Chargement sûr des batteries Li-ion. Schéma, description

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Chargement sûr des batteries Li-ion. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique

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Ces dernières années, le magazine Radio a décrit de nombreux chargeurs, y compris les chargeurs dits « intelligents », qui non seulement automatisent au maximum le processus de charge de la batterie (ils régulent le courant de charge en fonction de la tension de celle-ci, éteignez-le lorsqu'il est complètement chargé), mais déchargez-le également à la tension initiale requise avant de le charger. Cependant, tous ces appareils sont conçus pour les batteries Ni-Cd et Ni-MH et sont peu adaptés au chargement de batteries Li-ion (lithium-ion) en raison de leurs caractéristiques spécifiques. L'article publié décrit un chargeur simple conçu pour charger uniquement de telles batteries.

Malgré l'abondance d'informations sur les batteries Li-ion, Internet regorge de conflits d'utilisateurs, indiquant la nécessité de disposer d'un appareil assez simple et fiable pour les charger. La conception proposée n'est qu'une des solutions possibles à ce problème, axée principalement sur le faible coût de sa fabrication. Contrairement, par exemple, au dispositif décrit dans [1], le coût des microcircuits utilisés ne dépassera pas 1 USD.

Bien entendu, il existe des indicateurs qui, dans un souci de bon marché, ne doivent en aucun cas être négligés. Le principal d'entre eux est la sécurité de fonctionnement, qui est devenue une « personne impliquée » dans les récits de radioamateurs sur les explosions de batteries Li-ion lors d'expérimentations imprudentes avec celles-ci. Dans [2], les mesures prises par les entreprises pour empêcher la destruction involontaire des batteries rechargeables au lithium sont décrites de manière suffisamment détaillée. Néanmoins, les fabricants mettent en garde contre l'inadmissibilité de les décharger à une tension inférieure à 2,5 V ou à des courants importants (supérieurs à 2,5 A), ainsi que de les recharger. Une décharge profonde et une charge de courant à long terme, même de quelques microampères, peuvent stimuler la formation de dendrites sur les électrodes de la batterie et provoquer sa défaillance prématurée. Dès lors, la conclusion s'impose : pour prolonger la « durée de vie » d'une batterie Li-ion, mieux vaut la recharger à temps (sans attendre que la tension descende à 2,5 V), sans forcément atteindre une charge complète (100 %) charge.

C'est ce principe qui sous-tend le fonctionnement du dispositif décrit conçu pour charger la batterie LGR18650E (ses caractéristiques sont quasiment les mêmes que celles du NEC ICR-18650 [2]). Si nécessaire, à l'aide des formules de calcul données dans l'article, vous pouvez modifier le chargeur de batterie avec d'autres caractéristiques.

Le schéma électrique de l'appareil est présenté sur la figure. Sa base est un microcircuit spécialisé DA1 TSM101A, réalisé en boîtiers D1P8 et S08.

(cliquez pour agrandir)

Comme vous le savez, les batteries Li-ion doivent d'abord être chargées avec un courant constant, et lorsqu'elles atteignent un niveau de tension donné, celui-ci doit diminuer de façon exponentielle [2]. Dans le dispositif proposé, l'ampli opérationnel DA1.2 compare le signal du capteur de courant de charge - résistance R3 - avec une partie de la tension de référence Uo6p = 1,24 V, extraite de la résistance R7 du moteur, et ouvre légèrement le transistor VT1 exactement comme autant que nécessaire pour créer la chute de tension requise aux bornes du capteur de courant. De plus, l'appareil propose ce que l'on appelle le mode de conditionnement lors du chargement d'une batterie profondément déchargée.

Calculons les paramètres de l'appareil. Le suivi thermique de l'accu n'étant pas prévu dans ce cas, on se limitera au courant de charge maximum Icharge = 1 A. Bien entendu, il peut être augmenté jusqu'à 1,6 A, mais dans ce cas il faut prendre en compte les recommandations énoncées, par exemple, dans [3]. L'ampli opérationnel de la puce DA2, qui n'est pas utilisé dans ce cas, facilite la mise en œuvre du contrôle thermique de la batterie en cours de charge.

Pour la valeur acceptée du courant de charge, la chute de tension aux bornes de la résistance R3 est de 0,22 V. C'est cette tension qu'il faut régler sur le moteur de la résistance R7 avant installation dans l'appareil, en appliquant une tension de 1,24 V à partir d'un courant stabilisé. source d'alimentation à sa sortie supérieure (selon le circuit).

Le mode de conditionnement de la batterie rechargeable G1 doit s'activer automatiquement si la tension sur celle-ci au début de la charge ne dépasse pas 2,5 V. À cette fin, le comparateur DA3.1 surveille la tension sur G1 (via un diviseur - une résistance d'accord R11), et s'il est inférieur à 2,5 B, le transistor de sortie du comparateur s'ouvre jusqu'à saturation, connectant la broche 2 de la puce DA1 au fil commun et activant ainsi la source de courant exemplaire. Comme dans le cas précédent, avant d'installer la résistance R11 dans l'appareil, une tension calibrée (mais maintenant - 2,5 V) est appliquée à sa sortie supérieure (selon le schéma) et en tournant le curseur, une tension de 1,24 V est obtenue Après avoir allumé la source de courant exemplaire, Iobr = 1,4 mA de tension à l'entrée inverseuse de l'ampli-op DA1.2 est la somme algébrique des chutes de tension aux bornes des résistances R3 et connectées en parallèle R4, R6. En négligeant la chute de tension créée par le courant Iobr sur le capteur de courant R3, on calcule la résistance de la résistance R4 pour la valeur généralement acceptée du courant de conditionnement Icond - 0,1 Icharge :

La résistance requise est la plus simple à sélectionner en connectant en parallèle R4 la résistance R6 indiquée dans le schéma nominal.

Ainsi, les résistances des résistances de réglage du courant indiquées sur le circuit assurent la charge d'une batterie profondément déchargée avec un courant ne dépassant pas 100 mA, et lorsque la tension sur celle-ci monte à 2,5 V, avec un courant de 1 A.

Jusqu’à présent, nous avons parlé de la phase initiale de chargement de la batterie. Une fois terminé, OS DA1.1 commence à fonctionner. En comparant la tension de référence à l'entrée non inverseuse avec une partie de la tension prélevée sur le moteur à résistance R10, il ouvre le transistor VT1 juste assez pour que la tension sur la batterie ne dépasse pas le niveau spécifié de 4,2 V. Pour ce faire, avant d'installer l'appareil sur la sortie supérieure (selon le circuit) de la résistance R10, fournissez une tension de 4,2 V et réglez le moteur dans une position dans laquelle la tension à ses bornes est de 1,24 V.

Comme mentionné ci-dessus, la charge d’une batterie au lithium doit être complétée à une certaine valeur de courant. Dans ce cas, elle est choisie égale à 95 mA, ce qui correspond à environ 90 % de sa capacité [2]. L'indicateur de courant de charge est la LED HL2 connectée à la sortie du comparateur DA3.2. Ce dernier compare le signal de l'émetteur de courant R3 avec la tension de référence. Au stade final de la charge, ce signal est très faible et afin d'éliminer l'influence des paramètres du comparateur et la nécessité de sa sélection, l'ampli opérationnel DA2.1 a été introduit dans l'appareil. En modifiant la résistance de la résistance R9 dans le circuit OOS qui la recouvre, le comparateur est amené à fonctionner à un courant de charge de 95 mA. Avec les résistances R8, R9 indiquées dans le schéma nominal, la luminosité de la LED HL2 à ce courant est réduite d'environ la moitié, et lorsqu'elle diminue à 93 mA, l'indicateur s'éteint. Ce comportement de la LED est dû à l'apparition d'un « rebond » de tension à la sortie du comparateur à l'approche du point d'arrêt et s'observe si la batterie est connectée directement au circuit de charge, en contournant les contacts du relais K1. L'introduction de ce dernier a permis non seulement d'éliminer les « rebonds » indésirables, mais également de mettre en œuvre l'arrêt automatique de la batterie une fois la charge terminée.

Cela se passe de la manière suivante. Lorsque vous appuyez sur le bouton SB1, une tension de polarité positive est appliquée à la base du transistor VT2 (via les résistances R15, R16) et il s'ouvre. En conséquence, le relais K1 est activé et avec ses contacts K1.1 connecte la batterie au circuit de charge. Puisque tant pendant le conditionnement que lors de la charge avec un courant élevé, le comparateur DA3.2 allume la LED HL2 et la diode électroluminescente de l'optocoupleur U1, le phototransistor ouvert connecte la résistance R14 au bus d'alimentation +7 V, après quoi le bouton enfoncé SB1 peut être libéré.

La lueur du HL2 permet de juger de la fiabilité de la connexion entre l'appareil et la batterie : si la qualité des contacts est mauvaise (la résistance de contact est élevée), elle ne s'allume pas. Dans ce cas, le relais, après avoir relâché le bouton, revient à sa position d'origine, déconnectant la batterie du circuit de charge.

Si la résistance des contacts est suffisamment petite, la charge se déroule selon l'algorithme décrit. Avec une diminution du courant au stade final et une tentative du comparateur de créer un "rebond", le relâchement du relais provoque la déconnexion de la batterie du circuit de charge et la LED HL3 avec une résistance de limitation de courant R18 est connectée à la place. Glow HL3 signale la fin de la charge. Condensateur C4 dans le circuit de base du transistor VT2 - suppression du bruit.

