Jste zde

Jak se nabíjejí Lithiové akumulátory ?

Antonín Vojáček, 20. Květen 2008 - 0:00

Lithiové (Li-Ion) akumulátory se dnes již běžně vyskytují všude kolem nás, aniž to často tušíme. Narozdíl od jiných typů akumulátorů vyžadují pro nabíjení specifický nabíjecí cyklus, který však lze dnes snadno realizovat některým z integrovaných obvodů k tomu určených. Ty se již dnes sami postarají o správné dodržení potřebných napětí a proudů a obsahují i indikaci. Následující článek popisuje standardní nabíjecí cyklus pro Li-Ion akumulátory a ukazuje možnou realizaci nabíječky s nabíjecími obvody Freescale MC3467x.

Lithiové akumulátory již zcela zdomácněly skoro ve všech přenosných přístrojích, jako ve spotřební elektronice, naváděcích a komunikačních zařízeních, tak i v různých průmyslových měřících přístrojích. V téměř absolutní většině však jde o pevně vestavěné, případně složitě vyjímatelné "placaté" obdélníkové baterie nabíjené obvody implementované uvnitř přístroje. V dnešní době se však již neřeší nějakými složitými zapojeními řídícího obvodu, který reguluje nabíjení, regulačního prvku (obvykle jednoho nebo více výkonových tranzistorů) a snímacích prvků vytvářející zpětnou vazbu řídicí logice. Dnes to vše může řešit pouze jeden integrovaný obvod, doplněný třeba jen dvěma kondenzátory a jedním rezistorem. Takové nabíjecí integrované obvody má v nabídce společnost Freescale. Jde o tři součástky s označením MC34671, MC34673 a MC34674 s nimiž je nabíjení lithiových akumulátorů, jak Li-ion, tak Li-polymerových, hračkou. Minimalizace počtu externích součástek hlavně umožňuje technologie SMARTMOS, která dovoluje na jeden chip společně umístit signálové obvody (analogové i digitální) a výkonové tranzistory MOSFET. Ty zde hlavně slouží k regulaci nabíjecího napětí a proudu, který může být i přes 1 A.

Všechny tři obvody vypadají na první pohled stejně, ale přesto se vzájemně liší. Zatímco rozdíl mezi typem MC34671 a MC34673 je pouze možnost nastavit externím rezistorem větší nabíjecí proud, obvod MC34674 navíc obsahuje vstup pro externí měření teploty pomocí odporového teplotního snímače - termistoru a blok Smart Battery Detection. Jeho indikační výstupy jsou však primárně určené pro přímé připojení LED diod a nelze je tedy narozdíl od obvodů MC34671 a MC34673 připojit k MCU. Externí měření teploty je pak výhodné v tom, že snímač může být přilepený přímo na baterii nebo někdy je již umístěn i uvnitř a tak je možné lépe optimalizovat a řídit nabíjení podle teploty a tím zajistit delší životnost akumulátoru. Předchozí dva obvody (x71 a x73) pak musí vystačit s interním senzorem teploty, který však samozřejmě má i x74.

Standardní nabíjecí cyklus pro Lithiové akumulátory

Freescale nabíjecí obvody MC3467x využívají standardního nabíjecího profilu pro lithiové baterie, který se skládá ze tří režimů, které "nabíhají" podle aktuálního stavu nabití akumulátoru:

  • Nabíjení malým proudem (režim Trickle) v případě extrémního vybití akumulátoru (napětí menší než 2,7 V)
  • Nabíjení konstantním proudem (CC režim)
  • Nabíjené konstantním napětím (CV režim)

Režimy CC (Constant Current) a CV (Constant Voltage) se pak označují jako rychlý nabíjecí režim (fast-charge mode). Když vstupní napětí vystoupí nad interní spínací úroveň POR (Power-On-Reset), obvod se zapne a na výstupním pinu PPR se objeví nízká úroveň napětí indukující přítomnost napájecího napětí a v případě, že je vydetekovaná přítomnost (napojení) akumulátoru, počne se s nabíjením. Pokud je baterie hodně vybitá (napětí 4V baterie je pod hranicí 2.7 V) nasadí se nejdříve pomalé proudové nabíjení proudem o velikosti jen 20% proudu ICHG, které nejen že je šetrné k baterii, ale v také v případě, že baterie je poškozená (napětí se nabíjením nezvyšuje), neumožní spuštění rychlého nabíjení, které by mohlo způsobit vysoké zvýšení její teploty nebo dokonce způsobit její výbuch (již pár notebooků vlivem špatného akumulátoru). Obvody pak mají uvnitř i časovač, díky kterému po 4.6 hodinách je celý proces nabíjení ukončen, pokud napětí nestoupne. Přítomnost trickle režimu je indikována nízkou úrovní na výstupu CHG a zároveň vysokou úrovní na výstupu FAST.

