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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Sicheres Laden von Li-Ionen-Akkus. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen In den letzten Jahren beschreibt die Zeitschrift „Radio“ viele Ladegeräte, darunter auch sogenannte „intelligente“, die nicht nur den Ladevorgang des Akkus maximal automatisieren (Ladestrom je nach Spannung regulieren, bei voller Ladung abschalten), sondern ihn auch vor dem Laden auf die erforderliche Anfangsspannung entladen. Alle diese Geräte sind jedoch für Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus ausgelegt und eignen sich aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften nicht sehr gut zum Laden von Li-Ionen-Akkus (Lithium-Ionen). Der veröffentlichte Artikel beschreibt ein einfaches Ladegerät, das zum Laden genau solcher Batterien entwickelt wurde. Trotz der Fülle an Informationen zu Li-Ionen-Akkus ist das Internet voller Nutzerstreitigkeiten, die auf die Notwendigkeit eines relativ einfachen und zuverlässigen Geräts zum Laden dieser Akkus hinweisen. Das vorgeschlagene Design ist nur eine der möglichen Lösungen für dieses Problem und konzentriert sich in erster Linie auf die niedrigen Herstellungskosten. Anders als beispielsweise bei dem in [1] beschriebenen Gerät werden die Kosten für die darin verwendeten Mikroschaltungen 1 USD nicht überschreiten. Natürlich gibt es Indikatoren, die aus Kostengründen keinesfalls vernachlässigt werden sollten. Das Wichtigste unter ihnen ist die Betriebssicherheit, die in Amateurfunkmärchen über die Explosionen von Li-Ionen-Batterien bei unvorsichtigem Experimentieren mit ihnen zu einem „Beteiligten“ geworden ist. In [2] werden die von Unternehmen ergriffenen Maßnahmen zur Verhinderung einer unbeabsichtigten Zerstörung von Lithium-Akkus ausreichend detailliert beschrieben. Dennoch warnen die Hersteller vor der Unzulässigkeit einer Entladung auf eine Spannung von weniger als 2,5 V oder großer Ströme (mehr als 2,5 A) sowie eines Wiederaufladens. Sowohl Tiefentladung als auch Dauerstromladung, selbst nur wenige Mikroampere, können die Bildung von Dendriten an den Batterieelektroden anregen und zu deren vorzeitigem Ausfall führen. Daher liegt die Schlussfolgerung nahe: Um die „Lebensdauer“ eines Li-Ionen-Akkus zu verlängern, ist es besser, ihn rechtzeitig aufzuladen (ohne darauf zu warten, dass die Spannung auf 2,5 V absinkt), ohne unbedingt eine vollständige (100 %) Ladung zu erreichen. Es ist dieses Prinzip, das dem Betrieb des beschriebenen Geräts zugrunde liegt, das zum Laden des LGR18650E-Akkus bestimmt ist (seine Eigenschaften sind fast die gleichen wie die des NEC ICR-18650 [2]). Bei Bedarf können Sie das Batterieladegerät mithilfe der im Artikel angegebenen Berechnungsformeln mit anderen Eigenschaften modifizieren. Der Schaltplan des Gerätes ist in der Abbildung dargestellt. Seine Basis ist eine spezielle DA1 TSM101A-Mikroschaltung, die in D1P8- und S08-Gehäusen hergestellt wird.
