リチウムイオン電池の安全な充電。スキーム、説明

無線電子工学および電気工学の百科事典
無料のライブラリ / 無線電子および電気機器のスキーム

リチウムイオン電池の安全な充電。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

無料のテクニカルライブラリ

近年、雑誌「ラジオ」は、いわゆる「インテリジェント」充電器を含む多くの充電器について説明しています。これらの充電器は、バッテリーの充電プロセスを最大限に自動化するだけでなく（バッテリーの電圧に応じて充電電流を調整し、完全に充電されたらオフにします）が、充電前に必要な初期電圧まで放電します。ただし、これらのデバイスはすべて Ni-Cd および Ni-MH バッテリー用に設計されており、その特有の機能により Li-ion (リチウムイオン) バッテリーの充電にはあまり適していません。公開された記事では、まさにそのようなバッテリーを充電するために設計されたシンプルな充電器について説明しています。

リチウムイオン電池に関する情報は豊富にあるにもかかわらず、インターネットには、リチウムイオン電池を充電するための非常にシンプルで信頼性の高いデバイスの必要性を示すユーザーの論争があふれています。提案された設計は、この問題を解決するための可能な選択肢の 1 つにすぎず、主に製造コストの低さに焦点を当てています。たとえば、[1] で説明されているデバイスとは異なり、そこで使用されるマイクロ回路のコストは XNUMX ドルを超えることはありません。

もちろん、安さのために絶対に無視してはいけない指標もあります。主なものは運用上の安全性であり、リチウムイオン電池の不注意な実験中の爆発に関するアマチュア無線の話の「図」となっています。 [2] では、充電可能なリチウム電池の意図しない破壊を防ぐために企業が講じた措置が十分に詳細に説明されています。それにもかかわらず、メーカーは、過充電だけでなく、2,5 V 未満の電圧または大電流 (2,5 A 以上) までの放電に対して警告しています。深放電と、わずか数マイクロアンペアの電流での長期充電は、どちらも、バッテリーの電極上での樹状突起の形成を刺激し、早期故障を引き起こす可能性があります。したがって、結論は次のとおりです。リチウムイオン電池の「寿命」を延ばすには、必ずしもフル充電（2,5V）に達する必要はなく、適切なタイミングで（電圧が100Vに低下するのを待たずに）再充電する方が良いです。％）充電。

この原理は、LGR18650E バッテリーを充電するように設計された、説明されているデバイスの動作の基礎となっています (その特性は、NEC の ICR-18650 の特性とほぼ同じです [2])。必要に応じて、記事に記載されている計算式を使用して、他の特性でバッテリーを充電するようにデバイスを変更できます。

装置の電気回路図を図に示します。その基礎は、D1P101 および S1 パッケージで製造された特殊な DA8 TSM08A マイクロ回路です。

（クリックして拡大）

知られているように、リチウムイオン電池は最初に定電流で充電する必要があり、所定の電圧レベルに達すると、指数関数に従って低下する必要があります[2]。提案されたデバイスでは、オペアンプ DA1.2 が充電電流センサー (抵抗 R3) からの信号を、抵抗 R6 のスライダーから取得した基準電圧 Uo1,24p = 7 V の一部と比較し、トランジスタ VT1 を正確に開きます。電流センサーの両端に必要な電圧降下を生じさせるために必要です。さらに、このデバイスは、深く放電したバッテリーを充電するときに、いわゆるコンディショニングモードを提供します。

デバイスパラメータを計算してみましょう。この場合、充電中のバッテリーの温度監視は提供されないため、最大充電電流 Icharge = 1 A に制限します。もちろん、1,6 A まで増やすことができますが、この場合は次のことを考慮する必要があります。たとえば、[3] に記載されている推奨事項を考慮してください。 DA2 チップのオペアンプはこの場合使用されていませんが、充電中のバッテリーの熱制御を簡単に実装できます。

充電電流の許容値では、抵抗 R3 の両端の電圧降下は 0,22 V です。デバイスに取り付ける前に、安定化電源から 7 V の電圧を印加して、抵抗 R1,24 のモーターにこの電圧を設定する必要があります。 (回路に従って) 上部の端子に接続します。

