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현대의 충전 회로는 전형적으로 배터리에 조정된 정전류를 흘리다가, 전류를 점차적으로 감소시켜서 조정된 완충전 전압으로 충전을 종료한다. 이러한 형태의 충전기를 Figure 4에 보이고 있는데, 이러한 충전 방식을 정전류/정전압 (CC/CV) 방식이라고 한다.
리튬 배터리 충전 설계 가이드 : 네이버 블로그
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리튬배터리 1S(4.2V) 3A충전회로 간단설명
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리튬이온충전기 회로도
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배터리 충전회로 – 검색결과 | 쇼핑하우
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[논문]리튬-이온 배터리 충전 IC의 설계
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리튬-이온 배터리 충전 IC의 설계
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A Design of Charger IC for Li-Ion Battery
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![[논문]리튬-이온 배터리 충전 IC의 설계](https://scienceon.kisti.re.kr/images/usr/scienceon_og.png)
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리튬 배터리 충전 설계 가이드
By Steven Keeping
Contributed By Hearst Electronic Products
2012-09-25
리튬이온(Li-ion)배터리는 랩탑 컴퓨터와 스마트 폰과 같은 포터블 기기에서 가장 대중적인 것이 되었는데 그것은 어떤 상업용 배터리 기술보다 체적당 에너지 밀도가 가장 높기 때문이다.
또 다른 이점은 수천번의 재충전 횟수와 초기 NiCd 충전 배터리에서 나타났던 메모리 효과가 없다는 것이다.
그러나, 설계에 있어서는 힘든 도전이 되어왔다. 리튬은 강 반응성 물질로서 예를 들어 만일 물과 접촉하면 폭발을 일으킬 것이다. 엔지니어와 과학자들은 저렴하고 신뢰성이 있으며 안전한 배터리를 만드는데 있어 리튬의 이점을 활용한 신 물질을 개발하려 노력 해 왔다.
그렇지만, 현대 리튬 이온 셀을 과 충전하는 경우에는 영구적인 손상이나 심한 경우 불안정해지고 잠재적인 위험이 있을 수 있는데, 이러한 문제를 차단하려면 리튬 이온 배터리는, 리튬 셀 타입에 맞추어 세심하게 조정되는 정전류/정전압 관리 하에 충전을 할 필요가 있다.
배경
충전 리튬 이온 배터리는 포터블 기기 산업의 중심으로서, 이것이 없이는 포터블 기기는 배터리 크기와 무게 때문에 그야말로 포터블 할 수가 없을 것이다.
제조자가 신뢰성이 있는 수 억 개의 리튬 이온 배터리를 매년 양산할 수 있는 기술을 개발하는 것은 오랫동안의 숙원이었다.
1970년대 초기, 양극으로서 티타늄 황화물을 음극으로 순수 리튬 금속을 사용한 시도가 있었다.
티타늄 황화물은 층간 화합물로서, 이러한 물질은 여러 겹의 크리스탈 결정 구조로 되어있어서 다른 물질의 원자, 이온, 분자 등이 이동을 해서 레이어 사이에 잔존하는 것이 가능하다.
방전 시 리튬 이온은 음극으로부터 양극으로 이동하며, 충전은 반대 방향으로 리튬 이온을 되돌린다.
충 방전을 많이 한 이후에 리튬 전극이 수지상 결정을 형성하는데, 순수 금속 상에 형성되는 날카로운 스파이크 형태의 수지상 결정은 아주 반응 성이 강해서 화재나 폭발의 위험이 있다.
순수 리튬 금속 전극을 대체하기 위한 리튬 이온 소스로서의 리튬 계 층간 화합물의 개발로 인해 돌파구가 마련 되었다.
수많은 실험을 거쳐서 과학자들은 공기 중에서 안정한 물질인 리튬 코발트 산화물을 결정 하였다.
기초
모든 형태의 충전 배터리, 납축전지,NiMH, 니켈 카드뮴(NiCd), 리튬 이온 혹은 니켈 수소나 리튬 인산철 (LiFePO4)과 같이 좀더 특이한 형태의 배터리라도 같은 원리로 동작한다.
각 형태는 가역적 전기 화학 반응을 이용 하는데, 충전은 에너지를 축적하는 셀에 전류를 공급하는 것으로 이루어지며, 반대의 반응에 의해 에너지가 방출된다.
리튬계 기술이 매력이 있는 두 가지 주요 이유는, 리튬은 가장 양전기 적 금속(즉, 높은 양전하를 지닌다)으로서 다른 충전 방식보다 높은 전압을 얻으며 (1.2~1.5V인 니켈계 배터리에 비해 약 3.6V), 가장 가벼운 금속 (실제로, 수소나 헬륨 정도 만이 더 가볍다) 으로 다른 어떠한 금속보다 Kg당 더 많은 에너지를 축적한다 (납이 260 AHr/ Kg인데 비해 약 3,900Ahr/Kg 이다).
리튬 이온은 원자보다 반응성이 낮아서 더욱 안전한 배터리제조가 가능하기 때문에 현대의 배터리에 사용된다.
오늘날의 리튬이온 배터리는 양극과 음극에 두 개의 층간 화합물을 사용하는데, 양극에는 LiCoO2, 음극에는 흑연이 사용된다.
배터리에 전류를 인가하면 이온이 산화코발트 격자에서 흑연으로 이동하게 되며(Figure.1), 프로세스 중에 양의 물질은 산화하며 음의 물질은 환원 한다.
하나의 전극으로부터 다른 전극으로의 이동은 이온의 전위 에너지를 높이게 되며, 배터리가 어떤 기기에 전원을 공급하는 경우 이온이 반대로 이동하게 되어 원래의 반응 시 축적 했던 에너지를 방출하게 된다.
Figure 2에 이 과정을 보이고 있다.
