Зарядные устройства для портативных литий-ионных аккумуляторных батарей

Введение

Процедура заряда литий-ионных аккумуляторных батарей (АБ) делится на два этапа [1]. Первый — заряд постоянным током, второй — заряд при постоянном напряжении и падающем токе. На рис. 1 показан процесс заряда для аккумулятора с положительным электродом на основе кобальтата лития, для других материалов кривая напряжения будет несколько иной, но суть процесса останется неизменной.

Рис. 1. Этапы заряда литий-ионного аккумулятора

Здесь же, на рисунке, дополнительно показан этап I’, характеризующийся достаточно низким током заряда. Он применяется, когда напряжение на аккумуляторах в АБ ниже некоторого установленного значения (например, 2,5 В). Также этап I’ необходим, если батарею заряжают при низких температурах, скажем, ниже +5 °C. Это делается для «разогрева» электродных масс и перехода в номинальный режим заряда. Малый ток заряда обеспечивает постепенный выход активных электродных материалов на заданные уровни напряжения, при которых они штатно функционируют. Необходимо отметить, что данный этап часто исключают из цикла заряда батареи, и процесс начинается сразу с этапа I.

На этапе I заряд осуществляется постоянным током. При этом напряжение на батарее возрастает. На рис. 1 такой рост условно изображен линейным, однако истинная форма кривой зависит от химического состава материалов, примененных в аккумуляторах.

Ток заряда обычно измеряется в долях номинальной емкости ячеек АБ (Сн). Для нормальной работы аккумулятора номинальный ток заряда обычно выбирают в пределах 0,2-0,5 Сн, ускоренный — 0,5-1 Сн и выше. Максимально допустимый ток заряда для того или иного аккумулятора можно узнать в документации производителя.

Этап II подразумевает заряд при постоянном напряжении и падающем токе. Ток падает до определенного значения, заряд считается завершенным при уменьшении тока заряда менее 0,1-0,05 Сн. При номинальном режиме заряда (0,2 Сн) на этом этапе батарея набирает до 5-10% емкости. После окончания подачи тока заряда на батарею напряжение на ее ячейках падает на 0,05-0,1 В.

Держать аккумуляторы продолжительное время при конечном напряжении заряда (например, 4,2-4,25 В для кобальтата лития) не рекомендуется. Поэтому после фазы падающего тока желательно заряд прекратить [1].

Как показано на рис. 1, продолжительность фазы постоянного напряжения (ФПН) при падающем токе зависит от тока заряда. Чем выше ток заряда, тем она больше, для тока заряда I2 > I1 время ФПН t3 > t1. Время заряда падающим током также зависит от степени деградации аккумуляторов. Чем выше деградация и внутреннее сопротивление, тем больше длительность фазы падающего тока при одном и том же токе заряда (t2 > t1).

Зарядные устройства

Зарядные устройства (ЗУ) в общем подразделяют на универсальные и изготовленные под конкретную аккумуляторную батарею. Реализовать изложенный выше алгоритм заряда (без этапа I’) можно с помощью обычного лабораторного источника питания, имеющего регулировку ограничения по току. Недостатком данного способа является необходимость потребителю самостоятельно выставлять ток и конечное зарядное напряжение. Также установлено, что некоторые источники питания могут сбиваться в процессе работы в режиме стабилизации тока, и установленное изначально конечное напряжение самопроизвольно немного изменится, что требует дополнительного внимания при заряде АБ.

В универсальных ЗУ пользователю предлагается выбрать не конечное напряжение заряда, а количество последовательно соединенных ячеек и их тип. Ток заряда устанавливается пользователем или рассчитывается в ЗУ исходя из емкости АБ. Обычно универсальные ЗУ рассчитаны на определенный диапазон последовательно соединенных ячеек (как правило, от 1 до 7), имеют возможность выбора тока заряда (например, от 0,1-10 А) и типа ячеек (LiFePO₄, LiPolymer и т. д.).

К достоинствам таких ЗУ можно отнести широкий диапазон заряжаемых батарей, что весьма удобно при наличии нескольких аккумуляторных батарей разного назначения, а к недостаткам — определенную сложность эксплуатации. Пользователю необходимо тщательно изучить инструкцию по эксплуатации, чтобы правильно выполнить заряд АБ того или иного типа. Еще один недостаток — относительная дороговизна таких ЗУ. Универсальные зарядные устройства для АБ небольшой емкости (до 20 А·ч) показаны на рис. 2.