充電開始時のバッテリー G1 の電圧が 2,5 V を超えない場合、充電済みバッテリー G3.1 のコンディショニングモードが自動的にオンになります。この目的のために、コンパレータ DA1 は G11 の電圧を (分圧器 - トリミング抵抗 R2,5 を介して) 監視します。 )、2 B 未満の場合、コンパレータの出力トランジスタが飽和状態まで開き、DA1 マイクロ回路のピン 11 を共通線に接続し、それによって基準電流源がオンになります。前のケースと同様に、抵抗器 R2,5 をデバイスに取り付ける前に、校正された電圧がその上部 (図によると) 端子に供給されます (ただし、現在は - 1,24 V)。スライダーを回すと、1,4 V の電圧が得られます。基準電流源をオンにした後、Iobr = オペアンプ DA1.2 の反転入力の 3 mA 電圧は、並列接続された抵抗 R4 と R6、R3 の両端の電圧降下の代数和です。電流センサー R4 の電流 Iobr によって生じる電圧降下を無視して、一般に受け入れられている調整電流 Icond - 0,1 Icharge の値に対する抵抗 RXNUMX の抵抗を計算します。

必要な抵抗を選択する最も簡単な方法は、図に示されている公称値の抵抗 R4 を R6 と並列に接続することです。

したがって、図に示されている電流設定抵抗の抵抗値は、深放電したバッテリーを 100 mA 以下の電流で充電し、バッテリーの電圧が 2,5 V に上昇した場合には 1 A の電流で充電することを保証します。

ここまで、バッテリー充電の初期段階について説明してきました。完了すると、オペアンプ DA1.1 が動作を開始します。非反転入力の基準電圧と抵抗 R10 から得た電圧の一部を比較し、バッテリーの電圧が規定レベルの 1 V を超えない程度にトランジスタ VT4,2 を開きます。抵抗器 R10 の上部 (回路に従って) 端子にこれを取り付けると、4,2 V の電圧が供給され、エンジンの両端の電圧が 1,24 V になる位置に設定されます。

前述したように、リチウム電池の充電は一定の電流値で充電を完了する必要があります。この場合、容量の約 95% に相当する 90 mA が選択されます [2]。充電電流インジケータは、コンパレータ DA2 の出力に接続された HL3.2 LED です。後者は、電流送信機 R3 の信号を基準電圧と比較します。充電の最終段階では、この信号は非常に小さいため、コンパレータパラメータの影響とそれを選択する必要性を排除するために、DA2.1オペアンプがデバイスに導入されました。周囲の OOS 回路内の抵抗 R9 の抵抗値を変更することで、コンパレータが 95 mA の充電電流で動作するようにします。図に示されている値の抵抗R8、R9を使用すると、この電流でのHL2 LEDの明るさは約半分に減少し、93mAに減少するとインジケーターが消えます。 LED のこの動作は、コンパレータがスイッチオフ点に近づくときにコンパレータの出力で電圧「バウンス」が発生することによるもので、バッテリがリレー K1 の接点をバイパスして充電回路に直接接続されている場合に観察されます。後者の導入により、不要な「バッテリー切れ」を排除できるだけでなく、充電完了時にバッテリーを自動的にシャットダウンすることも可能になりました。

これは次のように起こります。 SB1 ボタンを押すと、正極性の電圧が (抵抗 R2、R15 を介して) トランジスタ VT16 のベースに印加され、トランジスタ VT1 が開きます。その結果、リレー K1.1 が作動し、その接点 K3.2 によりバッテリーを充電回路に接続します。コンディショニング中と高電流での充電中の両方で、DA2 コンパレータが HL1 LED とフォトカプラ U14 の発光ダイオードをオンにするため、開いたフォトトランジスタは抵抗 R7 を +1 V 電源バスに接続し、その後、押されたボタンがオンになります。 SBXNUMXは解除可能です。

HL2 の発光により、デバイスとバッテリー間の接続の信頼性を判断できます。接触の品質が悪い (遷移抵抗が高い) 場合、HLXNUMX は点灯しません。この場合、ボタンを放すとリレーが元の位置に戻り、バッテリーが充電回路から切り離されます。

接触抵抗が十分に低い場合、説明されているアルゴリズムに従って充電が進行します。最終段階で電流が減少し、コンパレータが「バウンス」を発生させようとすると、リレーを解放すると、バッテリが充電回路から切り離され、代わりに電流制限抵抗 R3 を備えた HL18 LED が接続されます。 HL3 のグローは充電の終了を示します。トランジスタ VT4 のベース回路のコンデンサ C2 はノイズを抑制します。

リチウムイオン電池の資源を無駄にしないために、デバイスをセットアップする際には、容量 0,5 ～ 1 Ah のニカド電池 1 個または 7 個を負荷として使用することをお勧めします。最初のステージはカソード VD10 に直接接続され、リレー接点グループをバイパスします。トリマー抵抗エンジン R11、RXNUMX、RXNUMX の事前設置に関する推奨事項に注意深く従った場合、デバイスのセットアップは必要ない場合もありますが、主要なインジケーター (調整電流、フル充電電流をオンにするためのしきい値電圧、初期値、充電されるバッテリーの最終電圧、表示される充電終了電流の値）は依然として必要です。

