Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Dalibor Hajsok
OPTIMALNI STIKALNI NAPAJALNIK ZA POLNJENJE LITIJEVIH
AKUMULATORSKIH BATERIJ
Diplomsko delo
Maribor, avgust 2016
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Dalibor Hajsok
OPTIMALNI STIKALNI NAPAJALNIK ZA POLNJENJE LITIJEVIH
AKUMULATORSKIH BATERIJ
Diplomsko delo
Maribor, avgust 2016
I
OPTIMALNI STIKALNI NAPAJALNIK
ZA POLNJENJE LITIJEVIH
AKUMULATORSKIH BATERIJ
Diplomsko delo
Študent: Dalibor Hajsok
Študijski program: Visokošolski strokovni, Elektrotehnika
Smer: Elektronika
Mentor: viš. pred. dr. Mitja Solar
II
III
ZAHVALA
Iskreno se zahvaljujem za vsestransko
pomoć pri izdelavi diplomskega dela
viš. pred. dr. Mitji Solar.
IV
OPTIMALNI STIKALNI NAPAJALNIK ZA
POLNJENJE LITIJEVIH AKUMULATORSKIH
BATERIJ
Ključne besede: baterije, stikalni napajalniki, Li-ion, baterijski polnilnik
UDK: 621.355(043.2)
Povzetek
Namen diplomskega dela je bilo izdelati polnilnik, ki bo optimalno in varno polnil Li-ion
akumalatorske baterije. Uvodoma so predstavljene polnilne baterije in podrobneje
analizirane Li-ion baterije. Polnilnik smo zasnovali kot stikalni na podlagi regulatorja
navzdol. Stikalo temelji na MOSFET tranzistorju, za nadzor napetosti pa je uporabljena
impulzno širinska modulacija PWM. Predstavljene so prednosti in slabosti stikalne
izvedbe. Jedro polnilnika je namensko integrirano vezje bq24257. Celotno vezje je
izdelano v SMD tehniki. Polnilniku lahko preko računalnika nastavljamo in spremljamo
vse bitne parametre. Na koncu smo preverili delovanje polnilnika z meritvami in
prikazanimi rezultati.
V
SWITCHING POWER SUPPLY FOR OPTIMAL
LI-ION BATTERY CHARGING
Key words: batteries, switching power supply, Li-ion, battery charger
UDK: 621.355(043.2)
Abstract
The goal of this final work is to make a charger which will optimally and safely charge
both Li-ion and storage batteries. In the introduction we present the chargeable batteries,
while the detailed analysis encompasses the Li-ion battery. The charger is designed as a
switch buck converter. The switch is based on a MOSFET transistor, while the voltage
control uses pulse width modulation (PWM). The advantages, as well as drawback of the
switch model are presented. The charger core consists of a purpose integrated chip
bq24257, while the whole circuit has been made in SMD tehnology. All essential
parameters of the charger can be both computer adjusted and monitored. Finally, certain
measurements were made and the obtained results have been presented.
VI
KAZALO
1 UVOD ................................................................................................................................ 1
2 LASNOSTI IN VRSTE BATERIJ .................................................................................. 2
2.1 Kapaciteta baterije .................................................................................................... 3
2.2 Specifična energija ..................................................................................................... 3
2.3 Specifična moč ............................................................................................................ 3
2.4 Življenska doba akumulatorja ................................................................................. 3
2.5 Primarne baterije ....................................................................................................... 4
2.5.1 Cink – karbon baterije ........................................................................................ 5
2.5.2 Alkalne baterije ................................................................................................... 5
2.6 Sekundarne baterije .................................................................................................. 6
2.6.1 Ni-Cd baterije ...................................................................................................... 7
2.6.2 Ni-Mh baterije ..................................................................................................... 7
2.6.3 Li-ion baterije ...................................................................................................... 8
2.6.4 Eksperimentalne polnilne baterije ..................................................................... 8
3 LITIJ-IONSKI AKUMULATORJI .............................................................................. 10
3.1 Princip delovanja ..................................................................................................... 10
3.2 Osnovni proces polnjenja in praznjenja ................................................................ 11
3.3 Elektrode in elektrolit .............................................................................................. 13
3.4 Vrste Litij-ionskih baterij ....................................................................................... 15
3.4.1 Litij-kobaltov oksid (LiCoO2) .......................................................................... 15
3.4.2 Litij-manganov oksid (LiMn2O4) ..................................................................... 16
3.4.3 Litij-nikelj-mangan-kobaltov oksid (LiNiMnCoO2 ali NMC) ...................... 18
3.4.4 Litij-železo-fosfat (LiFePO4) ............................................................................ 19
3.4.5 Litij-nikelj-kobalt-aluminijev oksid (LiNiCoAlO2 ali NCA) ......................... 21
3.4.6 Litijev titanat (Li4Ti5O12) ................................................................................. 22
3.5 Elektroliti .................................................................................................................. 24
3.6 Karakteristike litij-ionskih akumulatorjev ........................................................... 26
VII
3.6.1 C stopnja ............................................................................................................ 26
3.6.2 Polnjenje ............................................................................................................. 26
3.6.3 Praznjenje .......................................................................................................... 28
3.6.4 Spominski (memory) pojav .............................................................................. 34
3.7 Oblika Li-ionskih baterij ......................................................................................... 34
3.7.1 Valjasta (cilindrična) oblika baterije............................................................... 35
3.7.2 Gumbna oblika baterije .................................................................................... 37
3.7.3 Ploščata oblika baterije ..................................................................................... 38
3.7.4 Vrečkasta oblika baterije.................................................................................. 39
4 POLNILNIKI LITIJEVIH AKUMULATORSKIH BATERIJ ................................. 40
4.1 Vrste polnilnikov ...................................................................................................... 40
4.2 Polnjenje baterij ....................................................................................................... 42
4.3 Vrste Li + polnilnilnikov ......................................................................................... 46
5 OPIS IN ZGRADBA POLNILNIKA ............................................................................ 48
5.1 Integrirano vezje bq24257 ....................................................................................... 48
5.1.1 Osnovne značilnosti polnilnika bq24257 ......................................................... 49
5.2 Delovanje polnilnika ................................................................................................ 53
5.2.1 I2C in samostojni način delovanja ................................................................... 53
5.2.2 BC1.2 D+/D– Detekcija ..................................................................................... 54
5.3 Načrtovanje potrebnih zunanjih komponent ........................................................ 56
5.4 Električna shema polnilnika ................................................................................... 59
5.5 Tiskano vezje ............................................................................................................ 60
6 REZULTATI ................................................................................................................... 63
6.1 Kontrola in nastavitev parametrov v I2C načinu delovanja polnilnika .............. 64
6.2 Preizkus polnilnika .................................................................................................. 70
6.3 Preizkus delovanja DPM funkcije .......................................................................... 79
7 SKLEP ............................................................................................................................. 82
8 LITERATURA ............................................................................................................... 83
9 PRILOGE ........................................................................................................................ 85
VIII
KAZALO SLIK
Slika 2.1: Specifična moč in specifična energija najpogostejših akumulatorjev. .................. 4
Slika 2.2: Primerjava vsebnosti energije (povprečno). .......................................................... 6
Slika 2.3: Sekundarne baterije. .............................................................................................. 6
Slika 3.1: Prikaz atoma litija-7 i litija-6. ............................................................................. 11
Slika 3.2: Prikaz procesa punjenja i praznjenja akumulatorja ............................................. 12
Slika 3.3: Litij-ionski akumulator. ....................................................................................... 12
Slika 3.4a: Planarni lističi atomov ogljika. .......................................................................... 14
Slika 3.5: Karakteristike LiCoO2 akumulatorja. .................................................................. 16
Slika 3.6: Karakteristike LiMn2O4 akumulatorja. ............................................................... 17
Slika 3.7: Karakteristike NMC akumulatorja. ..................................................................... 18
Slika 3.8: Karakteristike LiFePO4 akumulatorja. ................................................................ 19
Slika 3.9: Izguba stika s tokovnim vodnikom pri slicijevi anodi ........................................ 20
Slika 3.10: Silicijeve nanocevke. ......................................................................................... 21
Slika 3.11: Karakteristike standardnega NCA akumulatorja............................................... 21
Slika 3.12: Karakteristike LTO akumulatorja. .................................................................... 22
Slika 3.13: Medsebojna primerjava litij-ionskih akumulatorjev ......................................... 24
Slika 3.14: PLiION baterija s polimernim elektrolitom. ..................................................... 25
Slika 3.15: Karakteristika polnjenja Li-ionske baterije. ...................................................... 27
Slika 3.16: Karakteristike praznenja Li-ion baterije pri različnih tokovih. ......................... 28
Slika 3.17: Potek praznilnih karakteristik Li-ion baterije v odvisnosti od temperature. ..... 30
Slika 3.18: Vpliv povišanih polnilnih napetosti na življenje cikla. ..................................... 32
Slika 3.19: Prikaz cikla polnenja in praznjenja. .................................................................. 33
Slika 3.20: Oblika Li-ionskih baterij. .................................................................................. 34
Slika 3.21: Valjasta oblika Li-ion akumulatorja s prerezom. .............................................. 35
Slika 3.22: Prikaz konstrukcije akumulatorja tipa 18650. ................................................... 36
Slika 3.23: Prikaz zaščitne elektronike. ............................................................................... 37
Slika 3.24: Dimenzije 18650 akumulatorja. ........................................................................ 37
Slika 3.25: Gumbna oblika baterijske celice s prerezom..................................................... 38
Slika 3.26: Ploščata baterijska celica s prerezom. ............................................................... 38
IX
Slika 3.27: Vrečkasta baterijska celica s prerezom. ............................................................ 39
Slika 5.1: Razpored priključkov bq24257. .......................................................................... 51
Slika 5.2: Blokovna shema bq24257. .................................................................................. 52
Slika 5.3: Poenostavljeno aplikacijsko vezje bq24257. ....................................................... 53
Slika 5.4: I2C in samostojni način delovanja. ...................................................................... 54
Slika 5.5: Tipična karakteristika polnjenja LI-ion baterije za bq24257. ............................. 55
Slika 5.6: Napetost na osnovi NTC vezja. .......................................................................... 58
Slika 5.7: JEITA profil za regulacijo napetosti in toka. ...................................................... 58
Slika 5.8: Električna shema polnilnika. ............................................................................... 59
Slika 5.9: Zgornja stran ploščice (TOP). ............................................................................. 60
Slika 5.10: Spodnja stran ploščice (BOTTOM). ................................................................. 60
Slika 5.11: Razpored elementov na ploščici. ....................................................................... 61
Slika 5.12: Končni izgled zgrajenega polnilnika, pogled od zgoraj. ................................... 61
Slika 5.13: Končni izgled zgajenega polnilnika, pogled od spodaj. .................................... 62
Slika 6.1: Omrežni adapter. ................................................................................................. 63
Slika 6.2: Priključek USB Interface Adapter....................................................................... 63
Slika 6.3: Pogovorno okno programa BQ24250 EVM........................................................ 64
Slika 6.4: Prikaz registrov programa . ................................................................................. 67
Slika 6.5: Prikaz stanja pomembnih funkcij polnilnika. ...................................................... 67
Slika 6.6: Prikaz stanj WD Timera. ..................................................................................... 68
Slika 6.7: Prikaz stanj polnilnika. ........................................................................................ 68
Slika 6.8: Prikaz napak polnilnika. ...................................................................................... 68
Slika 6.9: Rezultati D+/D- detekcije. .................................................................................. 69
Slika 6.10: Prikaz aktivne zanke. ........................................................................................ 69
Slika 6.11: Omogočena ali onemogočena funkcija polnjenja. ............................................ 69
Slika 6.12: Temperatura baterije. ........................................................................................ 69
Slika 6.13: Vezava merilnih instrumentov z polnilnikom. .................................................. 70
Slika 6.14: Začetno pogovorno okno, privzete vrednosti. ................................................... 71
Slika 6.15: Polnjenje baterije s tokom ICHG =1000mA. ....................................................... 71
Slika 6.16: Potek polnilnega toka za Ichg =1000mA. ........................................................... 73
Slika 6.17: Potek napetosti UBAT za tok polnjenja ICHG =1000mA. ..................................... 73
Slika 6.18: Potek toka polnjenja ko je UBAT < 3,0V. ........................................................... 75
X
Slika 6.19: Potek napetosti UBAT, ko je UBAT < 3,0V. ......................................................... 75
Slika 6.20: Potek polnilnega toka za Ichg =1450mA. ........................................................... 78
Slika 6.21: Potek napetosti UBAT za tok polnjenja ICHG =1450mA. ..................................... 78
Slika 6.22: Potek polnilnega toka za Ichg =1450mA pri uporabi DPM funkcije. ................. 81
Slika 6.23: Potek napetosti baterije za Ichg =1450mA pri uporabi DPM funkcije. .............. 81
KAZALO TABEL
Tabela 3.1: Karakteristike LiCoO2 akumulatorja. ............................................................... 16
Tabela 3.2: Karakteristike LiMn2O4 akumulatorja. ............................................................. 17
Tabela 3.3: Karakteristike NMC akumulatorja. .................................................................. 18
Tabela 3.4: Karakteristike LiFePO4 akumulatorja. ............................................................. 19
Tabela 3.5: Karakteristike standardnega NCA akumulatorja. ............................................. 22
Tabela 3.6: Karakteristike LTO akumulatorja. .................................................................... 23
Tabela 3.7: Tipične karakteristike polnjenja litij-ionske baterije. ...................................... 28
Tabela 3.8: Vpliv temperature in napolnjenost akumulatorja glede na izgube v mirovanju.
............................................................................................................................................. 30
Tabela 3.9: Ocenjena preostala energija v akumulatorju po enem letu, pri skladiščenju. ... 31
Tabela 3.10: Samoizpraznitev akumulatorjev. .................................................................... 31
Tabela 3.11: Prikaz koliko ciklusov premore Li-Ion celica glede na polnilno napetost [8].
............................................................................................................................................. 32
Tabela 3.12: Približen prikaz koliko ciklusov prenese akumulator glede na %
ispraznjenosti (DoD). .......................................................................................................... 33
Tabela 5.1: Opis priključkov bq24257....................................................................... 50
Tabela 5.2: Parametri za načrtovanje. ................................................................................. 56
Tabela 5.3: Nastavitve ko so pini ILIM, VDPM, ISET kratko staknjeni na GND. ............ 57
Tabela 5.4: Pragi napetosti – JEITA zahteve. ..................................................................... 59
Tabela 5.5: Seznam uporabljenih elementov. ...................................................................... 62
Tabela 6.1: Prikaz merilnih rezultatov za ICHG =1000mA........................................... 72
Tabela 6.2: Prikaz merilnih rezultatov za ICHG =1000mA, kabel KB2. ............................... 76
Tabela 6.3: Prikaz merilnih rezultatov za ICHG =1450mA. .................................................. 77
Tabela 6.4: Prikaz delovanja DPM funkcije, ICHG =1450mA. ........................................... 80
XI
UPORABLJENE KRATICE
PWM – Pulse Width Modulation (pulzno širinska modulacija)
AC – Alternating Current (izmenična napetost)
DC – Direct Current (enosmerna napetost)
Li-ion battery – Lithium-ion Battery (litij-ionski akumulator)
MOSFET – MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor (tranzistor z učinkom
polja v izvedbi s kovinskim oksidom)
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor (tranzistor z izoliranimi vrati)
CID – Current Interruption Device (tokovni prekinitveni element)
CC – Constant Current (konstanten tok)
CV – Constant Voltage (konstantna napetost)
OVP – Overvoltage Protection ( vhodna prenapetostna zaščita)
LDO – Low Dropout ( regulator z majhno vhodno razliko)
JEITA – Japan Electronics and Information Technology Industries Association
(standard nadzora varnog polnjenja)
DPM – Dinamic Power Management (dinamično upravljanje napajanjem)
NTC – Negative Temperature Coefficient (negativni temperaturni koeficient)
I2C – Inter Integrated Circuit (serijsko komunikacijsko vodilo)
IC – Integrated Circuit (integrirano vezje)
SMD – Surface Mount Device (površinsko nameščen element)
IEC – International Elektrotechical Commision (mednarodna elektrotehniška komisija)
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 1
1 UVOD
Zaradi nenehnega razvoja na področju elektronike je prisotna potreba po čim večji
kapaciteti baterij, da bodo čim manjše, lažje, varnejše, cenejše in okolju prijaznejše.
Razvoj baterij ne sledi zahtevam in je baterija postajajo ozko grlo. Zato proizvajalci
vlagajo precejšnja finančna sredstva v razvoj nove generacije baterij. Že dalj časa ni bilo
inovacij, od uvedbe litij-ionske baterije, ki danes napajajo večino mobilnih naprav, ki
potrebujejo prenosni vir energije. Mogoče je naslednji korak aluminij-ionska baterija [20].
Ta baterija bi bila odlična alternativa litij-ionskim baterijam, ki so še vedno vir
potencialnih požarov v napravah, v katerim se nahajajo. Aluminij se težko vžge, cenejši je
in okolju bolj prijazen od litija. Ker je aluminij-ionska baterija še v začetni fazi razvoja in
bo za morebitno komercialno proizvodnjo potrebno še veliko časa, bo dotedaj dominirala
litij-ionska baterija.
