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Aplicación de batería de ion de litio
- Aug 14, 2018 -

Prefacio

Los productos electrónicos portátiles usan baterías como fuente de energía. Con el rápido desarrollo de productos portátiles, la cantidad de varias baterías ha aumentado y se han desarrollado muchas baterías nuevas. Además de las familiares baterías alcalinas, las baterías recargables de níquel-cadmio y las baterías de hidruro de níquel-metal, también hay baterías de iones de litio que se han convertido en la corriente principal en los últimos años. Aquí encontrará información sobre las baterías de iones de litio, incluidas sus características, parámetros principales, rango de aplicación, y finalmente proporcionará una referencia para el diseño de líneas de carga de baterías de iones de litio.

Desarrollo y aplicación de batería de iones de litio

La batería de iones de litio es la batería recargable más utilizada. Puede ser de tipo rectangular plano, cilíndrico, rectangular y de botón según los requisitos de diferentes productos electrónicos. Se puede usar para aplicaciones de baja potencia en baterías de una sola celda. Las baterías multicelulares están conectadas en serie y en paralelo para mayor voltaje y capacidad para herramientas eléctricas y computadoras portátiles. El electrolito en la batería de iones de litio puede ser un gel, un polímero (batería de iones de litio / litio) o una mezcla de un gel y un polímero. Dado que no se ha encontrado ningún polímero capaz de transportar eficientemente iones de litio a temperatura ambiente, la mayoría de las baterías de iones de litio / litio son en realidad baterías híbridas que combinan gel y polímero.

Las baterías de iones de litio son diferentes de las baterías químicas comunes. El proceso de carga y descarga se realiza mediante la inserción y desintercalación de iones de litio en los electrodos positivo y negativo de la batería. Cuando la batería está cargada, se generan iones de litio en el electrodo positivo de la batería. Los iones de litio generados se mueven al electrodo negativo a través del electrolito. El carbono como el electrodo negativo tiene una estructura estratificada y tiene muchos microporos. Los iones de litio que llegan al electrodo negativo están incrustados en los microporos de la capa de carbono, y cuantos más iones de litio están incrustados, mayor es la capacidad de carga. Además, cuando la batería se descarga, los iones de litio incrustados en la capa de carbón del electrodo negativo se liberan y vuelven al electrodo positivo. Cuantos más iones de litio regresen al electrodo positivo, mayor será la capacidad de descarga. Lo que generalmente llamamos capacidad de la batería se refiere a la capacidad de descarga. Durante la carga y la descarga, los iones de litio se encuentran en un estado de movimiento cíclico desde el electrodo positivo al electrodo negativo al electrodo positivo. Dado que los iones de litio se usan en estado iónico en lugar de litio metálico, el riesgo es bajo y la seguridad es alta.

Características de la batería

Los parámetros de rendimiento de la batería incluyen principalmente fuerza electromotriz, capacidad, energía específica y resistencia. La fuerza electromotriz es igual al trabajo realizado por la fuerza no electrostática (fuerza química) de la batería cuando la carga positiva se transfiere desde el interior de la batería al electrodo positivo. La fuerza electromotriz depende de la química del material del electrodo y es independiente del tamaño de la batería. La cantidad total de carga que la batería puede emitir es la capacidad de la batería, generalmente en amperios-horas.

En una reacción de batería, la energía eléctrica producida por kilogramo de material reactivo se denomina energía teórica específica de la batería. La energía específica se refiere a la energía almacenada por unidad de peso o unidad de volumen, expresada en Wh / kg o Wh / L. Wh es la unidad de energía, W es vatios, h es hora; kg es kilogramo (unidad de peso) y L es litro (unidad de volumen). La energía específica real de la batería es menor que la energía teórica específica. Debido a que los reactivos en la batería no están todos de acuerdo con la reacción de la batería, y la resistencia interna de la batería también causa una caída de voltaje. Por otro lado, cuanto mayor sea el área de la sección transversal de la corriente que fluye a través de la batería, menor será la resistencia interna. La característica más importante de las baterías de iones de litio es la alta energía específica. La tecnología actual de baterías de iones de litio puede alcanzar una energía específica de 80 ~ 120 wh / kg, mientras que la batería de plomo tradicional tiene una energía específica de solo 30 ~ 40 wh / kg, por lo que la batería de iones de litio puede almacenar energía más alta en un volumen más pequeño, lo que ayuda a centrarse en dispositivos electrónicos móviles delgados y cortos y en aplicaciones de vehículos eléctricos que requieren una gran resistencia.