Jestliže napětí baterie dosáhne úrovně 2.7 V přejde se hladce již do rychlého nabíjecího režimu nejdříve realizovaného nabíjením konstantním proudem (CC), které se projevují pokračujícím nárůstem napětí akumulátoru, ale již rychleji než v předchozím režimu. Z pohledu napětí pak při přechodu do CC režimu nevznikají žádné napěťové skoky ani špičky na svorkách baterie. Měkký přechod do CC módu pak zamezuje byť jen krátkodobému poklesu napájecího napětí a tím se eliminuje požadavek připojení velkého externího "zálohovacího" kondenzátoru. Přítomnost CC režimu je indikována nízkou úrovní jak na pinu CHG, tak i FAST.

Když napětí baterie překročí napětí 4.2 V dojde k přechodu do CV režimu nabíjení konstantním napětím, které reguluje výstupní nabíjecí proud tak, aby hodnota napětí byla stále na konstantní úrovni 4.2V. Nabíjecí proud v tomto režimu exponenciálně klesá (podobně jako při nabíjení kondenzátoru). Tento režim umožňuje dosažení plně nabité akumulátoru, ale zároveň jej nenamáhá, čímž prodlužuje jeho životnost. Když hodnota nabíjecího proudu poklesne pod úroveň EOC (10% proudou ICHG), tzn. akumulátor je nabitý, "nahodí se" vysoký stav na výstupu CHG, a pokud je akumulátor stále (trvale) připojen, resp. je přítomné vstupní napájecí napětí nabíjecího obvodu (stav, kdy např. nabitý mobil nebo notebook ponecháme připojený do sítě), sleduje a udržuje konstantní úroveň výstupu na hodnotě 4.2 V. Jestliže je paralelně s baterií připojená i zátěž (např. právě zmíněný zapnutý notebook), nabíjecí obvod pokračuje v dodávání proudu na svůj výstup, tedy do zátěže, i když je baterie plně nabitá. Jestliže zatěžovací proud překročí externím rezistorem nastavený nabíjecí proud (CC-mode current), bude baterie dodávat potřebný proud navíc a její napětí bude klesat. Jestliže její napětí poklesne pod spouštěcí nabíjecí úroveň (recharge voltage treshold) přejde se opět do rychlého nabíjecího režimu, což je opět indikováno přepnutím výstupu CHG do nízké úrovně.

Znovu nabíjecí cyklus, zde však i se stavy výstupů obvodů MC34671 a MC34673 a s případem, že k výstupu nabíječe (paralelně k baterii) je přípojena zátěž.

Nabíjecí obvody MC34671 a MC34673

Součástky MC34671 a MC34673 představují praktické nabíjecí integrované obvody pro lithiové akumulátory, které jsou velmi jednoduché na použití, ale uvnitř dostatečně sofistikované pro zajištění přesného a bezpečného nabíjení. Zde opravdu platí, že moderní technika usnadňuje konstruktérovi jeho život, což ne vždy platí. I když neobsahují externí vstup pro teplotní senzor, zase mají možnost zvolit si velikost nabíjecího proudu a připojit indikaci a ovládání na MCU.

 

Obvody MC34671 a MC34673 se skládají z následujících bloků:

  • Hlídače napájecího napětí (VIN monitor) s funkcí "power-on-reset"
  • Interní napájecí zdroj pro řídicí a snímací obvody (Internal Supply and Reference)
  • Nabíjecí logika (Charge Control) - řízení výstupního MOSFET tranzistoru regulující napětí / proud
  • Řídící logika (Logic control) - řídí přepínání nabíjecích režimů a řídicí informační vstupy/výstupy
  • Obvod nastavení maximálního výstupního proudu (proudu v režimu CC)
  • Interní teplotní snímač (Die Temp. Feedback) - hlídá teplotu obvodu, potažmo i akumulátoru

 

Hlavní rozdíl mezi nimi je pak v maximálním nabíjecím proudu, resp. proudu, který je možné dodávat do zátěže paralelně připojené k akumulátoru. Zatímco u obvodu MC34671 lze externím rezistorem připojeným na pin ISET nastavit proud max. 0.6 A, u obvodu MC34673 je to až 1.2 A. Power-on-Reset napětí, při kterém se obvody zapnou je 2.6 V. Maximem je pak 28 V DC. Oba pak obsahují zpětnou kontrolu (sledování) nabíjecího proudu a teploty vnitřním teplotním senzorem. Pracovní teplotní rozsah je - 40°C to 85°C.