Življenska doba litij-ionske baterije je odvisna od pravilnega polnjenja in praznjenja. Vsak
tip baterije ima svoje posebnosti, ki jih moramo upoštevati. Ključni parametri, na katere
je treba paziti, so prenapolnjenost, nizka izpraznitev in temperatura. Uporaba slabih
polnilnikov lahko poškoduje baterijo in pripelje celo do njenog uničenja. Polnilniki
običajno vključujejo neko obliko regulacije napetosti za nadzor polnjenja baterije. Vsaka
metoda ima svoje prednosti in slabosti in je odvisna od kompromisa med lastnostmi in
ceno.
V diplomski nalogi smo naredili polnilnik, ki naj bi optimalno polnil litij-ionsko baterijo.
To pomeni da imamo polnilnik, ki nazoruje vse pomembne parametre ob polnjenju. Jedro
našega stikalnega polnilnika je integrirano vezje bq24257, ki uporablja MOSFET tranzistor
kot stikalo, in se za nadzor napetosti uporablja impulzno širinska modulacija (PWM).
Največji možni polnilni tok znaša 2A.
Uporabljena je SMT tehnologija, ki ob uporabi SMD elementov ponuja boljše električne
lasnosti pri visokih frekvencah.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 2
2 LASNOSTI IN VRSTE BATERIJ
Elektrokemijska celica je element, v kateri je shranjen električni naboj. Preko
elektrokemijske redoks reakcije se lahko ta naboj sprosti in je na voljo za opravljanje
električnega dela. Ena ali več celic s pripadajočim vezjem tvori baterijo. Prva delitev
baterij je na primarne in sekundarne, pri čemer je bistvena razlika v tem, da je slednje moč
ponovno napolniti. Sekundarnim baterijam pravimo akumulatorji, primarnim baterijam pa
zgolj baterije [2].
Baterijski akumulatorji so danes najpogostejši vir napajanja mobilnih elektronskih naprav.
Razlogi za to so predvsem velik nabor različnih velikosti in dimenzij baterijskih
akumulatorjev, dolga življenska doba in sposobnost reverzibilnega delovanja. Primarne
baterije so cenejše in imajo običajno visoko energijsko gostoto oziroma kapaciteto. V
določenih primarnih baterijah se lahko po izteku življenjske dobe zamenja izpraznjeno
elektrodo in se jo uporablja naprej ( na primer pri bateriji, kjer za anodo služi kovina, za
katodo pa zrak) [3]. Če elektrolit ni v tekoči obliki govorimo o suhih baterijah (“dry
cells”).
Znane so tudi tako imenovane rezervne baterije. Te imajo neko komponento (na primer
elektrolit) izolirano od ostalih in jo aktiviramo preden baterijo uporabimo. Tako poskrbimo
da se baterija ne more izprazniti sama in je primerna v okoljih, kjer jo lahko uporabimo
tudi po dolgotrajnem skladiščenju [3].
Vsem baterijskim akumulatorjem, ki prihajajo v najrazličnejših izvedbah, je skupno da
temeljijo na kemijskih reakcijah, s pomočjo katerih pretvarjajo kemijsko energijo v
električno. Med seboj jih ločimo po kemijski sestavi, napetosti, kapaciteti, specifični
energiji in gostoti.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 3
2.1 Kapaciteta baterije
Kapaciteto celice lahko opišemo kot množino elektrine, ki se bo pojavila zaradi
elektokemične reakcije, in je izražena v enotah Coulomb ( C ) ali amper-sekunda (As). En
Coulomb je enak naboju, ki ga prenese električni tok 1A v času 1s. Kapaciteta celice je
odvisna od količine aktivnih elementov v elektrokemijski celici in jo lahko teoretično
izračunamo iz “ekvivalentnih mas” reaktantov [3], podajamo pa jo navadno v enotah
amper ura (Ah). Polna baterija z oznako 10Ah lahko napaja napravo s tokom 10 A eno uro.
V praksi dosegamo nekaj nižjo kapaciteto celice oziroma baterije, ker so v bateriji poleg
aktivnih materialov tudi elektrolit, separator in razne druge nereaktivne komponente.
Namesto oznake za kapaciteto C se po IEC standardu uporablja oznaka It, ki pomeni
referenčni testni tok in je izražen v enoti A (Amper).
2.2 Specifična energija
Če kapaciteto baterije pomnožimo z njeno teoretično napetostjo E0 dobimo količino v
enotah Wh. Ta predstavlja največjo možno količino električne energije, ki bi jo v idealnem
primeru baterija lahko oddala [1].
Razmerje vsebovane energije in mase baterije navadno podajamo v Wh/kg. Večja gostota
baterije pomeni lažjo baterijo z enako kapaciteto.
2.3 Specifična moč
Pove koliko moči lahko dobimo iz kilograma akumulatorja (W/kg).
Baterije lahko imajo visoko specifično energijo, vendar slabo specifično moč.
2.4 Življenska doba akumulatorja
Življenska doba akumulatorja pove število polnjenj in praznjenj akumulatorja, po katerih
bo imel popolnoma napolnjen akumulator še vedno 80% nazivne kapacitete.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 4
Na sliki 2.1 je prikazana primerjava nekaterih najpogosteje uporabljenih baterijskih
akumulatorjev ter njihova volumetrična i gravimetrična kapaciteta [4].
Slika 2.1: Specifična moč in specifična energija najpogostejših akumulatorjev.
2.5 Primarne baterije
V zadnjih obdobjih se opaža rast polnilnih, sekundarnih baterij, vseeno pa so primarne
baterije enako pomembne. Tovrstne baterije nenehno polnijo in napajajo vse vrste naprav,
od osnovnih, vsem poznanih naprav do specialnih, namenskih aparatur in aplikacij.
Primarne baterije so najpogosteje uporabljane v zapestnih urah, daljinjskih upravljalnikih,
otroških igračah in nezahtevni zabavni elektroniki. Primarne baterije so uporabljane tudi
povsod kjer je polnjenje nepraktično ali nemogoče, v primerih vojaške in reševalne
tehnike, težko dostopnih nadzornih mestih in podobno. Zaradi nizke cene so primerne
predvsem tam, kjer zahteve po napajanju niso tokovno visoke, kjer naprave za svoje
delovanje ne potrebujejo visoke stopnje energije in je pomembnejša le konstantna napetost.
Večina primarnih naprav je ugodnih, vedno na voljo in okolju prijaznih.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 5
2.5.1 Cink – karbon baterije
Cink-karbon, poznane tudi kot Leclanche baterije [5], so najcenejše primarne baterije.
Pogosto so uporabljene kot prvo-vgradnja v daljinjskih upravljalnikih in cenejšim
elektronskih napravah. Njihov glavni namen je možnost takojšnje uporabe izdelka po
nakupu, najnižjem nabavnem strošku za proizvajalca ali dobavitelja, dolga leta pa lahko
dobro služijo v vseh napravah z izjemno nizko praznilno zahtevnostjo.
2.5.2 Alkalne baterije
Ene najpogostejših primarnih baterij so alkalne baterije. Alkalne baterije dovajajo več
energije pri višjih tokovih kot cink-karbon baterije. V alkalnih baterijah je anoda cinkova,
katoda pa iz manganovega dioksida. Ime ima po elektrolitu, ki je močno alkalen kalijev
hidroksid. Pri praznjenju te baterije cink oksidira v cinkov(II) oksid, manganov dioksid pa
reducira v manganov(III) oksid. Njihova napetost je približno 1,5 V, kapaciteta baterije
AA pa okoli 3000 mAh. Sposobne so zagotavljati sorazmerno nizke tokove, tipično manj
od ampera [6].
Uporabljajo se tudi srebrove baterije, ki jih poznamo iz ročnih ur, kalkulatorjev, slušnih
aparatov in, vojne industrije. Te so dražje in imajo bistveno višjo kapaciteto. Namesto
manganovega dioksida uporabljajo srebrov(I) oksid, imajo nekoliko višjo napetost in višjo
specifično kapaciteto [6].
Primarne baterije imajo izjemno visoko energijsko gostoto. Šele v zadnjih letih polnilne
baterije dosegajo gostoto primarnih baterij, vseeno pa običajne alkalne baterije proizvajajo
skoraj 50% več energije kot primerljive Li-Ion sekundarne baterije. Najvišjo gostoto
nepolnilnih primarnih baterij najdemo v litijevih izvedbah, pogosto uporabljane v
zahtevnejših svetilkah, starejših fotoaparatih in kamerah ter industriji, kot pomožno
napajanje. Litijeve baterije je mogoče dobiti v različnih izvedbah, kot litij-mangan, litij-
železo, litij-klorid,... Graf na sliki 2.2 prikazuje primerjavo med tipičnimi energijskimi
gostotami svinčenih baterij, Ni-Mh, Li-Ion, alkalnimi in litijevimi baterijami.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 6
Primarne baterije imajo visoko notranjo upornost, kar omejuje praznjenje z nizkim
praznilnim tokom. Močne svetilke na žarilno nitko ali zahtevneše prenosne naprave ter
kamere in fotoaparati so še primerni za uporabo alkalnih baterij.
Slika 2.2: Primerjava vsebnosti energije (povprečno).
2.6 Sekundarne baterije
Polnilne baterije igrajo veliko vlogo v vsakodnevnem življenju in marsikatere naprave si
ne predstavljamo več uporabljati brez sekundarnih baterij, ki so predstavljene na sliki 2.3.
Bistvene prednosti tovrstnih baterij so specifična energija, leta življenjske dobe in
ekonomičnost uporabe.
Slika 2.3: Sekundarne baterije.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 7
Svinčene baterije (VRLA tip): so ene izmed najstarejših tipov polnilnih baterij - svinčene
baterije so pregovorno znane po odpuščanju nepravilne uporabe in polnjenja. Najpogosteje
so uporabljane v alarmnih sistemih, UPS sistemih večjih ročnih svetilkah in podobnih
pripravah.
2.6.1 Ni-Cd baterije
Dobro poznane baterije starejšega tipa, primerne za visoke praznilne tokove, extremne
temperature in ob pravilni uporabi dolgega trajanja. V njih je anoda iz kadmija, ki se ob
praznjenju raztaplja v kadmijev (II) hidroksid, katoda iz nikljevega (III) oksidhidroksida pa
se reducira v nikljev (II) hidroksid [6]. Elektrolit je kalijev hidroksid. Danes jih
uporabljamo manj, ker shranijo manj energije od novejših baterij in ker je kadmij strupen.
Zaradi okoljevarstvenih razlogov se ta tip baterij upošča iz splošne proizvodnje in je na
voljo le za specialne naprave ter za primere zamenjav z ostarelimi baterijami istega tipa, v
kolikor ne gre drugače. Še vedno jih najdemo v ročnih orodjih, radijskih postajah,
modelarstvu in nekaterih starejših UPS sistemih.
2.6.2 Ni-Mh baterije
Praktična zamenjava za Ni-Cd tip baterij. Tovrstne baterije imajo višjo specifično energijo
in so okolju prijaznejše. V baterijah Ni-Mh je katoda enaka kot v Ni-Cd, medtem ko je
anoda kar vodik, ki je ujet v kovino (zmes lantana, cerija, neodimija, prazeodimija, niklja,
kobalta, mangana in aluminija) [6]. Ni-Mh je pogosta izbira napajanja v medicinskih
napravah, hibridnih vozilih in industrijskih aplikacijah. V redni prodaji široke potrošnje jih
je mogoče dobiti v vseh standardnih velikostnih razredih (AAA, AA, C, D, 9V,...) ter v
različnih zmogljivostnih in trajnostnih verzijah. Zadnja komercialna pridobitev so tako
imenovane LSD baterije z nižjim samopraznilnim efektom.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 8
2.6.3 Li-ion baterije
Na katodi je plast kovinskega oksida (običajno litijev kobaltat), anoda pa je navadno
grafitna. Pri praznjenju litijevi ioni potujejo iz grafitne anode v katodo in se tam vgrajujejo
v litijev kobaltat [6]. Pri polnjenju se litijevi ioni vgrajujejo med plasti grafita na anodi.
Na voljo je še vrsta drugih variacij, ki uporabljajo različne primesi in nosilne materiale,
vsem pa je skupno, da po elektrolitu potujejo litijevi ioni. Za varno uporabo predvsem v
baterijskih sestavih potrebujejo zaščitno vezje. Li-ion baterije so razdeljene v tri večje
skupine, glede na sestavo; kobalt, mangan ali fosfat. Karakteristike ter namen uporabe se
glede na kemijsko sestavo lahko precej razlikuje.
2.6.4 Eksperimentalne polnilne baterije
Eksperimentalne baterije obstajajo večinoma le v zaprtih laboratorijih, poročila o izsledkih
pa dobijo večji baterijski investitorji. Nekateri modeli novih baterij kažejo potenciale,
večina pa je še v razvojni fazi in zato še ni premerna za komercialno proizvodnjo in
prodajo. Določeni modeli izginejo tako hitro kot so se pojavili in javnost za njih nikoli ne
izve. Vsekakor brez nenehnega razvoja ne-bi nastala tudi današnja poznana tehnologija.
Spodaj naštete so najbolj znane rešitve in izpeljanke baterij sodobne dobe [7].
Lithium-Air (Li-air)
Litij-zračne baterije (ang. Li-air battery) imajo tehnologijo sorodno cink-zračnim
baterijam, poznanim med uporabniki baterij za slušne aparate. Baterije imajo litijevo
anodo, elektrolit, katoda pa je zrak, iz katerega se uporabi kisik. Znanstveniki predvidevajo
da je energijski potencial takšne baterije do 10-krat večji kot ga imajo Li-ion baterije.
Predvideva se da bodo komercialno uporabne v 10- do 20- letih. Odvisno od uporabljenega
materiala, lahko Li-Ion-air baterije proizvajajo od 1,7 do 3,2V na celico. IBM, Excellatron,
Liox Power, Lithion-Yardney, Poly Plus, Rayovac in drugi razvijajo tovrstno tehnologijo.
Teoretična specifična energija tovrstnih baterij je 13kWh/kg [7].
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 9
Lithium-metal (Li-metal)
Večna lithium-metal baterij je primarnih, nepolnilnih. Moli Energy iz Vancouver-ja je bil
prvi ki je masovno proizvajal ta tip baterij v polnilni verziji, za uporabo v mobilnih
telefonih, zaradi nezanesljivosti in potencialne nevarnosti za uporabnike so ta tip baterij
preklicali leta 1989 [7].
Li-metal ima zelo veliko specifično energijo. Leta 2010 je bila testirana Li-metal-polymer
baterija s kapaciteto 300Wh/kg, v eksperimentalnem električnem vozilu. [7].
Silikon-karbonske nanokompozitne anode za Li-ion baterije
Raziskovalci so odkrili novo, visoko zmogljivo anodno strukturo za Li-ion baterije,
osnovano na silicon-carbon nanokompozitnem materialu (ang. Silicon-Carbon
Nanocomposite Anodes for Li-ion batteries). Material vsebuje robustne silikonske
površine z neenakimi kanali za prost dostop Litijevih ionov. Raziskovalcem je uspelo
zagotoviti stabilno zmogljivost in kapaciteto 5-krat večjo od običajnih Li-ion baterij na
trgu. Največja težava je omejeno število ciklov ki ga baterija premore [7].
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 10
3 LITIJ-IONSKI AKUMULATORJI
3.1 Princip delovanja
Elektrokemični energetski potencial elementa je odvisen od energije elektronov, ki se
nahajajo v zunanji lupini atoma. Elektroni v oddaljeni lupini imajo višjo energijo od
elektronov, ki so bližje jedru. Zaradi tega imajo elektroni, ki se nahajajo v zunanji lupini
oziroma valenčnem pasu (valenčni elektroni), najvišjo energijo, in določajo, kemijsko
reaktivnost atoma z drugimi atomi. Stabilni atomi (žlahtni plini) imajo 8 elektronov v
valenčnem pasu. Atomi, ki imajo samo en elektron v valenčnem pasu, in tisti, ki jim
manjka samo en elektron v popolnoma napolnjenem valenčnem pasu (imajo 7 elektronov)
so najbolj reaktivni. Atom litija ima samo en elektron v valenčnem pasu, in je zaradi tega
zelo reaktiven. V naravi obstajata dva izotopa litija:
- litijev atom z jedrom sestavljenim iz treh protonov in treh nevtronov (litij-6) in
- litijev atom z jedrom sestavljenim iz treh protonov in štirih nevtronov (litij-7).
Strukture obeh so prikazane na sliki 3.1. Najpogostejši je 7-litij (92,5% litijevih atomov).
Okoli jedra obstajata dve lupini. Notranja lupina vsebuje dva elektrona, zunanja (valenčna)
lupina en elektron [3]. Atom litija je zelo majhen in litij je najlažja kovina (ρ = 530 kg/m3).
Ker je zelo reaktiven (eden od najbolj reaktivnih kovin) ima zelo velik elektrodni
potencial (-3.04V). Tak elektrodni potencial je idealen za doseganje visokih energijskih
gostot v proizvodnji baterij. Ker imajo stabilni elementi osem elektronov v zunanji lupini,
litij odda elektron, da postane stabilen. Ko atom litija odda elektron postane pozitiven ion
(Li +). Litij najdemo v naravi navadno v ionizirani obliki. V obliki čiste kovine ga
pridobijo z elektrolizo raztopljene litijeve soli.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 11
Slika 3.1: Prikaz atoma litija-7 i litija-6.
