리튬 이온 배터리의 안전한 충전. 계획, 설명

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최근 몇 년 동안 "Radio" 잡지에서는 배터리 충전 프로세스를 최대한 자동화할 뿐만 아니라 전압에 따라 충전 전류를 조절하는 소위 "지능형" 충전기를 포함한 많은 충전기에 대해 설명했습니다. 완전히 충전되면 끄십시오). 또한 충전하기 전에 필요한 초기 전압까지 방전하십시오. 그러나 이러한 장치는 모두 Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리용으로 설계되었으며 특정 기능으로 인해 리튬 이온(리튬 이온) 배터리 충전에는 적합하지 않습니다. 게시된 기사에서는 이러한 배터리를 충전하도록 설계된 간단한 충전기에 대해 설명합니다.

리튬 이온 배터리에 대한 풍부한 정보에도 불구하고 인터넷은 배터리 충전을 위한 매우 간단하고 안정적인 장치의 필요성을 나타내는 사용자 분쟁으로 가득 차 있습니다. 제안된 디자인은 주로 낮은 생산 비용에 초점을 맞춘 이 문제를 해결하기 위한 가능한 옵션 중 하나일 뿐입니다. 예를 들어 [1]에 설명된 장치와 달리 여기에 사용되는 미세 회로 비용은 1달러를 초과하지 않습니다.

물론, 저렴함을 위해 결코 무시해서는 안되는 지표가 있습니다. 가장 중요한 것은 작동 안전으로, 부주의한 실험 중에 리튬 이온 배터리가 폭발했다는 아마추어 무선 이야기에서 "수치"가 되었습니다. [2]에는 리튬 충전 배터리의 의도치 않은 파손을 방지하기 위해 기업이 취하는 조치가 충분히 자세히 설명되어 있습니다. 그럼에도 불구하고 제조업체는 2,5V 미만의 전압 또는 높은(2,5A 초과) 전류로 방전하거나 과충전하는 것을 경고합니다. 심방전과 전류를 사용한 장기 충전(단 몇 마이크로암페어라도)은 배터리 전극의 수상돌기 형성을 자극하여 조기 고장을 일으킬 수 있습니다. 따라서 결론은 다음과 같습니다. 리튬 이온 배터리의 "수명"을 연장하려면 완전 충전(2,5V)에 도달하지 않고 적시에(전압이 100V로 떨어질 때까지 기다리지 않고) 재충전하는 것이 좋습니다. %) 요금.

LGR18650E 배터리를 충전하도록 설계된 설명된 장치의 작동에 기본이 되는 원리는 다음과 같습니다(특성은 NEC의 ICR-18650과 거의 동일합니다[2]). 필요한 경우 기사에 제공된 계산 공식을 사용하여 장치를 수정하여 다른 특성으로 배터리를 충전할 수 있습니다.

장치의 전기 회로도가 그림에 나와 있습니다. 그 기반은 D1P101 및 S1 패키지로 생산되는 특수 DA8 TSM08A 마이크로 회로입니다.

(확대하려면 클릭하십시오)

알려진 바와 같이, 리튬 이온 배터리는 먼저 일정한 전류로 충전되어야 하며, 주어진 전압 수준에 도달하면 지수 법칙에 따라 감소해야 합니다[2]. 제안된 장치에서 연산 증폭기 DA1.2는 충전 전류 센서(저항 R3)의 신호를 저항 R6의 슬라이더에서 가져온 기준 전압 Uo1,24p = 7V의 일부와 비교하고 트랜지스터 VT1을 다음과 같이 정확하게 엽니다. 전류 센서 전체에 필요한 전압 강하를 생성하는 데 필요합니다. 또한 이 장치는 심하게 방전된 배터리를 충전할 때 소위 컨디셔닝 모드를 제공합니다.

장치 매개 변수를 계산해 봅시다. 이 경우 충전 중인 배터리의 열 모니터링이 제공되지 않으므로 최대 충전 전류 Icharge = 1A로 제한하겠습니다. 물론 1,6A까지 늘릴 수 있지만 이 경우에는 다음 사항을 고려해야 합니다. 예를 들어 [3]에 제시된 권장 사항을 고려하십시오. 이번에 사용하지 않은 DA2 칩의 연산 증폭기를 사용하면 충전 중인 배터리의 열 제어를 쉽게 구현할 수 있다.

허용되는 충전 전류 값의 경우 저항 R3의 전압 강하는 0,22V입니다. 장치에 설치하기 전에 저항 R7의 모터에 설정해야 하는 전압은 안정화된 전원에서 1,24V의 전압을 적용합니다. (회로에 따라) 상단 단자에 연결합니다.

충전 시작 시 배터리의 전압이 1V를 초과하지 않으면 충전된 배터리 G2,5의 컨디셔닝 모드가 자동으로 켜져야 합니다. 이를 위해 비교기 DA3.1은 (분배기-트리밍 저항 R1을 통해) G11의 전압을 모니터링합니다. ), 2,5B 미만이면 비교기의 출력 트랜지스터가 포화 상태로 열리고 DA2 마이크로 회로의 핀 1를 공통 와이어에 연결하여 기준 전류원을 켭니다. 이전 경우와 마찬가지로 저항 R11을 장치에 설치하기 전에 보정된 전압이 상단(다이어그램에 따라) 단자(현재는 2,5V)에 공급되고 슬라이더를 돌리면 1,24V의 전압이 달성됩니다. 기준 전류원을 켠 후 Iobr = 연산 증폭기 DA1,4의 반전 입력에서 1.2mA 전압은 병렬로 연결된 저항 R3 및 R4, R6 양단의 전압 강하의 대수적 합입니다. 전류 센서 R3의 전류 Iobr에 의해 생성된 전압 강하를 무시하고 일반적으로 허용되는 컨디셔닝 전류 Icond - 4 Icharge 값에 대한 저항 R0,1의 저항을 계산합니다.

필요한 저항을 선택하는 가장 쉬운 방법은 다이어그램에 표시된 공칭 값의 저항 R4을 R6와 병렬로 연결하는 것입니다.

따라서 다이어그램에 표시된 전류 설정 저항의 저항은 100mA 이하의 전류로 완전 방전된 배터리의 충전을 보장하고 전압이 2,5V로 증가하면 1A의 전류로 충전됩니다.

지금까지 배터리 충전의 초기 단계에 대해 이야기했습니다. 완료되면 연산 증폭기 DA1.1이 작동하기 시작합니다. 비반전 입력의 기준 전압을 저항 R10에서 가져온 전압의 일부와 비교하여 배터리의 전압이 지정된 수준인 1V를 초과하지 않도록 트랜지스터 VT4,2을 엽니다. 이를 위해, 저항기 R10의 상단(회로에 따라) 단자에 있는 장치에 설치하기 전에 4,2V의 전압을 공급하고 엔진을 양단의 전압이 1,24V가 되는 위치로 설정합니다.

위에서 언급했듯이 리튬 배터리의 충전은 특정 전류 값에서 완료되어야 합니다. 이 경우 용량의 약 95%에 해당하는 90mA를 선택합니다[2]. 충전 전류 표시기는 비교기 DA2의 출력에 연결된 HL3.2 LED입니다. 후자는 전류 송신기 R3의 신호를 기준 전압과 비교합니다. 충전의 마지막 단계에서 이 신호는 매우 작으며 비교기 매개변수의 영향과 이를 선택할 필요성을 제거하기 위해 DA2.1 연산 증폭기가 장치에 도입되었습니다. 주변 OOS 회로에서 저항 R9의 저항을 변경함으로써 비교기가 95mA의 충전 전류에서 작동하도록 보장합니다. 다이어그램에 표시된 값의 저항 R8, R9를 사용하면 이 전류에서 HL2 LED의 밝기가 약 절반으로 감소하고 93mA로 감소하면 표시기가 꺼집니다. LED의 이러한 동작은 스위치 오프 지점에 접근할 때 비교기 출력에서 전압 "바운스"가 발생하기 때문에 발생하며 배터리가 릴레이 K1의 접점을 우회하여 충전 회로에 직접 연결된 경우 관찰됩니다. 후자의 도입으로 원치 않는 "배터리"를 제거할 수 있을 뿐만 아니라 충전 완료 시 배터리 자동 종료를 구현할 수도 있습니다.

이는 다음과 같이 발생합니다. SB1 버튼을 누르면 (저항 R2, R15을 통해) 트랜지스터 VT16의 베이스에 양극의 전압이 적용되어 열립니다. 결과적으로 릴레이 K1이 활성화되고 접점 K1.1을 통해 배터리를 충전 회로에 연결합니다. 컨디셔닝 중과 고전류 충전 시 DA3.2 비교기는 HL2 LED와 옵토커플러 U1의 방출 다이오드를 켜고 열린 포토트랜지스터는 저항 R14를 +7V 전원 버스에 연결한 후 버튼을 눌렀습니다. SB1이 출시될 수 있습니다.

HL2의 빛을 통해 장치와 배터리 사이의 연결 신뢰성을 판단할 수 있습니다. 접점 품질이 좋지 않으면(전이 저항이 높음) 켜지지 않습니다. 이 경우 버튼을 놓으면 릴레이가 원래 위치로 돌아가서 배터리가 충전 회로에서 분리됩니다.

접촉 저항이 충분히 낮으면 설명된 알고리즘에 따라 충전이 진행됩니다. 마지막 단계에서 전류가 감소하고 비교기가 "바운스"를 생성하려고 시도할 때 릴레이를 해제하면 배터리가 충전 회로에서 분리되고 전류 제한 저항 R3이 있는 HL18 LED가 대신 연결됩니다. HL3의 불빛은 충전이 끝났음을 나타냅니다. 트랜지스터 VT4의 기본 회로에 있는 커패시터 C2는 잡음을 억제합니다.