 

  

"Přesné" blokové schéma vnitřního provedení a zapojení nabíjecích integrovaných obvodů MC34671 a MC34673 společnosti Freescale

Příklad zapojení obvodů MC34671 a MC34673 pro nabíjení Li-Ion akumulátoru (ve schématu baterie Li+)

Příklad zapojení obvodů MC34671 a MC34673 pro potřeby řízení a signalizace pomocí mikrokontroléru (MCU)

Nabíjecí obvod MC34674

Nabíjecí obvod Freescale MC34674 je proti svým výše popsaným kolegům MC34671 a MC34673 trošku odlišný jak v kladném, tak i záporném smyslu slova. Na jednu stranu umožňuje připojit externí měření teploty prostřednictvím termistoru a obsahuje navíc blok Smart Battery Detection, který umí na základě dvou zdrojů proudu přes výstupní pin zjistit, zda je k němu připojený akumulátor nebo ne, ale nabíjecí proud má továrně nastavenou pevnou velikost 1.05 A a indikační vstupy jsou přímo přizpůsobeny připojení LED diod. To sice má opravdu výhodu, pokud LEDky chcete použít, protože není nutné k nim přidávat omezovací odpory (výstupy vlastní zdroj proudu 6 mA), ale nelze k nim už tak jednoduše připojit vstupy mikrokontrolérů.

Blokové schéma integrovaného obvodu MC34674

Nejzajímavější věc tohoto obvodu MC34674 je asi opravdu možnost připojení termistoru pro přímé monitorování teploty nabíjeného akumulátoru, jenž je součástí baterie, která je tak lépe chráněna proti možnému přehřátí vlivem nějaké nestandardní záležitosti. Termistor se napájí z vnitřního přesného referenčního zdroje napětí připojeného na vývod VREF a jeho odpor je snímán vstupem TEMP. Pokud při nabíjení teplota z nějakého důvodu překročí hodnotu 110°C, začne se omezovat velikost nabíjecího proudu tak, aby teplota již dále nestoupala. Vstupy RED a GRN (green) slouží již pro zmíněné LEDky, zatímco uvolňovací vstup EN má stejnou funkci jako u MC34671. Napájecí napětí by mělo být mezi hodnotami 4.3 až 10 V, přičemž hlídací hladina POR je 3,9 V.

Zajímavý je pak blok Smart Battery Detection, který automaticky před zahájením nabíjení zjišťuje přítomnost akumulátoru či jeho správné připojení (zda není zkratována nebo nemá špatný kontakt). V případě, že akumulátor není připojen, opakuje se celý cyklus testování každé 2 sekundy, aby nabíječka rychle zareagovala na jeho připojení. Využívá se zde faktu, že napětí baterie se nemůže rychle měnit, pokud ji budeme na chvilku nabíjet nebo ji zatížíme. Obvod tak nejdříve zatíží výstup proudem 6 mA po dobu 250 ms. Pokud napětí na pinu BAT neklesne pod 1.5 V, je připojena baterie. Pak obvod zkusí baterii jakoby nabíjet po dobu 250 ms. Pokud napětí stoupne nad nabíjecí spínací úroveň nebo zůstane pod 1,5 V, pak baterie není správně připojena. Také je testováno každých 1.968 sekund, zda došlo během nabíjení k odpojení baterie. To se provádí tak, že obvod zkusí na 82 ms zatížit vývod BAT proudem 0.585 mA. Pokud během této doby napětí klesne pod nabíjecí spínací úroveň, nabíječka přejde do předchozího stavu zjišťování stavu připojení baterie. Jinak pokračuje v nabíjení.

  

VA charakteristika nabíjecího cyklu obvodu MC34674

Typický příklad zapojení nabíjecího obvodu MC34674

Závěr

Lithiové akumulátory dnes patří již k běžným komponentám přenosných přístrojů, zařízení a elektroniky vůbec. I když lithiovky mají proti NiCd či NiMH a dalším jiný postup správného nabíjení, pomocí výše zmíněných obvodů lze snadno udělat vlastní nabíječku bez potřeby přesné znalosti mechanismu nabíjení. Více informací včetně podrobných datasheetů popisujících vývody, princip nabíjení, výpočty externích součástek a parametrů apod. najdete stránkách Freescalu - www.freescale.com.

 

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: