Charge de la batterie Li-ion

Les batteries au lithium sont un moyen polyvalent de stocker l'énergie; ils ont l'une des densités énergétiques et des énergies spécifiques les plus élevées (360 à 900 kJ / kg) parmi les batteries rechargeables.

L'inconvénient est que, contrairement aux condensateurs ou à d'autres types de batteries, ils ne peuvent pas être chargés par une alimentation électrique régulière. Ils doivent être chargés jusqu'à une tension spécifique et avec un courant limité, sinon ils se transforment en bombes incendiaires potentielles.

Et ce n'est pas une blague, stocker une telle quantité d'énergie dans un petit appareil emballé normalement peut être très dangereux.

Mais ils sont vraiment utiles en électronique en raison de leur tension de cellule relativement élevée; haute densité d'énergie; leur forme, taille et variété de capacité, et leur efficacité de charge / décharge. Et c'est pourquoi ils sont dans presque tous les produits électroniques grand public.

Comme ils sont le meilleur choix pour les appareils portables de petite et moyenne taille, ils sont très populaires parmi la communauté des bricoleurs. Mais la charge est toujours un problème commun à affronter lors de leur utilisation si vous ne souhaitez pas acheter un chargeur spécifique.

Grâce à cette instruction, vous apprendrez à fabriquer un chargeur de batterie Li-ion approprié avec des composants et des pièces largement disponibles. Et ce qui est plus important, vous apprendrez comment cela fonctionne.

Si vous voulez ignorer la théorie et construire le chargeur, passez à l'étape 6.

Étape 1: Un peu de théorie

Il existe de nombreux types de batteries au lithium, mais ils ne diffèrent que par les matériaux utilisés et l'architecture. Les scientifiques préfèrent nommer les batteries par leur nom chimique et le matériau utilisé, et à moins que vous ne soyez chimiste, ces termes peuvent prêter à confusion. Le tableau ci-dessus offre une clarté en répertoriant ces batteries par leur nom complet, leur définition chimique, leurs abréviations et leur forme abrégée.

Différents types de batteries ont des caractères et des limitations différents, pour plus de détails, je vous recommande de visiter cette page.

La bonne chose est que la plupart des batteries sont chargées de la même manière, au moins celles que vous trouverez et / ou utilisez généralement pour un projet alimenté par batterie.

Tout d'abord, vous devez savoir quel est le "taux C", car c'est la base de l'utilisation de la batterie.

La plupart des batteries sont étiquetées avec une capacité nominale, mesurée en ampères-heure (Ah) ou en milliampères-heure (mAh). C'est essentiellement le courant de décharge qu'ils peuvent fournir pendant une heure avant d'être complètement drainés.

Par exemple, vous avez une grosse batterie étiquetée 2400mAh ou 2, 4Ah, ce qui signifie qu'elle peut pousser 2, 4A à travers votre circuit et se décharger en une heure. Ce serait un taux de décharge de 1C, déchargeant votre batterie à la capacité nominale actuelle.

Si votre batterie fournit 1200mA à un circuit, ce serait un taux de décharge de 0, 5C, et cela devrait durer deux heures.

Certaines batteries permettent des taux de décharge plus élevés que 1 ° C, et si vous pouviez décharger votre batterie à 4, 8 A (2 ° C), elle durerait 30 minutes. Certaines batteries utilisées dans les systèmes RC permettent des taux de décharge très élevés, comme 10 ou 20 ° C, mais ces batteries sont généralement conçues pour tomber en panne plutôt que de laisser votre avion sans alimentation en plein vol, elles ne sont donc pas les plus sûres.

Lors de la charge, c'est fondamentalement la même chose, charger une batterie de 2400mAh à un courant maximum de 1200mA serait un taux de charge de 0, 5C. Pour des raisons de sécurité, la plupart des batteries doivent être chargées entre 0, 5 ° C et 0, 7 ° C.

La plupart des batteries au lithium-ion sont chargées à 4, 2 V par cellule, des tensions plus élevées pourraient augmenter la capacité, mais réduire la durée de vie. Et les plus bas peuvent augmenter les cycles de charge de la batterie au prix d'un temps d'exécution réduit. (Voir le troisième graphique)

Un cycle de charge comprend deux étapes principales; courant constant ou CC et source de tension ou CV, mais certains chargeurs sautent ou ajoutent plus d'étages. (Voir graphiques 1 & 2)

  • La plupart des batteries sont considérées comme trop déchargées ou mortes lorsque la tension de leur cellule est inférieure à 2, 8-3 V, mais même dans cette situation, les cellules peuvent être rechargées et réutilisées. Pour les sauver, une étape de "conditionnement" est effectuée avant la charge, dans cette étape, la batterie est chargée avec une limite de courant de 0, 1C jusqu'à ce qu'elle atteigne 3v

  • Stade CC. C'est l'étape utilisée par tous les chargeurs et la seule pour la plupart des chargeurs rapides. Pendant la phase de courant constant, la batterie est essentiellement connectée à une alimentation à courant limité, généralement limitée à 0, 5-0, 7 fois la capacité nominale de la batterie (de 0, 5 à 0, 7C), elle dure jusqu'à ce que la tension de la cellule atteigne 4, 2v. À la fin de cette étape, la charge de la batterie est d'environ 70 à 80%.