Wie Sie wissen, müssen Li-Ionen-Akkus zunächst mit einem konstanten Strom geladen werden und bei Erreichen eines bestimmten Spannungsniveaus muss dieser exponentiell abnehmen [2]. Im vorgeschlagenen Gerät vergleicht der Operationsverstärker DA1.2 das Signal vom Ladestromsensor – Widerstand R3 – mit einem Teil der Referenzspannung Uo6p = 1,24 V, entnommen vom Widerstandsmotor R7, und öffnet den Transistor VT1 so weit wie nötig, um den erforderlichen Spannungsabfall am Stromsensor zu erzeugen. Darüber hinaus verfügt das Gerät über den sogenannten Konditionierungsmodus beim Laden eines tiefentladenen Akkus. Berechnen wir die Parameter des Geräts. Da in diesem Fall keine thermische Überwachung des Akkus vorgesehen ist, beschränken wir uns auf den maximalen Ladestrom Icharge = 1 A. Selbstverständlich kann dieser auf 1,6 A erhöht werden, allerdings sind in diesem Fall die Empfehlungen z. B. in [3] zu berücksichtigen. Der Operationsverstärker des DA2-Chips, der in diesem Fall nicht verwendet wird, ermöglicht eine einfache thermische Steuerung des zu ladenden Akkus. Für den akzeptierten Wert des Ladestroms beträgt der Spannungsabfall am Widerstand R3 0,22 V. Diese Spannung muss vor dem Einbau in das Gerät am Motor des Widerstands R7 eingestellt werden, indem an dessen oberen (je nach Schaltung) Ausgang eine Spannung von 1,24 V von einer stabilisierten Stromquelle angelegt wird. Der Konditionierungsmodus des Akkus G1 sollte sich automatisch einschalten, wenn die Spannung zu Beginn des Ladevorgangs 2,5 V nicht überschreitet. Zu diesem Zweck überwacht der DA3.1-Komparator die Spannung an G1 (über einen Teiler – einen Abstimmwiderstand R11), und wenn sie weniger als 2,5 V beträgt, öffnet der Ausgangstransistor des Komparators bis zur Sättigung, verbindet Pin 2 der DA1-Mikroschaltung mit dem gemeinsamen Draht und schaltet dadurch die beispielhafte Stromquelle ein. Wie im vorherigen Fall wird vor dem Einbau des Widerstands R11 in das Gerät eine kalibrierte Spannung (jetzt jedoch - 2,5 V) an dessen oberen (gemäß Schema) Ausgang angelegt und durch Drehen des Schiebereglers wird darauf eine Spannung von 1,24 V erreicht. Unter Vernachlässigung des Spannungsabfalls, der durch den Strom Iobr am Stromsensor R1,4 erzeugt wird, berechnen wir den Widerstandswert des Widerstands R1.2 für den allgemein akzeptierten Wert des Konditionierungsstroms Icond – 3 Icharge:
Der erforderliche Widerstand lässt sich am einfachsten auswählen, indem R4 dem im Leistungsdiagramm angegebenen Widerstand R6 parallel geschaltet wird. Die auf der Schaltung angegebenen Widerstände der Stromeinstellwiderstände ermöglichen also das Laden einer tiefentladenen Batterie mit einem Strom von nicht mehr als 100 mA und bei einem Anstieg der Spannung auf 2,5 V mit einem Strom von 1 A. Bisher haben wir über die Anfangsphase des Batterieladens gesprochen. Nach seiner Fertigstellung beginnt OS DA1.1 zu arbeiten. Vergleicht man die Referenzspannung am nicht invertierenden Eingang mit einem Teil der vom Motor des Widerstands R10 entnommenen Spannung, öffnet er den Transistor VT1 gerade so weit, dass die Spannung an der Batterie den angegebenen Wert von 4,2 V nicht überschreitet. Dazu wird vor dem Einbau in das Gerät eine Spannung von 10 V an den oberen (je nach Schaltung) Ausgang des Widerstands R4,2 angelegt und der Motor in eine Position gebracht, in der die Spannung an ihm 1,24 V beträgt. Wie oben erwähnt, sollte der Ladevorgang einer Lithiumbatterie bei einem bestimmten Stromwert abgeschlossen sein. In diesem Fall wird er mit 95 mA gewählt, was etwa 90 % seiner Kapazität