3.2 Osnovni proces polnjenja in praznjenja
Struktura litij-ionskog akumulatorja je sestavljena iz treh glavnih delov: anode (pozitivna
elektroda), katode (negativna elektroda) in elektrolita, ki se nahaja med njima. Elektrolit je
snov, ki omogoča gibanje litijevih ionov med elektrodama, in nima lastnost električne
prevodnosti. Med elektrodama znotraj elektrolita se nahaja še ena plast, ki jo imenujemo
separator. Pri praznjenju prihaja do oksidacije anode zaradi česar litijevi atomi, ki so na
meji z elektrolitom, sprostijo elektron iz valenčnega energijskega pasu. Sproščeni elektroni
potujejo v zunanji električni tokokrog, medtem ko se pozitivni litijevi ioni premikako skozi
elektrolit do katode. Na katodi se hkrati pojavijo litijevi ioni in elektroni iz zunanjega
tokokroga. Med anodo in katodo je tanka plast imenovana separator. Separator prepreči
kratki stik med anodo in katodo, in je popolnoma prepusten za litijeve ione. Postopek
polnjenja je nasproten procesu praznitve. Litijevi ioni potujejo od katode k anodi, medtem
ko elektroni pod vplivom zunanjega vira električne energije, ki je vsaj enaka napetosti
izmerjeni pri praznitvi (in z nasprotnim predznakom), potujejo po zunanjem tokokrogu od
katode k anodi [3]. Postopek polnjenja in praznjenja je prikazan na sliki 3.2, shematski
prikaz Litij-ionske baterije pa na sliki 3.3.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 12
Slika 3.2: Prikaz procesa punjenja i praznjenja akumulatorja
Slika 3.3: Litij-ionski akumulator.
Anoda je sestavljena iz plasti grafita, med katerim so v polni bateriji litijevi ioni. Pri
praznjenju potujejo skozi elektrolit do plasti kovinskega oksida (na shemi litijev kobaltat),
med katere se vgradijo. Da zagotovimo elektronevtralnost, elektroni potujejo v isti smeri
skozi zunanje vezje, kar povzroča električni tok za napajanje naprav.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 13
3.3 Elektrode in elektrolit
Anoda ali pozitivna elektroda odda elektron zunanjemu vezju, zato na njej poteka
oksidacija.
Katoda ali negativna elektroda sprejme elektron iz zunanjega vezja, zato na njej poteka
redukcija.
Elektrolit oziroma ionski prevodnik deluje kot medij za prenos naboja med katodo in
anodo.
Za elektrodi izberemo materiale, ki so lahki in za katere je razlika elektrodnih potencialov
visoka. To ni vedno enostavno, saj se je treba izogniti:
- reaktivnosti materialov z drugimi komponentami v bateriji,
- visoki ceni ali visokim stroškom obdelave in,
- škodljivemu vplivu na okolje.
Uporaba litija v baterijah se je pričela dokaj pozno, ker, prej niso znali razviti ustreznega
elektrolita in oblike posode, da bi lahko nadzirali njegovo aktivnost. Za delovanje baterij je
zelo pomembno, da se naboj lahko čim hitreje prenaša po elektrodi, kar lahko dosežemo s
poroznimi materiali.
Za katodo izberemo čim boljši oksidant, kar so navadno kovinski oksidi, lahko pa
uporabimo tudi kisik iz zraka (cink-zračne baterije) [3].
Elektrolit mora biti dober ionski prevodnik in dober elektronski izolator, saj bi sicer lahko
dobili notranje kratke stike. V praksi za preprečevanje kratkih stikov skrbi še porozna
pregrada, ki ločuje obe elektrodi (in po potrebi tudi različna elektrolita) in je prepustna za
ione. Elektrolit mora biti čim manj temperaturno spremenljiv in varen pri uporabi, torej
kemijsko stabilen. Večinoma so elektroliti vodne raztopine, razen na primer v litijevih
baterijah, kjer je zaradi reaktivnosti treba uporabiti nevodne raztopine (taline soli) [3].
V današnjih litij-ionskih akumulatorjih se za izdelavo anode največ uporabljajo ogljikovi
materiali. Osnovni gradnik ogljikovih materialov so ravninski lističi ogljikovih atomov
razporejeni v heksagonalni obliki (slika 3.4a). Lističi so zloženi v obliki registra. Najbolj
pogost tip zlaganja je ABABA. Na ta način dobimo 2H grafit. Ta struktura je prikazana na
sliki 3.4b. Med te lističe se vstavljajo atomi litija. Ko se vstavi litij znotraj v grafit se
struktura ABABA pretvori v AAAA . Znotraj grafita litij ni porazdeljen enakomerno,
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 14
ampak ustvarja "otoke". Z oksidacijo litijev atom odda elektron in nastajajo pozitivni
litijevi ioni . Za razliko od čiste litijeve kovine ( ki je zelo reaktivna) so baterije s takšno
anodo veliko varnejše, ker ni centralizacije v strukturi s čimer se prepreči nastanek
kratkega stika . Potencial oksidacijsko-redukcijskega postopka grafitne anode, narejene iz
več lističev, se zelo malo razlikuje od potenciala anode, ki je izdelana iz litija. Materiali, iz
katerih se izdeluje anoda, so v bistvu razdeljeni na :
1) grafit (ang. Graphite),
2) trdo oglje - ne spreminja se s temperaturo, ter
3) mehko oglje - lahko se spreminja s temperaturo.
Slika 3.4a: Planarni lističi atomov ogljika.
Slika 3.4b: ABAB zlaganje lističev.
Negativna elektroda se izdeluje iz litijevega oksida in kovine, ki enako kot anoda sestoji iz
niza lističev. Prostor med lističi lahko zavzamejo litijevi ioni. Materiali za izdelavo katode
morajo izpolnjevati določene zahteve. Za dosego visoke kapacitete akumulatorja mora biti
sama sposobna vključiti velike količine litija. Poleg tega mora biti izmenjava litija
reverzibilna, z majhnimi strukturnimi spremembami, kar bi omogočalo dolgo življenjsko
dobo in visoko energetsko učinkovitost. Za doseganje visoke celične napetosti in visoke
energijske gostote mora reakcija izmenjave litija dosegati potencial, ki je višji od
potenciala litija. Ko se celica polni ali prazni elektron zapusti ali se vrne na pozitivno
elektrodo. Da bi bil ta proces čim hitrejši mora biti električna prevodnost in mobilnost litija
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 15
visoka. Material za katodo mora biti združljiv z drugimi snovmi v celici in ne sme biti
topljiv v stiku z elektrolitom. Najpogosteje se uporablja kot katoda: LiCoO2, LiNiO2,
LiMn2O4.
3.4 Vrste Litij-ionskih baterij
Prve litijeve baterije so uporabljale anodo iz kovinskega litija. Med polnjenjem so se na
površini anode tvorili neenakomerni izrastki (dendriti), ki so povzročali kratke stike in
celo eksplozije. Za izboljšavo so jim dodali aluminij, kar je odpravilo težavo dendritov,
vendar pa so bile te baterije občutljive za spremembo prostornine in so že po nekaj ciklih
polnjenja oziroma praznjenja odpovedale. Z nadaljnim razvojem so za katodo začeli
uporabljati litij-kovinske okside (LixMO2), kjer je M kobalt, nikelj ali mangan, anoda pa je
iz titanovega disulfida.
Litij-ionska baterija je dobila ime po svojem aktivnem materialu, napisano v celoti ali z
njihovimi kemičnimi simboli. Zaporedje črk in številk, ki so nanizani skupaj, je težje
izgovarjati, zato so imena podana s krajšavami.
Na primer, litij kobaltov oksid, eden izmed najbolj razširjenih Li-ionskih baterij ima
kemijski simbol LiCoO2 in kratico LCO. Takšni bateriji pravimo Li-kobalt baterija. Kobalt
je glavna aktivna snov, ki označuje baterijo.
Najpogostejše Li-ionske baterije: litij-kobaltov oksid (LiCoO2), litij-manganov oksid
(LiMn2O4), litij-nikelj-mangan-kobaltov oksid (LiNiMnCoO2 ali NMC), litij-železo-fosfat
(LiFePO4), litij-nikelj-kobalt-aluminijev oksid (LiNiCoAlO2) in litijev titanat (Li4Ti5O12).
3.4.1 Litij-kobaltov oksid (LiCoO2)
Litij-kobaltov oksidni akumulatorji so bili eni prvih Li-ionskih akumulatorjev. Leta 1991
je Sony na trg poslal litij-ionsko baterijo z grafitno anodo in katodo iz litijevega kobaltata
(C6/LiCoO2). Njen potencial je 3,6V kar je trikrat več od raznih alkalnih baterij, njena
energijska gostota pa 150-200 Wh/kg , ki je bila od dva- do tri-krat večja od tedaj
priljubljenih Ni-Cd baterij. Katoda iz LiCoO2 omogoča dolgotrajno delovanje ( tisoč
ciklov) vendar je njen problem visoka cena. Kobalt je strupen, relativno drag, ter dokaj
redek (v Zemljini skorji ga je le 0,002 %) [9]. Problem je tudi gorljivost pri visokih
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 16
temperaturah in sorazmerno nizka sposobnost adsorpcije litijevih ionov. Med reverzibilno
izmenjavo izmenja le 0,5 mola litija. Specifična moč je niska, polnilni in praznitveni tok
sta precej omejena. Na sliki 3.5 in v tabeli 3.1 so podane karakteristike LiCoO2
akumulatorja [8].
Slika 3.5: Karakteristike LiCoO2 akumulatorja.
Tabela 3.1: Karakteristike LiCoO2 akumulatorja.
Lithium Cobalt Oxide: LiCoO2 (~60% Co). Grafitna anoda Od leta 1991 Krajše: LCO ali Li-cobalt.
Napetost celice 3,60V nominalna, tipično območje delovanja 3,0-4,2V
Specifična energija (kapaciteta)
150-200Wh/kg (posebne celice do 240Wh/kg)
Polnjenje (C-rating) 0,7-1C, napetost do 4,20V. Tipično polnjenje 3h. Polnjenje nad 1C krajša življensko dobo baterije.
Praznjenje (C-rating) 1C konstantno, 2,50V izklop vezja Izpraznitveni tokovi višji od 1C krajšajo življensko dobo baterije
Življenska doba v ciklih 500-1000, odvisno od globine praznjenja, obremenitve in temperature.
Uporaba Mobilne naprave (telefoni, prenosnili, kamere,…).
Komentar Visoka specifična energija, omejena specifična moč. Kobalt je precej drag.
3.4.2 Litij-manganov oksid (LiMn2O4)
Katoda je iz LiMn2O4, anoda pa je grafitna. Litij-manganove oksidne baterije imajo višjo
specifično moč, vendar nižjo specifično energijo (približno tretjina manjša kot pri
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 17
LiCoO2). Zaradi zelo nizke notranje upornosti omogočajo zelo visoke polnilne in
izpraznitvene tokove. Izpraznitveni tokovi so lahko do 10°C in krajši čas pa celo do 30°C.
So tudi bolj varne kot LiCoO2. Velikokrat so uporabljene v kombinaciji z NMC, kar jim
poveča zmogljivost in življenjsko dobo. Na sliki 3.6 in v tabeli 3.2 so podane karakteristike
LiMn2O4 akumulatorjev [8].
Slika 3.6: Karakteristike LiMn2O4 akumulatorja.
Tabela 3.2: Karakteristike LiMn2O4 akumulatorja.
Lithium Manganese Oxide: LiMn2O4. Grafitna anoda Od leta 1996 Krajše: LMO ali Li-manganese.
Napetost celice 3,70V, 3,80V nominalna, tipično območje delovanja 3,0-4,2V
Specifična energija (kapaciteta)
100-150Wh/kg
Polnjenje (C-rating) 0,7-3C, napetost do 4,20V
Praznjenje (C-rating) 10C konstantno, do 30C za 5s, 2,50V izklop vezja
Življenska doba v ciklih 300-1000, odvisno od globine praznjenja in temperature.
Uporaba Medicinske naprave, električni pogonski sklopi, električna orodja.
Komentar Visoka specifična moč i nižja specifična energija. Varnejše kot LiCoO2. Kombinirane z NMC za povečanje znogljivosti.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 18
3.4.3 Litij-nikelj-mangan-kobaltov oksid (LiNiMnCoO2 ali NMC)
Litij-nikelj-mangan-kobaltove oksidne baterije prihajajo velikokrat v kombinaciji z
LiMn2O4 (takšne akumulatorje uporablajo določena električna vozila). Imajo zelo visoko
specifično energijo, visoko specifično moč in dolgo življenjsko dobo. Imajo najnižjo
krivuljo lastnega segrevanja in so tudi precej varne. Uporabljajo se za električna vozila,
medicinske naprave in, industrijo. Njihov tržni delež se hitro povečuje. Na sliki 3.7 in v
tabeli 3.3 so podane karakteristike NMC akumulatorja [8].
Slika 3.7: Karakteristike NMC akumulatorja.
Tabela 3.3: Karakteristike NMC akumulatorja.
Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide: LiNiMnCoO2. Grafitna anoda Od leta 2008 Krajše: NMC.
Napetost celice 3,20V, 3,60V nominalna, tipično območje delovanja 3,0-4,2V
Specifična energija (kapaciteta)
150-220Wh/kg
Polnjenje (C-rating) 0,7-1C, napetost do 4,20V. Tipično polnjenje 3h. Polnjenje nad 1C krajša življensko dobo baterije.
Praznjenje (C-rating) 2C konstantno, 2,50V izklop vezja
Življenska doba v ciklih 1000-2000, odvisno od globine praznjenja in temperature.
Uporaba Medicinske naprave, električni pogonski sklopi, industrija.
Komentar Visoka specifična energija in visoka moč. Dolga življenska doba in relativno varne.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 19
3.4.4 Litij-železo-fosfat (LiFePO4)
Litij-železo-fosfatni akumulatorji imajo katodo iz litij-železovega fosfata (LiFePO4) in,
anodo iz grafita. So najbolj varni akumulatorji, poceni, okolju prijazni, imajo dolgo
življensko dobo in veliko specifično moč. Omogočajo tudi zelo visoke izpraznitvene
tokove. Slaba stran pa je nižja specifična energija in nižja napetost celice. Imajo tudi višjo
samopraznitev kot drugi Li-ionski akumulatorji. Uporabljajo se za manjša električna
vozila, prenosne in stacionarne sisteme, kjer so zahteve po visokih izpraznitvenih tokovih
in visoki vzdržljivosti. Na sliki 3.8 in v tabeli 3.4 so podane karakteristike LiFePO4
akumulatorja [8].
Slika 3.8: Karakteristike LiFePO4 akumulatorja.
Tabela 3.4: Karakteristike LiFePO4 akumulatorja.
Lithium Iron Phosphate: LiFePO4. Grafitna anoda Od leta 1996 Krajše: LFP ali Li-phosphate.
Napetost celice 3,20V , 3,30V nominalna, tipično območje delovanja 2,5-3,65V
Specifična energija (kapaciteta) 90-120Wh/kg
Polnjenje (C-rating) 1C, napetost do 3,65V. Tipično polnjenje 3h.
Praznjenje (C-rating) 25-30C konstantno, 2V izklop vezja (nižje napetosti povzročijo poškodbe)
Življenska doba v ciklih 1500-2500, odvisno od globine praznjenja in temperature
Uporaba Manjša električna vozil, sistemi ki zahtevajo visoke izpraznitvene tokove in vzdržljivost.
Komentar Najbolj varne in precej po ceni. Dolga življenska doba in visoka specifična moč. Slabša specifična energija.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 20
Ti akumulatorji omogočajo reverzibilno izmenjavo 0,9 mola litija, imajo nekoliko nižjo
elektronsko prevodnost, to pa rešujejo z vgradnjo elektronsko prevodnih dodatkov ( na
primer saje), ali pa se osredotočimo na delce manjšega velikostnega reda, saj ti omogočajo
krajšo difuzijsko pot za ione in elektrone. Manjšanje velikosti delcev (prehod iz
mikrometrskih delcev na nanometrske) je eden ključnih poudarkov na razvoj litijevih
baterij. S tem skrajšamo dolžino difuzijskih poti za litij v trdnih delcih. Difuzija litija v
trdnem keramičnem gostitelju je namreč najpočasnejša stopnja v celotnem tokokrogu
(difuzijski koeficient litija v grafitu ali LiCoO2 znaša med 10-12
in- 10-8
cm2/ s.
Litij-kovinske zlitine imajo zelo visoko kapaciteto, vendar pri vgradnji litija v kovino
nastopijo velike volumske spremembe. Silicij je primer kovine, ki bi lahko zamenjala
ogljik v anodi zaradi okrog 10-krat višje energijske gostote, ampak se pri vgradnji litija
njegova prostornina spremeni tudi za 400 % [9]. To povzroči razpad aktivnih delcev in
izgubo električnega kontakta med njimi (slika 3.9). Rešitev je, uporaba nanocevke namesto
kovinske zlitine (slika 3.10). Silicijeve nanocevke lahko zaradi enodimenzionalne
topologije reverzibilno izmenjujejo večjo količino litija in so zaradi majhnega premera bolj
prilagodljive na spremembe volumna. Poleg tega zrastejo direktno na kovinskem substratu,
ki služi kot tokovni vodnik, kar je za prenos naboja precej bolj učinkovito. Ker je vsaka
nanocevka neposredno povezana s tokovnim vodnikom, ni potrebno dodajati raznih
dodatkov za boljšo prevodnost ( s tem dobimo tudi nekaj manjšo maso [9].
Slika 3.9: Izguba stika s tokovnim vodnikom pri slicijevi anodi
zaradi spremembe prostornine.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 21
Slika 3.10: Silicijeve nanocevke.