A continuación se enumeran varias características de las baterías de iones de litio: alta capacidad: las baterías de iones de litio pesan la mitad de la capacidad de las baterías de níquel-cadmio o níquel-hidrógeno, el volumen es 20-30% de níquel-cadmio, 35-50 % de níquel-hidrógeno

● Alto voltaje: una batería de iones de litio funciona a 3.7V (nominal), lo que equivale a tres baterías de níquel-cadmio o níquel-hidrógeno conectadas en serie.

● Alta estabilidad: debido a la falta de litio metálico, el riesgo es bajo, por lo que no está sujeto a las restricciones impuestas por la aeronave sobre la prohibición de transportar aviones de pasajeros.

● Larga duración: cuando la batería recargable de iones de litio está completamente cargada, el voltaje es de aproximadamente 4,2 voltios. Al descargar, el voltaje caerá, pero no debería ser inferior a unos 2,5 voltios. El voltaje almacenado o el voltaje de fábrica es de aproximadamente 3.6 a 3.7 voltios. La vida útil principal es la cantidad de tiempos de carga. La excelente batería recargable de iones de litio tiene una vida útil de más de 500 veces (calculada de 2.5 voltios a 4.2 voltios), y la batería de iones de litio no tiene efecto de memoria.

● Carga rápida: al usar un cargador de voltaje constante / corriente constante con una tensión nominal de 4,2 V, la batería de iones de litio se puede cargar por completo en 1 a 2,5 horas. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que si el voltaje de carga excede los 4.3 voltios o más, existe peligro de explosión. Si el voltaje de la batería es inferior a 2,0 voltios, la batería de iones de litio está dañada y no se puede usar ni cargar.

Método de carga de la batería

Se puede saber de lo anterior que las baterías de iones de litio tienen las ventajas de una gran capacidad y una larga vida útil, pero se debe prestar especial atención a la carga y descarga. Por lo tanto, todas las baterías recargables de iones de litio deben estar equipadas con su "IC de gestión de carga y descarga" para limitar la carga. Y el voltaje de descarga para asegurar que la batería no exceda el voltaje seguro para causar que la batería explote. Cuando el voltaje de la batería es inferior a 2,5 V, la salida se corta para evitar acortar la vida útil de la batería. Excepto por algunos productos estándar, la mayoría de las baterías de iones de litio varían en tamaño y se usan principalmente en aplicaciones prácticas. Las especificaciones de capacidad también son diferentes. Por lo tanto, la corriente de carga está diseñada y especificada por cada fabricante. Existe una llamada carga rápida o modo de carga lenta dependiendo de la magnitud de la corriente; sin embargo, el modo de carga de una corriente grande generalmente tiene una pérdida de vida útil. Aunque la batería ya contiene un IC de administración de carga, esta es solo la protección mínima contra la explosión o combustión de la batería, no es la forma normal de uso. Para darse cuenta completamente de la vida útil y la eficiencia de la batería, el diseño del cargador aún debe salir de este. Los límites superior e inferior están muy lejos.

Además de la sobredescarga, las baterías de iones de litio tampoco son adecuadas para las descargas de alta corriente, que reducen el tiempo de descarga cuando se descargan grandes corrientes (se generan temperaturas más altas internamente y se pierde energía). Por lo tanto, el fabricante de la batería especifica la corriente de descarga máxima del producto, que debe ser menor que la corriente de descarga máxima en uso. Las baterías de iones de litio tienen altos requisitos de calidad de carga y requieren circuitos de carga precisos para garantizar la seguridad de la carga. En particular, se requiere terminar el voltaje de carga dentro del 1% del valor nominal (por ejemplo, una batería de iones de litio con una carga de 4.2V, la tolerancia es una carga de sobretensión de ± 0.042V) puede causar daño permanente a la batería de iones de litio, que puede causar que la batería explote; la corriente de carga de la batería de iones de litio se seleccionará de acuerdo con las especificaciones del fabricante de la batería. Aunque algunas corrientes de carga de la batería son nominalmente de hasta 2C (C es la capacidad de la batería, como 1000mAh, la velocidad de carga de 1C es 1A), pero la alta corriente de carga reducirá la vida útil de la batería, por lo que la tasa de carga comúnmente utilizada es de 0.25C. ~ 1C. Debido a que la reacción electroquímica del proceso de carga genera calor, hay una cierta pérdida de energía; Además, la carga de la batería de iones de litio no está cargada con corriente constante, y hay carga de modo de voltaje constante, por lo que el tiempo de carga real es de aproximadamente 2,5 horas; carga de la batería de iones de litio La temperatura oscila entre 0 ° C y 60 ° C. Si la corriente de carga es demasiado alta, la temperatura será demasiado alta, lo que no solo dañará la batería, sino que también puede causar una explosión. Por lo tanto, cuando se carga a una corriente alta, es necesario realizar la detección de temperatura en la batería, y cuando se excede la temperatura de carga configurada, la carga se puede detener para garantizar la seguridad. Además, el circuito del cargador tiene una resistencia limitadora de corriente configurada para garantizar que la corriente de carga no exceda la corriente límite establecida.

Actualmente, los cargadores de baterías de iones de litio a menudo usan un método de carga de tres etapas, a saber, modo de precarga, modo de carga rápida y modo de voltaje constante. El voltaje de descarga terminado en la batería de ion de litio fue de 2.5V. Un cargador bien diseñado proporciona rescate y reparación de baterías sobre descargadas, es decir, pretratamiento antes de la carga formal. Verifique el voltaje de la batería antes de cargarla: si el voltaje de la batería es mayor a 3V, se cargará de la manera normal; si el voltaje de la batería es inferior a 3 V, la carga con una corriente pequeña (alrededor del 10% de la corriente de carga del modo de corriente constante) se denomina precarga. El modo reduce la película de pasivación disuelta en un estado de descarga profunda. Además, cuando la batería está excesivamente descargada, también puede liberar parte del metal de cobre y provocar un cortocircuito en el ánodo. En este momento, la carga forzada con una corriente alta puede provocar que la batería se sobrecaliente, y la etapa de precarga puede evitar este fenómeno. Después de cargar a 3V, cárguelo en el modo de corriente constante normal.

Cuando el voltaje de la batería es superior a 3V, las características de carga de la carga de la manera normal son las que se muestran en la Fig. 1 (tomando como ejemplo una batería de iones de litio de 4.2V). Al principio, la batería se carga en un modo de corriente constante. En este momento, el voltaje de la batería aumenta con una pendiente más rápida. A medida que aumenta el almacenamiento de energía de la batería, la pendiente de aumento de la tensión de la batería disminuye gradualmente. Cuando se eleva a cerca de 4.2 V, la fase de carga de corriente constante finaliza. El cargador se cambia a una carga de voltaje constante de 4.2V. Al cargar en la fase de voltaje constante, el voltaje es casi constante, pero la corriente de carga continúa disminuyendo. Cuando la corriente de carga cae a un cierto valor, el temporizador se activa y, después de que se desconecta un período de conteo, finaliza la carga y se completa el proceso de carga.

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La precisión de la regulación de salida de la carga de voltaje constante es importante para maximizar la capacidad de la batería y extender la vida útil de la misma. Cuando el voltaje de la batería es inferior a 4,2 V, puede causar que la batería no esté suficientemente cargada. Aunque no afecta la vida, reducirá la capacidad de almacenamiento de la batería. Por ejemplo, si el grado de subcarga alcanza el 1% del voltaje total, la capacidad de almacenamiento de la batería se reducirá en un 8%. Por otro lado, si el voltaje de la batería es demasiado alto, la batería se sobrecargará para acortar la vida útil e incluso causar un peligro para el usuario. Para garantizar la seguridad de la carga de la batería de iones de litio, la temperatura ambiente al inicio de la carga debe estar entre 0 ° C y 45 ° C. La carga a temperaturas más bajas crea más litio metálico, lo que puede dar como resultado una mayor impedancia de la batería y la degradación de la batería. La carga en un entorno de alta temperatura aumenta la reacción de los iones de litio con el electrolito para acelerar la degradación de la batería.

En general, se recomienda que la batería se cargue a 70 - 80% para el almacenamiento cuando no se utilice durante un tiempo prolongado. Esto también es para evitar que la batería de iones de litio falle por debajo de los 2.0 voltios después de un largo período de descarga natural, lo que ocasiona que la batería de iones de litio falle y no se pueda usar. La forma en que se agota la batería de iones de litio suele acortarse al menos a la mitad de la vida útil de la batería.

Ejemplo de diseño del cargador de iones de litio

Para satisfacer la demanda de aplicaciones de cargador más precisas y seguras para productos portátiles de baja potencia, muchos fabricantes de circuitos integrados han desarrollado cargadores lineales de bajo costo. La Figura 2 es un ejemplo de diseño del IC de carga LD6275 de Tongjia Technology, que constituye un circuito de cargador lineal independiente que requiere solo unas pocas partes externas, y tiene una corriente de carga máxima de 1.5A.

El LD6275 es un IC de cargador lineal de batería de iones de litio altamente integrado con administración de ruta de alimentación activa para ajustar la corriente de carga de la batería en tiempo real mientras carga / descarga la corriente de carga, monitoreando efectivamente la corriente de entrada (es decir, la salida del puerto USB ) Corriente), de acuerdo con los requisitos del límite de corriente de entrada y la función de activación suave especificada por USB - IF. Además, la función de detección de temperatura está integrada en el IC si la temperatura del IC excede el valor establecido. La corriente de carga se reduce automáticamente para proteger el chip del daño.

El LD6275 despresuriza la fuente de alimentación de CC de 5 V del adaptador de corriente / USB 埠 para cargar la batería de iones de litio. Para evitar la sobrecarga de sobrecorriente del adaptador de alimentación, la resistencia externa RCISET se puede usar para establecer el límite máximo de corriente de carga. Al mismo tiempo, es compatible con el modo de carga del puerto USB de la computadora y se configura según los pines externos EN1 y EN2. Ver la Tabla 1 para cada modo. Al configurar los modos de funcionamiento USB 500mA y USB 100mA, puede proteger el USB del lado de la PC contra sobrecargas.

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El LD6275 tiene una función de administración adaptativa de la ruta de energía (APPM), que se utiliza principalmente para suministrar energía al sistema, complementada por la carga de la batería, como se muestra en la Figura 3; cuando el sistema usa más potencia que el límite de la fuente de alimentación de entrada Al mismo tiempo, la batería también puede activar activamente la función de descarga mientras suministra la demanda de potencia requerida al extremo del sistema.

El LD6275 abre el ajuste del voltaje de la batería de dos etapas y la corriente de carga, se puede ajustar dinámicamente de acuerdo con sus necesidades, como para cumplir con las especificaciones japonesas JEITA para ajustar los ajustes del cargador de acuerdo con la temperatura de la batería.

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Dado que el LD6275 en sí mismo consume un pequeño electrodo, es solo 1 ~ 2mA, que puede descuidarse. Por lo tanto, la potencia de calentamiento Pd del CI en sí puede calcularse mediante la siguiente fórmula:

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Vin es el voltaje de la fuente de alimentación de entrada, el rango de trabajo es 4.1V ~ 6V. VBAT es el voltaje de la batería, que se puede configurar de 0 ~ 4,2 V, ICHG es la corriente de carga configurada, que se establece mediante la resistencia externa RCISET. Cuando el voltaje de la batería es inferior a 3V, ingresará al modo de precarga y el IC preajustará internamente para cargar al 10% del ICHG.

Supongamos que una sola batería de iones de litio de 1200 mAh está cargada con una fuente de alimentación de 5,5 V. Cuando la corriente de carga es rápida a 0.7 ° C y el voltaje de la batería es de 3V, el consumo máximo de energía de la operación IC puede estimarse en 1.762W. La potencia máxima, este consumo de energía hará que la impedancia térmica sea 60 ° C / W 3 & Tiempos; El aumento de la temperatura del paquete QFN de 3 mm 127 ° C, incluso si la temperatura ambiente es de 0 ° C, ha excedido la temperatura de funcionamiento máxima permitida de chip de silicio de 125 ° C. Si la corriente de carga está ajustada a 0.6A (0.5C), el aumento de la temperatura del IC puede reducirse a 90 grados, y puede operarse a una temperatura ambiente de 35 grados, por lo que es una corriente prefijada.