entspricht [2]. Die Ladestromanzeige ist die HL2-LED, die an den Ausgang des Komparators DA3.2 angeschlossen ist. Letzterer vergleicht das Signal des Stromgebers R3 mit der Referenzspannung. In der Endphase des Ladevorgangs ist dieses Signal sehr klein. Um den Einfluss der Komparatorparameter und die Notwendigkeit ihrer Auswahl zu eliminieren, wurde der Operationsverstärker DA2.1 in das Gerät integriert. Durch Ändern des Widerstandswerts des Widerstands R9 im OOS-Kreis, der ihn abdeckt, wird der Komparator so eingestellt, dass er mit einem Ladestrom von 95 mA arbeitet. Mit den im Leistungsdiagramm angegebenen Widerständen R8, R9 verringert sich die Helligkeit der HL2-LED bei diesem Strom um etwa die Hälfte, und wenn sie auf 93 mA sinkt, erlischt die Anzeige. Dieses Verhalten der LED ist auf das Auftreten eines „Spannungssprungs“ am Ausgang des Komparators bei Annäherung an den Abschaltpunkt zurückzuführen und wird beobachtet, wenn die Batterie unter Umgehung der Kontakte des Relais K1 direkt an den Ladekreis angeschlossen ist. Durch die Einführung des Letzteren konnte nicht nur unerwünschtes „Bounce“ eliminiert, sondern auch eine automatische Abschaltung des Akkus nach Abschluss des Ladevorgangs implementiert werden. Es geschieht auf folgende Weise. Wenn die Taste SB1 gedrückt wird, wird eine Spannung positiver Polarität an die Basis des Transistors VT2 angelegt (über die Widerstände R15, R16) und dieser öffnet. Dadurch wird das Relais K1 aktiviert und verbindet mit seinen Kontakten K1.1 die Batterie mit dem Ladekreis. Da der DA3.2-Komparator sowohl beim Konditionieren als auch beim Laden mit hohem Strom die HL2-LED und die Sendediode des Optokopplers U1 einschaltet, verbindet der geöffnete Fototransistor den Widerstand R14 mit dem +7-V-Strombus, woraufhin die gedrückte Taste SB1 losgelassen werden kann. Anhand des Leuchtens von HL2 lässt sich die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen Gerät und Akku beurteilen: Bei schlechter Kontaktqualität (hoher Übergangswiderstand) leuchtet es nicht. In diesem Fall kehrt das Relais nach dem Loslassen der Taste in seine ursprüngliche Position zurück und trennt die Batterie vom Ladekreis. Wenn der Widerstand der Kontakte klein genug ist, erfolgt der Ladevorgang nach dem beschriebenen Algorithmus. Bei einem Stromabfall in der Endstufe und einem Versuch des Komparators, einen „Bounce“ zu erzeugen, führt das Lösen des Relais dazu, dass die Batterie vom Ladekreis getrennt wird und stattdessen die HL3-LED mit einem Strombegrenzungswiderstand R18 angeschlossen wird. Glow HL3 signalisiert das Ende des Ladevorgangs. Kondensator C4 im Basiskreis des Transistors VT2 - Rauschunterdrückung. Um die Lebensdauer eines Li-Ionen-Akkus nicht zu verschwenden, empfiehlt es sich, beim Aufbau des Gerätes einen Akku aus zwei oder drei Ni-Cd-Akkus mit einer Kapazität von 0,5 ... 1 Ah als Last zu verwenden, der im ersten Schritt unter Umgehung der Relaiskontaktgruppe direkt an die VD1-Kathode angeschlossen wird. Wenn Sie die Empfehlungen zur Vorinstallation der Trimmwiderstände R7, R10, R11 sorgfältig befolgen, müssen Sie das Gerät möglicherweise nicht einmal einrichten, aber die Überprüfung der Hauptindikatoren (Konditionierungsstrom, Schwellenspannung zum Einschalten des vollen Ladestroms, dessen Anfangswert, Endspannung am zu ladenden Akku, Wert des angezeigten Ladeendstroms) ist dennoch erforderlich. Für die Zeit des Abgleichs werden ein digitales Voltmeter und ein Amperemeter von 1 A an den Ladekreis angeschlossen, und anstelle eines Li-Ionen-Akkus wird ein Akku aus zwei auf 1 V