3.4.5 Litij-nikelj-kobalt-aluminijev oksid (LiNiCoAlO2 ali NCA)
Litij-nikelj-kobalt-aluminijev oksidni akumulatorji imajo najvišjo specifično energijo in
tudi zelo visoko specifično moč. Na začetku so imeli omejeno življenjsko dobo, vendar so
v zadnjih letih precej napredovali (novejši baterijski paketi podjetja Tesla Motors naj bi
imeli življenjsko dobo okoli 5000 ciklov). Slaba stran sta visoka cena in zmerna varnost
(tudi to so precej izboljšali). Uporablja se za električne pogonske sklope (Tesla),
medicinske naprave in industrijo. Na sliki 3.11 in v tabeli 3.5 so podane karakteristike
NCA akumulatorja [8].
Slika 3.11: Karakteristike standardnega NCA akumulatorja.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 22
Tabela 3.5: Karakteristike standardnega NCA akumulatorja.
Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide: LiNiCoALO2. Grafitna anoda Od leta 1999 Krajše: NCA ali Li-aluminum.
Napetost celice 3,60V nominalna, tipično območje delovanja 3,00-4,2V
Specifična energija (kapaciteta) 200-260Wh/kg
Polnjenje (C-rating) 07-1C, napetost do 4,20V. Tipično polnjenje 3h.
Praznjenje (C-rating) 1C konstantno, 3V izklop vezja
Življenska doba v ciklih 500-2000 (novejše celo 3000-5000)
Uporaba Električni pogonski sklopi (Tesla), medicinske naprave.
Komentar Zelo visoka specifična moč, energija in življenska doba. Visoka cena in zmerna varnost.
3.4.6 Litijev titanat (Li4Ti5O12)
Litijevi titanatni akumulatorji imajo najdaljšo življenjsko dobo, so zelo varni ter
omogočajo visoke polnilne in izpraznitvene tokove. Slaba stran je precej nizka specifična
energija in zelo visoka cena. Uporabljajo se za električne pogonske sklope (Mitsubishi i-
MiEV, Honda Fit EV) in UPS naprave. Na sliki 3.12 in v tabeli 3.6 so podane
karakteristike Li4Ti5O12 akumulatorja [8].
Slika 3.12: Karakteristike LTO akumulatorja.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 23
Tabela 3.6: Karakteristike LTO akumulatorja.
Lithium Titanate: Li4Ti5O12 Titanatna anoda Od leta 2008 Krajše: LTO ali Li-titanate
Napetost celice 2,40V nominalna, tipično območje delovanja 1,80-2,85V
Specifična energija (kapaciteta) 70-80 Wh/kg
Polnjenje (C-rating) 1C, maksimum do 5C, napetost do 2,85V
Praznjenje (C-rating) 10C konstantno, do 30C za 5s. 1,8V izklop vezja
Življenska doba v ciklih 3000-7000
Uporaba Električni pogonski sklopi in UPS naprave.
Komentar Zelo dolga življenska doba, hitro polnjenje in praznjenje. Med najbolj varnimi. Nizka specifična energija in visoka cena.
Na voljo so še druge vrste Li-ion baterij, še posebno izstopajo Li-Poly (litij-polimerne)
baterije s posebno arhitekturno zgradbo. Elektrolit je iz polimerja, ki omogoča da se takšne
baterije izdelujujejo v različnih in zelo tankih geometrijskih oblikah, kar je zelo
pomembno za manjše naprave. Imajo večjo kapaciteto in nižje stroške proizvodnje.
Slabosti v primerjavi s litij-ionsko baterijo so predvsem krajša življenjska doba (približno
enake NiMH), nezmožnost praznitve z visokim tokom in večja občutljivost na nizke
temperature.
Te baterije potrebujejo poseben nadzor pri izdelavi in uporabi, v primeru nepravilne
uporabe ali sestave so tovrstne baterije lahko zelo nevarne. Ob rešenih varnostnih zahtevah
so takšne baterije dobra alternativa z visoko kapaciteto in zadovoljivo izhodno močjo.
Na sliki 3.13 je prikazana specifična energija posameznih tipov akumulatorjev [8].
Vidimo, da imajo največjo specifično energijo NCA akumulatorji, vendar se to nanaša le
na energijo. Največjo specifično moč (obremenitev baterije) imata Litij-manganove
oksidne in Litij-železo-fosfatne baterije, življenjsko dobo pa Litij-titanatne baterije, čeprav
jim novejše NCA baterije že sledijo.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 24
Slika 3.13: Medsebojna primerjava litij-ionskih akumulatorjev
in primerjava z drugimi izvori energije.
3.5 Elektroliti
Elektrolit mora dobro prevajati ione, mora biti kemično stabilen in biti mora varen. V
litijevih akumulatorjih se uporabljajo štiri vrste elektrolitov:
- tekoči,
- gel,
- polimerni in,
- karbonski elektrolit.
Tekoči elektroliti so litijeve soli v organskih topilih običajno karbonati. Polimerni
elektrolit je čisti material brez tekočine in topila, v katerem se ustvari prevodna faza za
ione z raztapljanjem soli v polimeru z visoko molekulsko maso. Gel elektrolit je ionsko
prevoden material, v katerem sta sol in topilo zmešani s polimerom z visoko molekulsko
maso. Prednosti polimernega elektrolita vključujejo izboljšane varnostne funkcije, ki
izhajajo iz njihove popravljivosti in visoke viskoznosti, ker ne vsebujejo hlapnih in
vnetljivih sestavin. Karbonski elektroliti se nanašajo na neorganske materiale, ki so ionsko
prevodni.
Polimerni elektrolit je načeloma tudi bolj elektrokemično stabilen od tekočega. Trden
polimer v praksi ni zanimiv, deluje le pri visokih temperaturah (okrog 80°C). Zaradi tega
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 25
so razvili hibridni polimer, ki je zgrajen kot polimerna matrica, v katero je impregniran
elektrolit (litijeva sol). Ker ima gelasto strukturo omogoča enostavnejše oblikovanje v
tanke filme in izdelovanje baterij manjših dimenzij (slika 3.14). Slika prikazuje PLiION
baterijo s polimernim elektrolitom. Takšne baterije so tanke in ne zahtevajo posebnih
separatorjev med elektrodama, saj to vlogo opravi polimer. [9].
Slika 3.14: PLiION baterija s polimernim elektrolitom.
Iz predstavljenih elektrolitov lahko zaključimo, da z izboljšavo elektrolita dosežemo večjo
varnost.
Druga zelo šibka točka varnosti je uporaba oksidnih materialov, na primer LiCoO. Kisik je
zelo šibko vezan in pri povišani temperaturi (150 °C) izhaja iz spojine, tako da lahko, z
vnetljivimi organskimi topili, predstavlja veliko nevarnost za nastanek požara ali celo
eksplozije. Spojine kot so LiFeP04, LLMnSiO, in Li2FeSi04 imajo kisik kovalentno vezan
in se zato začne sproščati šele pri temperaturah od 550 °C do 600 °C, kar znatno izboljša
varnost.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 26
3.6 Karakteristike litij-ionskih akumulatorjev
3.6.1 C stopnja
V današnjih časih se C stopnja uporablja za označevanje največjih polnilnih in praznilnih
tokov polnilne baterije. C oznaka nam pove s kakšnim najvišjim tokom lahko baterije
varno polnimo ali praznimo. 1C=1A (Amper), 0,5C=0,5A= 500mA, 2C=2A=2,000mA.
Višja kot je C vrednost, baterija zmore dosegati višje praznilne in polnilne tokove.
Večina prenosnih polnilnih baterij je označenih z 1C stopnjo, kar pomeni da bi 1000 mAh
baterije ki je praznjena na 1C toku v idealnih pogojih proizvajala tok 1000 mAh v obdobju
1 ure. Praznjenje iste baterije pri stopnji 0,5C bi proizvajalo 500 mAh toka dve uri. Pri 2C
praznilnem toku bi baterija delovala 30 minut, z izhodnim tokom 2000mAh v tem obdobju.
3.6.2 Polnjenje
Hitrost polnjenja podajamo v enotah C ali It, kjer 1C pomeni napolnitev do polne
kapacitete v eni uri, 0,1C pa v desetih urah. Litij-ionske in litij-polimerne celice navadno
polnimo s tokom 1C (danes so na voljo že tudi litij-polimerne celice, ki jih je mogoče
polniti z višjimi tokovi 2-3C), LiFePO4 celice pa lahko brez poškodb polnimo tudi z
višjimi polnilnimi tokovi.
Li-ionske baterije so občutljive na način polnjenja, zato se za njih uporabljajo posebni
polnilniki. Njihov napetostni režim je precej tog, in sicer so polne pri 4,2V. Toleranca je
+/- 50mV / celico.
Pri visoko zmogljivih baterijah se lahko napetost dvigne do 4,30V / celico in višje. Višanje
napetosti poveča zmogljivost celice. Ko pa je presežena specificirana vrednost napetosti
celice se kapaciteta celice zmanjša in skrajša se njena življenska doba.
Polnjenje poteka v treh fazah. V prvi fazi, do približno 80-odstotne napolnjenosti, teče
skozi baterijo konstanten visok tok (CC). V drugi fazi se na vse celice priključi ciljna
napetost (4,2V), in celice se polnijo v režimu konstante napetosti (CV) in padajočem toku,
dokler le-ta ne pade na tri odstotke nazivnega toka iz prve faze. Tedaj je baterija polna.
Li-ionske baterije morajo biti ves čas polnjenja hladne, drugače je to znak, da ne
uporabljamo pravega polnilnika in jih uničujemo.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 27
Tretja faza nastopi, če ostane baterija priključena na polnilnik. V tem primeru teče skoznjo
le tok vzdrževanja (trickle charging), ki ustreza hitrosti samoizpraznitve (self discharge). V
vsakem primeru pride sčasoma do prenapolnjenosti in četudi bi nam uspelo zagotavljati
tok, ki je popolnoma enak samoizpraznitvenemu, bi se na elektrodah dogajale spremembe,
ki znižujejo kapaciteto baterije. Ko je baterija polna jo je potrebno iz polnilnika izključiti.
Karakteristika polnjenja Li-ionske baterije je podana na sliki 3.15 [14].
Slika 3.15: Karakteristika polnjenja Li-ionske baterije.
Kot smo že omenili, se v prvem delu polnilnega cikla celica napolni z 80% elektrine, pri
čemer pa sta časovno oba dela cikla približno enaka. To pomeni, da lahko v polovici
polnilnega časa celico napolnimo na celih 80%, polnjenje preostalih 20% pa traja bistveno
dlje. Konca cikla ne moremo zaznati niti z merjenjem temperature, ker se baterija ne
segreva, ali s padcem napetosti, ker ga ni. S staranjem upade napetost baterije, zato jo
polnilnik sčasoma polni čezmerno. Varnosni časovnik mora izklopiti polnjenje po 2,5 h, če
polnimo z 1C, in po 5 h, če ponimo z 0,5C.
Polnjenje z nižjo napetostjo lahko podaljša življensko dobo baterije tudi do petkrat, vendar
na račun manjše kapacitete.
Litij-ionsko baterijo ni nujno polniti do 100% napolnjenosti. Nekateri cenejši polnilci
uporabljajo samo prvi korak (CC), v katerem se polni baterija do 80% kapacitete, kar je
dovolj za mnoge porabnike, v polovici časa celotnega predpisanega polnjenja. To
zadostuje za hitro polnjenje, brez da bi se zviševal tok in poškodovala baterija.
V tabeli 3.7 so podane tipične karakteristike polnjenja litij-ionske baterije [14].
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 28
Tabela 3.7: Tipične karakteristike polnjenja litij-ionske baterije.
Polnjenje V Capacity at
cut-off voltage Vrijeme punjenja
Capacity with full saturation
3,80 60% 120 min ~65%
3,90 70% 135 min ~75%
4,00 75% 150 min ~80%
4,10 80% 165 min ~90%
4,20 85% 180 min 100%
3.6.3 Praznjenje
Praznjenje je skoraj tako pomembno kot polnjenje, če želimo podaljšati življenjsko dobo
baterije ali pa zgolj iztisniti iz nje čim več. Čim hitreje praznimo baterijo, tem manj
energije bomo dobili iz nje. To vidimo kot poslabšanje napetostne karakteristike, saj se
zaradi notranje upornosti zunanja napetost pod bremenom zniža. Prevelike tokovne
zahteve pa lahko baterijo celo uničijo.
Zaradi ohmske polarizacije oziroma notranje upornosti elektrod, ionske upornosti
elektrolita, upornosti anodnih in katodnih spojev ter upornosti drugih aktivnih komponent,
se pojavi dodatni padec napetosti (IR – padec napetosti), ki zmanjša teoretično vrednost
napetosti baterije.
Slika 3.16: Karakteristike praznenja Li-ion baterije pri različnih tokovih.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 29
Krivulje praznjenja pri različnih praznilnih tokovih so predstavljene na sliki 3.16 [14]. Pri
visokih tokovih (ko so impedance bremen nizke) so tudi izgube zaradi notranjih upornosti
v bateriji velike in se baterija hitreje izprazni (krivulja 2), pri majhnih tokovih pa se
krivulja praznjenja bolj približa idealni krivulji [9].
Akumulator je popolnoma prazen, ko napetost pade med 2,5V in 3V (odvisno od zgradbe
anode).
Tok praznjenja naj ne-bi presegal 1C, razen pri litijevih akumulatorjih za posebne namene,
pri katerih lahko tok preseže celo 50C.
Razen hitrosti praznjenja je še pomembnejša stopnja izpraznitve (depth of discharge).
Izpraznjenje celic pod skrajno dovoljeno spodnjo mejo (odvisno od tipa) škoduje celici, ker
začnejo potekati nezaželene ireverzibilne (nepovratne) reakcije. Celica se lahko poškoduje
do te mere, da sploh ne prevaja več (praznjenje pod dovoljeno mejo in nad skrajno spodnjo
mejo se odraža v zmanjševanju kapacitete celice). V tem primeru lahko včasih celico
oživimo z zelo dolgotrajnim polnjenjem z zelo majhnim tokom – vendar pa je kapaciteta
takšne celice potem bistveno manjša, življenjska doba pa vprašljiva.
Notranja upornost litijevih celic (predvsem ionska upornost) se z nižanjem temperature
viša tako da imajo mrzle celice manjšo tokovno zmogljivost in iskoristek. Pri temperaturi
pod 0°C se pospešuje nalaganje kovine na anodi in lahko pride do kratkega stika. Po drugi
strani pa celicam škodi tudi pretirano gretje, ker se pri visokih temperaturah poveča hitrost
kemijskih procesov in lahko pride do samo-izpraznitve, tako da je najoptimalnejša
temperatura za delovanje litijevih celic v območju sobne temperature (20-30°C). Potek
praznilnih karakteristik Li-ion baterije v odvisnosti od temperature je prikazan na sliki 3.17
[13].
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 30
Slika 3.17: Potek praznilnih karakteristik Li-ion baterije v odvisnosti od temperature.
Ko litij-ionske celice ne uporabljamo dlje časa, jih je priporočljivo shranjevati napolnjene
od 40 do 50 odstotkov (3,6-3,7V na celico) pri nižjih temperaturah, predvsem zaradi
manjše kemijske aktivnosti, vendar jih je pred uporabo treba segreti nazaj na sobno
temperaturo. Shranjevanje 100% napolnjenih litij-ion celic za daljši čas jih uničuje. Vpliv
temperature in napolnjenost akumulatorja glede na izgube akumulatorja v mirovanju je
podan v tabeli 3.8.
Tabela 3.8: Vpliv temperature in napolnjenost akumulatorja glede na izgube v mirovanju.
Stanje napolnjenosti 0°C 25°C 60°C
Polni 6% 20% 35%
40-60% napolnjenosti 2% 4% 15%
Pri litij-polimer celicah stopnja napolnjenosti shranjenih celic ni tako pomembna, za daljša
obdobja pa se vseeno priporoča shranjevanje pri napetosti okrog 3,8V na celico. Za
LiFePO4 celice stopnja napolnjenosti načeloma ni tako pomembna,vseeno pa večina
proizvajalcev priporoča hranjenje pri polovici kapacitete (3,3V na celico).
Če baterijo uporabljamo nekaj časa ter potem nekaj časa ne, bo njena življenjska doba
daljša kot pri kontinuiranem praznjenju [1].
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 31
Za podaljšanje življenjske dobe baterije je priporočljivo, da jih enkrat mesečno izpraznimo
in napolnimo. Baterije v nekaj letih izgubijo znaten delež svoje kapacitete, ne glede na
tretma.
Litij-ionska celica ima navadno višjo življensko dobo od Litij-polimer celice in manjšo od
LiFePO4 celice. V primerjavi z Li-ion ali Li-polimer celicama, omogoča LiFePO4 celica
višje število ciklov in daljšo življensko dobo (do 10 let), pa tudi višji polnilni tok.
V tabeli 3.9 je podana ocenjena preostala energija v akumulatorju po enem letu, pri
skladiščenju [18].
Tabela 3.9: Ocenjena preostala energija v akumulatorju po enem letu, pri skladiščenju.
Temperatura Svinčeni kislinski
100% napolnjen
Nikeljni
Polnjenje kadar koli
Litij-ion (Li-cobalt)
40% napolnjen 100% napolnjen
0°C 97% 99% 98% 94%
25°C 90% 97% 96% 80%
40°C 62% 95% 85% 65%
60°C 38% 70% 75% 60%
Tabela 3.10: Samoizpraznitev akumulatorjev.
