашу жизнь. Одним из таких преимуществ является возможность использования зарядного устройства для аккумуляторов. Но мы также можем обнаружить, что аккумулятор вашего устройства слишком быстро разряжается из-за перезарядки или использования неправильной схемы зарядки аккумулятора.
Вам не нужно быть компьютерщиком, чтобы понять, как все это работает и можно ли улучшить процесс зарядки аккумулятора. Итак, в этой статье мы объясним, как работает правильная схема зарядки аккумулятора. Вы лучше поймете, что работает для конкретных устройств и приложений.
Содержание
- Основы зарядки батареи
- Почему постоянный ток важен в цепи зарядки батареи
- Роль постоянного напряжения в цепи зарядки батареи
- Почему важно автоматическое отключение
- Зарядка аккумулятора без цепей
- Заключение
Основы зарядки аккумулятора
При выборе правильной схемы аккумулятора для любого устройства необходимо проверить три аспекта. Вы должны проверить постоянный ток, постоянное напряжение и автоматическое отключение. Каждый элемент или параметр имеет решающее значение, поскольку он играет роль в продлении срока службы батареи.
Два других аспекта могут быть удобными, хотя они в основном работают для улучшенных условий зарядки аккумулятора и являются необязательными.
Они имеют ступенчатую зарядку и управление температурой и идеально подходят для литий-ионных аккумуляторов.
Для оптимальной зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов они не требуются. Но вы все равно можете попробовать их для последнего типа, чтобы увидеть, улучшат ли они условия зарядки и результаты. Обратите внимание, что для других типов батарей требуются определенные зарядные токи и напряжения за раз.
Почему важен постоянный ток в цепи зарядки батареи
Постоянный ток в цепи батареи важен по следующим причинам:
1. Скорость зарядки
должен быть постоянный ток. Кроме того, ток не должен сильно колебаться или увеличиваться, чтобы сохранить батарею и устройство. Существуют различные значения зарядного тока для различных типов аккумуляторов.
Литий-ионные аккумуляторы имеют особую скорость зарядки, в то время как свинцово-кислотные аккумуляторы имеют другую скорость. Скорость зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов должна составлять примерно одну десятую от ампер-часа (Ач), указанного на аккумуляторе.
Например, если напечатано 100 ампер-часов, его зарядный ток составляет одну десятую от того, что составляет 10. Вы можете попытаться удвоить это число, сделав его 20, но это максимальное значение, которое вы можете использовать для поддержания срок службы батареи и обеспечить его применимую норму.
С другой стороны, литий-ионный аккумулятор не нуждается в этом делении. Его скорость зарядки может быть такой же, как номинал в ампер-часах (Ач). Так, если у аккумулятора номинал 2,4 Ач, то скорость зарядки тоже может быть 2,4, не опасаясь повредить аккумулятор.
2. Гибкость
Вы можете настроить постоянный ток в соответствии с ампер-часами батареи. Если весь ток, который вам нужен для зарядки аккумулятора, составляет четыре ампера, он может заряжать аккумулятор только на 40 Ач.
Однако, если у вас есть аккумулятор большей емкости, улучшите доступную ИС с помощью других ИС, расположенных параллельно. Это увеличивает их выходную мощность и позволяет заряжать более крупные батареи имеющимся током заряда.
3. Время зарядки
При выборе силы тока для зарядки любого аккумулятора необходимо учитывать время зарядки. В то время как зарядный ток должен составлять одну десятую от печатной емкости батареи, вы должны долго ждать, чтобы получить полную батарею.
Например, если вам нужно зарядить аккумулятор емкостью 20 Ач, ток зарядки должен быть 2 ампера. Вы можете изменять ток и поддерживать его в диапазоне от 2 до 5 ампер, чтобы компенсировать некоторые потери во время зарядки.
Предположим, вы используете зарядный ток 5 А для аккумулятора емкостью 20 Ач. Разделите емкость аккумулятора на ток зарядки, чтобы получить количество часов, которое потребуется для его полной зарядки. В этом случае для батареи такого размера потребуется около 4 часов.
Однако необходимо также учитывать потери, которые могут возникнуть при зарядке, обычно около 40%. Чтобы получить реальное время зарядки, разделите 40 на 100 и умножьте результат на емкость аккумулятора, что означает 40/100 x 20 = 8.
Прибавьте этот результат к 20, и вы получите 28.
Затем разделите это число на зарядный ток мы рассчитали ранее, что составляет 5 ампер, а у вас получится 5,6. Вам нужно будет заряжать 20 Ач в течение почти 6 часов. Это может быть слишком долго, чтобы ждать зарядки аккумулятора такой емкости.
Роль постоянного напряжения в цепи зарядки аккумулятора
Требование постоянного напряжения — это напряжение, при котором вы должны заряжать аккумулятор. Производители аккумуляторов имеют определенные значения напряжения зарядки аккумуляторов, аналогичные постоянному току. Напряжение должно быть около 17% и не должно сильно увеличиваться или уменьшаться. Другими словами, оно должно оставаться как можно более постоянным, чтобы сохранить батарею.
Например, вам потребуется зарядить аккумулятор на 12 В при постоянном напряжении 14,2 В. Как уже упоминалось, это напряжение должно оставаться как можно более стабильным, чтобы сохранить срок службы и целостность батареи.
Хотя это может показаться сложным, вы можете использовать микросхему стабилизатора напряжения, чтобы получить стабильное напряжение.
1. Использование подходящего ИС-регулятора напряжения
Существуют различные ИС-регуляторы напряжения, наиболее популярным из которых является LM338 из-за его надежности. Вы также найдете LM317 и LM396, позволяющие установить желаемое постоянное напряжение. Вы можете установить его в диапазоне от 1,25 В до 32 В, но LM396 может быть не таким гибким.
Использование трансформатора с правильным номиналом может устранить проблему регулярной проверки состояния постоянного напряжения. Тем не менее, основной вход должен быть стабильным и надежным в отношении колебаний, чтобы это работало.
2. Использование устройств SMPS
Устройства SMPS помогут вам поддерживать постоянное напряжение, хотя они затрудняют настройку напряжения при необходимости. Таким образом, хотя вы можете отказаться от схемы LM338 и выбрать устройство SMPS, вы можете не получить необходимой универсальности и гибкости.
Это особенно верно, если у вас есть аккумуляторы для тяжелых условий эксплуатации.
Почему важно автоматическое отключение
Зарядка аккумулятора имеет решающее значение для продления срока службы соответствующего устройства, но это еще не все. Если вы перезаряжаете аккумулятор, независимо от его типа, вы сокращаете срок его службы и преждевременно повреждаете его. Поэтому за ним следует следить, хотя это не всегда возможно.
Здесь схема автоматического зарядного устройства становится жизненно важной. В любой цепи зарядки аккумулятора автоматическое отключение контролирует зарядное напряжение и отключает его, когда аккумулятор полностью заряжен. Это продлевает срок службы батареи сверх того, что могло бы быть, если бы она постоянно перезаряжалась.
Большинство новых моделей зарядных цепей используют эту функцию автоматического отключения для сохранения батарей. Хотя многие схемы зарядки аккумуляторов с постоянным напряжением и постоянным током обычно могут остановить заряд, они не так эффективны, как схемы автоматического отключения.
Вот почему они являются предпочтительными схемами в новых устройствах.
Зарядка аккумулятора без цепей
Нет ничего странного в том, чтобы чувствовать себя подавленным или легкомысленным, читая об этой сложной схеме. Мы понимаем, если вы не полностью понимаете все это. Это также приемлемо, если вам интересно, можно ли заряжать аккумулятор без зарядной цепи.
К счастью, есть способ зарядить батарею без использования какой-либо из вышеперечисленных схем. Но хотя схемы зарядки, обсуждаемые в этой статье, кажутся сложными, они также являются параметрами, которые требуются каждой батарее для безопасной и эффективной зарядки.
Однако вы можете пропустить эффективность и полную емкость зарядки для более простых методов зарядки.