Figure 1: 리튬 이온 배터리에서 리튬 원자가 하나의 층간 화합물에서 다른 층간 화합물로 이동해서 충전이나 방전을 한다.
Figure 2: 리튬 이온 충 방전 반응.
아주 쉬운 과정 같지만 위험성이 있어서, 만일 배터리가 과 충전 되면 대형 사고가 일어날 수 있는데, 리튬 이온 베터리 발명자인 소니는 과 충전을 하게 되면 수 많은 리튬 이온이 산화 코발트 격자에서 이탈하여 해체가 일어날 수 있다는 것을 알게 되었다.
그리고, 흑연에 너무 많은 이온이 있게 되면 적은 양의 리튬 금속이라도 배터리를 불안정하게 하고 잠재적인 위험성을 내포하게 된다.
유연한 배터리
리튬 이온 배터리의 초기 버전에서 전극이 액체 전해액으로 분리가 되었으나 이후 버전에서는 새로 개선이 되어 이온이 이동 가능한 전해액을 함유하는 세퍼레이터가 사용되었다.
이후 버전에서는 다공질의 세퍼레이터가 전해 젤에 담기었는데, 이로 인해 오늘날의 날씬한 모바일에 공통적인 디자인인 샌드위치 구조를 사용하는 배터리가 가능하게 되었다(Figure3).
여기에서 한발 더 진보한 것이 액체 전해질이나 젤 타입의 세퍼레이터 대신에 고체 폴리머를 사용하는 리튬 폴리머 셀이다.
Figure 3: 현대적 소재로 인해 얇은 리튬 이온 배터리 제조가 가능 해짐.
리튬 폴리머 배터리는 전통적인 리튬 이온 셀에 비해 몇 가지 이점이 있는데, 제조 단가가 저렴하고 어떠한 형태로도 제조가 가능하며 더 튼튼하다.
한가지 단점은 이온이 액체 전해액에 비해 고체 폴리머를 지날 때 느리다는 것인데, 이 때문에 폴리머가 아주 얇지 않은 한 충전에 시간이 더 걸린다는 것이다.
리튬 이온 충전 규칙
리튬 이온 배터리의 과 충전에 대한 취약성 때문에 아주 엄격한 충전 절차가 요구되고 있으나, 단지 그것만이 문제는 아닌데, 아주 약간의 미 충전에 의해 용량이 크게 줄어든 다는 것이다.
예를 들어, 최적 풀 충전 전압의 1.2% 정도 미 충전되면 용량은 현저하게 9% 감소한다, 따라서 설계자는 셀의 최적 풀 충전 전압의 1% 내로 셀을 충전하여 배터리의 최대 용량을 쓸 수 있도록 하는 것을 목표로 하여야 한다.
현대의 충전 회로는 전형적으로 배터리에 조정된 정전류를 흘리다가, 전류를 점차적으로 감소시켜서 조정된 완충전 전압으로 충전을 종료한다.
이러한 형태의 충전기를 Figure 4에 보이고 있는데, 이러한 충전 방식을 정전류/정전압 (CC/CV) 방식이라고 한다.
Figure 4: 리튬 이온 정전류-전압 충전기의 회로.
만일 배터리가 예를 들어 3V 이하로 깊게 방전이 되면, 셀이 완충전 전류를 받아드릴 수 있을 때까지 완충전 전류의 10% 정도인 사전 규정 충전 전류가 흘러서 셀이 과열 되는 것을 방지한다.
정전류 모드인 동안에는 배터리는 1C 혹은 그 이하로 충전이 진행되며 배터리 전압이 4.1V에 이를 때까지 정 전류 모드가 지속 된다.
4.1V까지 급속 충전을 하면 최초 단계 끝에서 저속 충전에 비해 배터리 충전 량이 낮은 것에 유의하기 바람.
예를 들어 0.7C로 충전하는 경우 초기 가속에도 불구하고 4.1V에 도달했을 때 50~70% 용량이 되는 것에 비해 0.18C 이하로 충전하면 훨씬 시간이 더 걸리지만 전압이 4.1V에 도달하자마자 풀 충전이 된다.
배터리 전압이 4.1V에 이르면 충전은 정전압 모드로 전환되어 과 충전이 되는 것을 방지하게 된다.
우수한 충전기는 정전류 모드에서 정전압 모드로 부드럽게 전환되어 배터리에 위해를 가하지 않고 최대 충전 용량에 도달할 수 있도록 한다.
정전압 모드에서는 전류는 약 0.1C로 되어 충전이 종료될 때까지 감소 된다.
만일, 충전기가 배터리에 연결된 채로 있다면 주기적으로 만충전이 되도록 해서(top up충전- 리필)
배터리의 자기 방전에 대응하는데, 배터리의 개방 전압이 3.9~4V 이하로 되면 top up충전이 시작되고 만 충전 전압 4.1~4.2V가 되면 종료된다.
전형적인 리튬 이온 충전 과정을 Figure 5에 보이고 있다.
Figure 5:리튬이온 충전 개요- 배터리 전압이 4.1V가 되기 전에는 정전류 법을 사용하며 4.1V이후 정전압을 사용하여 top-up충전함.
배터리 충전 솔루션
많은 반도체 칩 제조사가 리튬이온 배터리 충전을 제어하는 칩을 생산하고 있는데, 이러한 소자를 사용하여 스탠드얼론 배터리 충전기나 제품의 일부로서의 충전 회로의 설계를 단순화 할 수 있다.
예를 들어 National Semiconductor 는 핸드헬드 기기용 단일 칩 충전 ICLM3658 을 내놓고 있는데, 이 칩은 AC 어댑터나 USB 전원으로부터 단일 셀 리튬 이온이나 리튬 폴리머 배터리를 안전하게 충전 및 유지 관리한다.