Vrste akumulatorjev Ocenjena samoizpraznitev
Primarni litij-metal 10% v 5 letih
Alkalni 2-3% na leto (7-10 let rok uporabnosti)
Svinčeni kislinski 5% na mesec
Nikeljni 10-15% v 24 urah, nato pa 10-15% na mesec
Litij-ionski 5% v 24 urah, nato pa 1-2% na mesec (plus
3% za varnostni tokokrog)
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 32
Tabela 3.11: Prikaz koliko ciklusov premore Li-Ion celica glede na polnilno napetost [8].
Raven napolnjenosti
(V/cell) Praznilni cikli Kapaciteta ob napolnjenosti
[4,30] [150-250] [110%]
4,20 300-500 100%
4,10 600-1000 90%
4,00 1200-2000 70%
3,92 2400-4000 50%
Vsak padec od 0,01V pod 4,20V / celico podvoji cikel. Iz varnostnih razlogov litij-ionska
baterija ne sme presegati 4,20V / celico. Medtem ko bi zvišanje napetosti pomenilo
povečanje zmogljivosti, bi takšna prenapetost skrajšala življenjsko dobo in ogrožala
varnost. Vpliv povišanih polnilnih napetosti na življenje cikla je prikazan na sliki 3.18.
Slika 3.18: Vpliv povišanih polnilnih napetosti na življenje cikla.
Približen prikaz koliko ciklusov prenese akumulator glede na % izpraznjenosti (DoD) je
podan v tabeli 3.12.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 33
Tabela 3.12: Približen prikaz koliko ciklusov prenese akumulator glede na %
ispraznjenosti (DoD).
Globina praznjenja (Depth of discharge - DoD)
Praznilni cikli
100% DoD 300-500
50% DoD 1200-1500
25% DoD 2000-2500
10% DoD 3750-4700
Litij-ionski akumulator ni dobro prazniti do konca, saj mu to bolj škodi od več praznjenj
do neke zmerne vrednosti. Pod 20 odstotkov kapacitete baterije ni priporočljivo prazniti, če
ni res nujno.
Pred ponovnim polnjenjem Litij- ionski akumulator ni potrebno isprazniti do konca (100
% ), saj Litij-ionska baterija nima spominskega pojava in deluje v režimu nepopolnih
ciklov polnjenja. Cikel polnjenja je popoln ko skupno porabimo znesek, ki je enak 100%
kapacitete baterije, vendar ne nujno iz istega polnjenja. Baterije štejejo cikle v odstotkih;
dvoje praznjenj do 50 odstotkov ali štiri praznjenja do 75 odstotkov se zabeležijo kot en
cikel, kot je prikazano na sliki 3.19.
Slika 3.19: Prikaz cikla polnenja in praznjenja.
Kapaciteta katerekoli baterije se zmanjša po določenem številu ciklov polnjenja in
praznjenja. Pri Litij-ionskih baterijah kapaciteta zelo malo pade z vsakim ciklom in
zadržijo 80% svoje kapacitete tudi po velikem številu polnilnih in praznilnih ciklov.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 34
3.6.4 Spominski (memory) pojav
Spominski pojav je fizikalni pojav, ki se kaže v zmanjšanju kapacitete. Do tega pojava
pride pri ponovnem polnjenju še ne popolnoma izpraznjene akumulatorske baterije. Če
baterijo večkrat praznimo in polnimo nepopolno se po večjem številu ciklov pojavi znaten
padec kapacitete baterije. Kapaciteta pade na raven, na katero se izprazni med vsakim
ciklom, in zdi se, kot da baterija pomni nivo, na katerega se prazni. Do spominskega
pojava lahko pride tako pri nikelj-kadmijevih (NiCd), kot tudi pri nikelj-metal-hidridnih
(NiMH) akumulatorskih baterijah. Če NiCd baterijo polnimo, ko le-ta še ni bila popolnoma
izpraznjena, bo napolnjena dosegla nižjo napetost in kapaciteto kot bi jo morala.
Spominski učinek pa lahko odpravimo z osveževanjem baterij. Osveževanje pomeni
večkratno popolno izpraznitev baterije (do napetosti 1,0V) po njeni napolnitvi. Na ta način
lahko bateriji povrnemo prvotno najvišjo napetost in kapaciteto.
Pri litij-ionski baterijah do spominskega pojava ne pride in lahko akumulatorsko baterijo
ponovno polnimo tudi brez predhodnega popolnega izpraznjenja.
3.7 Oblika Li-ionskih baterij
Odvisno od zahtev se baterije izdelujejo v različnih oblikah, kot je prikazano na sliki 3.20.
Slika 3.20: Oblika Li-ionskih baterij.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 35
3.7.1 Valjasta (cilindrična) oblika baterije
Valjasta oblika je še vedno ena od najbolj pogosto uporabljenih embalažnih oblik
primarnih in sekundarnih baterij. Prednosti so enostavnost izdelave in dobre mehanske
lastnosti, lahko prenese visoke notranje tlake brez deformacije. Tu se lahko, podobno kot
v kondenzatorju, učinkovito zapakira velika površina folije. Baterije imajo različne
premere in dolžine. Tipične aplikacije za cilindrične celice so:
- električna orodja,
- medicinski instrumenti,
- prenosni računalniki in
- električna kolesa.
Na sliki 3.21 je prikazana valjasta oblika Li-ion akumulatorja s prerezom.
Slika 3.21: Valjasta oblika Li-ion akumulatorja s prerezom.
Litij v stiku z vodo reagira tako, da sprošča vodik, ki je vnetljiv in eksploziven, obenem pa
je tališče litija približno pri 180°C. Če pride do taljenja litija (kar se pri tako nizki
temperaturi tališča hitro zgodi) in stika s katodo, se sprožijo zelo neugodne eksplozivne
kemijske reakcije. Zaradi tega vsebuje vsaka litij-ionska baterija za varnost pred poškodbo
in eksplozijo dodatno zaščito. Oglejmo si te mehanizme na primeru Li-ionske baterije vrste
18650. Zaščitni elementi so, zaradi majhnega obsega, vgrajeni v samo baterijo in varujejo
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 36
baterijo pred previsokim tokom, kratkim stikom, zvišano temperaturo, nadtlakom znotraj
ograjenega prostora, nizki ali visoki napetosti. Ta zaščita je dosežena s tremi elementi:
- PTC termistorjem,
- CID tokovnim prekinitvenim elementom (CID - current interruption device) in
- elektronsko zaščito.
PTC termistor ščiti pred povišano temperaturo in previsokim tokom ter se sam po
določenem času (ko se ohladi) vrne v prvotno stanje. CID je varnostni ventil ki se pri
visokem tlaku odpre in prekine tokokrog trajno. Elektronska zaščita ponavadi ščiti pred
prenizko ali previsoko napetostjo in previsokim tokom. Ta se lahko avtomatsko samodejno
ponastavi ali pa se ponastavi pri polnjenju baterije. Takšna vezja imajo zelo majhno porabo
energije in zanemarljivimi tokovi nekaj mikroamperov. Padec napetosti, zaradi večje
notranje upornosti, pri dodatni elektroniki in toku 1A ter z napetostjo 2,9V znaša med 25-
60mV. Prekinitev se zgodi pri 2,5V zaradi prenizke napetosti in pri 4,26V zaradi previsoke
napetosti. Na sliki 3.22 je prikaz konstrukcije akumulatorja tipa 18650, na sliki 3.23 pa
zaščitna elektronika [15].
Slika 3.22: Prikaz konstrukcije akumulatorja tipa 18650.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 37
Slika 3.23: Prikaz zaščitne elektronike.
Na sliki 3.23 se zelo dobro vidijo prezračevalne luknje na pozitivnem polu v primeru
nadtlaka. S spodnje strani negativnega pola se nahaja zaščitna elektronika. Dodana je rdeča
pregrada za fizično okrepitev strukture. Z dodatno zaščito postane baterija večja in nima
več prvotnih dimenzij, po katerih je dobila oznako 18650 in ima 18 mm premera in 65 mm
dolžine, kot je prikazano na sliki 3.24.
Slika 3.24: Dimenzije 18650 akumulatorja.
3.7.2 Gumbna oblika baterije
Gumbne baterije, ki so predstavljene na sliki 3.25, so znane tudi kot baterijske celice
oblike kovanca in imajo kompaktno obliko primerno za rabo v prenosnih napravah. Največ
se uporabljajo v brezžičnih telefonih in medicinskih pripomočkah.
Pomanjkljivost gumbnih celic so napihnitve v primeru prehitrega polnjenja. Gumbne
baterije nimajo varnoste odprtine in se zato polnijo 10 do 16 ur. Novejši modeli naj bi
omogočali hitrejše polnjenje. Danes se največ uporabljajo nepolnilne gumbne baterije, ki
jih uporabljamo v medicinskih vsadkih, urah, slušnih aparatih in drugih napravah.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 38
Slika 3.25: Gumbna oblika baterijske celice s prerezom.
3.7.3 Ploščata oblika baterije
Sodobna ploščata oblika zadovoljuje potrebe po tanjših baterijah, ki se uporabljajo v
mobilnih telefonih in prenosnih računalnikih, s kapaciteto od 800mAh do 4000mAh. Ne
obstaja univerzalni format in jih vsak proizvajalec oblikuje samodejno.
Izdelujejo se tudi v velikih formatih, pakiranih v varjenih aluminjastih ohišjih, ki imajo
kapaciteto od 20 do 30Ah in se uporabljajo predvsem za električne pogonske sklope v
hibridnih in električnih vozilih. Na sliki 3.26 je prikazana oblika ploščatih (prizmatičnih)
celic in prerez takšne baterijske celice.
Slika 3.26: Ploščata baterijska celica s prerezom.
Ploščata celica izboljšuje izrabo prostora in omogoča fleksibilno obliko, vendar je dražja
za izdelavo in ima krajšo življenjsko dobo kot celica valjaste oblike. Ima nekoliko
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 39
debelejšo steno kot nadomestilo za zmanjšano mehansko stabilnost v primerjavi z valjasto
obliko.
3.7.4 Vrečkasta oblika baterije
Vrečkasta oblika baterijske celice ima najbolj učinkovito izrabo prostora in dosega 90-95
odstotkov učinkovitosti embalaže, kar je največ med baterijskimi vložki. Odprava
kovinskega ohišja zmanjšuje težo, vendar pa potrebuje podporo v predalu za baterije. Ne
obstajajo standardizirane vrečkaste celice; vsak proizvajalec jih oblikuje sam.
Zmogljivost je nižja od Li-ion v valjasti obliki in je bolj občutljiva na mehanske poškodbe.
Če pride do pregretja se napihuje in če nima dovolj prostora v notranjosti naprave lako
pride do uničenja ohišja naprave. Na sliki 3.27 je prikazana oblika vrečkastih celic in
prerez takšne baterijske celice.
Slika 3.27: Vrečkasta baterijska celica s prerezom.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 40
4 POLNILNIKI LITIJEVIH AKUMULATORSKIH BATERIJ
Vsaka vrsta baterije ima svoje značilnosti, ki jih moramo upoštevati, pri:
- polnjenju in praznjenju,
- skladiščenju in shranjevanju, da podaljšamo življenjsko dobo baterije, varujemo
okolje in da sebe in druge neposredno ali posredno ne ogrožamo. Zato so, proizvajalci
elektronskih komponent, razvili elektronska vezja, ki nadzorujejo proces polnjenja in
praznjenje baterije, s ciljem zaščite akumulatorja in okolja ter podaljšanja življenjske dobe
baterije.
Z pojmom polnilnik (mobilnega telefona, fotoaparata, prenosnega računalnika) navadno
mislimo na napravo, ki izmenično napetost 230V / 50Hz zmanjša na nižjo in jo pretvori v
enosmerno napetost primerno za polnjenje baterij. Elektronsko vezje, ki krmili polnjenje,
se nahaja v sami napravi (mobilnem telefonu), polnilnik pa zagotovi potrebno napetost in
polnilni tok.
Naprave, pri katerih je mogoče ločiti akumulator od ohišja (baterijski vrtalnik, in druga
orodja na baterijski pogon) lahko imajo pretvornik in krmilno vezje v istem ohišju in ga
imenujemo polnilnik.
4.1 Vrste polnilnikov
1. Enostavni polnilnik
Enostavni polnilniki so polnilniki s konstantnim tokom ali s konstantno napetostjo.
Nimajo omejen čas polnjenja in nadzor temperature akumulatorja, in zato lahko pride do
prenapolnjenosti akumulatorja. Vedno se izdelujejo kot počasi polnilniki s časom polnenja
med 12 in 14 urami.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 41
2. Dopolnjevalni polnilnik
Dopolnjevalni polnilnik (trickle-polnilnik) je vrsta enostavnega počasnega polnilnika z
dodatno funkcijo praznitve. Tako se izmenjujeta faza polnjenja in praznjenja in akumulator
je lahko trajno povezan na polnilnik, brez nevarnosti, da se prenapolni.
3. Časovni polnilnik
Časovni polnilnik so starejši polnilniki za NiCd baterije z visoko zmogljivostjo, ki imajo
časovno omejitev polnjenja. Baterija mora biti globoko izpraznjena in čas polnjenja je
omejen vnaprej. Če baterija ni dovolj izpraznjena, pride do prenapolnitve. Problem nastane
tudi v primeru, ko je na polnilnik priključena baterija z nižjo kapaciteto, saj pride do
prenapolnitve baterije. Če je na polnilnik priključena baterija z večjo kapaciteto pa jo tak
polnilnik ne napolni do konca.
4. Inteligentni polnilniki
Inteligentni polnilniki imajo izhodni tok odvisen od napolnjenosti baterije. Pri polnjenju
merijo napetost na bateriji, temperaturo baterije in čas polnjenja ter na osnovi teh podatkov
izberejo način polnjenja baterije.
Pri NiCd in NiMH baterijah se napetost med polnjenjem počasi povečuje, dokler baterija
ni povsem polna. Po tem napetost rahlo pade in ta upad napetosti pove polnilniku, da je
baterija polna.
Inteligentni polnilniki se imenujejo tudi "Δ V" ali "delta-V" polnilniki, saj merijo padec
napetosti pri polni bateriji. Merjenje padca napetosti pri polni bateriji, pa je težavno zaradi
majhne spremembe napetosti. Še posebej je to merjenje problematično pri baterijah velikih
kapacitet in lahko se zgodi, da inteligentni polnilniki v nekaterih primerih prenapolnijo
baterijo. To lahko preprečimo le z dodatnimi sistemi za izključitev polnjenja.
Inteligentni polnilniki do 85% napolnjenosti baterije polnijo kot hitri polnilci, potem pa
polnijo kot dopolnjevalni (trickle) polnilniki.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 42
5. Hitri polnilniki
Hitri polnilniki imajo krmilno vezje znotraj baterije, ki ima tri ali več izvodov. Dva izvoda
zadostujejo za priključitev polnilnika, drugi pa služijo kot temperaturni senzorji. Nekateri
imajo vgrajene ventilatorje za hlajenje.
6. Impulzni polnilniki
Impulzni polnilniki polnijo baterijo z ustvarjajem impulzov iz enosmerne napajalne
napetosti (DC). Imajo točno določen čas naraščanja prednje fronte impulza, določeno
frekvenco in amplitudo. Takšni polnilniki lahko polnijo vse vrste baterij in se imenujejo
tudi polnilci za raznovrstne akumulatorske baterije (ang. multi chemistry charger). Poleg
tega lahko polnijo baterije različnih kapacitet in napetosti.
Mnogi impulzni polnilniki so patentirani, dobijo pa se namenska integrirana vezja različnih
proizvajalcev, s katerimi lahko zgradimo tak polnilnik.
7. Solarni polnilniki
Kot vir energije za polnjenje baterij uporabljajo sončno energijo, ki jo foto-napetostni
paneli pretvarjajo v električno energijo primerno za polnjenje baterij.
4.2 Polnjenje baterij
Pri polnjenju baterij je potrebno paziti, da ne pride do prepolnjenja. Ko je baterija
napolnjena se mora polnilni tok prekiniti, sicer pride do segrevanja baterije in do nastanka
plinov, kar lahko privede celo do eksplozije.
Bistvo dobrega polnjenja je zaznati stanje polne baterije, ko je rekonstrukcija kemičnih
snovi znotraj baterije popolna in ustaviti postopek polnjenja preden nastopi škoda, medtem
ko vzdržujemo temperaturo celic v svojih varnih mejah. Zaznavanje te prekinitvene točke
in zaključkek polnjenja je ključnega pomena za ohranitev življenjske dobe baterije. V
najpreprostejših polnilnikih je ta točka določena z omejitvijo najvišje napetosti, pogosto
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 43
imenovana prekinitvena napetost. To je še posebej pomembno pri hitrih polnilnikih, kjer je
nevarnost previsokih napolnjenosti večja.
Varno polnjenje
Če iz kakršnega koli razloga obstaja nevarnost prekomernega polnjenja baterije, bodisi iz
napak pri določanju prekinitvene točke ali poškodbe, bo to običajno spremljalo dvig
temperature. Notranje razmere zaradi napak v bateriji ali visoka temperatura okolice lahko
tudi privedejo baterijo v območje zunaj svojih varnih meja delovne temperature. Merjena
previsoka temperatura ali ponovno nastavljiva varovalka se lahko uporabljata za izklop ali
ločitev od polnilnika.
