A postagem a seguir explica quatro maneiras simples, mas seguras, de carregar uma bateria de íon de lítio usando ICs comuns como LM317 e NE555, que podem ser facilmente construídos em casa por qualquer novato.
Embora as baterias Li-Ion sejam dispositivos vulneráveis, estas podem ser carregadas através de circuitos mais simples se a taxa de carregamento não causar um aquecimento significativo da bateria., e se o usuário não se importar com um pequeno atraso no período de carregamento da célula.
Para usuários que desejam um carregamento rápido da bateria, não devem usar os conceitos explicados abaixo, em vez disso, podem empregar um desses designs inteligentes profissionais.
Fatos básicos sobre o carregamento de íons de lítio
Antes de aprender os procedimentos de construção de um carregador de íon de lítio, seria importante conhecermos os parâmetros básicos relacionados ao carregamento da bateria de íon de lítio.
Ao contrário da bateria de chumbo-ácido, uma bateria de íon-lítio pode ser carregada com correntes iniciais significativamente altas, que podem ser tão altas quanto a classificação Ah da própria bateria. Isso é denominado como carregamento a uma taxa de 1C, onde C é o valor Ah da bateria.
Dito isso, nunca é aconselhável usar essa taxa extrema, pois isso significaria carregar a bateria em condições altamente estressantes devido ao aumento de sua temperatura. Uma taxa de 0,5C é, portanto, considerada como um valor padrão recomendado.
0,5C significa uma taxa de corrente de carga que é 50% do valor Ah da bateria. Em condições tropicais de verão, mesmo essa taxa pode se transformar em uma taxa desfavorável para a bateria devido à alta temperatura ambiente existente.
O carregamento de uma bateria de íons de lítio requer considerações complexas?
Absolutamente não. Na verdade, é uma forma extremamente amigável de bateria e será carregada com considerações mínimas, embora essas considerações mínimas sejam essenciais e devam ser seguidas sem falhas.
Algumas considerações críticas, mas fáceis de implementar, são: corte automático no nível de carga total, tensão constante e alimentação de entrada de corrente constante.
A explicação a seguir ajudará a entender isso melhor.
O gráfico a seguir sugere o procedimento de carregamento ideal de uma célula de íon de lítio padrão de 3,7 V, classificada com 4,2 V como o nível de carga total.
Estágio #1: No estágio inicial#1, vemos que a tensão da bateria aumenta de 0,25 V para 4,0 V em cerca de uma hora a uma taxa de carga de corrente constante de 1 amp. Isso é indicado pela linha AZUL. O 0,25 V é apenas para fins indicativos, uma célula real de 3,7 V nunca deve ser descarregada abaixo de 3 V.
Estágio #2: No estágio#2, o carregamento entra no estado de carga de saturação , onde a tensão atinge o nível de carga total de 4,2 V e o consumo de corrente começa a cair. Essa queda na taxa atual continua pelas próximas horas. A corrente de carga é indicada pela linha pontilhada VERMELHA.
Estágio #3: À medida que a corrente cai, ela atinge seu nível mais baixo, que é inferior a 3% da classificação Ah da célula.
Uma vez que isso acontece, a alimentação de entrada é desligada e a célula pode se estabilizar por mais 1 hora.
Após uma hora, a tensão da célula indica o real estado de carga ou o SoC da célula. O SoC de uma célula ou bateria é o nível de carga ideal que ela atingiu após um ciclo de carregamento completo, e esse nível mostra o nível real que pode ser usado para uma determinada aplicação.
Neste estado podemos dizer que a condição da célula está pronta para uso.
Etapa #4: Em situações em que a célula não é usada por longos períodos, uma carga de recarga é aplicada de tempos em tempos, em que a corrente consumida pela célula é inferior a 3% do seu valor Ah.
Lembre-se, embora o gráfico mostre a célula sendo carregada mesmo depois de atingir 4,2 V, isso não é estritamente recomendado durante o carregamento prático de uma célula Li-Ion . A alimentação deve ser cortada automaticamente assim que a célula atingir o nível de 4,2 V.
Então, o que o gráfico basicamente sugere?
- Use uma fonte de entrada que tenha uma corrente fixa e uma saída de tensão fixa, conforme discutido acima. (Normalmente, isso pode ser = Tensão 14% maior que o valor impresso, Corrente 50% do valor Ah, corrente menor que isso também funcionará bem, embora o tempo de carregamento aumente proporcionalmente)
- O carregador deve ter um corte automático no nível de carga total recomendado.
- O gerenciamento ou controle de temperatura da bateria pode não ser necessário se a corrente de entrada estiver restrita a um valor que não cause aquecimento da bateria
Se você não tiver um corte automático, simplesmente restrinja a entrada de tensão constante para 4,1 V.
1) Carregador Li-Ion mais simples usando um único MOSFET
Se você está procurando um circuito de carregador de íons de lítio mais barato e simples, não pode haver uma opção melhor do que esta.
Um único MOSFET, um preset ou trimmer e um resistor de 470 ohm 1/4 watt é tudo o que você precisa para fazer um circuito de carregador simples e seguro.
Antes de conectar a saída a uma célula Li-Ion, certifique-se de algumas coisas.
1) Como o projeto acima não incorpora regulação de temperatura, a corrente de entrada deve ser restrita a um nível que não cause aquecimento significativo da célula.
2) Ajuste a predefinição para obter exatamente 4,1 V nos terminais de carregamento onde a célula deve ser conectada. Uma ótima maneira de corrigir isso é conectar um diodo zener preciso no lugar do preset e substituir os 470 ohms por um resistor de 1 K.
Para a corrente, normalmente uma entrada de corrente constante de cerca de 0,5C seria o ideal, ou seja, 50% do valor de mAh da célula.
Adicionando um controlador atual
Se a fonte de entrada não for controlada por corrente, nesse caso podemos atualizar rapidamente o circuito acima com um estágio de controle de corrente BJT simples, conforme mostrado abaixo:
Vantagem da bateria Li-Ion
A principal vantagem das células Li-Ion é sua capacidade de aceitar carga de forma rápida e eficiente. No entanto, as células Li-Ion têm a má reputação de serem muito sensíveis a entradas desfavoráveis, como alta tensão, alta corrente e, mais importante, condições de carga.
Quando carregada em qualquer uma das condições acima, a célula pode ficar muito quente e, se as condições persistirem, pode resultar em vazamento do fluido da célula ou até mesmo em uma explosão, danificando a célula permanentemente.
Em qualquer condição de carga desfavorável, a primeira coisa que acontece com a célula é o aumento de sua temperatura, e no conceito de circuito proposto utilizamos essa característica do dispositivo para implementar as operações de segurança necessárias, onde a célula nunca pode atingir altas temperaturas mantendo os parâmetros bem abaixo das especificações exigidas da célula.
2) Usando LM317 como o controlador IC
Neste blog, encontramos muitos circuitos de carregador de bateria usando o IC LM317 e LM338, que são os dispositivos mais versáteis e mais adequados para as operações discutidas.
Aqui também empregamos o IC LM317, embora este dispositivo seja usado apenas para gerar a tensão regulada necessária e a corrente para a célula Li-Ion conectada.
A função de detecção real é feita pelo par de transistores NPN que são posicionados de tal forma que entram em contato físico com a célula sob carga.
Olhando para o diagrama de circuito fornecido, obtemos três tipos de proteções simultaneamente:
Quando a energia é aplicada à configuração, o IC 317 restringe e gera uma saída igual a 3,9 V para a bateria Li-ion conectada.
- O resistor de 640 ohms garante que essa tensão nunca exceda o limite de carga total.
- Dois transistores NPN conectados em um modo Darlington padrão ao pino ADJ do IC controlam a temperatura da célula.
- Esses transistores também funcionam como limitadores de corrente , evitando uma situação de sobrecorrente para a célula Li-Ion.
Sabemos que se o pino ADJ do IC 317 estiver aterrado, a situação desliga completamente a tensão de saída dele.
Isso significa que se a conduta dos transistores causaria um curto-circuito do pino ADJ com o terra, fazendo com que a saída da bateria fosse desligada.
Com o recurso acima em mãos, aqui o par Darlingtom faz algumas funções de segurança interessantes.
O resistor de 0,8 conectado em sua base e terra restringe a corrente máxima a cerca de 500 mA, se a corrente tende a exceder esse limite, a tensão no resistor de 0,8 ohm se torna suficiente para ativar os transistores que “engasgam” a saída do IC , e inibe qualquer aumento adicional na corrente. Isso, por sua vez, ajuda a evitar que a bateria receba quantidades indesejadas de corrente.
Usando a detecção de temperatura como parâmetro
No entanto, a principal função de segurança conduzida pelos transistores é detectar o aumento da temperatura da bateria Li-Ion.
Transistores, como todos os dispositivos semicondutores, tendem a conduzir a corrente mais proporcionalmente com o aumento da temperatura ambiente ou de seu corpo.
Conforme discutido, esses transistores devem ser posicionados em contato físico próximo com a bateria.