Se puede saber a partir de lo anterior que el rango de operación del valor de corriente constante de carga rápida y el voltaje de la fuente de alimentación es bastante importante para el cargador lineal. El problema fundamental con los cargadores lineales es la alta temperatura del chip durante la operación, lo que requiere una compensación entre la corriente de carga y el disipador de calor. Sin embargo, la gama de aplicaciones de cargadores lineales es que no se consideran los productos portátiles que requieren requisitos delgados y ligeros, carcasas de plástico con baja conductividad térmica y disipadores de calor de metal. Finalmente, el diseñador solo necesita reducir la corriente de carga y extender el tiempo de carga a cambio de una menor temperatura de operación. Según los usuarios de productos portátiles, se espera que la carga se complete en 1-2 horas, por lo que los cargadores lineales generalmente son adecuados para aplicaciones de batería de iones de litio de baja capacidad por debajo de 1500 mAh. Para aplicaciones con altas diferencias de voltaje de entrada / salida o aplicaciones de carga de batería de alta capacidad, considere usar un cargador de conmutación síncrono

La Figura 6 muestra el proceso de carga estándar para el cargador de batería Li-Ion. En primer lugar, el IC de carga detecta si hay un modo de protección contra sobrecarga o cortocircuito de salida. Si el sistema es todo normal, entonces se detecta que el voltaje inicial de la batería está por encima de 3 V, que es más alto que 3V. La carga de alta corriente se realiza directamente en el modo de carga rápida. Si la batería es inferior a 3 V, ingrese al modo de precarga, cargue al 10% de la carga rápida, active la batería y evite daños a la batería. Durante la fase de precarga, el voltaje de la batería todavía se detecta en cualquier momento, y después de alcanzar 3V, se puede cortar en el modo de carga rápida.

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En el modo de carga rápida, el voltaje de la batería aumenta a una velocidad mayor. Cuando sube a 4.2V, cambia a una tensión constante de 4.2V, y la corriente está limitada por la resistencia interna de la batería. En este momento, la corriente de carga es como la Figura 1. La etapa CV. A medida que pasa el tiempo, la corriente de carga exhibe una curva exponencial que disminuye, y cuando alcanza el 10% de la corriente ICHG establecida, el cargador se apaga, lo que indica que la carga está completa.

Sin embargo, cuando la batería falla, es posible que la batería no pueda almacenar energía, el voltaje no aumentará y la energía cargada se convertirá en calor. Además de confiar en el mecanismo de protección contra sobretemperatura, el CI también tiene un temporizador de tiempo de espera dentro, independientemente de la batería en este momento. Cuál es el estado de voltaje, siempre que se exceda el tiempo de carga ajustado, el cargador se apaga para lograr la función de usuarios de protección múltiple.

También es posible que el usuario retire la batería después de que se haya completado la carga o la carga sin quitar la fuente de alimentación. Para evitar el peligro, el CI debe tener un mecanismo de detección de presencia de batería como se muestra en las Figuras 7 y 8. El IC de carga extrae la corriente de la batería en un pulso corto (pulso de 2ms cada 370ms). Si la batería está presente, el voltaje de la batería detectado debe ser mayor que un umbral preestablecido; si la batería ha sido desconectada, el IC de carga Cuando se detecta un voltaje bajo, se puede determinar que la batería está desconectada, y el voltaje del terminal de la batería se corta para proteger la seguridad del usuario.

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Conclusión

Las baterías de iones de litio se han utilizado ampliamente en dispositivos portátiles como computadoras portátiles, cámaras de video y comunicaciones móviles debido a sus ventajas de rendimiento únicas. La nueva generación de baterías de iones de litio de polímero se puede diluir, tener una forma arbitraria y una forma arbitraria, mejorando en gran medida la flexibilidad del diseño de la batería. Al mismo tiempo, la energía de la unidad de la batería de iones de litio de polímero es un 20% más alta que la de la batería de iones de litio general actual, y su capacidad y el rendimiento ambiental se mejoran en comparación con la batería de iones de litio. Por lo tanto, es previsible que el futuro de los cargadores de baterías de iones de litio también sea hacia la tendencia de desarrollo futuro hacia tasas de carga más rápidas y una protección más robusta del sistema.


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