Hoe werken opladers?

Batterij-oplaad technieken die in gebruik zijn in de praktijk van vandaag zijn: nikkel-cadmium(NiCd), nikkel-metaalhydride(NiMH), Gel loodzuur (PbSO4), enLithium-Ion (Li +).

Het snel opladen van batterijen bestaat uit meerdere fasen, zoals uitgelegd in de tekst en in het toestandsdiagram voor een generieke oplader (figuur 1).

a1

Figuur 1.Diagram Generieke oplader

Initialisatie Hoewel het geen onderdeel is van de eigenlijke laadprocedure, is de initialisatie een belangrijke stap in het proces. De lader initialiseert zelf en voert zijn eigen zelftest. Een lading kan worden onderbroken door een stroomstoring en de daaruit voortvloeiende herinitialisatie. Zonder een slimme batterij of een soort van tijdstempel, vluchtige opslag, kunnen dergelijke gebeurtenissen ongemerkt plaatsvinden. De meeste laders reinitializeren volledig na een stroomstoring. Als overladen een probleem is, kan de lader vervolgens een speciale zelftest uitvoeren om te bepalen of de batterij al opgeladen is. Een batterij aanwezig op power-up, bijvoorbeeld, zou een dergelijke actie triggeren. Verschillende omstandigheden kunnen problemen veroorzaken bij deze initialisatie. Een vaste tijd lader bijvoorbeeld laadt een batterij met een vast interval van vier uur. Als er een stroomstoring in de lading optreedt na drie uur en 59 minuten, start de lader nog eens met vier uur opladen, waardoor de batterij een vier uur durende overbelasting krijgt. Deze behandeling kan de batterij beschadigen, en het is een van de redenen dat vaste-tijd opladen zelden wordt gebruikt. Het voorbeeld laat ook zien waarom de lader toezicht moet houden op de temperatuur van de batterij of andere methoden van beeindiging moet hanteren als backup maatregel.

Cel Kwalificatie Deze fase van het opladen procedure detecteert of een batterij is geïnstalleerd en of deze kan worden opgeladen. Cel detectie wordt meestal bereikt door na te gaan of er spanning is op de laderklemmen terwijl de lader bron is uitgeschakeld, maar die methode kan een probleem opleveren als de cellen diep ontladen zijn gefietst en weinig spanning produceren. Als alternatief kijkt de lader vaak naar een thermistor of kortsluiting jumper plaats van naar de cel zelf. De aanwezigheid van deze hardware kan ook dienen om de batterij te identificeren. Smart batterijen, van de andere kant, wisselen een ruime hoeveelheid seriële data uit met de accu, meestal voorzien van alle noodzakelijke oplaad parameters via een gespecialiseerde I2C ™ -achtige protocol genaamd de System Management Bus (SMBus ™).

Nadat de lader heeft bepaald dat een cel geïnstalleerd is moet hij bepalen of de cel goed is. Gedurende deze subfase (kwalificatie), wordt de cel gecontroleerd op basiswerking: is hij open, kortgesloten, heet, of koud. Om te test en of een cel is geladen kan worden, passen sommige laders van lood-zuur types vooral een lichte laad stroom toe (ongeveer een vijfde van het snel laden) en geeft de cel een vaste tijd om een bepaalde spanning te bereiken. Deze techniek vermijdt het probleem van valse afkeuringen voor sterk cyclische PbSO4 batterijen, en met toestemming van de fabrikant van de batterij, kan deze methode ook worden gebruikt voor andere chemische varianten.

Een controle van de omgevingslucht en celtemperaturen is ook een deel van de kwalificatiefase. Wanneer een lader hoge of lage temperatuur detecteert, wacht hij gewoonlijk een vooraf bepaald intervaltijd tot de temperatuur weer nominaal is. Als dit niet binnen de gestelde termijn gebeurt, vermindert de lader de laadstroom. Deze actie op zijn beurt vermindert de batterijtemperatuur, waardoor de efficiëntie verhoogt wordt. Tenslotte worden de cellen gecontroleerd op open of kortgesloten. Open cellen worden gemakkelijk gedetecteerd, maar een kortgesloten celindicatie heeft bevestiging nodig om valse storings indicaties te voorkomen. Als al deze controles bevredigend zijn geweest kan de cel geladen worden en het proces gaat verder zoals getoond in figuur 1.

Preconditioneringsfase (optioneel) of Refreshen

Sommige laders (vooral die van NiCd-batterijen) bevatten een optionele preconditioneringsfase waarin de batterij volledig wordt ontladen voordat het opladen wordt gestart. Volledige ontlading vermindert het spanningsniveau van elke accu met 1V per cel en elimineert dendritische (vertakte) formaties in de elektrolyt, die leiden tot wat vaak ten onrechte bestempeld als de memory-effect. Dit zogenaamde geheugeneffect verwijst naar de aanwezigheid van dendritische formaties die de levensduur van een cel kan verminderen, en het volledig opgeladen en ontladen elimineert soms het probleem.
Preconditioning kan bij elke lading gebeuren, of het kan volgen op een indicatie (door load-test of een andere bewerking) dat meer dan de helft van de lading van de cel overblijft. Voorconditionering kan één tot tien uur vergen. Ontladen van een batterij in minder dan een uur wordt in het algemeen niet aanbevolen. Fast preconditioning leidt tot het praktische probleem van wat te doen met de warmte die via de belastingsweerstand ontstaat. Een preconditionering van meer dan tien uur wordt niet aanbevolen tenzij het handmatig kan worden gestart bij vaststelling van een verminderde capaciteit. Verwarring en misverstanden zijn er rondom het NiCd “memory-effect”, zodat de ontwerper kan beter geen refresh-knop op de oplader maken.

Snel laden Fase en Beëindiging

Welke snel laden en beëindigings methoden worden gebruikt zijn afhankelijk van cel chemie en andere ontwerp factoren. De volgende bespreking bevat snellaadtechnieken die op grote schaal worden gebruikt bij de huidige accus.

NiCd en NiMH cellen

De snellaad procedures voor NiCd en NiMH-batterijen zijn zeer vergelijkbaar; ze verschillen voornamelijk in de beëindiging methode. In elk geval, de lader Laadt met een constante stroom terwijl hij de accuspanning en andere variabelen bewaakt om te bepalen wanneer de lading moet stoppen. Laadsnelheden hoger dan 2C zijn mogelijk, maar de meest voorkomende bedraagt ongeveer C / 2. Omdat de laadefficiëntie iets minder dan 100% is, duurt een volledige lading op de C / 2 wijze iets meer dan twee uur.
Terwijl constante stroom wordt toegepast, stijgt de celspanning langzaam en bereikt ten slotte een PK (een nulpunt helling). Het NiMH opladen moet op dit PK (de 0DV punt) worden beëindigd. Het NiCd opladen, anderzijds, moet eindigen bij een punt voorbij de PK: wanneer de accuspanning voor het eerst een geringe daling vertoont (-DV) (figuur 2). Een beschadiging van cellen kan het gevolg zijn als snel opladen doorgaat voorbij het eindpunt van beide accu’s.

 

a2

Figuur 2. NiCd-batterij oplaad kenmerken bij C / 2 rate

Bij snelheden groter danC/2(resulterend ineenlaadtijdvan minder dan twee uur), houdt de laderook toezicht opde temperatuuren de spanningvan de cel.Omdat de temperatuur van de cel snel stijgtwanneereen celvolleladingbereikt, hanteert de temperatuurbewaking een anderbeëindigingstechniek.

Beëindiging op deze positieve temperatuur helling heet DT beëindiging. Andere factoren die kunnen beëindiging triggeren zijn de oplaadtijd en de maximale celspanning. Goed ontworpen laders houden rekening met een combinatie van deze factoren.