Čas polnjenja
Med hitrim polnjenjem je možno vriniti električno energijo v baterijo hitreje kot jo lahko
kemični procesi porabijo in posledica so lahko poškodovanja elektrod ali elktrolita.
Kemijsko spreminjanje stanj ne more potekati v trenutku. Obstajajo namreč vsaj tri ključni
procesi, ki sodelujejo pri celični kemični konverziji:
1. prenos naboja, kjer kemijska reakcija poteka v vmesniku elektrode z elektrolitom
in je relativno hitra;
2. difuzijski prenos, v katerem se materiali transformirani v procesu prenosa naboja
preselijo iz površine elektrode. To je relativno počasen proces ki se nadaljuje
dokler se ne transformira ves material.
3. drugi procesi pri polnjenju, katerih reakcijski čas je prav tako potrebno upoštevati.
Vsi ti procesi so odvisni od temperature.
Postopek polnjenja akumulatorja ima torej vsaj tri značilne časovne konstante povezane v
skupnem času popolne konverzije aktivnih kemikalij. Časovna konstanta povezana s
prenosom naboja lahko traja eno minuto ali manj, medtem ko čas za prenos
transformiranih materialov lahko traja nekaj ur, ali celo več v velikih visoko zmogljivih
celicah. Časovne konstante in zgoraj omenjeni pojavi povzročijo učinek kemijske histereze
v akumulatorju in pri tem se del energije izgubi v ciklu polnjenja in praznjenja.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 44
Učinkovitost polnjenja
Učinkovitost polnjenja se nanaša na lastnosti samega akumulatorja in ni odvisna od
polnilnika. To je razmerje (izraženo v odstotkih) med porabljeno energijo iz akumulatorja
med procesom praznjenja, proti vloženi energiji pri polnjenju. Imenuje se tudi
Coulombova učinkovitost ali polnilna sprejemljivost.
Na polnilno sprejemljivost in čas polnjenja občutno vpliva temperatura. Nižja temperatura
poveča čas polnjenja in zmanjšuje sprejemanje naboja.
Osnovni metodi polnjenja
a) Polnjenje s konstantno napetostjo
Polnilnik s konstantno napetostjo je v bistvu DC napajalnik, ki je lahko v svoji
najpreprostejši obliki sestavljeno iz transformatorja (ang. step down transformer), ki s
električnega omrežja z usmernikom zagotovi enosmerno napetost za polnjenje baterije.
Take enostavne polnilnike pogosto najdemo v cenejših polnilnikih za polnjenje
avtomobilskih akumulatorjev. Svinčevi akumulatorji, ki se uporabljajo za avtomobile in
rezervni sistem moči, navadno uporabljajo polnilnike stalne napetosti. Tudi polnilniki za
litij-ionske celice pogosto uporabljajo sisteme s stalno napetostjo, čeprav je to ponavadi
bolj zapleteno in ima dodatno vezje za zaščito baterije in za varnost uporabnika.
b) Polnjenje s konstantnim tokom
Polnilnik s konstantnim tokom je tokovni napajalnik, ki se izklopi ko napetost doseže
raven polne napolnjenosti akumulatorske baterije. Ta oblika se običajno uporabljajo za
nikelj-kadmijeve in nikelj-metal hidridne celice ali baterije.
c) Polnjenje z impulzi
Impulzni polnilniki polnijo akumulator s tokovnimi impulzi. Stopnja polnjenja (na podlagi
povprečnega toka) se lahko natančno nadzoruje s spreminjanjem širine impulzov, tipično
približno eno sekundo. Med postopkom polnjenja so kratki odmori trajanja od 20 do 30
milisekund, ki omogočajo kemijsko stabilizacijo reakcije po vsej elektrodi pred začetkom
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 45
ponovnega polnjenja. S tem ne pride do neželenih škodljivih kemijskih procesov v bateriji,
kot so neželene kemijske reakcije na površini elektrode:
- plinske tvorbe,
- rast kristalov in,
- nedejavnost.
d) Polnjenje s pozitivnimi in negativnimi impulzi
Polnjenje s pozitivnimi in negativnimi impulzi (ang. burp charging) poteka z daljšimi
polnilnimi impulzi in kratkimi praznilnimi. Impulz praznjenja običajno 2 do 3 krat prekine
polnilnilni tok za 5 milisekund. Ti impulzi preprečijo nastajanje plinskih mehurčkov, ki bi
se nakopičili na elektrodah med hitrim polnjenjem, pospešijo proces stabilizacije in s tem
celoten proces polnjenja. Sprostitev in razširjanje plinskih mehurčkov se v angleščini
imenuje burping.
e) IUI polnjenje
IUI polnjenje se uporablja za hitro standardno polnjenje potopljenih svinčevih kislinskih
baterij posameznih proizvajalcev. Ni primerno za vse svinčeve kislinske baterije.
Sprva je baterija polnjena s konstantnim tokom (I), dokler napetost ne doseže nastavljeno
vrednost - običajno napetost blizu tiste, pri kateri pride do vplinjevanja. Ta prvi del cikla
polnjenja je znan kot intenzivna faza polnjenja. Ko je dosežena prednastavljena napetost,
polnilnik preklopi v fazo polnjenja s konstantno napetostjo (U), in tok postopoma upada
dokler napetost ne doseže drugo nastavljeno vrednost. Ta drugi del cikla dokonča
normalno polnjenje baterije po počasi zmanjšani stopnji. Nato polnilnik preklopi v način
polnjenja s konstantnim tokom (I), ki pa je dosti manjši od prve faze, in napetost se počasi
še naprej dviga na novo višjo prednastavljeno vrednost, kje se polnilnik izklopi. Ta zadnja
f) Dopolnjevalno polnjenje
Dopolnjevalno polnjenje (ang. trickle charge) je zasnovano, tako da se nadomesti
samoizpraznitev baterije in ga uvrščamo med neprekinjeno, dolgoročno polnjenje s
konstantnim tokom za stalno pripravljenost (ang. standby use). Stopnja polnjenja se
spreminja glede na pogostost praznjenja. Ni primerno za nekatere baterije, na primer Ni-
MH in litijeve, ki so občutljive na poškodbe pred prekomernim polnjenjem. V nekaterih
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 46
aplikacijah je polnilnik zasnovan, tako da prekine dopolnjevanje polnjenja ko je baterija
polna.
4.3 Vrste Li + polnilnilnikov
Polnilnik za Li + mora omejiti polnilni tok in maksimalno napetost baterije. Načrtovalci
polnilnikov se morajo posvetovati s proizvajalcem baterij in ugotoviti, kaj je potrebno za
varno polnjenje akumulatorja. Druge značilnosti se pogosto dodajo za izboljšavo
življenjske dobe akumulatorja ali za boljše delovanje polnilnika. Te značilnosti
vključujejo zmanjšani tok polnjenja za preizpraznjene celice, odkrivanje pokvarjenih celic,
spremljanje napetosti akumulatorja pri polnjenju, omejitev vhodnega toka, izklopitev
polnilnika po koncu polnjenja, samodejni ponovni zagon polnjenja po delni izpraznitvi in
navedba stanja napolnjenosti.
Te funkcije je mogoče implementirati v sam polnilnik:
- v ASIC ali diskretno vezje ali morda,
- v programu znotraj mikrokrmilnika.
Katere funkcije bodo implementirane je odvisno od namena polnilnika in končne cene.
Polnilniki običajno vključujejo neko obliko regulacije napetosti za nadzor napetosti
polnjenja akumulatorja. Obstaja več načinov za polnjenje Li + baterij. Vsaka metoda ima
svoje prednosti in slabosti. Izbira načina polnjenja je odvisna od kompromisa med ceno z
ene strani in performanc z druge strani. Največ se uporabljajo tri vrste: linearni, stikalni in
impulzni [16].
a) Linearni polnilniki
So majhni zaradi manjšega števila komponent in ugodni za različno občutljivo opremo,
vendar pa imajo visoko izgubo moči in jih je potrebno dodatno hladiti. Napetost se regulira
na močnostnem tranzistorju, na katerem se sprošča odvečna moč. Ker ni preklapljanja
zagotavlja čisto DC napetost in ne potrebuje izhodnega filtra. Linearni polnilniki niso
občutljivi na elektromagnetna sevanja iz okolice in na električni šum. Zaradi tega so
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 47
primerni za polnjenje akumulatorjev v brezžičnih in radijskih napravah. Ves bremenski
tok teče skozi regulacijski tranzistor, ki mora biti grajen za visoke moči.
b) Stikalni polnilniki
Stikalni polnilniki (ang. switch) kot stikalni element uporabljajo bipolarni stikalni
tranzistor, MOSFET tranzistor ali IGBT tranzistor. V nadaljevanju se bomo omejili na
MOSFET tranzistorje.
Za nadzor napetosti uporabljajo impulzno širinsko modulacijo PWM (ang. pulse with
modulation ). S spreminjanjem razmerja impulz-pavza spreminjamo velikost povprečne
vrednosti izhodne napetosti. Imajo nizko izgubo moči v širokem razponu vhodnih
napetosti, so bolj učinkoviti od linearnih regulatorjev, ampak so bolj zapleteni. Potrebujejo
velik pasivni LC (tuljava in kondenzator) izhodni filter za glajenje impulzov. Velikost
komponent je odvisna od kapacitete in polnilnega toka (ang. curent handling capacity),
vendar se lahko zmanjša z višjo stikalno frekvenco. Običajno je stikalna frekvenca
polnilnika med 50 kHz in 500 kHz, saj je velikost transformatorjev, tuljav in
kondenzatorjev manjša ter obratno sorazmerna z delovno frekvenco.
Zaradi pravokotnih napetostnih prehodov oziroma visokih strmin bokov impulza,
povzročajo stikalni napajalniki širok spekter višjih harmonskih komponent. Preklop
visokih tokov povzroča elektromagnetne in električne motnje, zato je potrebno pri
zasnovi vezja uporabiti dodatne sestavne dele za preprečevanje teh motenj.
Stikalni polnilniki imajo prednost tudi pred impulznimi polnilniki, ker delujejo v širokem
razponu vhodnih napetosti, kar omogoča uporabo manjših in cenejših AC stenskih
adapterjev.
Trenutno obstajajo dve glavni topologiji [17], ki uporabljajo pretvornike navzdol za
zniževanje napetosti (ang. buck converter), v aplikacijah, ki so namejena polnjenju
akumulatorjev: sinhroni in nesinhroni način usmerjanja napetosti. Te topologije je možno
izdelati z integriranimi ali diskretnimi stikalnimi MOSFET tranzistorji, ki so lahko NMOS,
PMOS ali kombinacija obeh.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 48
5 OPIS IN ZGRADBA POLNILNIKA
Vezja za polnjenje akumulatorskih baterij morajo biti skrbno načrtovana in so močno
odvisna od treh dejavnikov: kemije same baterije, stopnje moči in obremenitve sistema.
Različne kemijske baterije zahtevajo različne metode polnjenja. Zahteve za posamezne
aplikacije neposredno vplivajo na stroške sistema polnjenja in velikost.
Litij-ionske baterije so zaradi svoje kemijske zgradbe dobra izbira za številne prenosne
naprave. Kljub vsem prednostim so krhke na stres in zahtevajo pozorno spremljanje več
parametrov pri polnjenju (tokovi, napetost, temperatura). Danes obstaja na trgu množica
integriranih vezji, ki lahko sledijo tem zahtevam.
5.1 Integrirano vezje bq24257
Integrirano vezje bq24257 podjetja Texas Instruments [10], za katerega smo se mi odločili,
je visoko integrirani stikalni polnilnik enoceličnih Li-Ion ali LiFePO4 baterij z vgrajenim
trenutnim občutljivim uporom in maksimalnim tokom polnjenja 2A. Namejen je za
uporabo v prostorno omejenih aplikacijah, prenosnih aplikacijah z baterijami visoke
zmogljivosti (mobilni telefoni, pametni telefoni, MP3 predvajalniki, ročne naprave,
prenosni predvajalniki).
Ima en vhod, ki deluje bodisi prek vrat USB ali omrežnega adapterja in lahko deluje v
enem izmed dveh načinov delovanja:
1.) I2C način in
2.) samostojni način.
V načinu I2C, lahko gostitelj prilagoditi parametre polnjenja in spremlja status delovanja
polnilnika.
Baterija se polni v štirih fazah: impulzno polnjenje, pre-polnjenje, polnjenje s konstantnim
tokom, polnjenje s konstantno napetostjo. V vseh fazah polnjenja se spremlja temperatura
baterije in se sproti zmanjšuje polnilni tok, če notranja temperatura preseže
določeno mejo.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 49
Pri samostojnem načinu določamo, z zunanjimi upori, vhodne mejne vrednosti in sicer
maksimalni tok polnjenja, maksimalni tok pri hitrem polnjenju in prag napetosti DPM
(Dynamic Power Management ). VIN-DPM je analogna zanka, ki jo najdemo v številnih
polnilnikih Texas Instruments-a. Namen zanke je izvleči maksimalni razpoložljivi tok iz
adapterja, omogoča polnjenje baterije in poganja sistem hkrati brez potrebe za
povečevanjem moči adapterja. Vhodni tok ( in s tem polnilni tok) je omejen, tako da se
ohrani napajalna napetost na VIN_DPM. Ta funkcija se lahko uporablja, kadar se baterija
polni preko vmesnika USB.
5.1.1 Osnovne značilnosti polnilnika bq24257
Visoko učinkoviti stikalni polnilnik z vgrajenim tokovno-občutljivim uporom
Kompatibilno polnjenje prek USB-a
BC1.2 D+/D– detekcija
Nastavljivi vhodni tokovi 100mA, 150mA, 500mA, 900mA, 1,5A, 2A
Nadzorni časovnik
Vgrajen 4,9V, 50mA LDO
20V maksimalna vhodna napetost
10,5V maksimalna delovna vhodna napetost
Način gostitelja (Host Mode) - programirljivi napetosti VBATREG, VIN_DPM, VOVP in
tokovi ICHG, ILIM ter varnostni časovnik
Samostojni način (Standalone Mode) - z zunjimi upori nastavljivi tokova ICHG, ILIM in
napetost VIN_DPM
Sinhroni PWM krmilnik deluje na fiksni frekvenci 3MHz z majhno tuljavo
Popolna zaščita na sistemski ravni:
- omejitev vhodnega toka
- omejitev toka polnjenja
- vhodna prenapetostna zaščita (OVP), prenapetostna zaščita baterije, način mirovanja
(Sleep Mode), VIN_DPM
- termoregulacija in izključitev pri termični preobremenitvi
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 50
- standardni nadzor varnega polnjenja baterije z uporabo zunanjega NTC-a po
Information Technology Industries Association (JEITA )
- varnostni časovnik
Tabela 5.1 prikazuje opis priključkov, na sliki 5.1 pa je podan njihov razpored.
Tabela 5.1: Opis priključkov bq24257.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 51
Podrobnejši opis električnih karakteristik posameznih priljučkov je podan na koncu v
prilogi.
Slika 5.1: Razpored priključkov bq24257.
Na sliki 5.2 je prikazana blokovna shema bq24257, na sliki 5.3 pa je podano
poenostavljeno aplikacijsko vezje uporabe bq24257, na podlagi katerega smo realizirali
naš polnilnik.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 52
Slika 5.2: Blokovna shema bq24257.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 53
Slika 5.3: Poenostavljeno aplikacijsko vezje bq24257.
5.2 Delovanje polnilnika
5.2.1 I2C in samostojni način delovanja
Ko je baterija vstavljena in so njeni parametri nad določenim pragom napetosti, bo naprava
ugotovila če je bil sprijet I2C ukaz in s tem odločila, ali bo delovala kot gostiteljica (I
2C
način) ali pa bo prevzela zunanje nastavljene vrednosti (samostojni način). Ko je v I2C
načinu bo naprava začela samostojno delovati po izteku nadzornega časovnika. Na sliki 5.4
je prikazano delovanje bq24257 pri prehajanju med I2C in samostojnim načinom.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 54
Slika 5.4: I2C in samostojni način delovanja.
5.2.2 BC1.2 D+/D– Detekcija
Bq24257 vključuje popolnoma BC1.2 združljivo D + / D- odkrivanje izvora. To odkrivanje
podpira naslednje vrste priključkov:
DCP (dedicated charge port)
CDP (charging downstream port)
SDP (standard downstream port)
Apple™/TomTom™ ports
Algoritem D+ / D- za odkrivanje ne podpira identifikacije omrežnega polnilnika ACA
(accessory charge adapter), vendar v tem primeru privzame tok velikosti 500mA, ko je
ACA pritrijen na port in bq24257 je priključen na OTG port.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 55
5.2.3 Polnjenje
Nadzorna zanka za stikalni pretvornik navzdol (ang. buck regulator) ima šest primarnih
zank, s katerimi se lahko nastavijo cikli polnjenja:
1. Konstantni tok (CC)
2. Konstantna napetost (CV)
3. Vhodni tok (IILIM)
4. Vhodna napetost (VIN_DPM)
5. Temperatura izklopa (ang. Die temperature)
6. Polnjenje z zaporednimi tokovnimi cikli (ang. Cycle by Cycle Current)
Na sliki 5.5 je podna tipična karakteristika polnjenja LI-ion baterije za bq24257.
Slika 5.5: Tipična karakteristika polnjenja LI-ion baterije za bq24257.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 56
5.3 Načrtovanje potrebnih zunanjih komponent
Pri načrtovanju se moramo držati nekaterih vnaprej predpisanih smernic, ki izhajajo iz
karakteristik uporabljenega bq24257.