LM3658은 다섯 가지 모드로 동작하는데, 사전 심사 모드, 정전류 모드, 정전압 모드, top-off 모드, 유지보수 모드이다. 제조사에 의하면 최의 배터리 관리는 발열 규제, 온도 측정과 복수의 안전 타이머를 통해 얻어진다고 한다.
Intersil 에서는 ISL9220을 공급하고 있는데, 제조사에 의하면 단일 혹은 2셀 리튬 이온과 리튬 폴리머 포터블 배터리 충전기용으로서 가격적 합리성과 편리성이 있다고 한다.
이 소자는 동기식 PWM 기술을 채용하고 있는데, 파워 효율을 극대화하고 충전 시간과 열을 최소화 한다고 한다.
외부 저항에 의해 급속 충전과 충전 종지 전류를 설정한다.
추가 기능으로서 과충전, 자동 재충전의 사전 설정과 열적으로 개선된 QFN 패키지 등이 있다.
Figure 6에 2셀 리튬 이온 배터리 충전회로를 보인다.
Figure 6: Intersil의 9220 리튬 이온 배터리 충전 IC의 응용 회로.
MAXIM사의 MAX1551은 외부 FET나 다이오드 없이 단일 셀 리튬 이온 배터리를 충전하며, 입력 전압은 7V까지 허용한다.
제조사에 따르면 온칩 써말 리미트 회로로 인해 보드 레이아웃을 단순화 할 수 있고, 최악의 배터리나 입력 전압 시 요구되는 써말 리미트 없이 최적의 충전율을 허용한다고 한다.
DC 전원이 연결될 때 충전 전류는 280mA typ로 설정 된다고 하며 배터리 방전을 방지하기 위한 입력 차단 다이오드가 필요치 않다고 한다.
Fairchild Semiconductor, Linear Technology,STMicroelectronics, Texas Instruments 등의 몇 개의 업체들이 집적화 된 리튬 이온 배터리 충전용 IC를 제조하고 있다.
앞으로 나아갈 길
현대의 핸드헬드 기기와 모바일 기기에 사용되는 얇고, 가볍고, 신뢰성 있는 전원으로서 리튬 이온 배터리의 개발은 수 십년 동안 엔지니어와 과학자들의 숙원이었다.
그럼에도 기술이 완전히 성숙되기까지는 아직 갈 길이 멀고 현재는 리튬의 고 전위에 의한 에너지 밀도를 최대화 할 수 있는 층간 화합물의 개발에 초점을 맞추고 있다.
리튬 이온 파워 팩으로부터 최대 효율을 이끌어내고, 셀에 데미지를 주어 위험하게 될 수 있는 과충전을 피해서 CC/CV 에 의해 충전이 안전하게 이루어져야 한다.
References:
1. “Hooked on Lithium,” The Economist, June 2002.
2. “Comments on the History of Lithium-Ion Batteries,” Ralph J. Brodd, Broddarp of Nevada, Inc.
3. Harding Battery Handbook, Harding Energy Inc., January 2004.
4. “Accurate, Compact, and Power-Efficient Li-Ion Battery Charger Circuit,” IEEE Transactions on Circuits and Systems – II: Express Briefs, Vol. 53, No. 11. Min Chen and Gabriel A. Rinco?n-Mora, November 2006.“Challenges in Li-ion charging,” David Hamo, Semtech, Electronic Products, August 2003.
리튬배터리 1S(4.2V) 3A충전회로 간단설명
리튬배터리 1S(4.2V) 3A충전회로 간단설명 합니다.
리튬배터리를 이용하다보면 충전전류가 높았으면하는 얘기들을 많이하십니다.
리튬배터리중에 폴리머와 이온(18650)의 만충전압대는 4.2V가 대부분이였으나 시대의 변화에따라 4.35V도있고 더 높은것도 있다고 알려져있습니다.
그러나 아직 4.2V 배터리가 더 흔하기에 4.2V 충전회로중에서 3A 충전전류값을 보유하고있는 충전회로를 설명드릴께요.
판매자 홈페이지(중국사이트 알리나 타오바오에 있는 스펙입니다.)
4.2V 3A 충전회로 C타입 사양
모델: AILAVI-0503V1
주요 칩: IP2312
입력 전압: 4.5 ~ 5.5 v
충전 차단 전압: 4.2 v/4.35 v (출력 전압은 2 버전에서 사용할 수 있습니다) =>이건 중국쪽 제품주문시 신청
충전전류 세팅: 3a (저항을 조정해서 충전전류값을 바꿀 수 있습니다)
*표시등 색상
빨간색: 작업(충전중) 표시.
파란: 만충시 표시
변환 효율: 3a 93%, 2a 94%, 1a 95% (데이터 참조 전용)
The IP2312 사용합니다 전체 CC/CV 충전.
리튬배터리(18650) 전압이 3V이하일시 트리클충전모드 들어갑니다 트리클 충전 모드 충전하는 배터리 충전 전류 100mA 이며
리튬배터리 전압이 3V초과시 충전모드가 충전전류세팅한 정전류 세팅값으로 충전
리튬배터리 전압이 4.2v 가깝고 충전 전류가 300ma 미만인 경우 정전압 충전 모드로 동작합니다. 정전압 모드에 들어가는 후에 충전은 각 4분후에 멈추고, 건전지 전압은 4.15 v 보다는 더 높게 검출됩니다.
4.15 v 보다는 더 높은 경우에, 충전이 멈추어집니다. 그렇지 않으면 충전이 계속되고 4 분 후에 검출이 수행됩니다.
리튬배터리 충전만충표시는 완전히 충전된것을 검출하다 리튬배터리 전압은 4.1V에 켜집니다
충전 전류 조정 지침:
기본 3a, 저항 2a 제거, 135 k 저항 1a로 교체
요렇게 생긴게 IP2312칩을 사용한 리튬배터리 1S 4.2V 3A 충전회로입니다.(별도 주문시 4.35V 충전회로만들어줍니다만 네이버 자작카페인 비타캠핑에는 4.2V만 구매가능하네요)
DC제품과 자작을 하실때 기본알아야하는 기호중에 IN 은 입력전압쪽을 표시해주는거고 BAT는 배터리쪽을 얘기하는겁니다.
+극성은 적색, -극성은 검정색입니다.
좌측에 입력단자가 2가지타입니다. 전선으로 연결할수있는 IN단자가 있기에 별도로 납땜해서 사용하시면 됩니다.
요즘에 많이 사용하는 스마트폰 아답터(충전기가 아닙니다. 스마트폰은 폰내부에 충전회로가있습니다) 타입에 C타입을 이용할수있습니다.
입력단자는 IN단자와 C타입케이블연결단자가 있네요.
리튬배터리 1S 3A 충전회로에는 엘이디가 2개가 있는데 적색은 충전시표시되고
파란색은 만충근처 전압시부터 점등됩니다.(전압측정시 4.2V가 아니여도 점등됩니다.)
위 회로에는 충전전류값을 수정할수있는데 특정저항값을 바꿔주면 충전전류가 변합니다.
기본 적인값은 사진에 있듯이 135K옴 저항으로 변경시 충전전류는 1A가 됩니다.
특정회로에서보면 발열이 난다고하죠.
발열은 그회로의 최대스펙근처사용시 많이 나고 스펙보다 많이낮게 사용시 발열은 줄어듭니다.
충전회로들은 저전압일때 발열이 높고 리튬배터리 전압이 올라갈수로 자동으로 충전전류가 낮아지기에 충전회로 발열도 줄어듭니다.
발열을 줄이는방법은 충전회로의 저항값을 변경하여 충전전류를 줄이던가
별도의 방열판을 추가하거나 팬설치, 공기의 흐름을 원활하게 해주는 방법이 있습니다.
저 회로의 저항값을 135,000 / 50K옴(50,000) = 약 2.7A로 충전전류가 변경됩니다.
135,000 / 100K(100,000) = 약 1.35A로 충전전류가 됩니다.
그다음 상식으로 배터리에도 권장 충전전류값이있습니다.
그 권장충전전류값 이상으로 충전시 배터리에는 데미지가 쌓이게됩니다.
데미지란 배터리의 수명과 안전과도 밀접한 관계가 있기에 될수있으면 사용하시는 배터리의 충전전류값이하로 충전권장드립니다.
두개의 18650 배터리의 스펙입니다.
권장 충전전류는 0.5C라고 적혀있는데 C라고 적혀있으니 이해안되시는분들이 있을건데요.
충전전류 C란것을 간단히 얘기하면 몇 %다 라고 생각하시면됩니다.
1C가 100% 0.5C란 50%라고생각하시면 됩니다.
엘지 S3 2200mAh 배터리의 권장 0.5C(이하로)의 충전전류값은 약1.1A이하로 이해하시면됩니다.
엘지 C4 2850mAh 배터리의 권장 0.5C(이하로)의 충전전류값은 약1.4A이하로 이해하시면됩니다.
자 그러면 위에 충전회로가 3A라고하면 배터리의 용량은 최소 9000mAh이상되어야겠지요.
무조건 용량이 높다고 좋은게 아닙니다.
추가로 충전회로가 3A인데 입력전류가 2A라면 충전회로에는 발열이 줄겠지만 그입력하는 아답터는 발열이 증가하니 꼭 충전회로 전류값과 입력전류(먹는게 싸는거보다 높아야겠지요)의 전류값 비율을 맞춰야합니다.
입력과 출력의 W로 계산하는것은 5V 3A = 15W , 4.2V 3A = 12.6W
입니다.
다음 게시물에서는 새로운 취미 애호가가 집에서 쉽게 구성 할 수있는 LM317 및 NE555와 같은 일반 IC를 사용하여 리튬 이온 배터리를 충전하는 간단하면서도 안전한 네 가지 방법을 설명합니다.
Li-Ion 배터리는 취약한 장치이지만 충전 속도로 인해 배터리가 과열되지 않고 사용자가 셀의 충전 시간이 약간 지연되는 것을 염두에 두지 않으면 간단한 회로를 통해 충전 할 수 있습니다.
배터리의 급속 충전을 원하는 사용자는 아래 설명 된 개념을 사용하지 말고 대신 다음 중 하나를 사용할 수 있습니다. 전문 스마트 디자인 .
리튬 이온 충전에 대한 기본 정보
리튬 이온 충전기의 구성 절차를 배우기 전에 리튬 이온 배터리 충전과 관련된 기본 매개 변수를 아는 것이 중요합니다.
납축 배터리와 달리 리튬 이온 배터리는 배터리 자체의 Ah 등급만큼 높을 수있는 상당히 높은 초기 전류에서 충전 할 수 있습니다. 이것은 1C 속도로 충전하는 것으로, 여기서 C는 배터리의 Ah 값입니다.
이 말은 온도 상승으로 인해 매우 스트레스가 많은 조건에서 배터리를 충전하는 것을 의미하기 때문에이 극한 속도를 사용하는 것은 절대 권장하지 않습니다. 따라서 0.5C 속도는 표준 권장 값으로 간주됩니다.
0.5C는 배터리 Ah 값의 50 % 인 충전 전류 속도를 나타냅니다. 열대 여름 조건에서는이 비율조차도 기존의 높은 주변 온도로 인해 배터리에 불리한 비율로 바뀔 수 있습니다.
리튬 이온 배터리를 충전하려면 복잡한 고려 사항이 필요합니까?
절대적으로하지. 이 배터리는 실제로 매우 친근한 형태의 배터리이며 최소한의 고려 사항으로 충전되지만 이러한 최소한의 고려 사항은 필수이며 반드시 따라야합니다.
중요하지만 구현하기 쉬운 몇 가지 고려 사항은 완전 충전 수준에서 자동 차단, 정전압 및 정전류 입력 공급입니다.
다음 설명은이를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
다음 그래프는 표준 3.7V 리튬 이온 셀의 이상적인 충전 절차를 제시하며, 전체 충전 수준은 4.2V입니다.
스테이지 1 : 초기 단계 # 1에서 배터리 전압이 1A 정전류 충전 속도로 약 1 시간 만에 0.25V에서 4.0V 수준으로 상승하는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 파란색 선으로 표시됩니다. 0.25V는 표시 목적으로 만 사용되며 실제 3.7V 셀은 3V 미만으로 방전되어서는 안됩니다.
2 단계 : 2 단계에서 충전은 포화 전하 상태 , 전압이 4.2V의 완전 충전 레벨까지 최고치에 도달하고 전류 소비가 떨어지기 시작합니다. 현재 속도의 이러한 하락은 다음 몇 시간 동안 계속됩니다. 충전 전류는 빨간색 점선으로 표시됩니다.
3 단계 : 전류가 떨어지면 셀의 Ah 정격의 3 %보다 낮은 최저 레벨에 도달합니다.
이 문제가 발생하면 입력 공급 장치가 꺼지고 셀이 1 시간 더 안정됩니다.
1 시간 후 셀 전압은 실제 충전 상태 또는 SoC 세포의. 셀 또는 배터리의 SoC는 완전히 충전 된 후 얻은 최적의 충전 수준이며이 수준은 주어진 애플리케이션에 사용할 수있는 실제 수준을 보여줍니다.
이 상태에서 우리는 세포 상태를 사용할 준비가되었다고 말할 수 있습니다.
4 단계 : 셀을 장기간 사용하지 않는 상황에서는 수시로 충전이 적용되며, 셀에서 소모되는 전류는 Ah 값의 3 % 미만입니다.
그래프는 4.2V에 도달 한 후에도 충전되고있는 셀을 보여 주지만, 그게 리튬 이온 전지의 실제 충전 중에는 엄격히 권장하지 않습니다. . 셀이 4.2V 레벨에 도달하자마자 전원이 자동으로 차단되어야합니다.
그렇다면 그래프는 기본적으로 무엇을 제안합니까?
위에서 설명한대로 고정 전류 및 고정 전압 출력이있는 입력 공급 장치를 사용하십시오. (일반적으로 이것은 인쇄 된 값보다 14 % 높은 전압, Ah 값의 50 % 전류, 이보다 낮은 전류도 훌륭하게 작동하지만 충전 시간은 비례 적으로 증가 할 수 있습니다.) 충전기는 권장되는 완전 충전 수준에서 자동으로 차단되어야합니다. 입력 전류가 배터리의 온난화를 유발하지 않는 값으로 제한되는 경우 배터리의 온도 관리 또는 제어가 필요하지 않을 수 있습니다.
자동 차단 기능이없는 경우 정전압 입력을 4.1V로 제한하기 만하면됩니다.
1) 단일 MOSFET을 사용하는 가장 간단한 리튬 이온 충전기
가장 저렴하고 가장 간단한 리튬 이온 충전기 회로를 찾고 있다면이 회로보다 더 좋은 옵션이있을 수 없습니다.
이 설계는 온도 조절이 없으므로 더 낮은 입력 전류를 권장합니다.
단일 MOSFET, 프리셋 또는 트리머 및 470ohm 1/4 와트 저항기 만 있으면 간단하고 안전한 충전기 회로를 만들 수 있습니다.
출력을 Li-Ion 셀에 연결하기 전에 몇 가지 사항을 확인하십시오.
1) 위의 설계는 온도 조절을 포함하지 않기 때문에 입력 전류는 셀을 크게 가열하지 않는 수준으로 제한해야합니다.
2) 셀이 연결되어야하는 충전 단자에서 정확히 4.1V가되도록 사전 설정을 조정합니다. 이 문제를 해결하는 가장 좋은 방법은 사전 설정 대신 정밀한 제너 다이오드를 연결하고 470ohm을 1K 저항으로 교체하는 것입니다.
전류의 경우 일반적으로 약 0.5C의 정전류 입력이 적합합니다. 즉, 셀의 mAh 값의 50 %입니다.
현재 컨트롤러 추가
입력 소스가 전류 제어되지 않는 경우,이 경우 아래와 같이 간단한 BJT 전류 제어 단계로 위의 회로를 빠르게 업그레이드 할 수 있습니다.
RX = 07 / 최대 충전 전류
리튬 이온 배터리의 장점
Li-Ion 전지의 주요 장점은 빠르고 효율적인 속도로 전하를 수용 할 수 있다는 것입니다. 그러나 리튬 이온 셀은 고전압, 고전류 및 가장 중요한 충전 조건과 같은 바람직하지 않은 입력에 너무 민감하다는 평판이 좋지 않습니다.
위의 조건 중 하나에서 충전하면 셀이 너무 뜨거워 질 수 있으며 조건이 지속되면 셀 유체가 누출되거나 심지어 폭발하여 궁극적으로 셀이 영구적으로 손상 될 수 있습니다.
불리한 충전 조건 하에서 셀에 발생하는 첫 번째 일은 온도 상승이며, 제안 된 회로 개념에서는 셀이 고온 유지에 도달 할 수없는 필수 안전 작업을 구현하기 위해 장치의이 특성을 활용합니다. 셀의 필수 사양 아래에있는 매개 변수.
2) LM317을 컨트롤러 IC로 사용
이 블로그에서 우리는 IC LM317 및 LM338을 사용하는 배터리 충전기 회로 가장 다재다능하고 논의 된 작업에 가장 적합한 장치입니다.
여기에서도 IC LM317을 사용하지만이 장치는 연결된 리튬 이온 셀에 필요한 조정 전압과 전류를 생성하는 데만 사용됩니다.