Bepaalde effecten die verschijnen wanneer een cel voor het eerst wordt opgeladen kunnen lijken op de omstadigheden die tot beeindiging leiden. Daarom hanteren laders meestal een vertraging van één tot vijf minuten voordat de helling-detectie start. Laad-beëindiging is ook moeilijk op te sporen bij laden onder C / 8, omdat dan de spannings- en temperatuurhellingen (DV / DT en DT / DT) klein zijn en vergelijkbaar met andere systeem effecten. Voor de veiligheid tijdens het snel opladen, moet de hardware en software zich altijd bevinden in het gebied van vroeg-beeindigen.

Lithium-Ion cellen

Het opladen van deze accu’s verschilt van de lading van nikkel-chemie. Een top-off lading kan maximale energie-opslag op een veilige manier waarborgen. Li + laders reguleren hun laadspanning met een nauwkeurigheid beter dan 0,75%, en hun maximale laadstroom wordt ingesteld met een stroomlimiet, net als die van een bankvoeding (figuur 3). Als het snel opladen begint, is de cel spanning laag en dan gaat de laadstroom uit van de grenswaarde van de stroom.

a3

Figuur 3. Li + accuspanning vs. laadstroom

De accuspanning stijgt langzaamtijdens het laden, de stroom daalt, endespanningstijgt tot eenfloat-spanningsniveau van 4,2 Vpercel(figuur 4).

a4

Figuur 4.Li+-batterij oplaad profiel

Delader kan het opladenbeëindigenwanneer de batterijhaarfloat-spanningbereikt,maardie benaderingverwaarloostdetopping-off operatie. Een optie isomeentimer te startenwanneer de spanning wordtbereikt, en het opladen teeindigenna eenvastevertraging.Een andere methodeis het bewakenvan delaadstroom, en eindigenop een laag niveau(meestal5% van de grenswaarde; sommige fabrikantenraden eenhogerminimum van100mA aan). Een top-off cyclusvolgtevengoed deze techniek.

Deafgelopen jarenhebben verbeteringen opgeleverdin deLi+batterijen, de opladers, enons begrip vandeze batterijchemie.De vroegsteLi+batterijen voorconsumenten toepassingen hadden tekortkomingendie de veiligheid aantasten, maar dieproblemen komen inde hedendaagsegoed ontworpensystemen niet meer voor. Aanbevelingen van de fabrikantzijn nochstatischnochvolkomenconsistent,en Li+batterijenblijven evolueren.

Lood zuur cellen

PbSO4 batterijen worden meestal geladen hetzij door de stroombeperkings methode of door de meer gebruikelijke en in het algemeen eenvoudiger voltage beperkings methode. De spanningsbeperkings oplaad methode is vergelijkbaar met die voor Li + cellen, maar een hoge precisie is niet zo vereist. Er is een stroom-beperkte spanningsbron nodig vastgesteld op een niveau iets hoger dan de werk spanning (float voltage) van de cel (ongeveer 2.45V). Na de voorbereidende operatie die ervoor zorgt dat de accu zal gaan laden, begint de lader met snel opladen en dat gaat door tot het een minimale laadstroom bereikt. (Deze procedure is vergelijkbaar met die van een Li + lader). Het snelladen wordt dan beëindigd, en de lader zorgt voor een werkspanning van meestal ongeveer 2.2V. PbSO4 cellen maken het mogelijk om deze werk-spanning voor onbepaalde tijd te houden (Figuur 5).

a5

Figuur 5. PbSO4-batterij opladen profiel
Bij hogere temperaturen, moet de snel laadstroom voor PbSO4 batterijen worden verlaagd volgens de temperatuur coëfficiënt van 0,3% per graad Celsius. De aanbevolen maximale temperatuur voor snel opladen is ongeveer 50 ° C, maar het laden voor onderhoud kan boven die temperatuur.

Optionele lading nade top (Alle chemie)

Opladers voor alle chemische bevatten vaak een optionele lading na de toptop-off-fase. Deze fase treedt op na fast-lading beëindiging en geeft een matige laadstroom die de batterij verhoogt tot zijn volle-laadniveau. (De werking is vergelijkbaar met bijvullen benzinetank van een auto nadat de pomp automatisch is gestopt.) De top-off lading wordt beëindigd bij het bereiken van een limiet met betrekking tot de cel spanning, temperatuur, of tijd. In sommige gevallen kan de top-off lading een lagere gebruiksduur van 5% of zelfs 10% geven boven die van het standaard snel opladen. Extra zorg is hier aan te raden: de accu is dan bijna of volledige geladen en kan mogelijk schade oplopen.