entladenen Ni-Cd-Zellen angeschlossen. Nach Anlegen der Versorgungsspannung von 7 V sollte sich der Klimamodus einschalten. Der erforderliche Strom (0,1 A) wird durch Auswahl des Widerstands R6 eingestellt. Während der Akku geladen wird, erhöht sich die Spannung am Akku, und sobald sie 2,5 V erreicht, sollte der Ladestrom auf 1 A ansteigen. Bei Bedarf wird dieser Stromwert durch einen Trimmwiderstand R7 eingestellt und damit er sich bei einer Spannung von 2,5 V ändert, wird die Position des Schiebereglers des Widerstands R11 angepasst. Dann wird eine Batterie mit drei Batterien an das Gerät angeschlossen und beobachtet, wie nach einer Erhöhung der Spannung auf etwa 4 V der Ladestrom zu sinken beginnt. Bei einem Wert von 95 mA sollte sich die Helligkeit der HL2-LED, wie erwähnt, halbieren und bei 93 mA erlöschen. Während des angegebenen Intervalls des Ladestroms ist das Prellen der Relaiskontakte deutlich hörbar. Da seine Kontaktgruppe zu diesem Zeitpunkt nur einen Strom von etwa 5 mA schaltet (HL3 ein- und ausschaltet), wird sich sein Zustand nach einem solchen Test nicht verschlechtern. Beim ersten Laden läuft dieser Vorgang eher langsam ab, schaltet man das Gerät jedoch aus und wieder ein (bei geladenem Akku), sinkt der Strom innerhalb von Sekunden und es ist nicht schwer, das gewünschte Verhalten der LED innerhalb der vorgegebenen Stromänderungsgrenzen zu erreichen (Auswahl des Widerstands R9). Wie angegeben wird die Endspannung der Batterie mit einem Trimmwiderstand R4,18 auf 10 V eingestellt. Als nächstes wird die Batterie über die Relaiskontakte angeschlossen und die Funktion des Startkreises sowie die Genauigkeit des Abklemmens der Batterie am Ende des Ladevorgangs überprüft. In diesem Fall kann eine vorläufige kurzzeitige Entladung eines geladenen Akkus über einen Widerstand mit einem Widerstand von 5 ... 10 Ohm erforderlich sein. Am Ende der Einstellung wird ein Li-Ionen-Akku an das Gerät angeschlossen und beim Laden wird die Übereinstimmung der Spannung (außer natürlich 2,5 V) und des Ladestroms mit den eingestellten Werten überprüft. Aufgrund einiger Unterschiede im Innenwiderstand von Li-Ionen- und Ni-Cd-Akkus kann es erforderlich sein, das Gerät neu einzustellen. Das Gerät ist auf einem 60x45 mm großen Steckbrett aufgebaut (die Leiterplatte wurde nicht entwickelt). Der Transistor VT1 ist auf einem Kühlkörper mit einer Kühlfläche von ca. 100 cm2 montiert. Wir können die 1N5822-Diode durch jede andere Schottky-Diode mit einem Arbeitsstrom von bis zu 3 A ersetzen. Die Trimmerwiderstände R7, R10, R11 sind Multiwindungsdrähte, zum Beispiel SP5-3. Kondensator C5 - jedes Oxid mit einer Kapazität von 6,8 ... 10 μF und einer Nennspannung von 10 ... 35 V. Anstelle von KT829A können Sie jeden anderen leistungsstarken Verbundtransistor mit einem statischen Stromübertragungskoeffizienten der Basis h21E von 750 ... 1000 verwenden. Das Gerät verwendet ein Reed-Relais RES55A mit Pass RS4.569.604 (neue Bezeichnung - RS4.569.600-16). Da seine Betriebsspannung deutlich unter 7 V liegt, ist ein Widerstand R17 in Reihe mit der Wicklung geschaltet. Es ist zulässig, ein Relais dieses Typs mit einem Pass RS4.569.603 (RS4.569.600-15) zu verwenden. In diesem Fall sollte der Widerstandswert des Widerstands, der die Überspannung löscht, auf 43 Ohm reduziert werden. Als Ladestromquelle können Sie das in [1] beschriebene Netzteil verwenden, indem Sie dessen Ausgangsspannung auf 7 V einstellen. Informationen zu den Chips TSM101A, LM358 und LM393 Literatur
Autor: S. Kosenko, Woronesch
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