실제 감지 기능은 충전중인 셀과 물리적으로 접촉하도록 배치 된 두 개의 NPN 트랜지스터에 의해 수행됩니다.
주어진 회로도를 보면 세 가지 유형의 보호 동시에 :
설정에 전원이 공급되면 IC (317)는 연결된 리튬 이온 배터리에 대해 3.9V와 동일한 출력을 제한하고 생성합니다.
그만큼 640 옴 저항 이 전압이 완전 충전 제한을 초과하지 않도록합니다. 표준 Darlington 모드로 IC의 ADJ 핀에 연결된 두 개의 NPN 트랜지스터가 셀 온도를 제어합니다. 이 트랜지스터는 다음과 같이 작동합니다. 전류 제한 기 , Li-Ion 전지의 과전류 상황을 방지합니다.
IC 317의 ADJ 핀이 접지되면 상황이 출력 전압을 완전히 차단한다는 것을 알고 있습니다.
트랜지스터가 전도되어 ADJ 핀의 단락이 접지되어 배터리에 대한 출력이 차단되는지 여부를 의미합니다.
위의 기능을 사용하여 Darlingtom 쌍은 몇 가지 흥미로운 안전 기능을 수행합니다.
베이스와 접지에 연결된 0.8 저항은 최대 전류를 약 500mA로 제한합니다. 전류가이 한계를 초과하는 경향이있는 경우 0.8ohm 저항의 전압은 IC의 출력을 ‘초크’하는 트랜지스터를 활성화하기에 충분합니다. , 전류의 추가 상승을 억제합니다. 이는 차례로 배터리가 원하지 않는 전류량을 얻는 것을 방지하는 데 도움이됩니다.
온도 감지를 매개 변수로 사용
그러나 트랜지스터가 수행하는 주요 안전 기능은 리튬 이온 배터리의 온도 상승을 감지하는 것입니다.
모든 반도체 장치와 같은 트랜지스터는 주변 온도 나 체온이 증가함에 따라 전류를 더 비례 적으로 전도하는 경향이 있습니다.
논의 된 바와 같이 이러한 트랜지스터는 배터리와 물리적으로 밀접하게 접촉해야합니다.
이제 셀 온도가 상승하기 시작하면 트랜지스터가 이에 응답하여 전도를 시작하면 전도로 인해 즉시 IC의 ADJ 핀이 접지 전위에 더 많이 노출되어 출력 전압이 감소한다고 가정 해 보겠습니다.
충전 전압이 감소하면 연결된 리튬 이온 배터리의 온도 상승도 감소합니다. 그 결과 셀 충전이 제어되어 셀이 도망 치는 상황에 빠지지 않고 안전한 충전 프로필을 유지합니다.
위의 회로는 온도 보상 원리로 작동하지만 자동 과충전 차단 기능이 포함되어 있지 않으므로 최대 충전 전압은 4.1V로 고정됩니다.
온도 보상 없음
온도 제어의 번거 로움을 피하려면 BC547의 Darlington 쌍을 무시하고 대신 단일 BC547을 사용하면됩니다.
이제 이것은 리튬 이온 셀에 대한 전류 / 전압 제어 전원으로 만 작동합니다. 다음은 필요한 수정 된 디자인입니다.
변압기는 0-6 / 9 / 12V 변압기 일 수 있습니다.
여기서 온도 제어가 사용되지 않기 때문에 Rc 값이 0.5 C 속도에 대해 올바른 치수인지 확인하십시오. 이를 위해 다음 공식을 사용할 수 있습니다.
Rc = 0.7 / Ah 값의 50 %
Ah 값이 2800mAh로 인쇄된다고 가정합니다. 그러면 위의 공식은 다음과 같이 풀 수 있습니다.
Rc = 0.7 / 1400mA = 0.7 / 1.4 = 0.5 옴
와트는 0.7 x 1.4 = 0.98 또는 단순히 1 와트입니다.
마찬가지로 4k7 사전 설정이 출력 단자에서 정확히 4.1V로 조정되었는지 확인합니다.
위의 조정이 완료되면 예기치 않은 상황에 대해 걱정하지 않고 의도 한 리튬 이온 배터리를 안전하게 충전 할 수 있습니다.
4.1V에서는 배터리가 완전히 충전되었다고 가정 할 수 없습니다.
위의 단점을 보완하기 위해 위의 개념보다 자동 차단 시설이 더 유리 해집니다.
이 블로그에서 많은 연산 증폭기 자동 충전기 회로에 대해 논의했으며, 그중 하나를 제안 된 설계에 적용 할 수 있지만 설계를 저렴하고 쉽게 유지하는 데 관심이 있으므로 아래에 표시된 대안 아이디어를 시도해 볼 수 있습니다.
컷오프를위한 SCR 사용
온도 모니터링없이 자동 차단 만하고 싶다면 아래 설명 된 SCR 기반 설계를 시도해 볼 수 있습니다. SCR은 래칭 작업을 위해 IC의 ADJ 및 접지에 사용됩니다. 게이트는 전위가 약 4.2V에 도달하면 SCR이 작동하고 래치를 켜고 배터리 전원을 영구적으로 차단하도록 출력으로 고정됩니다.
임계 값은 다음과 같은 방식으로 조정할 수 있습니다.
처음에는 1K 사전 설정을 접지 수준 (극단 오른쪽)으로 조정하고 출력 단자에 4.3V 외부 전압 소스를 적용합니다.
이제 SCR이 방금 작동 할 때까지 (LED가 켜질 때까지) 사전 설정을 천천히 조정합니다.
이것은 자동 차단 동작을위한 회로를 설정합니다.
위 회로를 설정하는 방법
처음에는 프리셋의 중앙 슬라이더 암이 회로의 접지 레일에 닿도록 유지합니다.