V tabeli 5.2 so podani neki osnovni parametri ki jih bomo upoštevali pri načrtovanju.
Tabela 5.2: Parametri za načrtovanje.
Opis Pogoji MIN TYP MAX ENOTA
Vhodna napetost, VIN Priporočeno vhodno napetostno
območje 4.35 6.5 V
Vhodni tok Priporočeno vhodno tokovno
območje 2.0 A
Tok polnjenja Območje toka pri hitrem polnjenju 0.5 2.0 A
Regulacija izhodne napetosti Samostojni način ali I
2C privzeti
način 4.2 V
Regulacija izhodne napetosti
I2C gostiteljski način: deluje v
regulaciji napetosti, programabilno
območje
3.5 4.44 V
LDO LDO izhodna napetost 4.9 V
DPM regulacija napetosti
VREF_DPM Nastavitev z zunanji upori 1.15 1.2 1.25 V
Za naše vezje smo izbrali velikost vhodne napetosti 5V, regulacijsko napetost 4,2V,
maksimalni polnilni tok pa 1A in lahko se nastavlja prek I2C. Z izbiro zunanjih uporov
bomo omejili maksimalni tok IFC pri hitrem polnjenju na 1A, prav tako pa tudi maksimalni
vhodni tok IIC na 1A.
Najprej določimo tuljavo. Izbira tuljave je odvisna od zahtev uporabe. Vrednost vpliva na
učinkovitost, stabilnost polnilnika, velikost, valovanje. Pri izbrani frekvenci delovanja je
Bq24257 načrtan, tako da deluje s tuljavo vrednosti 1µH. Določimo še vrednosti uporov za
IFC in IIC. Upor RISET za omejitev toka hitrega polnjenja IIC se lahko določi s enačbo (1)
Kje je IFC želeni tok hitrega polnjenja v Amperih.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 57
Upor RILIM za omejitev vhodnega toka IIC se izračuna z enačbo (2)
Kje je IIC želeni vhodni tok v Amperih.
Zunanjo nastavitev napetosti VIN_DPM določimo z izbiro ustreznih uporov R1, R2 z enačbo
Napetost VIN_DPM je treba določiti skupaj z uporom R1. Izbira upora R1 kot prvega bo
zagotovila da bo upor R1 večji od R2. To je pomembno kadar želimo imeti napetost
VIN_DPM dvakrat večjo od VREF_DPM.
Izbrali smo napetost VIN_DPM 4,48V, upor R1 pa 274kΩ. Iz enačbe (3) izhaja da je
R2=100kΩ.
Če zunanji upori niso zaželeni lahko nožice čipa VDPM in ILIM kratko staknemo na GND. V
ten primeru se bodo privzele notranje nastavitve. Nožica ISET rabi upor in se ne sme kratko
stakniti na GND, kajti v tem primeru bi se tak stik obravnaval kot napaka. V tabeli 5.3 so
podane nastavitve, ki se prevzamejo, ko so VIN_DPM, ILIM, ISET kratko staknjeni na GND.
Tabela 5.3: Nastavitve ko so pini ILIM, VDPM, ISET kratko staknjeni na GND.
KRATKO STAKNJEN PIN OBNAŠANJE
ILIM Vhodni tok = 2A
VDPM VIN_DPM = 4,68V
ISET Napaka - polnjenje prekinjeno
NTC monitor
Bq24257 vključuje integracijo NTC monitor pina, ki je skladna s specifikacijo JEITA.
Napetost na osnovi NTC monitorja omogoča z uporabo vezja ki je podano na sliki 5.6
uporabo kateregakoli NTC upora.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 58
Slika 5.6: Napetost na osnovi NTC vezja.
Uporaba upora R3 je potrebna le ko NTC nima beta blizu 3500K.
V literaturi [10] so podani parametri in izraz za izračun uporov R2 in R3. Izbrali smo NTC
z vrednostjo 10kΩ in beto 4300K. Vrednost upora R2 je 5,1kΩ in upor R3 ima vrednost
10kΩ.
Ko so upori nastavljeni bo notranji JEITA algoritem prevzel nadzor nad regulacijo
napetosti baterije in tokom polnjenja baterije. Na sliki 5.7 je podan prikaz regulacije
napetosti in toka.
Slika 5.7: JEITA profil za regulacijo napetosti in toka.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 59
V tabeli 5.4 so podane tipične vrednosti pragov napetosti v skladu z zahtevami JEITA
polnjenja in so določene v navodilih za uporabo.
Tabela 5.4: Pragi napetosti – JEITA zahteve.
VHOT 30%
VWARM 38,3%
VCOOL 56,5%
VCOLD 60%
5.4 Električna shema polnilnika
Električna shema polnilnika je risana s pomočjo programske opreme Solo PCB Design –
SoloCapture programa, ki se lahko brezplačno prevzame z interneta [12]. Električna
shema je podana na sliki 5.8.
Slika 5.8: Električna shema polnilnika.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 60
5.5 Tiskano vezje
Tiskano vezje polnilnika je projektirano tudi z programsko opremo Solo PCB Design in
sicer na podlagi SMT tehnologije. Celotno vezje je narejeno s SMD komponentami in
končna velikost ploščice je 4x3cm. Vsi uporabljeni elementi so naročeni prek interneta z
spletne strani podjetja "Farnell element 14" [19]. Samo fizično realizacijo ploščice in
spajkanje elementov je naredilo podjetje I.T.D. iz Velike Gorice. Na sliki 5.9 je prikazana
zgornja stran (TOP) ploščice, na sliki 5.10 pa spodnja (BOTTOM) stran.
Slika 5.9: Zgornja stran ploščice (TOP).
Slika 5.10: Spodnja stran ploščice (BOTTOM).
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 61
Na sliki 5.11 je prikazan razpored elementov na ploščici, na sliki 5.13 in 5.14 pa je podan
končni izgled zgrajenega polnilnika. V tabeli 5.5 je podan seznam uporabljenih elementov.
Slika 5.11: Razpored elementov na ploščici.
Slika 5.12: Končni izgled zgrajenega polnilnika, pogled od zgoraj.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 62
Slika 5.13: Končni izgled zgajenega polnilnika, pogled od spodaj.
Tabela 5.5: Seznam uporabljenih elementov.
Element Vrednost Opis Velikost Kosov
C1 2,2 µF CAP, Ceramic, 25V, X5R, 20% 0805 1
C2,C4,C6 1,0 µF CAP, Ceramic, 16V, X5R, 10% 0402 3
C3 0,033 µF CAP, Ceramic, 25V, X5R, 10% 0402 1
C5 22 µF CAP, Ceramic, 10V, X5R, 20% 0805 1
D1,D2 LTST-C190GKT Diode, LED, Green, 2,1V, 20mA, 6 mcd 0603 2
J1-J6 PEC02SAAN Header, Male 2-pin 0,100 inch x2 6
KON1 1050170001 Connector, SMT, Micro USB-B 5x7,5mm 1
KON2-3 ED555/2DS Terminal Block, 2-pin, 6-A, 3,5mm 0,27x0,25 inch 2
KON4 N2510-6002RB Connector, Male Straight 2x5 pin, 4 Wall 0,338x0,788 1
L1 1,0µH Inductor, SMT 30%, 1239AS-H-1R0M (DFE252012C)
2x2,5mm 1
R1 274 K Resistor, 1/16W, 1% 0603 1
R2 100 K Resistor, 1/16W, 1% 0603 1
R3 267 Resistor, 1/16W, 1% 0603 1
R4 249 Resistor, 1/16W, 1% 0603 1
R5, R8 1,5 K Resistor, 1/16W, 1% 0603 2
R6 10 K Resistor, 1/16W, 1% 0603 1
R7 5,1 K Resistor, 1/16W, 1% 0603 1
R9 -10 200 Resistor, 1/16W, 1% 0603 2
U1 BQ24257RGER 2A, Switch-mode Li-Ion Charger Texas Inst.
BQ24257RGER 1
NTC 10 K NTC termistor B57164K103J, K=4300 B57164K103J 1
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 63
6 REZULTATI
Že v načrtovanju polnilnika je bila zamisel da zgrajeni »pametni« polnilnik lahko
nadzoruje vse ključne parametre ob polnjenju baterije. Popoln nadzor imamo, ko polnilnik
deluje v I2C načinu, in ga bomo v nadaljevanju podrobneje opisali.
Polnilnik je preko MICRO USB-B prikljočka (KON1) spojen na zunanji vir napetosti 5V.
V našem primeru je to omrežni adapter 5V, 3,4A (2,4+1A) prikazan na sliki 6.1.
Slika 6.1: Omrežni adapter.
V I2C načinu moramo polnilnik povezati z računalnikom. Povezava je narejena s pomočjo
10-pinskog RIBBON kabla, ki ga z enim koncem spojimo na polnilnik (priključek KON4)
in drugi konec s priljučkom USB Interface Adapter-a spojimo na vhod USB računalnika.
Za priljuček USB Interface Adapter smo uporabili HPA 172 podjetja Texas Instruments.
Slika 6.2 prikazuje priključek USB Interface Adapter s pripadajočimi kabli.
Slika 6.2: Priključek USB Interface Adapter.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 64
Na priključek KON3 se veže zunanji NTC upor 10kΩ. Pozitivni priključek baterije, ki se
bo polnila, se lahko priključi na priključek J4, ali pa na priključek KON 2. Diodi D1 in D2
prikazujeta status polnjenja.
Priključki J1, J2, J3 in J4 v našem vezju so vstavljeni samo zaradi lažje meritve izhodnih
rezultatov in jih v praktičnem vezju ne rabimo.
Če bi hoteli imeti polnilnik, ki bi deloval samo v samostojnem načinu, potem ne rabimo
priključek KON4. Prikljočki D+ in D- pa bi v tem primeru morali biti kratko staknjeni.
6.1 Kontrola in nastavitev parametrov v I2C načinu delovanja polnilnika
Z interneta brezplačno prevzamemo program BQ24250 EVM---GUI v.1.0.0.0 [11] in ga
instaliramo na računalnik. Slika 6.3 prikazuje pogovorno okno programa.
Slika 6.3: Pogovorno okno programa BQ24250 EVM.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 65
Opis posameznih funkcij:
Input Current Limit - omejitev vhodnega toka.
Lahko izbiramo med naslednjimi nastavitvami: 100mA, 150mA, 500mA, 900mA,
1500mA, 2000mA, External ILIM setting, No input Current limit.
Če izberemo External ILIM setting se prevzame tok ki smo ga določili z zunjimi upori,
v našem primeru bi ta tok bil 1A.
Battery Regulation Voltage – nastavitev regulacijske napetosti baterije.
Lahko izbiramo med 3,5V in 4,44V , v korakih od 20mV.
Charge Current – polnilni tok.
Lahko izbiramo med 500mA in 2000mA v korakih od 50mA, External ISET Seting.
Če izberemo External ISET Setting se prevzame tok 1A.
Termination Curent – prekinitveni tok.
Ta tok pomeni do katere vrednosti naj tok upada. Ko se doseže želena vrednost
polnjenje baterije se konča. Če je ta prag nižji se bo baterija več napolnila, ampak bo
polnjenje trajalo dlje časa. Lahko izbiramo med 50mA in 225mA , v korakih 25mA.
V I2C načinu bo privzeta vrednost 50mA.
In Input DPM Treshold – vhodni DPM prag.
Lahko izbiramo med 4,2V in 4,76V v korakih od 80mV. Za naš polnilnik lahko
izbiramo med 4,44V in 4,76V.
Med običajnim postopkom polnjenja, če vhodni vir energije ne more podpreti
programiran ali privzeti tok polnjenja, napajalna napetost zamre. Ko napajalna napetost
pade na VIN_DPM se meja vhodnega toka zniža navzdol, da se prepreči nadaljnji padec
oskrbe.
Ko IC preide v ta način je polnilni tok nižji. Ta funkcija zagotavlja IC skladnost z
vmesniki z različnimi zmogljivostmi brez spremembe strojne opreme.
Safety Timer Time Limit – varnostni časovnik.
Lahko izbiramo med naslednjimi nastavitvami: 45 min, 6 ur, 9 ur, Disabled.
Na začetku procesa polnjenja začne teči varnostni časovnik. Ta časovnik je aktiven
med celotnim postopkom polnjenja. Če se polnjenje ne preneha pred iztekom
varnostnega časovnika, IC vstopi v stanje pripravljenosti, kjer je polnjenje
onemogočeno.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 66
Input OVP Setting – vhodna prenapetostna zaščita.
Ščiti vezje od prevelike napetosti na vhodu. Prag OVP je mogoče programirati izmed
6V – 10,5V. Ko je VIN>VOVP se izklopi pretvornik PWM in se na izhod prenese
obvestilo o napaki. Ko se napaka odstrani se naprava vrne v normalno delovanje.
Enable Watchdog Timer – nadzorni časovnik.
Poleg varnostnega časovnika vsebuje bq24257 še 50-sekundni nadzorni časovnik, ki
spremlja gostitelja prek I2C vmesnika. Ko se izvaja pisanje na I
2C vmesniku, se
časovnik resetira in začne šteti. Če čas poteče, vstopi IC v privzeti (DEFAULT) način,
kjer se naložijo privzeti parametri in se polnjenje nadaljuje. Če želimo, je mogoče
narediti ponovno inicializacijo želene vrednosti, dokler varnostni časovnik ni potekel.
Ko poteče varnostni časovnik, je polnjenje onemogočeno.
Enable STAT
Omogoča in onemogoča STAT pin. Ta pin pošilja informacije o statusu polnilnika.
Enable Termination
Omogoča in onemogoča funkcijo prenehanja v krmilniku polnjenja. Ko je nastavljen na
funkcijo prenehanja, bo prekinitev omogočena. Če je prenehanje onemogočeno, ni
nobenih znakov na izhodu o prenehanju polnjenja.
Disable charge
Omogoča ali onemogoča funkcijo polnjenja.
HiZ Mode – stanbay mod
Ko je onemogočen deluje polnilnik normalno. Ko je omogočen je polnilnik v načinu
pripravljenosti in nizke porabe, stikalni krmilnik je onemogočen.
Force D+/D- Detection
Enable 2x Timer
SHIP Mode
Enable TS Function
Omogoča in onemogoča funkcijo TS. Ko je nastavljena na "1" je funkcija TS
onemogočena, v nasprotnem primeru pa je omogočena.
Clear VD+ Source
Ko je aktivna omogoča sistemu da se pred vsako komunikacijo počisti morebitna
napetost na D + / D zatičih.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 67
Force BAT Detection
Rutina za odkrivanje baterije in zagotavlja status prisotnosti baterije. Logična
"1"omogoča funkcijo. Rutina se vnaša le, če je TERM ali EN_PTM pravilen .
Force PTM (Production Test Mode)
Ko je naprava v tem načinu je vhodna tokovna omejitev onemogočena. Potrebno je
upoštevati, da baterija ne sme biti prisotna pred uporabo te funkcije. V nasprotnem
primeru funkcijo ne bo dovoljeno izvesti. Logična "1" omogoča funkcijo PTM.
Vse nastavitve, ki smo jih prej našteli, se vpisujejo kot logična "1" ali "0" v posebne
registre in so vidni v oknu dialoga programa (slika 6.4). Vrednosti lahko tudi direktno
vpisujemo v registre.
Slika 6.4: Prikaz registrov programa .
V dijaloškem oknu "STATUS" lahko spremljamo stanje pomembnih funkcij, slika 6.5.
Slika 6.5: Prikaz stanja pomembnih funkcij polnilnika.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 68
Prikaz merebitnih stanj funkcij dijaloškega okna "STATUS". Vedno se za vsako funkcijo
prikazuje samo eno morebitno stanje.
1. WD Timer, slika 6.6.
Slika 6.6: Prikaz stanj WD Timera.
2. Charger status, slika 6.7.
Slika 6.7: Prikaz stanj polnilnika.
3. Fault, slika 6.8.
Slika 6.8: Prikaz napak polnilnika.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 69
4. D+/D- Detection, slika 6.9.
Slika 6.9: Rezultati D+/D- detekcije.
5. Loop Status, slika 6.10.
Slika 6.10: Prikaz aktivne zanke.
6. CE Pin Status, slika 6.11.
Slika 6.11: Omogočena ali onemogočena funkcija polnjenja.
7. Battery Temperature Status, slika 6.12.
Slika 6.12: Temperatura baterije.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 70
6.2 Preizkus polnilnika
Za preizkus smo se odločili, da bomo polnili eno standardno Li-ion baterijo, in sicer
NCR18650A, proizvajalca Panasonic. Nazivna kapaciteta baterije je 3100mAh. Iz
podatkov ki jih podaja proizvajalec za ta tip baterije izvemo da je njena nazivna napetost
3,6V, polna je pri 4,2V, spodnji prag napetosti znaša 2,5V, tokovna prekinitev pa naj bi
bila pri 59mA. Lahko jo maksimalno polnimo z 0,5C ( standardno 1475mA) z metodo CC-
CV, in bi takšno polnjenje trajalo okoli 4 ure. Vse našteto velja pri temperaturi 25°C. V
prilogi na koncu so podane značilne karakteristike polnjenja in praznjenja za uporabljeno
baterijo.
Za potrebe meritev smo baterijo praznili precej pod spodnjo mejo 2,5V. Merjenje napetosti
in toka smo opravili z digitalnimi multimetri SOMOGYI SMA64 in SOMOGYI SMA92.