Agora suponha que no caso de a temperatura da célula começar a subir, os transistores responderiam a isso e começariam a conduzir, a condução faria instantaneamente que o pino ADJ do CI ficasse mais sujeito ao potencial de terra, resultando em diminuição da tensão de saída.
Com uma diminuição na tensão de carga, o aumento de temperatura da bateria Li-Ion conectada também diminuiria. O resultado é um carregamento controlado da célula, garantindo que a célula nunca entre em situações de fuga e mantenha um perfil de carregamento seguro.
O circuito acima funciona com o princípio de compensação de temperatura, mas não incorpora um recurso de corte automático de sobrecarga e, portanto, a tensão máxima de carga está sendo fixada em 4,1 V.
Sem compensação de temperatura
Se você quiser evitar os problemas de controle de temperatura, basta ignorar o par Darlington de BC547 e usar um único BC547.
Agora, isso funcionará apenas como uma fonte controlada por corrente/tensão para a célula Li-Ion. Aqui está o projeto modificado necessário.
Como aqui o controle de temperatura não é empregado, certifique-se de que o valor de Rc esteja dimensionado corretamente para uma taxa de 0,5 C. Para isso você pode usar a seguinte fórmula:
Rc= 0,7/50% do valor Ah
Suponha que o valor Ah seja impresso como 2800 mAh. Então a fórmula acima pode ser resolvida como:
Rc = 0,7/1400 mA = 0,7/1,4 = 0,5 Ohms
A potência será 0,7×1,4 = 0,98, ou simplesmente 1 watt.
Da mesma forma, certifique-se de que a predefinição 4k7 esteja ajustada para 4,1 V exatos nos terminais de saída.
Uma vez que os ajustes acima são feitos, você pode carregar a bateria de Li-Ion pretendida com segurança, sem se preocupar com qualquer situação desagradável.
Uma vez que, em 4,1 V, não podemos supor que a bateria esteja totalmente carregada.
Para combater a desvantagem acima, uma facilidade de corte automático torna-se mais favorável do que o conceito acima.
Eu discuti muitos circuitos de carregador automático de amplificador operacional neste blog, qualquer um deles pode ser aplicado para o projeto proposto, mas como estamos interessados em manter o projeto barato e fácil, uma ideia alternativa que é mostrada abaixo pode ser tentada.
Empregando um SCR para o Cut-Off
Se você estiver interessado em ter apenas um corte automático, sem monitoramento de temperatura, você pode tentar o projeto baseado em SCR explicado abaixo. O SCR é usado no ADJ e no terra do IC para uma operação de travamento. O portão é equipado com a saída de tal forma que quando o potencial atinge cerca de 4,2 V, o SCR é acionado e trava, cortando a energia da bateria permanentemente.
O limite pode ser ajustado da seguinte maneira:
Inicialmente mantenha a predefinição de 1K ajustada ao nível do solo (extrema direita), aplique uma fonte de tensão externa de 4,3V nos terminais de saída.
Agora ajuste lentamente a predefinição até que o SCR apenas dispare (LED aceso).
Isso define o circuito para a ação de desligamento automático.
Como configurar o circuito acima
Inicialmente mantenha o braço deslizante central do preset tocando o trilho de aterramento do circuito.
Agora, sem conectar o interruptor da bateria na alimentação, verifique a tensão de saída que naturalmente mostraria o nível de carga total conforme definido pelo resistor de 700 ohms.
Em seguida, ajuste a predefinição com muita habilidade e delicadeza até que o SCR dispare, desligando a tensão de saída para zero.
É isso, agora você pode assumir que o circuito está pronto.
Conecte uma bateria descarregada, LIGUE a energia e verifique a resposta, presumivelmente o SCR não será acionado até que o limite definido seja atingido e corte assim que a bateria atingir o limite de carga total definido.
3) Circuito Carregador de Bateria Li-Ion Usando IC 555
O segundo design simples explica um circuito de carregador de bateria Li-Ion automático simples e preciso usando o onipresente IC 555.
O carregamento da bateria de íons de lítio pode ser crítico
Uma bateria Li-ion como todos sabemos precisa ser carregada sob condições controladas, se for carregada com meios comuns pode levar a danos ou até explosão da bateria.
Basicamente, as baterias de íons de lítio não gostam de carregar demais suas células. Uma vez que as células atingem o limite superior, a tensão de carregamento deve ser cortada.
O seguinte circuito do carregador de bateria Li-Ion segue de forma muito eficiente as condições acima, de modo que a bateria conectada nunca pode exceder seu limite de sobrecarga.
