Încărcătoare Li-Ion. Studiu

Încărcător acumulatoare Li-Ionimage001

 

Acumulatoarele Li-ion sunt extrem de folosite in acest moment, avand avantaje importante fata de fata de mai vechile generatii de acumulatoare, cum ar fi cele cu Plumb, NiCr, NiMh.

Toata aparatura moderna foloseste astfel de acumulatoare, iar rezultatatele sunt in general pe masura asteptarilor teoretice:

–          Densitate energetica ridicata;

–          Nu contin elemente toxice, cum sunt Cadmiu si Mercur.

–          Nu prezinta efectul de memorie;

–          Sunt usor de intretinut;

–          Au curenti mici de autodescarcare (raman mai mult timp incarcate);

–          Nu necesita formatare.

–          Anumite modele de acumulator Li-Ion pot furniza curenti foarte mari (spre exemplu in scule electrice portabile).

Ca dezavantaje se pot enumera:

–          Necesita circuite de protectie la supra-incalzire, supra-incarcare si  supra-descarcare (supracurent);

–          Imbatranirea unora dupa numai 2-3 ani de utilizare sau nu;

–          Sensibilitate la temperaturi extreme;

–          Pericol de a exploda;

Unul din modelele cele mai economice de celule Li-Ion sunt cele de format cilindric denumite 18650 (diametru 18mm x lungime 65.2mm). Acestea se pot regasi in notebook-uri, laptop-uri, lanterne, scule electrice de mana, sub forma unor seturi.

Trebuie remarcat aici ca ceea ce numim generic acumulator Li-Ion, reprezinta de fapt un set de 1 sau mai multe celule Li-Ion legate in serie sau paralel.

Aminteam mai sus ca acumulatoarele Li-Ion pot avea o durata de viata limitata. Unul din motivele pentru care se intampla asta consider ca este acela al încărcării defectuoase. Marea majoritate a incarcatoarele folosite sunt de tip rapid, adica folosesc curenti mari de incarcare pentru a incarca rapid acumulatoarele; de asemenea, toate aceste incarcatoare incarca la maximum sau supraincarca celulele de acumulator, reducand astfel durata de viata a acestora.

Celulele Li-Ion se comercializeaza intro gama larga de forme, tensiuni si capacitati. Tensiunile uzuale sunt cele de 3,3V / 3,6V / 3,7V / 3,78V. Cu siguranta cele mai uzuale sunt cele cu tensiunea nominala de 3,7V. Acestea se pot incarca pana la maxim 4,2V. Iata mai jos o pagina din foaia de catalog a unei celule Li-Ion Sanyo de 3,7V/800mA:

image002

Scopul acestui articol este de a aduce o contributie la incarcarea corecta a acumulatoarelor, aratand diverse modalitati de control al incarcarii. Prelungirea duratei de viata a unui acumulator inseamna si incarcarea lui corecta, iar cunoasterea  specificatiilor acumulatoarelor este foarte importanta in acest scop.

Iata un exeplu de incarcator ieftin, care poate distruge acumulatorul d-voastra de tip 18650. El se livreaza in special impreuna cu lanternele cu acumulator si determina distrugerea prematura a acumulatorului (care de obicei nici nu este de f. buna calitate la aceste gadgeturi):

image003

Pot fi folosite in locul acestuia incarcatoare universale, alimentate la retea sau la portul USB. Portul USB furnizeaza o tensiune de 5V si un curent mergand pana la 1A~1,5A in anumite cazuri, deci poate fi o sursa valabila pentru acest scop:

image004 image005

Exemplele de mai sus se pot gasi la preturi de 1-2$ si mai au nevoie doar de un suport pentru acumulator si un cablu USB pentru a se transforma in incarcatoare complete; ele permit prin cele 2 leduri montate pe cablaj monitorizarea incarcarii, dar nu permit in general reglarea curentului sau a tensiunii de incarcare. Aceste PCB-uri sunt facute cu circuite integrate SMD specializate.

image001

Încărcătorul DIY gata asamblat într-o cutie transparenta (construcție proprie)

Cele mai multe sunt facute pentru acumulatoare de 3,7V (maxim 4,2V), deci trebuie prudenta la alegerea lor!  Am gasit ca mai toate permit încărcarea la curenți de circa 1A daca sunt montate intrun port USB de putere.

Un încărcător de buna calitate permite si alegerea curentului de incarcare si poate afisa tensiunea si capacitatea fiecarei celule. De obicei insa, nu se poate modifica tensiunea maxima la care va fi incarcata respectiva celula (asa zisa valoare cutt-off).

image007

Chiar daca încărcătoarele din comerț au un preț atrăgător si răspund majorității nevoilor curente, electronistul amator poate găsi necesara construirea unui astfel de aparat.

In continuare va voi prezenta o schema foarte folosita si cunoscuta creata de Scott Henion, pe care am adaptat-o si pe baza căreia am făcut aproximativ 10 incarcatoare in ultimii 2 ani:

image008Dati click pe schema pentru marire

Schema de mai sus permite incarcarea uneia sau mai multor celule Li-Ion cu curenti intre 65mA ~ 1250mA, tensiuni reglabile in limite largi, si anume 3V ~ 21V. Chiar daca schema este atat de versatila, eu am ales sa incarc doar un singur acumulator de tip 3,7V si cu un curent de circa 430mA, acest din urma curent fiind ales pe motivul ca nu imi incalzeste acumulatoarele de 2800mA folosite. Pastrarea foarte reci a acumulatoarelor nu are un efect direct asupra duratei lor de viata dar o temperatura redusa elimina in buna parte riscul ca acestea sa explodeze in timpul incarcarii.