Na sliki 6.13. je podana shema vezave merilnih instrumentov s polnilnikom. Z
ampermetrom A merimo polnilni tok ICHG, voltmetar V1 meri napetost na bateriji UBAT
in voltmetar V2 meri vhodno napetost UVH.
Slika 6.13: Vezava merilnih instrumentov z polnilnikom.
Povežemo merilne instrumente in nosilec baterije (brez baterije) s polnilnikom. Potem
povežemo 10-pinski RIBBON kabl na konektor KON4 in preko USB Interface Adapter-ja
na USB vrata računalnika. Na konektor KON1 povežemo z vodom omrežni adaper
Camelion in ga vklučimo na omrežno napetost 220V. Na ploščici zasvetita diodi D1 in
D2. Na računalniku zaženemo program BQ24250 EVM---GUI v.1.0.0.0 . Odpre se
pogovorno okno in prikažejo se posamezne nastavitve in prikaz začetnih stanj, slika 6.14.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 71
Slika 6.14: Začetno pogovorno okno, privzete vrednosti.
Iz slike 6.14 je razvidno, da so se vrednosti postavile na DEFAULT vrednosti polnilnika v
I2C načinu delovanja. Ker ni baterije polnilnik javlja napako, in sicer da baterija ni
prisotna.
Prvo merenje smo opravili ko baterijo polnimo s tokom 1000mA. Vpišemo željene
parametre in vstavimo baterijo. Opazimo da napake ki je bila prisotna, ni več in pojavi se
obvestilo, da je polnjenje v teku (Charge in Progres), slika 6.15. Ko se pojavi obvestilo
"Charge Done", je polnjenje končano in diodi D1, D2 ugasnejo.
Slika 6.15: Polnjenje baterije s tokom ICHG =1000mA.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 72
Tabela 6.1: Prikaz merilnih rezultatov za ICHG =1000mA.
V tabeli 6.1 so podani dobljeni merilni rezultati za polnjenje s tokom ICHG =1000mA.
Baterija je bila pred polnjenjem izpraznjena na napetost UBATZAČ =0,94V, kar je precej pod
dovoljeno mejo 2,5V. Na sliki 6.16 je podan potek polnilnega toka ICHG in na sliki 6.17
potek napetosti UBAT.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 73
Slika 6.16: Potek polnilnega toka za Ichg =1000mA.
Slika 6.17: Potek napetosti UBAT za tok polnjenja ICHG =1000mA.
Potek polnjenja lahko razdelimo na pet področji:
1. UBAT < UBATSHRT ( UBAT < 2V)
Ko je začetna napetost baterije manjša od spodnjega nizkega praga UBATSHRT, ki znaša 2V,
polnilnik polni baterijo z nizkim tokom IBATSHRT =35mA.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 74
2. UBATSHRT < UBAT < UBATUVLO ( 2V < UBAT < 2,5V)
Ko napetost baterije UBAT postane višja od spodnjega nizkega praga UBATSHRT se
polnilni tok baterije IBAT zviša na IBAT = 85mA. Ta tok polni baterijo dokler napetost
baterije ne doseže spodnji prag zaprtja UBATUVLO, ki znaša 2,5V.
3. UBATUVLO < UBAT < UBATLOW ( 2,5V < UBAT < 3V)
V razponu med 2,5V in 3V polnilnik deluje v režimu predpolnjenja. Tok predpolnjenja
IPREDCHG, s katerim se baterija zdaj polni, zraste na 10% toka ICHG, ki smo ga določili v
načrtovanju z zunjanimi upori. V našem primeru ta tok znaša 100mA ( 10% ICHG ; ICHG
= 1A ).
4. UBATLOW < UBAT < UREG ( 3,0 V < UBAT < 4,2V )
Ko napetost baterije preseže vrednost UBATLOW nastopi hitro polnjenje in tok v hipu naraste
do maksimalne vrednosti toka z katerim naj polnimo baterijo. Vnašem primeru je to ICHG =
1000mA. V takšnem režimu delovanja, ki ga još imenujemo polnjenje z konstantnim
tokom bo polnilnik deloval dokler napetost na bateriji ne doseže želeno regulirano
napetost. V našem primeru ta napetost znaša 4,2V. V tej fazi polnjenja se baterija napolni
nekje do 80%.
5. UBAT = UREG , ICHG < IPREK ( UBAT = 4,2V ; ICHG < 75mA )
Zadnja faza je polnjenje, ko je napetost konstantna, polnilni tok ICHG pa upada proti ničli.
V tej fazi polnjenja se bi naj baterija dopolnila do konca. Opazimo, da na začetku tok kar
hito upada, nato pa se čas upadanja toka daljša. Ko upadajoči tok doseže vrednost
prekinitvenega toka IPREK se polnjenje konča. Za naš primer smo izbrali tok prekinitve
IPREK = 75mA.
Čas polnjenja baterije od začetka do konca je 305 minut. Polnjenje baterije do praga 2,5V
znaša približno 25 minut. Torej, če bi polnili našo baterijo od praga 2,5V do prekinitve
toka 75mA s tokom polnjenja ICHG = 1000mA, bi skupno polnjenje znašalo 280 minut.
Na sliki 6.18 je podan podrobnejši prikaz polnilnega toka v začetnih 25 minut, ko je UBAT
< 3,0V, a na sliki 6.19 podrobnejši prikaz vhodne napetosti v tem obdobju.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 75
Slika 6.18: Potek toka polnjenja ko je UBAT < 3,0V.
Slika 6.19: Potek napetosti UBAT, ko je UBAT < 3,0V.
V tabeli 6.1 opazimo da smo imeli med polnjenjem precejšnji padec vhodne napetosti UVH,
maksimalno 0,52V, ko je tekel tok ICHG =1001mA. Predvidevamo, da je temu vzrok v
povezalnom kablu med omrežnim adaptorjem in polnilnikom. Povezovalni kabel KB1 je
dolg 1 meter in ima oznako: USB 2.0A MICRO B HIGHH SPEED , proizvajalca TAI YIP
ELECTRICAL Co., Hong Kong. Naredili smo novo meritev pri istih začetnih nastavitvah
z USB kablom KB2 dolžine 0,15 metra oznake EC300 15W, proizvajalca SONY.
V tabeli 6.2 so prikazani dobljeni rezultati.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 76
Tabela 6.2: Prikaz merilnih rezultatov za ICHG =1000mA, kabel KB2.
Iz dobljenih rezultatov lahko sklepamo, da je padec vhodne napetosti UVH bistveno manjši
kot v prvem primeru, tabela 6.1. Dolžina kabla in njegove lastnosti bistveno vplivajo na
izgube, ki se z višanjem polnilnega toka povečujejo. Velike izgube na vhodu lahko
pripeljejo do tega da polnilnik ne bo več optimalno deloval ( funkcija DPM ), ali sploh ne
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 77
bo deloval. Torej je pri polnjenju z večjimi tokovi nujno imeti kvalitetne kable, ki naj bodo
čim krajši in z dobrimi lastnostmi.
Iz tabele 6.2 sklepamo, da je potek drugega polnjenja skoraj identičen prvemu. Skupni čas
drugega polnjenja je znašal 302 minut.
V tabeli 6.3 so podani dobljeni rezultati, ko smo polnili baterijo z tokom polnjenja ICHG =
1450 mA. Merjena je tudi sprememba temperature baterije, temperatura prostora je bila
25°C.
Tabela 6.3: Prikaz merilnih rezultatov za ICHG =1450mA.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 78
Na sliki 6.20 je podan potek polnilnega toka ICHG in na sliki 6.21 potek napetosti UBAT.
Slika 6.20: Potek polnilnega toka za Ichg =1450mA.
Slika 6.21: Potek napetosti UBAT za tok polnjenja ICHG =1450mA.
Dobljeni rezultati so izpolnili pričekovnja. Polnilnik je ves čas deloval brezhibno. Vhodna
napetost se je najbolj znižala na vrednost UVH = 4,93V , ko se baterija polnila z največjim
tokom. Skupni čas polnjenja baterije je znašal 253 minut, kar je za 49 minut hitreje, kot ko
smo polnili baterijo s tokom ICHG = 1000mA.
Temperatura baterije se med polnjenjem največ dvignila na vrednost 29°C, torej za 4°C.
V tabeli 6.3 so podani izmerjeni rezultati temperature baterije. Tukaj bomo še omenili da
smo za preizkus delovanja TS funkcije naredili eno merenje kjer smo umetno dvigovali
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 79
temperaturo na NTC uporu, ki je sicer povezan z baterijo in meri njeno temperaturo . Ko se
je temperatura TS_Temp dvignila na 35°C, na zaslonu se v oknu STATUS pojavilo
opozorilo "TWARM < TS_Temp < THOT (Charge Voltage max=4,1V)" in polnilnik
nadaljuje delovanje v tem načinu. Ko se je temperatura dvignila na 50°C pojavilo se
opozorilo "TSHOT < TS_Temp (Charging Suspended)" in je polnjenje prekinjeno. Ko je
temperatura padla pod mejo 50°C ( TSHOT) polnilnik je spet začel polniti in sicer v
načinu zmanjšane maksimalne napetosti. Ko temperatura pade pod mejo 35°C (TWARM)
prvotno opozorilo izgine in polnilnik spet deluje normalno.
6.3 Preizkus delovanja DPM funkcije
Kot smo že prej omenili ima polnilnik možnost DPM funkcije, ki nam pomaga ko imamo
vmesnik z nižjimi zmogljivostmi od potrebnih in ozko področje tolerance vhodne
mapetosti. Ta funkcija se lahko uporablja, ko je vmesnik USB vhodni vir energije.
V našem primeru je povezovalni USB kabel KB1slab vmesnik. V namen testiranja ga
bomo spet uporabili za povezavo.
Polnilnik lahko deluje normalno v območju vhodne napetosti 3,35V < UVH < 6,5V, kar je
dokaj široko področje delovanja.
Med običajnim postopkom polnjenja, če vhodni vir nima dovolj razpoložljive energije
polnilnik ne more podpreti programiran ali privzeti tok polnjenja in napajalna napetost
upade. S funkcijo DPM ob upadu vhodne napetosti pod določeno mejo VIN_DPM polnilnik
zmanjša polnilni tok in s tem prepreči nadaljnji padec napetosti. Prag VIN_DPM smo, za
samostojni način polnjenja z zunanjimi upori, namestili na 4,48V. V I2C načinu smo
namestili prag na 4,44V.
Pri prvem merjenju smo imeli največji padec vhodne napetosti UVH = 4,58V. Če zvišamo
polnilni tok vhodna napetost upade do meje 4,44V in aktivira se DPM funkcija. Odločili
smo se da bomo baterijo polnili s tokom ICHG = 1450mA. V tabeli 6.4 so prikazani dobljeni
rezultati.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 80
Tabela 6.4: Prikaz delovanja DPM funkcije, ICHG =1450mA.
Ko je polnilnik poskusil polniti z maksimalnim tokom ICHG = 1450mA je vhodna napetost
padla pod mejo 4,44V in se je aktivirala DPM funkcija. Vhodni tok se je zmanjšal in
vhodna napetost je postala malo višja od dovoljene spodnje mejne vrednosti napetosti. Ta
postopek se je izvajal dokler tok ni padel na vrednost, pri kateri je polnilnik lahko deloval
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 81
brez DPM funkcije. Na sliki 6.22 je podan potek polnilnega toka, na sliki 6.23 pa potek
napetosti baterije za tak primer polnjenja baterije.
Slika 6.22: Potek polnilnega toka za Ichg =1450mA pri uporabi DPM funkcije.
Slika 6.23: Potek napetosti baterije za Ichg =1450mA pri uporabi DPM funkcije.
Potek polnilnega toka ni več tako idealen. Polnilnik ne deluje v načinu konstatnega toka
kar ima za posledico povečan skupni čas polnjenja pri ICHG = 1450mA v primerjavi z
polnjenjem baterije z istim polnilnim tokom, ko ni prišlo do aktiviranja DPM funkcije.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 82
7 SKLEP
Namen diplomske naloge je bil izdelati stikalni napajalnik, ki naj bi polnil Li-ionske
akumulatorske baterije optimalno. Pod optimalnim polnjenjem mislimo na nadzorovano,
hitro in varno polnjenje, kjer ves čas polnjenja polnilnik nadzoruje potek polnjenja in ima
rešitev za vsako morebitno neželeno situacijo. Prikazali smo delovanje polnilnika v načinu
gostitelja, kjer je vse parametre mogoče vizualno nadzorovati in spreminjati z
računalnikom. Pri testiranju smo uporabili možnosti poljubih nastavitev in na ta način
popolnoma spoznali delovanje polnilnika. Izdelani polnilnik in meritve popolnoma
izpolnjujejo pričakovanja.
Pri polnjenju testne baterije z največjim dovoljenim tokom (1450mA) smo izmerili dvig
temperature za 4°C, kar je normalno. Pokazali smo tudi kako polnilnik krmili polnjenje
baterije pri morebitnem nekontroliranem dvigu temperature, ko smo umetno dvigovali
temperaturo na NTC uporu.
Pokazali smo vpliv povezovalnega kabla med omrežnim AC adapterjem in polnilnikom. Z
uporabo dolgega in neprimernega kabla lahko imamo precejšnjo dodatno porabo moči na
vhodu polnilnika, ki ob višjih tokovih polnjenja vpliva na samo delovanje polnilnika. Pri
testiranju smo pokazali delovanje DPM funkcije, ki je sicer pomembnejša ko baterijo
polnimo direktno preko vrat USB.
Pri izdelavi polnilnika je uporabljena SMD tehnologija, kar je omogočilo izdelavo
relativno majhnega in kompaktnega polnilnika. Če bi izpostavili nepotrebne elemente, ki
smo jih vgradili zaradi lažjega testiranja in povezave merilne opreme, bi bila končna
ploščica celo manjša.
Z določitvijo ustreznih zunanjih elementov lahko naredimo dober samostojni polnilnik, ki
bo lahko polnil z enim želenim tokom polnjenja (maksimalno 2A) ob uporabi omrežnega
AC adapterja. Polnilniku bi lahko dodali mikrokrmilnik, ki bi nadomestil računalnik, in ga
povezali z LCD prikazovalnikom za vseh pomembnih parametrov.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 83
8 LITERATURA
[1] Dostopno na: http://baterije-in-akumulatorji.advice-site.com/ [05.06.2015].
[2] Dostopno na: https://www.ebax.si/blog/li-ion/ [08.06.2015].
[3] D. Linden, T. B. Reddy, Handbook of Batteries (Third edition). McGraw-Hill, New
York, 2002.
[4] Tarascon JM, M. Armand, Issues and challenges facing rechargeable lithium
batteries, Nature, 414, (2001), str.359-367
[5] T. R. Crompton, Battery Reference Book (Third edition). Newnes, Oxford, 2000.
http://survivaltraining.info/Library/Batteries/Battery%20Reference%20Book%203rd%20e
d%20-%20T.%20Crompton.pdf [20.07.2015].
[6] Matej Huš. Litij, ki poganja mobilni svet, Monitor,September 2014
Dostopno na: http://www.monitor.si/clanek/litij-ki-poganja-mobilni-svet/159566/
[15.07.2015].
[7] Dostopno na: http://ebatt.si/si/content/28-eksperimentalne-polnilne-baterije
[15.07.2015].
[8] Isidor Buchmann: Batery University. Cadex Electronics Inc.
Dostopno na: http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion
[08.06.2015].
[9] Drejc Kopač, Baterije – Izbrana poglavja iz uporabne fizike, Ljubljana: Fakulteta za
matematiko in fiziko, 2009.
[10] Dostopno na: http://www.ti.com/product/BQ24257 [23.09.2015].
[11] Dostopno na:
http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=sluc435&fileT
ype=zip [25.09.2015].
[12] Dostopno na: https://www.solo-labs.com/ [12.11.2015].
[13] Dostopno na: http://industrial.panasonic.com/cdbs/www-
data/pdf2/ACI4000/ACI4000CE17.pdf [06.02.2016].
[14] Dostopno na:http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries
[08.06.2015].
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 84
[15] Dostopno na: http://www.lygte-info.dk/info/battery%20protection%20UK.html
[08.06.2015].
[16] Dostopno na: https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/913
[15.06.2015].
[17] Jose Formenti and Robert Martinez: Design Trade-offs for Switch-Mode Battery
Chargers.
Dostopno na: http://www.ti.com/lit/ml/slyp089/slyp089.pdf [10.05.2015].
[18] Dostopno na:
http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_prolong_lithium_based_batteries
[12.06.2015].
[19] Dostopno na:
http://export.farnell.com/?_DARGS=/jsp/home/exportHome.jsp_A&_DAV=en_EX_DIRE
CTEXP [15.03.2016].
[20] Dostopno na: http://news.stanford.edu/2015/04/06/aluminum-ion-battery-033115/
[25.03.2016].
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij 85
9 PRILOGE
KAZALO PRILOG
PRILOGA A: Električne lasnosti integiranega vezja bq24257.
PRILOGA B: Tipične lastnosti in karakteristike Li – ion baterije NCR18650A -
Panasonic
PRILOGA C: Električna shema izdelanog polnilnika.
PRILOGA D: Prikaz merilne opreme in vezja polnilnika.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij
PRILOGA A: Električne lasnosti integiranega vezja bq24257
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij
PRILOGA B: Tipične lastnosti in karakteristike Li – ion baterije NCR18650A
Panasonic
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij
PRILOGA C: Električna shema izdelanog polnilnika.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij
PRILOGA D: Prikaz merilne opreme in vezja polnilnika.
Optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih akumulatorskih baterij