Optionele druppellading (Alle chemische laders behalve Li +)

Laders voor alle chemische bevatten vaak een optionele druppellading fase. Deze fase compenseert zelfontlading in een batterij. PbSO4 batterijen hebben het hoogste percentage van zelfontlading (enkele procenten per dag), en Li + cellen hebben de laagste. De Li + niveau is zo laag dat druppellading niet nodig is of niet aanbevolen wordt. NiCds, kunnen doorgaans echter voor onbepaalde tijd met een C / 16 geladen worden met druppelladen. Voor NiMH-cellen, is de veilige continue stroom is meestal rond de C / 50, maar druppellading voor NiMH cellen wordt niet door iedereen aanbevolen.
Gepulste druppellading is een variant waarbij de lader korte pulsen van ongeveer C / 8 omvang geeft, met een lage werkduur die een gemiddeld straaltje stroom van C / 512 biedt. Omdat gepulste-druppellading geldt voor beide nikkel chemie-en, en goed bruikbaar is bij het type microprocessor (pP) van het aan/uit type, wordt het bijna universeel gebruikt.
Algemeen laad systeem

Voordat ze kijken naar specifieke circuit implementaties, moeten ontwerpers vertrouwd zijn met algemene blokken en functies (figuur 6). Alle snelladers moeten deze blok functies bevatten in een of andere vorm. Het krachtbron levert brute kracht. De stroom en spanning controles reguleren de stroom en spanning naar de accu. Bij minder dure laders is de regelaar meestal een power transistor of een ander lineaire-pass-element dat de stroom in warmte omzet. Het kan ook een bok switching voeding zijn, met een standaard vrijloopdiode met gemiddeld rendement of een synchrone gelijkrichter voor het hoogste rendement..

a6

Figuur 6. Generiek oplaad-systeem blokschema

De blokkenaan de rechterkant infiguur6tonendiversemeet- enregelfuncties. Een analogestroomregellusbeperkt demaximale stroom dir geleverd wordt aan debatterij, eneen spanningluseen constantespanning opdecel. (Merk op datLi+celleneenhoge nauwkeurigheidvereisen indetoegepastelaadspanning.) Dekarakteristiek van de lader van het stroom-voltage (IV) kan volledigprogrammeerbaar zijn, of het kangeprogrammeerdzijn voor alleen stroom,meteenspanningswaarde(of viceversa). De celtemperatuur wordtaltijdgemeten, en de beëindigingkan worden gebaseerdophet niveau ofde helling vandeze meting. Ladersmetenook de laadtijd, meestalals eenberekening in deintelligentieblok. Dit bloklevertintelligentievoor het systeemen implementeerteerder beschreven machine. Het weethoe en wanneereen snelleladingbeëindigd moet worden. Intelligentie zitintern in dechipin destand-aloneladerIC’s. Of het verblijftineengastheeruC of deanderehardware die in de laderIC zit. Zoalseerder vermeld, heeft deze laatstearchitectuurvandaag de voorkeur.       Referenties 1. Hoe een SMBus-controller met behulp van de 80C51SL KBC, Intel Corp. application note, november 1994. 2. Handbook of batterijen, door David Linden (Editor), 2nd Edition, McGraw Hill tekst, januari 1995, ISBN Implementeren: 0070379211 3 . De System Management Bus-specificatie, versies 0.95a en 1.0, Intel Corp., februari 1995. 4. De Smart-Battery gegevens specificatie, versie 1.0, Inc. en Intel Corp., februari 1995. 5. De SMBus BIOS-specificatie, versie 1.0, Intel Corp., februari 1995. 6. Smart-Battery Selector specificatie, versie 0.9, Intel Corp., april 1995. 7. Inzicht Kleine microcontrollers, door Sibigtroth. Gepubliceerd door Inc., CSIC Division, circa 1990.

Print Friendly, PDF & Email