セットアップ中、デジタル電圧計と 1 A 電流計が充電回路に接続され、リチウムイオン電池の代わりに、1 V まで放電された 7 つの Ni-Cd セルからなる電池が接続されます。 0,1 V の電源電圧を印加すると、空調モードがオンになります。必要な電流 (6 A) は、抵抗 R2,5 を選択することによって設定されます。充電が進むと、バッテリの電圧が増加し、1 V に等しくなるやいなや、充電電流が 7 A に増加する必要があります。必要に応じて、この電流値はトリミング抵抗 R2,5 によって設定され、その変化が大きくなるようにします。 11 V の電圧で発生する場合は、抵抗 RXNUMX スライダーの位置を調整します。

次に、4 つのバッテリーからなるバッテリーをデバイスに接続し、その電圧を約 95 V に増加させた後、充電電流がどのように減少し始めるかを観察します。 2 mA の値では、前述したように HL93 LED の輝度が半分になり、5 mA で消灯するはずです。指定された充電電流間隔が経過すると、リレー接点のチャタリング音がはっきりと聞こえます。この段階での接点グループのスイッチング電流は 3mA 程度 (HL9 のオンオフ) なので、このようなテストを行っても状態が悪化することはありません。最初の充電中、このプロセスはかなりゆっくりと進行しますが、デバイスの電源をオフにして、(充電されたバッテリーを使用して) 再度オンにすると、電流は数秒で減少し、指定された制限内で LED の望ましい動作が達成されます。 (抵抗 R4,18 を選択することにより) 電流変化を調整することは難しくありません。示されているように、バッテリーの最終電圧はトリミング抵抗 R10 を使用して XNUMX V に設定されます。

次に、リレー接点を介してバッテリーが接続され、始動回路の動作がチェックされ、充電完了後にバッテリーが明確に切断されていることも確認されます。この場合、5 ... 10 オームの抵抗を介して、充電されたバッテリーを予備的に短時間放電する必要がある場合があります。

セットアップを完了するには、デバイスにリチウムイオン電池を接続し、充電しながら電圧（もちろん 2,5 V を除く）と充電電流が設定値に一致していることを確認します。リチウムイオン電池とニカド電池の内部抵抗には多少の違いがあるため、デバイスの再調整が必要になる場合があります。

このデバイスは、60x45 mm のブレッドボード上に組み立てられます (プリント基板は開発されていません)。トランジスタVT1は、冷却表面積約100cm2のヒートシンク上に設置されています。 1N5822 ダイオードを、最大 3 A の動作電流を持つ他のショットキーダイオードに置き換えることができます。トリマー抵抗器 R7、R10、R11 は、複数巻きワイヤ (SP5-3 など) です。コンデンサ C5 - 定格電圧 6,8 ～ 10 V、酸化物容量 10 ～ 35 μF。KT829A の代わりに、静的ベース電流伝達係数 h21E 750 ～ 1000 を持つ他の強力な複合トランジスタを使用できます。。

このデバイスは、パスポート RS55 (新しい指定 RS4.569.604-4.569.600) を備えたリードリレー RES16A を使用します。動作電圧が 7 V より大幅に低いため、抵抗 R17 は巻線と直列に接続されます。このタイプのリレーはパスポート RS4.569.603 (RS4.569.600-15) で使用できます。この場合、過剰な電圧を吸収する抵抗器の抵抗値を 43 オームに下げる必要があります。

充電電流源として、[1] で説明されているネットワークアダプタを使用し、その出力電圧を 7 V に設定できます。

TSM101A、LM358、および LM393 チップに関する情報

文学

Kosenko S. Ni-Cd バッテリー用の「インテリジェント」充電器。 - ラジオ、2004 年、第 5 号、p. 32-35。
リチウムイオン電池（「海外」）。 - ラジオ、2001 年、No. 7、p。 44、45。
Tkachev F.感熱ブリッジの計算。 - ラジオ、1995 年、第 8 号、46 ページ。

著者: S. コセンコ、ヴォロネジ

他の記事も見る セクション充電器、バッテリー、ガルバニ電池.

読み書き 有用なこの記事へのコメント.