Tensiunea de incarcare se poate regla din semireglabilul –recomandat- multitura RV4. Numarul de celule inseriate ce vor fi incarcate simultan se alege din rezistenta R2 iar curentul de incarcare din ajustarea rezistentei R1. Schema este deosebit de simpla. Dupa executarea montajului si verificarea atenta, se alimenteaza si se verifica tensiunea la iesire in gol; aceasta trebuie sa fie de circa 4,2V daca s-a ales varianta pentru o singura celula de 3,7V. Tensiunea se ajusteaza cu mare grija folosind un voltmetru de (foarte) buna calitate. Valoarea acestei tensiuni reprezinta tensiunea maxima cu care va fi incarcat acumulatorul si nu trebuie depasita valoarea indicata de producator. Cu montajul in gol, ledul de pe acesta nu trebuie sa lumineze; facand insa un scurtcircuit la bornele de iesire, ledul trebuie insa sa se aprinda, el aratand de fapt ca intre bornele de iesire circula un curent. Cu montajul executat corect, ledul sta aprins pe toata durata incarcarii acumulatoruluii iar la sfarsitul acesteia se va stinge intrun interval de timp de circa 2~3 minute.

Literatura de specialitate precizeaza ca incarcarea acumulatoarelor la tensiunea maxima micsoreaza durata de viata a acestora. Solutiile de back-up profesionale folosesc acumulatoare Li-Ion ce sunt incarcate cu mult sub aceasta tensiune, ceea ce da o mai mare siguranta respectivului echipament.

Cele mai multe incarcatoare Li-Ion incarca la 4,20V si fiecare reducere cu 0,10V/celula a acestei tensiuni se spune ca dubleaza durata de viata a acesteia. Spre exempu, celulele litiu-ion incarcate la 4,2V a o viata estimata la 300~500 cicluri de incarcare. Daca sunt incarcate cu doar 4,10V, speranta de viata creste la 600~1000 cicluri; la 4,00V/celula creste numarul de reicarcari la 1200~2000 iar la 3,90V/celula se estimeaza posibilitatea de reincarcare de 2400~4000 ori a celulei litiu-ion.

Cea mai mare longevitate a acumulatoarelor se atinge se pare pentru o tensiune maxima de incarcare de 3,92V, deoarece aceasta reduce la maxim stresul legat de tensiune a acestora [batteryuniversity]:

Charge level (V/cell) Discharge cycles Capacity at full charge Table 4: Discharge cycles and capacity as a function of charge voltage limit

Every 0.10V drop below 4.20V/cell doubles the cycle but holds less capacity. Raising the voltage above 4.20V/cell would shorten the life.

Guideline: Every 70mV reduction in charge voltage keeps 10% of usable capacity vacant

[4.30]

4.20

4.10

4.00

3.92

[150 – 250]

300 – 500

600 – 1,000

1,200 – 2,000

2,400 – 4,000

~[114%]

100%

~86%

~72%

~58%

 

Iata deci ca realizarea unui incarcator propriu Li-Ion poate aduce beneficii majore utilizatorului!

Cum spuneam, multe dispozitive electronice sunt echipate cu seturi de mai multe celule Li-Ion identice montate de obicei in cascada/serie. Schema data mai sus permite incarcarea tuturor celulelor acumulatorului simultan. Dar acest lucru presupune ca toate celulele Litiu sa fie identice si sa se incarce in acelasi fel. Experientele au aratat ca lucrurile nu stau asa, intre celule existand intotdeauna dezechilibre care fac ca modalitatea de a incarca in cascada celulele sa nu duca la cele mai bune rezultate. Mai precis, unele celule vor fi supraincarcate iar altele vor fi incarcate sub capacitatea dorita. Aceasta duce dupa mai multe cicluri de incarcare la distrugerea acumulatorului ca ansamblu.

Evident ca scoaterea fiecarei celule din acumulator si incarcarea ei separata nu este o solutie practica! Incarcarea lor separata se poata face insa chiar in interiorul acumulatorului, prin incarcatoare speciale ce asigura echilibrarea celulelor. Acest tip de incarcator se numeste in general Balancer, si presupune ca sa existe acces la bornele fiecarei celule in parte a acumulatorului respectiv.

image009

Incarcator cu echilibrarea celulelor DIY

Se observa in imaginea de mai sus ca acumulatorul masinii de gaurit portabile a fost dotata cu un conector cu 4 terminale ce asigura accesul la toate cele 3 celule din interior. Este vorba aici de un acumulator de Li-Ion de 12V (12,6V maxim).

image010

Vedere dinspre mufele acumulatorului si incarcatorului

image011Schema legare conector original si conector încărcare a acumulatorului

 

image012

Schema încărcătorului cu echilibrare (Balancer)

Schema contine un transformator cu 3 iesiri identice, separate galvanic, fiecare de aproximativ 7,5V, la fiecare infasurare fiind cuplat un incarcator separat, realizat dupa schema data anterior.

image013

Acumulator in timpul incarcarii. Ledul albastru (power), ledurile rosii sunt cate una pe fiecare canal

Reglarea tensiunii pe fiecare canal trebuie facuta cat mai exact, astfel incat toate celulele sa se incarce identic. Folositi un voltmetru de buna precizie pentru aceasta. De asemenea alegeti cu grija tensiunea maxima la care veti incarca fiecare celula, punand in balans capacitatea la care doriti sa incarcati cu durata de viata (numarul de cicluri incarcare) dorit.

 

Links: