Acumulatorii Li-ion şi încărcarea acestora

Acumulatorii Li-Ion şi încărcarea acestora de Jaroslav Belza Articol apărut în revista „Prakticka elektronika” nr. 4/2001, la pag. 12

şi la adresele de internet http://www.belza.cz/charge/liion1.htm http://www.belza.cz/charge/liion2.htm

traducere de Victor S., 2014

Acumulatorii Li-Ion sunt o sursă importantă de energie – aceştia au dimensiuni mici, sunt uşori şi pot stoca multă energie. Aceştia o rată de autodescărcare scăzută şi o gestionare destul de simplă a încărcării. Cu toate acestea, ar trebui să fie utilizaţi cu mai multă atenţie decât cei NiCd sau cei NiMH. Sunt potriviţi pentru dispozitivele care folosesc acumulatori de dimensiuni mici şi mijlocii. Pentru că îi vom întâlni destul de des, acest articol vă poate ajuta să evitaţi greşelile de utilizare. Despre acumulatorii Li-Ion Cu toate că experimentele cu acumulatori ce folosesc Litiu au fost începute încă din anul 1912 de către Gilbert Newton Lewis (1875 - 1946), primele celule cu Litiu reîncărcabile au fost disponibile comercial abia în anul 1970. În anii '80 s-a continuat dezvoltarea acumulatorilor reîncărcabili cu Litiu, dar fără succes, pentru că erau periculoşi, aceştia explodau destul de uşor. A început vânzarea la scară mare doar atunci când au devenit foarte stabili din punct de vedere chimic, mai precis, atunci când Litiul metalic a fost înlocuit cu Litiu-Cobalt-Oxid (LiCoO2). Primul acumulator reîncărcabil Li-Ion a fost vândut în anul 1991 de compania Sony.

Figura 1. Curba de descărcare standard a acumulatorului Li-Ion 1

În practică, putem întâlni astăzi două tipuri de acumulatori Li-Ion, aceste tipuri variază în funcţie de materialul din care este alcătuit electrodul negativ (anodul acumulatorului). Electrodul negativ poate fi din grafit sau din cocs 1. În ambele cazuri este vorba despre două stări ale carbonului. Aceşti acumulatori au curbe diferite de descărcare (a se vedea Figura 1), tensiunea de încărcare şi tensiunea la care este necesară încetarea descărcării fiind de asemenea diferită. Datele de bază sunt prezentate în Tabelul 1. De asemenea, trebuie remarcat faptul că, atât acumulatorii cu anod de grafit cât şi cei cu anod din cocs au o tehnologie de încărcare diferită şi o tensiune de 4,2 V şi respectiv 2,5 V. S-a realizat un progres în ceea ce priveşte gestionarea descărcării pentru acumulatorii Litiu-Polimer, aceştia oferă o densitate de energie mai mare pe fiecare element în parte. Pentru a nu se degrada rapid, aceste elemente permit doar un număr relativ mic de cicluri de încărcare. O comparaţie aproximativă între acumulatorii Li-Ion, NiCd, NiMH, Plumb-Acid fără întreţinere (sau cu gel) şi Alcalini, se găseşte în Tabelul 2.

Tip

Tensiunea maximă de încărcare (V)

Finalul descărcării (V)

Cocs

4.2

2.5

Grafit

4.1

3.0

Tabelul 1. Tipuri de baterii Li-ion PlumbAcid (fără întreţinere Alcalini sau cu Gel)

Tipuri de acumulatori

NiCd

NiMH

Tensiune de alimentare (V)

1.2

1.2

2.0

1.5

3.6

Densitatea de energie [Wh/I(A)]

140

180

85

380

200

Densitatea de energie [Wh/Kg]

39

57

30

?

90

Autodescărcare [%/zi]

1

1.5

0.1

0.01

0.5

Număr cicluri de încărcare

1000

500

> 1000

20

400

Încărcare rapidă

15 30 minute minute

1h

?

1h

Li-Ion

Tabelul 2. Comparaţie aproximativă pentru diferite tipuri de acumulatori 1

După cum am aflat mai târziu, acumulatoare cu anod din „cocs” folosesc o formulă microcristalină a carbonului, cea care a fost numită ulterior „carbon amorf”. Acesta este identic cu grafitul, dar spre deosebire de acesta, conţine numai cristale cu legături slabe şi neorientate. 2

Acumulatorii Li-Ion se întâlnesc fie sub formă de elemente singulare, fie sub formă de „pachete de acumulatori”, folosite la alimentarea dispozitivelor mobile. Elementele individuale sunt cel mai des folosite în tehnologia high-end. Pachetele de acumulatori pot fi întâlnite în telefoane mobile, laptop-uri şi camere video. Aceste pachete sunt echipate cu un circuit de protecţie care previne distrugerea sau chiar explozia acestora în cazul când sunt utilizate incorect, sau dacă se defectează încărcătorul acestora în timpul încărcării. Circuitul de protecţie monitorizează şi gestionează de obicei tensiunea minimă şi maximă pe fiecare dintre celule, minimul şi maximul încărcării şi descărcării, gestionând în acelaşi timp şi curentul de încărcare. Dacă este depăşit intervalul maxim de curent sau de tensiune, circuitul deconectează elementul sau elemenţii pachetului de acumulatori. Câteva exemple de circuite de protecţie sunt prezentate în figurile 2, 3 şi 4. Pentru aceste conexiuni, este clar că terminalele pachetului de acumulatori sunt conectate direct la element. Circuitul de protecţie preia de la fiecare element un curent constant de ordinul zecilor de microamperi. De asemenea, pachetele de acumulatori sunt echipate cu un termistor (sau mai mulţi) care informează încărcătorul despre temperatura acumulatorilor şi/sau a interiorului întregului pachet.

Figura 2. Circuitul de protecţie SAA1502 (Philips)

Figura 3. Circuitul de protecție RV5VG1 (Ricoh)

3

Figura 4. Circuitul de protecție DS2760 (Dallas Semiconductor)

Încărcarea acumulatorilor Li-Ion Acumulatorii Li-Ion pot fi încărcaţi şi de la o sursă de alimentare standard, însă una prevăzută cu limitarea curentului de încărcare. În mod similar se pot încărca şi acumulatorii fără întreţinere plumb-acid (şi/sau cu gel) cât şi acumulatorii alcalini. La încărcarea acumulatorilor Li-Ion trebuie să fie respectată cu mai multă stricteţe tensiunea finală de încărcare, aceasta trebuie să fie cu mult mai precisă decât la acumulatorii cu gel sau la cei alcalini. S-a constatat că o tensiune mai mică, sau una în exces, va scurta în mod semnificativ durata de viaţă a elementului, dar în acelaţi timp, un element încărcat cu o tensiune cu valoare sub cea recomandată de producător nu va duce elementul la capacitatea maximă de încărcare. În funcţie de tipul elementului, tensiunea finală de încărcare este de 4,1 sau 4,2 Volţi şi ar trebui să fie stabilită cu o precizie de ± 1%. De asemenea, curentul de încărcare trebuie să fie respectat cu stricteţe. În cazul în care acest curent este mai mic, se va prelungi timpul necesar încărcării. Curentul maxim de încărcare recomandat de producătorii de acumulatori este de 0,1 până la 2C. Unitatea C reprezintă capacitatea nominală a elementului acumulator. În cazul în care avem unui element acumulator cu capacitatea nominală de 900 mAh îi este permis un curent de încărcare de 0,5C, atunci îl putem încărca cu un curent de până la 450 mA.

Figura 5. Tensiunea şi curentul de încărcare pentru acumulatorul Li-Ion.