<<戻る

科学技術の最新ニュース、新しい電子機器：

庭の花の間引き機 02.05.2024

現代の農業では、植物の世話プロセスの効率を高めることを目的とした技術進歩が進んでいます。収穫段階を最適化するように設計された革新的な Florix 摘花機がイタリアで発表されました。このツールには可動アームが装備されているため、庭のニーズに簡単に適応できます。オペレーターは、ジョイスティックを使用してトラクターの運転台から細いワイヤーを制御することで、細いワイヤーの速度を調整できます。このアプローチにより、花の間引きプロセスの効率が大幅に向上し、庭の特定の条件や、そこで栽培される果物の種類や種類に合わせて個別に調整できる可能性が得られます。 2 年間にわたりさまざまな種類の果物で Florix マシンをテストした結果、非常に有望な結果が得られました。フロリックス機械を数年間使用しているフィリベルト・モンタナリ氏のような農家は、花を摘むのに必要な時間と労力が大幅に削減されたと報告しています。 ... >>

最先端の赤外線顕微鏡 02.05.2024

顕微鏡は科学研究において重要な役割を果たしており、科学者は目に見えない構造やプロセスを詳しく調べることができます。ただし、さまざまな顕微鏡法には限界があり、その中には赤外領域を使用する場合の解像度の限界がありました。しかし、東京大学の日本人研究者らの最新の成果は、ミクロ世界の研究に新たな展望をもたらした。東京大学の科学者らは、赤外顕微鏡の機能に革命をもたらす新しい顕微鏡を発表した。この高度な機器を使用すると、生きた細菌の内部構造をナノメートルスケールで驚くほど鮮明に見ることができます。通常、中赤外顕微鏡は解像度が低いという制限がありますが、日本の研究者による最新の開発はこれらの制限を克服します。科学者によると、開発された顕微鏡では、従来の顕微鏡の解像度の 120 倍である最大 30 ナノメートルの解像度の画像を作成できます。 ... >>

昆虫用エアトラップ 01.05.2024

農業は経済の重要な分野の 1 つであり、害虫駆除はこのプロセスに不可欠な部分です。インド農業研究評議会 - 中央ジャガイモ研究所 (ICAR-CPRI) シムラーの科学者チームは、この問題に対する革新的な解決策、つまり風力発電の昆虫エアトラップを考案しました。このデバイスは、リアルタイムの昆虫個体数データを提供することで、従来の害虫駆除方法の欠点に対処します。このトラップは風力エネルギーのみで駆動されるため、電力を必要としない環境に優しいソリューションです。そのユニークな設計により、有害な昆虫と有益な昆虫の両方を監視することができ、あらゆる農業地域の個体群の完全な概要を提供します。「対象となる害虫を適切なタイミングで評価することで、害虫と病気の両方を制御するために必要な措置を講じることができます」とカピル氏は言います。 ... >>

アーカイブからのランダムなニュース

電気を蓄える紙 15.12.2015

スウェーデンで、電気のエネルギーを蓄える「紙」を開発。リンショーピン大学の研究者たちは、優れた蓄電能力を持つ材料を開発しました。科学者たちはそれを「エネルギー紙」と呼んでいます。

この材料は、セルロースナノファイバーと導電性ポリマーで構成されています。直径 15 cm、厚さ 1 mm 未満のこのような「紙」のシートの静電容量は 1 F です。これは、現在市場で入手可能なスーパーキャパシタの静電容量に匹敵します。シートは数百回の再充電サイクルに耐えることができ、数秒で再充電できます。この新素材は、静電容量や電流強度を含む XNUMX つのパラメーターで、有機エレクトロニクスの記録的な値を示しています。

エネルギーを貯蔵できる材料の最も有望な応用分野の XNUMX つである科学者は、風力発電機やソーラーパネルなどの再生可能エネルギー源を使用した電力供給システムを検討しています。実際、このようなシステムは発電量の変動が特徴であり、その貯蔵容量があることで、気象条件、時間帯、年に関係なく、負荷への均一な電力供給が可能になります。

材料の利点、その作成者には、任意の厚さのシートを作成する機能、および「エネルギー紙」のシートを普通の紙のシートのように折りたたむことができるという事実が含まれます。

その他の興味深いニュース:

▪ レゴ - 完璧な断熱材

▪ 古い心臓を幹細胞で若返らせる

▪ Apple、リサイクルされたコバルト、金、スズ、レアアースに切り替える

▪ においに対する態度

▪ 植物性素材のスニーカー

科学技術、新しいエレクトロニクスのニュースフィード

無料の技術ライブラリの興味深い資料:

▪ サイトの車のセクション。記事の選択

▪ パブリク・モロゾフによる記事。人気の表現

▪ 記事ノーマン・ボーローグはどのような緑の革命でノーベル平和賞を受賞しましたか? 詳細な回答

▪ 記事電気回路の組み立てと設置の特徴。ディレクトリ