리튬 이온 배터리의 자원을 낭비하지 않으려면 장치를 설정할 때 0,5...1Ah 용량의 Ni-Cd 배터리 1개 또는 7개로 구성된 배터리를 부하로 사용하는 것이 좋습니다. 첫 번째 단계는 릴레이 접점 그룹을 우회하여 음극 VD10에 직접 연결됩니다. 트리머 저항 엔진 R11, RXNUMX, RXNUMX의 예비 설치에 대한 권장 사항을 주의 깊게 따르면 장치 설정이 필요하지 않을 수도 있지만 주요 표시기(컨디셔닝 전류, 최대 충전 전류를 켜기 위한 임계 전압, 초기값, 충전 중인 배터리의 최종 전압, 표시된 충전 종료 전류 값)은 여전히 필요합니다.

설정하는 동안 디지털 전압계와 1A 전류계가 충전 회로에 연결되고 리튬 이온 배터리 대신 1V로 방전되는 Ni-Cd 셀 7개로 구성된 배터리가 연결됩니다. 0,1V의 공급 전압을 적용한 후 에어컨 모드가 켜져야 합니다. 필요한 전류(6A)는 저항 R2,5을 선택하여 설정됩니다. 충전이 진행됨에 따라 배터리의 전압이 증가하고 1V와 동일해지면 충전 전류가 7A로 증가해야 합니다. 필요한 경우 이 전류 값은 저항 R2,5을 트리밍하여 설정되며 변경되도록 합니다. 11V의 전압에서 발생하면 저항 RXNUMX 슬라이더의 위치를 조정하십시오.

그런 다음 4개의 배터리로 구성된 배터리를 장치에 연결하고 전압을 약 95V로 높인 후 충전 전류가 어떻게 감소하기 시작하는지 관찰합니다. 2mA 값에서는 언급된 대로 HL93 LED의 밝기가 절반으로 줄어들고 5mA에서는 꺼집니다. 지정된 충전 전류 간격이 경과하는 동안 릴레이 접점의 채터링 소리가 명확하게 들립니다. 이 단계의 접점 그룹은 약 3mA의 전류만 전환하므로(HL9을 켜고 끄기) 이러한 테스트 후에도 상태가 악화되지 않습니다. 첫 번째 충전 중에는 이 프로세스가 다소 느리게 진행되지만 장치를 껐다가 다시 켜면(충전된 배터리 사용) 전류가 몇 초 만에 감소하고 지정된 제한 내에서 LED의 원하는 동작을 달성합니다. 전류 변경(저항 R4,18 선택)은 어렵지 않습니다. 표시된 대로 배터리의 최종 전압은 트리밍 저항 R10을 사용하여 XNUMXV로 설정됩니다.

다음으로 릴레이 접점을 통해 배터리를 연결하고 시동 회로의 작동을 확인하며, 충전이 완료된 후 배터리의 명확한 분리를 확인합니다. 이 경우 저항이 5 ... 10 Ohms 인 저항을 통해 충전 된 배터리의 예비 단기 방전이 필요할 수 있습니다.

설정을 완료하려면 리튬 이온 배터리를 장치에 연결하고 충전하는 동안 전압(2,5V 제외)과 충전 전류가 설정 값과 일치하는지 확인하십시오. Li-ion 및 Ni-Cd 배터리의 내부 저항에는 일부 차이가 있으므로 장치를 다시 조정해야 할 수도 있습니다.

이 장치는 60x45mm 크기의 브레드보드에 조립됩니다(인쇄 회로 기판은 개발되지 않았습니다). 트랜지스터 VT1은 냉각 표면적이 약 100cm2인 방열판에 설치됩니다. 1N5822 다이오드를 최대 3A의 작동 전류를 갖는 다른 쇼트키 다이오드로 교체할 수 있습니다. 트리머 저항 R7, R10, R11은 다중 회전 와이어(예: SP5-3)입니다. 커패시터 C5 - 정격 전압이 6,8...10V인 10...35μF의 산화물 커패시턴스. KT829A 대신 정적 베이스 전류 전달 계수가 h21E 750...1000인 다른 강력한 복합 트랜지스터를 사용할 수 있습니다. .

이 장치는 여권 RS55(새 명칭 RS4.569.604-4.569.600)가 있는 리드 릴레이 RES16A를 사용합니다. 작동 전압이 7V보다 훨씬 낮기 때문에 저항 R17은 권선과 직렬로 연결됩니다. 여권 RS4.569.603(RS4.569.600-15)과 함께 이 유형의 릴레이를 사용하는 것이 허용됩니다. 이 경우 과잉 전압을 흡수하는 저항의 저항을 43Ω으로 줄여야 합니다.

충전 전류 소스로 [1]에 설명된 네트워크 어댑터를 사용하여 출력 전압을 7V로 설정할 수 있습니다.

TSM101A, LM358 및 LM393 칩에 대한 정보

문학

Kosenko S. Ni-Cd 배터리용 "지능형" 충전기. - 라디오, 2004, No. 5, p. 32-35.
리튬 이온 배터리("해외"). - 라디오, 2001, No. 7, p. 44, 45.
Tkachev F. 감열 다리 계산. - 라디오, 1995년, 8호, 46페이지.

저자: S. Kosenko, Voronezh

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