4

Nivelurile standard de încărcare pentru acumulatorii Li-Ion sunt prezentate în Figura 5 şi sunt valabile pentru curentul de încărcare cu valoarea 1C. Graficul arată în mod clar faptul că elementul se încarcă foarte repede. În prima fază, curentul de încărcare rămâne constant până la momentul când se ajunge la tensiunea finală maximă de încărcare. Curentul de încărcare nu trebuie să fie constant, pur şi simplu acesta nu trebuie să depăşească curentul maxim de încărcare ci să scadă în mod progresiv. Atunci când tensiunea elementului ajunge la tensiunea de încărcare finală maximă, elementul a ajuns la aproximativ 70% din capacitatea nominală de încărcare, asta în cazul în care acesta a fost aproape epuizat. Dacă elementul a fost parţial descărcat, atunci această tensiune porneşte de la un nivel mai mare. De asemenea, atunci când curentul de încărcare va fi mai mic, se ajunge mai târziu la tensiunea finală maximă de încărcare a elementului, nivelul de încărcare fiind slab, în mod evident operaţia de încărcare va dura mai mult timp. În faza a doua, tensiunea de încărcare a elementului este constantă iar curentul de încărcare scade în mod treptat. Acest curent de încărcare scade treptat cu paşi de aproximativ 0,05C din curentul iniţial de încărcare până este redus aproape de zero. Acesta este un avantaj, deoarece nu există nici un pericol de supraîncărcare a elementului. Astfel, timpul de încărcare nu trebuie contorizat, iar acumulatorul poate să rămână conectat la încărcător pe termen nelimitat. Încărcătorul poate fi de asemenea proiectat astfel încât să încarce acumulatori cu capacităţi de încărcare diferite, trebuie doar să ne asigurăm că nu este depăşit curentul maxim de încărcare pentru cel mai mic dintre elementele pe care dorim să le încărcăm. În mod logic, elementele cu capacitate mai mare de încărcare vor necesita un timp mai mare de încărcare. Acest timp de încărcare este de asemenea mai mare pentru elementele de acumulatori noi şi pentru cele descărcate profund. Încărcarea acestora până când tensiunea să ajungă la 2,7 – 3V/element cu un curent de câţiva miliamperi, poate dura foarte mult timp, de ordinul a câteva ore. Elementele nu pot accepta în mod direct un curent de încărcare foarte mare, în acest caz, ele pot fi grav deteriorate. În practică, probabil că nu este nevoie de conectarea mai multor elemente în aceeaşi baterie de acumulatori. Dispozitivele electronice alimentate cu acumulatori reîncărcabili Li-Ion vin de obicei cu aceştia deja încărcaţi şi nu este necesară conectarea la încărcător înainte de descărcarea completă a acumulatorului. Siguranţa încărcării este asigurată de un circuit de protecţie care se află în interiorul pachetului de acumulatori. Pentru încărcarea acumulatorilor Li-Ion au fost elaborate mai multe tipuri de circuite integrate speciale. Figura 6 prezintă schema simplificată de conexiune a încărcătorului cu circuitul LM3620. Acest circuit are nevoie de o sursă externă de alimentare, o sursă cu limitarea curentului. În Figura 7 se poate vedea încărcătorul realizat cu circuitul MAX1679. Chiar şi acest circuit are nevoie de o sursă de alimentare cu limitarea a curentului. Tranzistorul regulator funcţionează în impulsuri şi nu trebuie să fie răcit. Circuitul MAX1679 conţine un circuit de test cu interval de 2 ms, iar dacă tensiunea din element este mai mare, atunci tranzistorul opreşte alimentarea cu tensiunea finală maximă de încărcare. Numărul de cicluri de „off” este treptat în creştere 5

iar acest lucru impune reducerea curentul de încărcare. Atunci când este suficient de mare numărul de cicluri on/off, circuitul opreşte încărcarea. Circuitul on/off oferă de asemenea formatarea cu un curent de 5 mA în cazul elementelor profund descărcate şi reînceperea încărcării în cazul în care tensiunea scade sub 3,89 V. Este interesant faptul că acest circuit integrat aparent simplu, are în structura sa şi tranzistori 4692 (vezi 2SC4692 Hitachi).

Figura 6. Încărcător realizat cu circuitul LM3620

Figura 7. Încărcător realizat cu circuitul MAX1679

Figura 8. Încărcător realizat cu circuitul ADP3820

6

Figura 9. Încărcător realizat cu circuitul LTC1732

Circuitul ADP3820 din Figura 8 este prevăzut pentru încărcarea cu limitarea curentului. Circuitul LTC1732 din Figura 9, este prevăzut suplimentar cu formatarea elementelor profund descărcate prin debitarea unui curent de aproximativ 10 ori mai mic decât curentul de încărcare maximă. Există foarte multe circuite pentru încărcarea acumulatorilor Li-Ion. Am ales aici câteva scheme simple, doar pentru exemplificare. Informaţie în detaliu despre cele de mai sus şi despre alte circuite pot fi obţinute cu uşurinţă de pe Internet. Încărcător simplu pentru acumulatori Li-Ion Despre încărcarea acumulatorilor Li-Ion am început să mă preocup intens vara trecută, atunci când am venit înapoi din concediu şi am cumpărat un telefon fără încărcător. După mai multe experimente m-am hotărât la circuitul din Figura 1, acesta sa dovedit a fi foarte eficient. Circuitul este prevăzut cu limitarea tensiunii şi curentului de încărcare.

Figura 1. Încărcător pentru un singur element Li-Ion

Tensiunea din secundarul transformatorului este redresată după ce trece prin puntea redresoare BC250C1000, trece apoi prin tranzistorul T1, dioda redresoare D6, rezistorul R2 şi se întoarce înapoi la puntea redresoare. Tranzistorul T1 are rolul de a 7

controla curentul care trece prin tranzistorul T2, acest curent fiind reglat prin căderea de tensiune de pe rezistorul R2. Pe colectorul lui T2 este conectat LED-ul 1 care va indica intensitatea curentului de încărcare. Rezistorul R1 este ales în mod deliberat de valoare relativ mică pentru a deschide şi controla cât mai bine, şi atât cât este necesar, curentul care trece prin tranzistorul T1. Cea mai mare parte din curentul care deschide tranzistorul T1 se scurge prin LED-ul 1 către colectorul acestuia. Acest LED va lumina aproximativ constant pe tot tipul încărcării, asta se întâmplă deoarece prin el trece un curent constant. LED-ul 1 mai are şi rolul de a limita tensiunea minimă de ieşire pentru care circuitul funcţionează în mod corect, această tensiune este de aproximativ 1 Volt. Tensiunea de 1 Volt nu este o problemă, din motiv că tensiunea acumulatorului descărcat nu trebuie să ajungă sub 3 Volţi. O parte din tensiunea şi curentul de ieşire vor alimenta înapoi LED-ul 2, acesta luminând slab. Stabilizatorul T431C este solicitat atunci când tensiunea din acumulator a ajuns la maximul prestabilit. Odată cu creşterea tensiunii de ieşire, curentul prin tranzistorul T2 începe să scadă. Tensiunea de încărcare finală este stabilită cu ajutorul divizorului format din rezistoarele R4, R5 şi R6. Rezistorul R5 este folosit pentru reglarea precisă a tensiunii de ieşire. Modul de funcţionare al circuitului TL431 este foarte simplu – atunci când tensiunea de intrare de pe terminalul R creşte peste valoarea de 2,5 Volţi, creşte şi curentul pe terminalele K şi A ale circuitului. Condensatorul C2 şi rezistorul R7 sunt folosite pentru a asigura stabilitatea controlerului intern al circuitului TL431. Când încărcarea acumulatorului este la maxim, T2 este blocat, LED-ul 1 se stinge iar LED-ul 2 se va aprinde la maxim. Astfel, este indicată într-un mod foarte simplu procedura de încărcare. Dacă LED-ul 2 este totuşi aprins, acumulatorul este încărcat la peste 70% din capacitatea nominală de încărcare, putând fi astfel folosit. Dacă acumulatorul este lăsat în continuare conectat la încărcător, acesta va ajunge în mod treptat către 100% din capacitatea de încărcare iar curentul de încărcare debitat de încărcător va scădea până aproape de zero. Având în vedere că acumulatorii Li-Ion nu prezintă nici un efect de memorie, acestea pot fi încărcate şi descărcate, conectate şi deconectate de la încărcător oricând se doreşte. Pentru reglarea puterii debitate de încărcător trebuie setate tensiunea şi curentul care trec prin tranzistorul T1. Dioda D5 are rolul de a limita descărcarea bateriei încărcate la maxim în cazul în care aceasta rămâne conectată, iar încărcătorul nu este conectat la reţea. Atunci când se utilizează în locul lui T1 perechi de tranzistori legaţi în montaj Darlington, din cauza tensiunii inverse mai mari de 5 Volţi, trebuie utilizată o diodă între colectorul şi emitorul montajului – asta în cazul în care nu se foloseşte un tranzistor Darlington care are deja inclusă din fabricaţie o rezistenţă şi o diodă conectate în paralel între emitor şi colector. LED-urile folosite pot fi unele de curenţi mici (2 mA). Reglarea încărcătorului este foarte simplă. Fără să fie conectat la ieşire vreun acumulator, se verifică tensiunea de ieşire care trebuie să fie cât mai aproape de 4,2 Volţi (sau de 4,1 Volţi pentru acumulatori mai uzaţi). Dacă acestă tensiune nu se apropie de 4,2 Volţi, înlocuiţi

8

rezistorul R5 cu un altul de 180 kΩ, 200 kΩ, 240 kΩ sau 270 kΩ. Tensiunea de ieşire trebuie măsurată cu un instrument de măsură de calitate, cele ieftine neavând suficientă precizie. Cu acumulatorul sau cu o sarcină conectată la ieşire, tensiunea ar trebui să scadă la o valoare de aproximativ 4 Volţi. Curentul de încărcare poate fi reglat prin schimbarea valorii rezistorului R2. Cu o valoare a acestuia de 2,2 Ω curentul de încărcare este în jur de 220 mA. În cazul în care curentul de încărcare stabilit este mai mare decât cel pe care poate să-l debiteze transformatorul, LED-ul 1 va rămâne aprins, deci, nu este preferabilă folosirea unui transformator subdimensionat.

9