В таком случае ваша батарея может заряжаться ниже оптимального уровня и даже заряжаться дольше. Это может повлиять на срок службы и емкость батареи с течением времени.
Проверка скорости зарядки
Никогда не заряжайте аккумулятор с помощью зарядного устройства с более высоким номиналом, чем номинал аккумулятора. Таким образом, если ваша батарея имеет номинал 12 В/7 Ач, скорость заряда не должна превышать 14,4 В, а ток заряда должен оставаться на уровне 0,7 ампер, что составляет одну десятую от напечатанного ампер-часа.
Другими словами, внимательно следите за рекомендуемыми параметрами, чтобы обеспечить полную и эффективную зарядку в зависимости от напряжения батареи. Лучше всего поддерживать параметры зарядки немного ниже максимального значения, поскольку это может повысить эффективность и срок службы батареи.
Тем не менее, если вы можете использовать схему зарядки аккумулятора, не стесняйтесь использовать ее. Вы можете быть уверены в сохранности аккумулятора, полной зарядке и эффективной зарядке.
Поскольку перезарядка и плохая зарядка являются проклятием для зарядки аккумуляторов, использование усовершенствованной схемы имеет решающее значение.
Заключение
Использование правильной схемы зарядки аккумулятора имеет решающее значение, если вы хотите, чтобы любой аккумулятор работал долго. Не имеет значения приложение или использование батареи; действуют те же параметры. Вы должны учитывать постоянный ток, постоянное напряжение и доступное автоматическое отключение.
Хотя эти параметры относятся к разным цепям, вы также можете использовать их как отдельные цепи зарядки аккумулятора. Схема автоматического отключения сегодня наиболее популярна из-за ее способности предотвращать перезарядку при сохранении эффективности.
Однако вы можете использовать другие методы зарядки, которые могут быть менее эффективными. Но они по-прежнему производят достаточно заряда, чтобы поддерживать аккумулятор в течение длительного времени.
Повышение производительности батареи с помощью усовершенствованной зарядки
Участники могут загрузить эту статью в формате PDF.
Что вы узнаете:
- Важность правильной зарядки аккумулятора.
- Две основные схемы зарядки аккумулятора.
- Как спроектировать зарядное устройство CCCV.
- Результаты испытаний конструкции на основе CCCV.
Электронные устройства с батарейным питанием стали одним из ключевых элементов повседневной жизни, и использование перезаряжаемых батарей более практично и экономично, чем те, которые требуют частой замены. Зарядные устройства являются важной частью системы управления питанием таких устройств. Процесс зарядки аккумулятора эволюционировал, включая процедуру зарядки аккумулятора и схему реализации этой процедуры.
Для питания электронных устройств доступны несколько аккумуляторных элементов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Однако этот портфель типов батарей сокращается при рассмотрении портативных устройств, которые также должны быть легкими. С учетом этого ограничения литий-ионные, литий-полимерные (LiPo) и LiFePO4 батареи являются наиболее часто используемыми элементами в реальных приложениях, а батареи LiPo находятся в верхней части списка.
Литий-полимерные батареи — это перезаряжаемые батареи, в которых используется литий-ионная технология с полимерным электролитом вместо жидкого электролита. Полимерный электролит состоит из полутвердого вещества (геля) с высокой проводимостью, что позволяет изготавливать аккумуляторы этого типа практически любого размера и формы. Батареи LiPo обеспечивают более высокую удельную энергию, чем другие типы литиевых батарей. Они имеют номинальное напряжение элемента 3,7 В, которое преобразуется в стандартное напряжение для аккумуляторных приложений. Когда требуется более высокое напряжение, например 7,4 В, два элемента LiPo соединяются последовательно.
Вторым обычно анализируемым параметром является емкость аккумулятора. Емкость аккумулятора — мера (обычно в ампер-часах) заряда, сохраняемого аккумулятором, — определяется массой активного материала, содержащегося в аккумуляторе. Аккумуляторы LiPo были разработаны для различных емкостей: от 80 мАч для малогабаритных маломощных приложений до 8 Ач для портативных устройств с двигателем, таких как дроны и автомобили с дистанционным управлением.
Одной из ключевых функций, которую необходимо контролировать для повышения производительности батареи с точки зрения доступной емкости и срока службы батареи, является процесс зарядки. Процесс зарядки эволюционировал для повышения производительности, а аппаратное обеспечение было миниатюризировано для создания зарядных устройств меньшего размера, которые можно включать в портативные устройства без значительного увеличения веса и размера. Здесь мы разработаем процесс зарядки и блок питания зарядного устройства для аккумуляторов Li-ion, LiPo и LiFePO4, используя устройство смешанного сигнала HVPAK SLG47105 и пассивные компоненты, чтобы создать небольшое монолитное зарядное устройство для аккумуляторов.
Схемы зарядки аккумуляторов
Аккумуляторы можно заряжать с помощью различных процессов, включающих различные регулировки тока и напряжения, которые обычно называются схемами зарядки. Для аккумуляторов на основе лития в реальных приложениях применяются две основные схемы: схема импульсной зарядки и схема постоянного тока постоянного напряжения (CCCV).
Эти схемы предназначены для продления срока службы батареи.
В ходе многих электрохимических реакций внутренняя структура батареи постепенно истощается, что сокращает срок службы батареи. Кроме того, каждый цикл зарядки нагружает структуру батареи и приводит к ее ухудшению. Это накладывает ограничение на количество циклов перезарядки. Чтобы увеличить количество циклов перезарядки, различные схемы зарядки аккумуляторов соответствуют профилю, разработанному для обеспечения безопасности и длительного срока службы без ущерба для производительности.
Схема импульсной зарядки
Простейшей схемой зарядки является импульсная зарядка, при которой к аккумуляторной батарее подается кратковременный импульс тока с высоким пиком. Высокий уровень тока изначально создает всплеск напряжения батареи, превышающий номинальное максимальное напряжение батареи. Напряжение батареи восстанавливается до нормального уровня, когда она может полностью поглотить введенный заряд, после чего напряжение батареи достигает уровня выше, чем до подачи пикового тока.
Процесс повторяется несколько раз, пока напряжение батареи не достигнет номинального значения. Эта последовательность показана на рис. 1 .
Схема импульсной зарядки является одной из самых популярных схем из-за простоты и экономичности реализации. Однако импульсная схема также имеет много недостатков. Например, скачки напряжения батареи обычно ниже максимального напряжения, которое батарея может выдержать без повреждений. Это всегда справедливо для таких аккумуляторов, как свинцово-кислотные, но не всегда для литиевых версий. Аккумуляторы на основе лития очень чувствительны к напряжению, поэтому всплески могут повредить их.
Более того, импульсы высокого пикового тока могут генерировать чрезмерное тепло, вызывая температурные перегрузки. Это может быть довольно опасно — аккумулятор может взорваться или загореться. Таким образом, импульсная схема зарядки для литиевых аккумуляторов нежелательна.
Схема зарядки CCCV
Схема зарядки CCCV основана на четырех фазах (рис.
2) . Первая фаза, обычно называемая фазой непрерывного заряда, предназначена для проверки правильности работы батареи или ее повреждения без подачи напряжения или тока, которые в противном случае могли бы быть опасными. Это достигается путем подачи постоянного зарядного тока на батарею до тех пор, пока напряжение батареи не достигнет минимального уровня, обычно называемого V 9.0194 bat_short . Уровень постоянного тока, используемый в этой фазе (I bat_short ), обычно составляет 5% от полного зарядного тока (называемого I chg ), чтобы избежать чрезмерного нагрева в случае повреждения батареи.
После того, как аккумулятор продемонстрирует нормальную работу, увеличив свое напряжение выше V bat_short , начнется вторая фаза зарядки, предварительная зарядка. Уровень постоянного тока I prechg , используемый на этой фазе, обычно составляет 10 % от полного зарядного тока I chg 9.0195 . Эта фаза продолжается до тех пор, пока напряжение батареи не достигнет минимального рабочего напряжения, называемого V bat_low , что обычно соответствует примерно 70% номинального напряжения батареи.
Когда напряжение батареи превышает В bat_low , запускается фаза постоянного тока или быстрой зарядки, применяя ток быстрой зарядки (I chg ) для достижения 100% емкости батареи. Постоянный ток подается до тех пор, пока напряжение батареи не увеличится до напряжения регулирования батареи (V батрег ). Это делается для того, чтобы избежать применения фазы высокого постоянного тока, которая может привести к увеличению напряжения батареи выше максимального номинального уровня, что приведет к повреждению батареи и чрезмерному нагреву.
При достижении напряжения регулирования батареи фаза быстрой зарядки прекращается и начинается четвертая фаза — фаза постоянного напряжения. В этой фазе подается постоянное напряжение, равное номинальному регулирующему напряжению батареи.
В этом случае батарея автоматически регулирует свой ток, поглощая столько заряда, сколько необходимо для продолжения процесса зарядки. По мере того, как аккумулятор продолжает заряжаться, его ток начинает уменьшаться.
Когда ток падает до уровня тока предварительной зарядки (10 % от I chg ), фаза регулирования напряжения завершается, и аккумулятор можно считать полностью заряженным.
Когда аккумулятор заряжен, зарядное устройство может автоматически контролировать его напряжение. Когда напряжение падает до напряжения подзарядки V bat_rchg , обычно 96% от номинального напряжения, процесс зарядки начинается снова.
Благодаря фазам постоянного тока и постоянного напряжения эта схема зарядки называется CCCV. Точный контроль напряжения и тока делает эту схему очень популярной для аккумуляторов, чувствительных к уровню напряжения и тока, таких как батареи на основе лития.
Схема зарядки CCCV включает несколько фаз с разными начальными и конечными условиями и разными уровнями тока или напряжения, поэтому она требует более сложной реализации. Эта схема зарядки реализована в нескольких коммерческих ИС от разных производителей. Обычно для них требуется несколько внешних компонентов не только для конфигурации и регулирования напряжения и тока, но и для реализации выходного каскада мощности.
В этой статье мы будем использовать эту схему для монолитного зарядного устройства с интегрированным выходным каскадом. Это зарядное устройство настраивается извне, поэтому все напряжения и токи выбираются пользователем.
Схема устройства зарядного устройства
Монолитное зарядное устройство с использованием SLG47105 показано на Рис. 3 . Питание от батареи генерируется высокочастотным широтно-импульсным модулятором (ШИМ), переключающим внутренние высоковольтные GPIO SLG47105, сконфигурированные как полумост. В качестве драйверов тока для процесса зарядки аккумулятора эти контакты переключают выходную катушку индуктивности для создания желаемого регулируемого выходного напряжения.
ШИМ, генерируемый внутренним модулем ШИМ микросхемы HVPAK, управляется внутренне на основе обратной связи по напряжению и току через аналоговые компараторы и модули измерения тока. Опорные значения напряжения и тока для регулирования контролируются внутренним образом, генерируя опорный уровень для соответствующей фазы зарядки.
Весь процесс, включая все этапы схемы тарификации CCCV, управляется внутренними таблицами поиска (LUT) и счетчиками пульсаций, сконфигурированными для реализации конечного автомата, генерирующего все необходимые сигналы. Блок-схема на рис. 3 представлена на принципиальной схеме, показанной на на рис. 4 . Он включает в себя необходимые внешние компоненты для настройки уровня напряжения и тока, а также выходные фильтры для зарядки аккумулятора.
Как показано на принципиальной схеме, выход системы, подключенный к батарее, фильтруется катушкой индуктивности 10 мкГн и неполярным конденсатором 100 мкФ. Эти значения выбраны для фильтрации высокочастотной составляющей 9Выход ШИМ 8,04 кГц.
Схема в Рисунок 5 (сеть Iref) используется для настройки тока непрерывной зарядки I bat_short , тока предварительной зарядки I prechg и тока быстрой зарядки I chg .
Значения трех резисторов определяются следующими уравнениями:
При выборе этих резисторов можно настроить все уровни тока для зарядки аккумулятора, чтобы зарядное устройство могло адаптироваться к требованиям зарядки аккумулятора.