Рис. 2. Универсальные ЗУ для Li-ion-батарей

В гораздо меньшей степени описанные недостатки свойственны ЗУ, спроектированным под конкретную АБ. Такие зарядники имеют минимум индикаторов и не требуют дополнительного внимания в процессе работы. Пользователь просто подключает батарею к прибору для заряда и периодически смотрит на индикацию. Если светится красный индикатор — идет заряд, зеленый — АБ зарядилась. Такое ЗУ изготавливается как отдельный самостоятельный блок, предназначенный для использования с конкретной батареей. За простоту в использовании приходится расплачиваться недостатком мобильности и доступности, то есть если в данный момент у пользователя при себе нет ЗУ, то зарядить батарею другими средствами не представляется возможным.

Проблема доступности частично решается с помощью разнесения высоковольтной и низковольтной частей ЗУ. Так, зарядные устройства, показанные на рис. 2, имеют низковольтный вход питания, рассчитанный на напряжение бортовой сети автомобиля 11-15 В. В полевых условиях не понадобится источник напряжения 220 В AC — достаточно бортовой 12-В сети. Подобные ЗУ в основном применяются для заряда батарей всевозможных радиоуправляемых моделей, которые часто эксплуатируются на открытой местности. Для заряда в домашних условиях существует дополнительный преобразователь 220 В AC в 15 В DC (показан в правом верхнем углу рисунка, в левом нижнем углу изображено ЗУ, имеющее два входа: 220 В AC и 15 В DC).

Существует два типа зарядных устройств — внешние и встроенные. К классу внешних относятся все ЗУ, описанные выше. Встроенные ЗУ располагаются непосредственно в корпусе приложения. Внешним здесь остается только блок питания или преобразователь напряжения, например из 220 В АС в 5 В DC. Именно так реализована задача для современных планшетов и мобильных телефонов. Практически все они заряжаются с помощью встроенного в них ЗУ от напряжения 5 В через USB-разъем. При таком решении нет необходимости каждый раз изготавливать ЗУ под конкретную модель приложения: устройство просто располагается внутри прибора, а заряд происходит от стандартного внешнего блока питания с USB-разъемом (220 В АС в 5 В DC) или от USB-порта компьютера. При массовом выпуске блоки питания имеют минимальную стоимость, что снижает и стоимость самого приложения.

На рис. 3 показан фонарь (тыльная сторона) для использования на отдыхе, на природе, имеющий USB-разъем. Он комплектуется литий-ионной батареей и заряжается от сети 12 В DC, через USB-разъем фонаря можно подзарядить сотовый телефон, навигатор и т. д. Это весьма удобно в полевых условиях. Емкости внутренней батареи достаточно для 8 часов непрерывной работы 3-Вт светодиода либо на несколько подзарядок мобильного телефона или навигатора.

Рис. 3. Фонарь с USB-разъемом для зарядки мобильных приложений

Достоинством встроенных ЗУ является относительно низкая стоимость всего комплекта, использование стандартных блоков питания и возможность заряда приложения от широкого круга источников. К недостаткам можно отнести жесткие требования по тепловыделению, занимаемому объему и весу (чтобы они не утяжеляли изделие). Другими словами, встроенные ЗУ должны обладать высокими удельными характеристиками и высоким КПД, чтобы при эксплуатации приложение в конечном итоге не вызывало трудностей у потребителя. Классификация описанных выше ЗУ показана на структурных схемах (рис. 4).

Рис. 4. Внешнее ЗУ:
а) для конкретной АБ;
б) с низковольтным входом и стандартным блоком питания (БП); в) встроенное ЗУ с внешним стандартным БП

Встроенному ЗУ часто приходится подстраиваться под мощность внешнего источника питания. Например, пользователь может подзаряжать свой мобильный телефон от стандартного USB-порта компьютера, чья нагрузочная способность ограничена 0,5 А, или от специального зарядного USB-порта, который может выдать до 1,5 А. Необходимость управлять потребляемой от источника мощностью порождает следующее разделение ЗУ — управляемые и неуправляемые. Описанные выше ЗУ — неуправляемые в том смысле, что ток заряда задается изначально и до фазы постоянного напряжения остается неизменным. Управляемые ЗУ могут самостоятельно, без участия извне, выставлять необходимый ток заряда. В частности, устройство может иметь два входа для подключения внешних источников: 12 В DC для заряда от бортовой сети автомобиля и 5 В DC для заряда от USB-разъема. В таком случае, если подключен источник 12 В DC, ток заряда можно установить выше, например 1,5 А. Если же подключен источник 5 В DC — тогда 0,5 А, при этом устройство определения источника заряда (УОИЗ) устанавливает необходимый ток. В таком приложении имеется одно встроенное ЗУ, но сама возможность управлять зарядным током расширяет доступность источников и удешевляет приложение (нет необходимости в двух встроенных ЗУ). Если же имеется всего один разъем для подключения различных по характеристикам источников питания, то для определения мощности, которую можно отбирать для заряда, ЗУ приходится действовать по определенным алгоритмам.

Зачастую определить мощность, которую способен отдать источник, можно с помощью информационного обмена. Например, при заряде от UBS-разъема компьютера или USB-хаба с внешним питанием есть возможность запросить доступное значение тока по каналу информационного обмена. Именно такой способ реализуют все уважающие себя производители устройств, подзаряжающихся от USB-разъема, во избежание токовой перегрузки последнего.

Некоторые изготовители блоков питания, оснащенных USB-разъемом, предоставляют возможность судить о максимальной мощности по напряжению на выводах, предназначенных для информационного обмена (D+ и D-). Такой способ хорош в тех случаях, когда ЗУ в целях удешевления не укомплектовано контроллером, который мог бы запросить значение тока. Зарядное устройство просто замеряет напряжение на выводах D+/D- с помощью АЦП или компаратора, что гораздо проще и дешевле в реализации.

Управляемые ЗУ могут использоваться при перераспределении мощности внутри приложения. Скажем, к приложению подключают различные устройства, в том числе внешние АБ для подзарядки. В таком случае, имея ограниченную входную мощность, ЦП (цифровой процессор) способен снизить ток заряда своей, внутренней батареи, предоставив возможность в первую очередь зарядиться внешним. Перераспределение энергии между несколькими источниками внутри единого прибора улучшает его массо-габаритные показатели. Однако такие решения встречаются довольно редко, лишь в тех приложениях, где борьба действительно идет за каждый грамм.

Управление током заряда используется не только для оптимизации отбираемой мощности при заряде. Это бывает нужно, если аккумуляторная батарея разбалансирована, когда по тем или иным причинам различные ячейки имеют разную степень заряда — например, после длительного хранения. Данная функция никак не связана с распределением мощности или оптимизацией отбираемой мощности и используется как самостоятельная для решения своей задачи, хотя и несет все ту же функцию управления током заряда.

Если степень заряженности ячеек АБ значительно различается, то сбалансировать их (так чтобы к концу заряда все ячейки имели одинаковую степень заряда) за один цикл заряда номинальным током не удастся. В таком случае можно снизить ток заряда, чтобы он был сравним с токами баланса [2, 3]. При этом время заряда увеличится, но в конце заряда батарея будет полностью сбалансирована. Как правило, задача управления током заряда возлагается на систему обеспечения функционирования (СОФ) АБ (в иностранных источниках — BMS). В случае необходимости СОФ АБ должна подать команду на снижение тока заряда либо непосредственно в ЗУ, либо через ЦП приложения. На рис. 4 и 5 в структурных схемах СОФ АБ не показаны, но они всегда присутствуют в литий-ионных батареях для обеспечения безопасной эксплуатации [4]. На рис. 6 изображена батарея ООО «СЭТЭЛ», имеющая встроенное управляемое ЗУ, данная АБ выпускается серийно. СОФ АБ имеет последовательный интерфейс RS-485, что позволяет управлять током заряда командами от внешнего процессора для перераспределения токов внутри приложения. Током заряда управляет и сама СОФ АБ при балансировании. На фото видны балансировочные резисторы пассивной системы баланса, управляемой от СОФ, а также радиатор встроенного ЗУ, расположенного на плате СОФ.

Рис. 5. Управление током заряда при:
а) двух различных;
б) единственном источнике питания

Рис. 6. АБ фирмы ООО «СЭТЭЛ» со встроенным управляемым ЗУ

В общем случае ЗУ могут комплектоваться дополнительными опциями — расширенной панелью индикации для отображения процессов заряда, таких как напряжение, ток, температура ячеек АБ, разность напряжений ячеек АБ и т.д. (рис. 7).

Рис. 7. ЗУ с расширенной индикацией

Кроме того, зарядные устройства могут иметь встроенную, то есть внешнюю относительно батареи систему баланса и возможность разрядить батарею на внутреннюю нагрузку для определения действующей емкости аккумулятора (рис. 2, верхнее и нижнее ЗУ слева). Зарядные устройства могут иметь дополнительные функции, к их числу относится подготовка АБ к хранению: заряд до определенного значения напряжения, при котором должна храниться АБ, заряд до полной сбалансированности АБ, тест ячеек АБ на предмет их замены, возможность подключения к ПК для вывода подробной информации о процессе заряда/разряда батареи и ее состоянии и многое другое.

Выводы

Зарядные устройства для литий-ионных АБ могут быть различного исполнения, но все они реализуют стандартный алгоритм заряда. Кроме того, ЗУ могут брать на себя дополнительные функции, облегчающие эксплуатацию и продлевающие срок функционирования литий-ионной аккумуляторной батареи.