Afin de ne pas gâcher la durée de vie d'une batterie Li-ion, il est recommandé d'utiliser une batterie de deux ou trois batteries Ni-Cd d'une capacité de 0,5 ... 1 Ah comme charge lors de la configuration de l'appareil, qui à le premier étage est connecté directement à la cathode VD1, en contournant le groupe de contacts du relais. Si vous suivez attentivement les recommandations de pré-installation des résistances d'ajustement R7, R10, R11, vous n'aurez peut-être même pas besoin de configurer l'appareil, mais vérifiez les principaux indicateurs (courant de conditionnement, tension de seuil pour activer le courant de charge complet, sa valeur initiale, la tension finale sur la batterie en cours de charge, la valeur du courant de fin de charge affiché) est encore nécessaire.

Pour le moment du réglage, un voltmètre numérique et un ampèremètre de 1 A sont connectés au circuit de charge, et à la place d'une batterie Li-ion, une batterie de deux éléments Ni-Cd déchargés à 1 V est connectée. Après avoir appliqué la tension d'alimentation de 7 V, le mode climatisation doit s'activer. Le courant requis (0,1 A) est réglé en sélectionnant la résistance R6. Au fur et à mesure que la batterie se charge, la tension sur la batterie augmentera et dès qu'elle deviendra égale à 2,5 V, le courant de charge devrait augmenter jusqu'à 1 A. Si nécessaire, cette valeur de courant est réglée avec une résistance d'ajustement R7, et afin pour qu'il change à une tension de 2,5 V, ajustez la position du curseur de la résistance R11.

Ensuite, une batterie de trois batteries est connectée à l'appareil et on observe comment, après avoir augmenté la tension à environ 4 V, le courant de charge commence à diminuer. Avec sa valeur égale à 95 mA, la luminosité de la LED HL2, comme indiqué, devrait être réduite de moitié et à 93 mA, elle devrait s'éteindre. Pendant le passage de l'intervalle spécifié du courant de charge, le rebond des contacts du relais sera clairement audible. Étant donné que son groupe de contacts commute à ce stade un courant d'environ 5 mA seulement (allume et éteint HL3), son état ne se détériorera pas après un tel test. Lors du premier chargement, ce processus se déroule assez lentement, mais si vous éteignez et rallumez l'appareil (avec une batterie chargée), le courant diminue en quelques secondes et il n'est pas difficile d'obtenir le comportement souhaité. de la LED dans les limites de changement de courant spécifiées (sélection de la résistance R9). Comme indiqué, la tension finale sur la batterie est réglée à 4,18 V avec une résistance d'ajustement R10.

Ensuite, la batterie est connectée via les contacts du relais et le fonctionnement du circuit de démarrage est vérifié, ainsi que la précision de la déconnexion de la batterie à la fin de la charge. Dans ce cas, une décharge préliminaire à court terme d'une batterie chargée à travers une résistance d'une résistance de 5 ... 10 Ohm peut être nécessaire.

A la fin du réglage, une batterie Li-ion est connectée à l'appareil et, en cours de charge, ils vérifient la conformité de la tension (sauf 2,5 V, bien sûr) et du courant de charge avec les valeurs définies . En raison d'une certaine différence dans la résistance interne des batteries Li-ion et Ni-Cd, il peut être nécessaire de réajuster l'appareil.

L'appareil est assemblé sur une breadboard de 60x45 mm (le circuit imprimé n'a pas été développé). Le transistor VT1 est monté sur un dissipateur thermique d'une surface de refroidissement d'environ 100 cm2. Nous pouvons remplacer la diode 1N5822 par n'importe quelle autre diode Schottky avec un courant de fonctionnement allant jusqu'à 3 A. Les résistances ajustables R7, R10, R11 sont des fils multitours, par exemple SP5-3. Condensateur C5 - n'importe quel oxyde d'une capacité de 6,8 ... 10 μF avec une tension nominale de 10 ... 35 V. Au lieu du KT829A, vous pouvez utiliser n'importe quel autre transistor composite puissant avec un coefficient de transfert de courant statique de la base h21E 750 ... 1000.

L'appareil utilise un relais Reed RES55A avec passeport RS4.569.604 (nouvelle désignation - RS4.569.600-16). Sa tension de fonctionnement étant bien inférieure à 7 V, une résistance R17 est connectée en série avec le bobinage. Il est permis d'utiliser un relais de ce type avec un passeport RS4.569.603 (RS4.569.600-15). Dans ce cas, la résistance de la résistance qui éteint la surtension doit être réduite à 43 ohms.

Comme source de courant de charge, vous pouvez utiliser l'adaptateur secteur décrit dans [1] en réglant sa tension de sortie sur 7 V.

Informations sur les puces TSM101A, LM358 et LM393

littérature

Kosenko S. Chargeur "Intelligent" pour batteries Ni-Cd. - Radio, 2004, n°5, p. 32-35.
Batteries lithium-ion ("à l'étranger"). - Radio, 2001, n° 7, p. 44, 45.
Tkachev F. Calcul d'un pont thermosensible. - Radio, 1995, n° 8, p. 46.

Auteur : S. Kosenko, Voronej

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