Зарядное устройство может работать до 2 А. Аналогичные концепции могут применяться для обратной связи по напряжению батареи. Обратная связь по напряжению батареи управляется зарядным устройством для достижения условий каждой фазы зарядки и, наконец, на последнем этапе, для ее регулирования.
Для реализации этого управления системе требуется сигнал напряжения, который должен быть получен с помощью цепи резистор-делитель, показанной на Рисунок 6 . Сеть, показанная на рис. 5 , также позволяет пользователю настроить номинальное напряжение батареи.
Напряжение заряда аккумулятора настраивается по следующему уравнению:
Резистор R1 — это резистор верхнего плеча от аккумулятора к контакту обратной связи по току, а R2 — резистор нижнего плеча от контакта обратной связи к GND. Рекомендуемое значение резистора R2 составляет 200 кОм или ниже. Кроме того, для получения наилучшего разрешения обоим резисторам требуется точность 1% или выше. Контакт состояния — это цифровой выход, показывающий состояние зарядки.
Когда на этом выводе высокий уровень, батарея заряжается. Когда он низкий, батарея заряжена, и процесс завершен. Результатом этой реализации является зарядное устройство с характеристиками, указанными в таблице .
Монолитное зарядное устройство реализовано на SLG47105V. Эта схема содержит внутренние ШИМ-генераторы, аналоговые компараторы, датчики тока и высоковольтные встроенные функции двойного Н-моста/счетверенного полумоста. Их можно использовать для генерирования зарядного напряжения и тока, необходимых для зарядки аккумулятора, с соответствующими сигналами для регулирования напряжения и тока.
Управление фазой CCCV осуществляется с помощью внутреннего счетчика пульсаций и сигналов обратной связи по напряжению и току (рис. 7) . Фаза непрерывного заряда представлена внутри как нулевое состояние счетчика пульсаций и является первым состоянием элемента управления. В этом состоянии ACMP1H непрерывно контролирует напряжение батареи, пока оно не станет ниже V bat_rchg.
Когда это условие выполнено, 3-битный LUT5 управления запуском позволяет всей системе начать процесс зарядки, а также активирует выход напряжения.
Каждая фаза имеет LUT, расположенную в верхней части рисунка, ожидающую заранее определенных условий, которые должны быть достигнуты для перехода к следующей фазе. Эти условия зависят от уровней напряжения или тока, которые сравниваются с компараторами ACMP0H и CCMP1.
Например, когда зарядное устройство находится в первой фазе, напряжение должно увеличиться выше V bat_short , чтобы перейти к фазе предварительной зарядки. Это делается с помощью импульса, генерируемого 3-битным LUT0, который устанавливает высокий уровень только тогда, когда счетчик равен нулю, а напряжение обратной связи выше, чем опорное напряжение, подключенное к ACMP0H.
В этом состоянии сгенерированный импульс увеличивает счетчик пульсаций до следующего шага, и 3-битный LUT1 берет на себя управление. Эта динамика повторяется в течение всего цикла зарядки.
Конфигурацию аналоговых компараторов и датчика тока можно увидеть на рисунках 8, 9 и 10 .
Как упоминалось ранее, напряжение зарядки аккумулятора генерируется и регулируется ШИМ, подключенным к высоковольтным GPIO HVPAK, сконфигурированным как полумост. Такая конфигурация необходима для получения желаемого напряжения с большим выходным током без преобразования батареи с плавающим зарядом (как это было бы, если бы использовался Н-мост). Это требование отключает возможность использования датчика тока, подключенного к порту HV GPIO, используемому для батареи, поскольку ток не мог быть обнаружен в ответвлении полумоста.
Поскольку для регулирования необходимо измерять ток, используется датчик тока второго HV GPIO SLG47105. Второй порт был настроен в High-Z; таким образом, по нему нет тока, и внешний шунтирующий резистор его датчика тока можно использовать в качестве шунтирующего резистора тока батареи. Подключения и конфигурации портов HV GPIO показаны на рисунках 11, 12 и 13 .
Для формирования сигнала ШИМ для регулирования напряжения и тока используется модуль ШИМ0. ШИМ настроен на 98,04 кГц, которые могут генерироваться высокочастотным внутренним генератором 25 МГц. Контроль рабочего цикла сконфигурирован как счетчик рабочего цикла; его можно увеличивать или уменьшать с помощью внешнего управляющего сигнала.
Этот управляющий сигнал поступает от датчиков напряжения и тока. Поэтому, в зависимости от текущей фазы зарядки, один из этих сигналов управляет выходом. Когда ток должен регулироваться, выход компаратора датчика тока определяет, должен ли рабочий цикл ШИМ быть выше или ниже, чтобы регулировать желаемый ток.
Когда необходимо регулировать напряжение, аналоговый компаратор таким же образом управляет ШИМ. ШИМ подключен к HV OUT0 для управления выходом полумоста. На рис. 14 показана конфигурация модуля PWM0.
Как было показано ранее, управление напряжением осуществляется с помощью аналогового компаратора ACMP0H, подключенного к обратной связи по напряжению и внешнему опорному напряжению.
Для генерации эталона модуль PWM1 фильтруется внешним RC-фильтром нижних частот первого порядка. Модуль PWM 1 настроен на генерацию 9Выходной сигнал ШИМ 8,04 кГц с настраиваемым рабочим циклом из внутреннего регистрового файла.
Каждый раз, когда система переходит к следующей фазе, ШИМ получает управляющий импульс для увеличения указателя регистра, чтобы генерировалось следующее требуемое опорное напряжение. Выход ШИМ подключается к контакту 15, фильтруется и подключается к контакту 3 в качестве опорного входного напряжения. Подключение как PWM 0, так и PWM1, а также конфигурация модуля PWM1 показаны на рисунках 15 и 16 .
Аналогичные идеи управления опорным напряжением могут быть применены к управлению опорным током. Управление током реализовано с помощью компаратора измерения тока CMP1, подключенного к шунтирующему резистору, и внешнего опорного напряжения, связанного с уровнями тока.
Для создания эталона используются три резистора, подключенные к цепи резисторов (снова рис.
5) . Каждый раз, когда система переходит к следующей фазе, система подключает соответствующий резистор, активируя соответствующий контакт (PIN 2, PIN 14 или PIN 20) и настраивая остальные как High-Z.
В этой реализации один из трех резисторов подключен к цепи резистор-делитель, а остальные отключены. Для этого необходимо, чтобы контакты, указанные выше, были сконфигурированы как цифровой ввод/вывод, при этом вывод данных должен быть подключен к GND, а вход разрешения вывода управляется внутренней логикой системы. На рисунках 17 и 18 показано подключение каждого контакта и конфигурация контакта 2. Полная схема реализации зарядного устройства представлена на рисунке 19 . .
Тесты и выводы
Для проверки реализации система была собрана и проанализирована с помощью регистратора сигналов для анализа тока и напряжения батареи. Использовалась полностью разряженная батарея LiPo. Аккумулятор с номинальным напряжением 4,1 В заряжался током быстрой зарядки 1 А.
Для этой конфигурации R1 и R2 сети обратной связи по напряжению были 560 кОм и 200 кОм соответственно, а R ichg , R ипречг и R ibat_short составляли 2482 Ом, 242,7 Ом и 84,7 Ом соответственно. Всю систему можно увидеть на рис. 20 .
Для анализа результатов мы записали кривую напряжения и тока на аккумуляторе, выходное опорное напряжение, используемое для регулирования напряжения на разных фазах заряда, и рабочий цикл ШИМ-выхода.
На рис. 21 показано опорное выходное напряжение, генерируемое HVPAK, которое сравнивается с обратной связью по напряжению батареи, полученной от сети резисторного делителя в Рисунок 6 . На рис. 22 показан рабочий цикл выходного сигнала ШИМ для зарядки батареи CCCV.
Обратите внимание, что всплеск рабочего цикла соответствует переходу от фазы быстрого заряда к фазе постоянного напряжения, а зарядное устройство переходит от регулирования постоянного тока к регулированию постоянного напряжения.