이제 배터리 스위치를 전원에 연결하지 않고 700ohm 저항에 설정된대로 자연적으로 완전 충전 수준을 표시하는 출력 전압을 확인합니다.
다음으로 SCR이 출력 전압을 0으로 차단할 때까지 사전 설정을 매우 능숙하고 부드럽게 조정합니다.
이제 회로가 모두 설정되었다고 가정 할 수 있습니다.
방전 된 배터리를 연결하고 전원을 켜고 응답을 확인합니다. 아마도 SCR은 설정된 임계 값에 도달 할 때까지 실행되지 않으며 배터리가 설정된 완전 충전 임계 값에 도달하자마자 차단됩니다.
3) IC 555를 이용한 리튬 이온 배터리 충전기 회로
두 번째 단순한 설계는 유비쿼터스 IC 555를 사용하는 간단하면서도 정밀한 자동 리튬 이온 배터리 충전기 회로를 설명합니다.
리튬 이온 배터리 충전이 중요 할 수 있음
우리 모두가 알고있는 리튬 이온 배터리는 통제 된 상태에서 충전해야합니다. 일반적인 수단으로 충전하면 배터리가 손상되거나 폭발 할 수 있습니다.
기본적으로 리튬 이온 배터리는 셀을 과충전하는 것을 좋아하지 않습니다. 셀이 상한 임계 값에 도달하면 충전 전압을 차단해야합니다.
다음 리튬 이온 배터리 충전기 회로는 연결된 배터리가 과충전 제한을 초과하지 않도록 위의 조건을 매우 효율적으로 따릅니다.
IC 555가 비교기로 사용될 때 핀 # 2 및 핀 # 6은 관련 사전 설정의 설정에 따라 전압 임계 값 하한 및 상한을 감지하기위한 효과적인 감지 입력이됩니다.
핀 # 2는 낮은 전압 임계 값 레벨을 모니터링하고 레벨이 설정된 한계 아래로 떨어지는 경우 출력을 높은 로직으로 트리거합니다.
반대로 6 번 핀은 상위 전압 임계 값을 모니터링하고 설정된 높은 감지 한계보다 높은 전압 레벨을 감지하면 출력을 낮음으로 되돌립니다.
기본적으로 상단 차단 및 하단 스위치 ON 동작은 IC 및 연결된 배터리의 표준 사양을 충족하는 관련 사전 설정의 도움을 받아 설정해야합니다.
핀 # 2에 관한 사전 설정은 하한이 Vcc의 1/3에 해당하도록 설정되어야하며, 마찬가지로 핀 # 6과 관련된 사전 설정은 상한 차단 한계가 Vcc의 2/3에 해당하도록 설정되어야합니다. IC 555의 표준 규칙에 따라.
작동 원리
IC 555를 사용하는 제안 된 리튬 이온 충전기 회로의 전체 기능은 다음 설명에 설명 된대로 발생합니다.
완전히 방전 된 리튬 이온 배터리 (약 3.4V)가 아래 표시된 회로의 출력에 연결되어 있다고 가정 해 보겠습니다.
하위 임계 값을 3.4V 레벨보다 높게 설정한다고 가정하면 핀 # 2는 즉시 저전압 상황을 감지하고 핀 # 3에서 출력을 하이로 끌어옵니다.
핀 # 3의 하이는 연결된 배터리의 입력 전원을 켜는 트랜지스터를 활성화합니다.
이제 배터리가 점차 충전되기 시작합니다.
배터리가 완전 충전 (@ 4.2V)에 도달하자마자 핀 # 6의 상한 차단 임계 값이 약 4.2v로 설정되었다고 가정하면 레벨이 핀 # 6에서 감지되어 출력이 즉시 로우로 되돌아갑니다.
낮은 출력은 즉시 트랜지스터를 끄므로 충전 입력이 이제 금지되거나 배터리로 차단됩니다.
트랜지스터 스테이지를 포함하면 고전류 리튬 이온 셀을 충전 할 수도 있습니다.
변압기는 6V를 초과하지 않는 전압과 배터리 AH 정격의 1/5의 전류 정격으로 선택해야합니다.
회로도
위의 디자인이 훨씬 복잡하다고 생각되면 훨씬 간단 해 보이는 다음 디자인을 시도해 볼 수 있습니다.
회로 설정 방법
표시된 지점에 완전히 충전 된 배터리를 연결하고 릴레이가 N / C에서 N / O 위치로 비활성화되도록 사전 설정을 조정합니다. 충전 DC 입력을 회로에 연결하지 않고이 작업을 수행합니다.
이 작업이 완료되면 회로가 설정되어 완전히 충전되면 자동 배터리 공급 차단에 사용할 수 있다고 가정 할 수 있습니다.
실제 충전 중에는 충전 입력 전류가 항상 배터리 AH 정격보다 낮은 지 확인하십시오. 즉, 배터리 AH가 900mAH라고 가정하면 입력이 500mA를 넘지 않아야합니다.
1K 프리셋을 통한 배터리 자체 방전을 방지하기 위해 릴레이가 꺼지 자마자 배터리를 제거해야합니다.
IC1 = IC555
모든 저항은 1/4 와트 CFR입니다.
IC 555 핀아웃
결론
위에 제시된 설계는 모두 기술적으로 정확하고 제안 된 사양에 따라 작업을 수행하지만 실제로는 과잉으로 보입니다.
리튬 이온 셀을 충전하는 간단하면서도 효과적이고 안전한 방법을 설명합니다. 이 게시물에서 이 회로는 정전류 및 완전 충전 자동 차단이라는 두 가지 중요한 매개 변수를 완벽하게 처리하므로 모든 형태의 배터리에 적용 할 수 있습니다. 충전 소스에서 일정한 전압을 사용할 수 있다고 가정합니다.
4) 많은 리튬 이온 배터리 충전
이 기사에서는 12V 배터리 또는 12V 태양 전지판과 같은 단일 전압 소스에서 최소 25 개의 리튬 이온 전지를 병렬로 빠르게 충전하는 데 사용할 수있는 간단한 회로를 설명합니다.
이 블로그의 예리한 추종자 중 한 사람이 아이디어를 요청했습니다. 들어 보겠습니다.
많은 리튬 이온 배터리를 함께 충전
동시에 25 개의 리튬-온 셀 배터리 (각 3.7v-800mA)를 충전하는 회로를 설계하도록 도와 주시겠습니까? 내 전원은 12v- 50AH 배터리입니다. 또한이 설정으로 시간당 12v 배터리의 몇 암페어가 소모되는지 알려주십시오 … 미리 감사드립니다.
디자인
충전과 관련하여 리튬 이온 전지는 납축 전지에 비해 더 엄격한 매개 변수가 필요합니다.
리튬 이온 전지는 충전 과정에서 상당한 양의 열을 발생시키는 경향이 있으며,이 열 발생이 제어 범위를 넘어 서면 전지에 심각한 손상을 입히거나 폭발 가능성이있을 수 있기 때문에 특히 중요합니다.
그러나 리튬 이온 전지의 한 가지 좋은 점은 C / 5 이상의 충전 속도를 허용하지 않는 납축 전지와는 달리 처음에는 최대 1C 속도로 충전 할 수 있다는 것입니다.
위의 장점은 리튬 이온 셀이 납산 카운터 부품보다 10 배 빠른 속도로 충전되도록합니다.
위에서 언급했듯이 열 관리가 중요한 문제가되므로이 매개 변수를 적절하게 제어하면 나머지 작업이 매우 간단 해집니다.
이는 우리가 이러한 전지에서 발생하는 열을 모니터링하고 필요한 시정 조치를 시작하는 한 어떤 것도 신경 쓰지 않고 최대 1C 속도로 리튬 이온 전지를 충전 할 수 있음을 의미합니다.
나는 셀의 열을 모니터링하고 열이 안전한 수준에서 벗어나기 시작할 경우 충전 전류를 조절하는 별도의 열 감지 회로를 부착하여이를 구현하려고했습니다.
1C 속도로 온도를 제어하는 것이 중요합니다.
아래의 첫 번째 회로도는 IC LM324를 사용하는 정확한 온도 센서 회로를 보여줍니다. 3 개의 opamp가 여기에 사용되었습니다.
다이오드 D1은 여기에서 온도 센서로 효과적으로 작동하는 1N4148입니다. 이 다이오드의 전압은 온도가 1도 상승 할 때마다 2mV 씩 떨어집니다.
D1 양단 전압의 이러한 변화는 A2가 출력 로직을 변경하도록 촉구하고, 차례로 A3를 시작하여 그에 따라 출력 전압을 점차적으로 증가시킵니다.
A3의 출력은 광 커플러 LED에 연결됩니다. P1의 설정에 따라 A4 출력은 셀의 열에 반응하여 증가하는 경향이 있으며, 결국 연결된 LED가 켜지고 옵토의 내부 트랜지스터가 전도 될 때까지입니다.
이 경우 옵토 트랜지스터는 필요한 수정 작업을 시작하기 위해 LM338 회로에 12V를 공급합니다.
두 번째 회로는 IC LM338을 사용하는 간단한 조정 전원 공급 장치를 보여줍니다. 2k2 포트는 연결된 리튬 이온 셀에서 정확히 4.5V를 생성하도록 조정됩니다.
앞의 IC741 회로는 과충전 차단 회로로 셀의 전하를 모니터링하고 4.2V 이상에 도달하면 전원을 차단합니다.
ICLM338 근처의 왼쪽에있는 BC547은 셀이 뜨거워지기 시작할 때 적절한 수정 조치를 적용하기 위해 도입되었습니다.
셀이 너무 뜨거워지기 시작하면 온도 센서 옵토 커플러의 전원이 LM338 트랜지스터 (BC547)에 도달하고 트랜지스터가 전도되어 온도가 정상 수준으로 떨어질 때까지 LM338 출력을 즉시 차단합니다. IC 741이 활성화되고 소스에서 셀을 영구적으로 분리하면 셀이 완전히 충전됩니다.
25 개 셀 모두이 회로에 병렬로 연결될 수 있으며, 각 양극 라인은 동일한 전하 분배를 위해 별도의 다이오드와 5 Ohm 1 와트 저항을 통합해야합니다.
전체 셀 패키지는 일반적인 알루미늄 플랫폼 위에 고정되어 열이 알루미늄 플레이트에 균일하게 분산되도록해야합니다.
D1은 센서 D1에서 발산 된 열을 최적으로 감지 할 수 있도록이 알루미늄 판 위에 적절하게 접착되어야합니다.
자동 리튬 이온 셀 충전기 및 컨트롤러 회로.
결론
배터리에 대해 유지해야하는 기본 기준은 편리한 온도에서 충전하고 완전히 충전되는 즉시 공급을 차단하는 것입니다. 그것은 배터리 유형에 관계없이 따라야 할 기본 사항입니다. 이를 수동으로 모니터링하거나 자동으로 설정할 수 있습니다. 두 경우 모두 배터리가 안전하게 충전되고 수명이 길어집니다.
충전 / 방전 전류는 배터리의 온도에 영향을 미치며, 주변 온도에 비해 너무 높으면 장기적으로 배터리에 심각한 영향을 미칩니다.
두 번째 중요한 요소는 배터리가 과도하게 방전되지 않도록하는 것입니다. 전체 충전 수준을 계속 복원하거나 가능하면 항상 충전하십시오. 이렇게하면 배터리가 낮은 방전 수준에 도달하지 않습니다.
이것을 수동으로 모니터링하는 것이 어렵다면 설명 된대로 자동 회로를 사용할 수 있습니다. 이 페이지에서 .
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