Quando o IC 555 é usado como comparador, seus pinos 2 e 6 tornam-se entradas de detecção efetivas para detectar os limites de limite de tensão inferior e superior, dependendo da configuração dos pré-ajustes relevantes.
O pino 2 monitora o nível de limite de baixa tensão e aciona a saída para uma lógica alta caso o nível caia abaixo do limite definido.
Por outro lado, o pino 6 monitora o limite de tensão superior e reverte a saída para baixo ao detectar um nível de tensão superior ao limite de detecção alto definido.
Basicamente, as ações de corte superior e liga inferior devem ser definidas com a ajuda das predefinições relevantes que satisfaçam as especificações padrão do IC, bem como da bateria conectada.
O preset referente ao pino #2 deve ser configurado de forma que o limite inferior corresponda a 1/3 do Vcc, e similarmente o preset associado ao pino #6 deve ser configurado de forma que o limite superior de corte corresponda a 2/3 do Vcc, como de acordo com as regras padrão do IC 555.
Como funciona
Todo o funcionamento do circuito carregador de íons de lítio proposto usando IC 555 ocorre conforme explicado na discussão a seguir:
Vamos supor que uma bateria de íons de lítio totalmente descarregada (em torno de 3,4 V) esteja conectada na saída do circuito mostrado abaixo.
Supondo que o limite inferior seja definido em algum lugar acima do nível de 3,4 V, o pino 2 imediatamente detecta a situação de baixa tensão e eleva a saída no pino 3.
A alta no pino 3 ativa o transistor que liga a energia de entrada para a bateria conectada.
A bateria agora começa a carregar gradualmente.
Assim que a bateria atinge a carga total (@4,2V), assumindo que o limite superior de corte no pino 6 seja definido em torno de 4,2 V, o nível é detectado no pino 6, que reverte imediatamente a saída para baixo.
A saída baixa desliga instantaneamente o transistor, o que significa que a entrada de carregamento agora está inibida ou cortada para a bateria.
A inclusão de um estágio de transistor fornece a facilidade de carregar células Li-Ion de corrente mais alta também.
O transformador deve ser selecionado com tensão não superior a 6V e classificação de corrente 1/5 da classificação AH da bateria.
Diagrama de circuito
Se você acha que o design acima é muito complexo, tente o seguinte design, que parece muito mais simples:
Como configurar o circuito
Conecte uma bateria totalmente carregada nos pontos mostrados e ajuste a predefinição de modo que o relé apenas desative da posição N/C para N/O…. faça isso sem conectar nenhuma entrada CC de carregamento ao circuito.
Uma vez feito isso, você pode assumir que o circuito está configurado e utilizável para uma alimentação automática da bateria cortada quando totalmente carregada.
Durante o carregamento real, certifique-se de que a corrente de entrada de carregamento seja sempre menor que a classificação AH da bateria, ou seja, se suponha que o AH da bateria seja 900mAH, a entrada não deve ser superior a 500mA.
A bateria deve ser removida assim que o relé desligar para evitar a autodescarga da bateria através da predefinição de 1K.
IC1 = IC555
Todos os resistores são 1/4 watt CFR
Pinagem IC 555
Conclusão
Embora os projetos apresentados acima sejam todos tecnicamente corretos e executem as tarefas de acordo com as especificações propostas, na verdade eles parecem um exagero.
Uma maneira simples, mas eficaz e segura de carregar uma célula de íon de lítio é explicada neste post, e este circuito pode ser aplicável a todas as formas de baterias, pois atende perfeitamente a dois parâmetros cruciais: Corrente constante e corte automático de carga completa. fora. Presume-se que uma tensão constante esteja disponível a partir da fonte de carregamento.
4) Carregar muitas baterias de íon de lítio
O artigo explica um circuito simples que pode ser usado para carregar pelo menos 25 nos de células Li-Ion em paralelo rapidamente, a partir de uma única fonte de tensão, como uma bateria de 12V ou um painel solar de 12V.
A ideia foi pedida por um dos seguidores deste blog, vamos ouvir:
Carregar muitas baterias de íon de lítio juntas
Você pode me ajudar a projetar um circuito para carregar uma bateria de 25 células de lítio (3,7 v- 800 mA cada) ao mesmo tempo. Minha fonte de alimentação é de bateria 12v-50AH. Também deixe-me saber quantos amperes da bateria de 12v seriam consumidos com esta configuração por hora… obrigado antecipadamente.
O design
Quando se trata de carregamento, as células de íons de lítio exigem parâmetros mais rigorosos em comparação com as baterias de chumbo-ácido.
Isso se torna especialmente crucial porque as células de íons de lítio tendem a gerar uma quantidade considerável de calor no decorrer do processo de carregamento e, se essa geração de calor for além do controle, pode causar sérios danos à célula ou até mesmo uma possível explosão.
No entanto, uma coisa boa sobre as células de íon-lítio é que elas podem ser carregadas a uma taxa total de 1C inicialmente, ao contrário das baterias de chumbo-ácido que não permitem mais que a taxa de carregamento C/5.
A vantagem acima permite que as células de íons de lítio sejam carregadas a uma taxa 10 vezes mais rápida do que a contraparte de chumbo-ácido.
Como discutido acima, como o gerenciamento de calor se torna a questão crucial, se esse parâmetro for controlado adequadamente, o restante das coisas se tornará bastante simples.
Isso significa que podemos carregar as células de íon-lítio a uma taxa total de 1C sem nos preocuparmos com nada, desde que tenhamos algo que monitore a geração de calor dessas células e inicie as medidas corretivas necessárias.
Eu tentei implementar isso anexando um circuito de detecção de calor separado que monitora o calor das células e regula a corrente de carga caso o calor comece a se desviar dos níveis seguros.
Controlar a temperatura na taxa de 1C é crucial
O primeiro diagrama de circuito abaixo mostra um circuito preciso do sensor de temperatura usando o IC LM324. Três de seus opamps foram empregados aqui.
O diodo D1 é um 1N4148 que atua efetivamente como sensor de temperatura aqui. A tensão neste diodo cai 2mV com cada grau de aumento de temperatura.
Essa mudança na tensão em D1 leva A2 a alterar sua lógica de saída, que por sua vez inicia A3 a aumentar gradualmente sua tensão de saída de forma correspondente.
A saída de A3 é conectada a um LED optoacoplador. Conforme a configuração de P1, a saída A4 tende a aumentar em resposta ao calor da célula, até que eventualmente o LED conectado acenda e o transistor interno do opto conduza.
Quando isso acontece, o opto transistor fornece 12V ao circuito LM338 para iniciar as ações corretivas necessárias.
O segundo circuito mostra uma fonte de alimentação regulada simples usando o IC LM338. O potenciômetro de 2k2 é ajustado para produzir exatamente 4,5V nas células de íons de lítio conectadas.
O circuito IC741 anterior é um circuito de corte de sobrecarga que monitora a carga sobre as células e desconecta a alimentação quando atinge acima de 4,2V.
O BC547 à esquerda perto do ICLM338 é introduzido para aplicar as ações corretivas apropriadas quando as células começam a esquentar.
Caso as células comecem a ficar muito quentes, a alimentação do acoplador óptico do sensor de temperatura atinge o transistor LM338 (BC547), o transistor conduz e desliga instantaneamente a saída do LM338 até que a temperatura caia para níveis normais, este processo continua até que o as células ficam totalmente carregadas quando o IC 741 é ativado e desconecta as células permanentemente da fonte.
Em todas as 25 células podem ser conectadas a este circuito em paralelo, cada linha positiva deve incorporar um diodo separado e um resistor de 5 Ohm 1 watt para distribuição igual de carga.
Todo o pacote de células deve ser fixado sobre uma plataforma comum de alumínio para que o calor seja dissipado uniformemente sobre a placa de alumínio.
D1 deve ser colado adequadamente sobre esta placa de alumínio para que o calor dissipado seja otimamente detectado pelo sensor D1.
Carregador Automático de Células de Li-Ion e Circuito Controlador.
Conclusão
- Os critérios básicos que precisam ser mantidos para qualquer bateria são: carregar sob temperaturas convenientes e cortar o fornecimento assim que atingir a carga total. Essa é a coisa básica que você precisa seguir, independentemente do tipo de bateria. Você pode monitorar isso manualmente ou torná-lo automático, em ambos os casos, sua bateria será carregada com segurança e terá uma vida útil mais longa.
- A corrente de carga/descarga é responsável pela temperatura da bateria, se estas forem muito altas em comparação com a temperatura ambiente, sua bateria sofrerá muito a longo prazo.
- O segundo fator importante é nunca permitir que a bateria descarregue muito. Continue a restaurar o nível de carga total ou continue a abastecê-lo sempre que possível. Isso garantirá que a bateria nunca atinja seus níveis de descarga mais baixos.
- Se você achar difícil monitorar isso manualmente, você pode optar por um circuito automático conforme descrito nesta página.
Tem mais dúvidas? Por favor, através da caixa de comentários na (Fonte) ?
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Nota: Este conteúdo foi traduzido do Inglês para português (auto)
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