  • Stage CV ou charge de saturation. Lorsque la batterie atteint 4, 2 V par cellule, le chargeur agit comme une alimentation à tension limitée. La tension de la batterie reste à 4, 2 V tandis que le courant de charge diminue progressivement. Lorsque le courant de charge se situe entre 3 et 10% de la capacité indiquée, la batterie est considérée comme complètement chargée.

  • Frais de remplissage. Selon le chargeur et l'autodécharge de la batterie, une charge de remplissage peut être mise en place une fois toutes les 500 heures ou 20 jours. En règle générale, la charge entre en jeu lorsque la tension de la borne ouverte tombe à 4, 05 V / cellule et s'éteint lorsqu'elle atteint à nouveau 4, 20 V / cellule.

Habituellement, seules les étapes 2 et 3 sont utilisées, et une charge complète peut prendre de 2 à 4 heures selon le taux de charge.

Le Li-ion n'a pas besoin d'être complètement chargé, comme c'est le cas pour le plomb, et il n'est pas souhaitable de le faire. En fait, il vaut mieux ne pas charger complètement, car les hautes tensions sollicitent la batterie. Le choix d'un seuil de tension inférieur ou l'élimination totale de la charge de saturation prolonge la durée de vie de la batterie, mais cela réduit l'autonomie. Étant donné que le marché grand public favorise une autonomie maximale, ces chargeurs recherchent une capacité maximale plutôt qu'une durée de vie prolongée.

Pour plus d'informations, vous pouvez visiter cette page.

Étape 2: Conception du circuit du chargeur

Il y a environ un an, j'ai commencé à travailler avec des amplificateurs opérationnels et j'ai décidé de concevoir un chargeur de batterie Li-ion approprié pour apprendre à les utiliser. J'ai beaucoup appris sur les amplis opérationnels tout au long de la conception de ce circuit et je voulais le partager, afin que les gens puissent fabriquer leurs propres chargeurs au lieu de les acheter.

Le circuit utilise l'ampli-op LM324 populaire pour créer une alimentation limitée en courant et en tension. Dans ce cas, le courant est réglable avec un potentiomètre d'environ 160 à 1600mA, ce qui permet de charger des batteries avec une large gamme de capacités. La limite de voltaje est de 4, 2v, donc vous n'endommagez pas vos batteries.

Il dispose d'un voyant de charge qui s'allume lorsque la batterie est en charge et s'éteint une fois terminé.

J'ai conçu ce circuit pour qu'il utilise des composants de trou traversant largement disponibles et bon marché afin que tout le monde puisse le construire.

Presque n'importe quel amplificateur opérationnel à usage général peut être utilisé, aucun fonctionnement rail à rail nécessaire, aucune fréquence ou précision élevée.

Les transistors tip122 peuvent être remplacés par n'importe quel transistor compatible avec des broches avec un gain de courant continu minimum (Hfe) supérieur à 100 et un courant de collecteur maximum (Ic) supérieur à 2A.

Le circuit est conçu pour que toute personne ayant des compétences de base en soudage puisse facilement le construire.

Pièces jointes

  • battery charger.sch Télécharger
  • battery charger.brd Télécharger

Étape 3: L'alimentation

L'ensemble du chargeur de batterie est alimenté par un chargeur 12v 2A, mais comme le LM324 n'est pas un ampli op rail à rail, j'ai besoin d'un second rail de tension pour permettre aux tensions de détection de l'ampli op près de GND (petites tensions pour peu de courants) et produire des tensions suffisamment faibles pour ne pas activer les transistors Darlington alors qu'ils ne devraient pas l'être.

Si vous regardez le schéma général à l'étape précédente, vous pouvez voir que le transistor qui contrôle le courant et la tension aux bornes de la batterie est connecté à un rail de tension et non à la terre. C'est parce que la tension de sortie du LM324 ne peut pas atteindre sa tension d'alimentation négative, elle ne peut aller que de 1, 5 à 2 V au-dessus. À cette tension, le transistor Darlington ne pourrait pas s'éteindre et ne limiterait pas correctement la tension et le courant.

C'est pourquoi j'ai utilisé l'un des quatre amplificateurs opérationnels (IC1a) et un transistor pour créer un rail virtuel de 2, 5 V sur GND qui absorbe le courant qui traverse la partie chargeur du circuit.

R2 et R3 sont un diviseur de tension avec une tension de sortie d'environ 2, 5 V en fonction des tolérances de la résistance, l'ampli-op pilote le transistor de telle manière que, indépendamment du flux de courant, 2, 5 V le traversent toujours.

Les quatre amplificateurs opérationnels et les indicateurs LED sont alimentés directement à partir de l'alimentation 12 V, mais le reste du circuit est alimenté en 9, 5 V; entre les rails 12v et 2.5v.

Si vous utilisez cette conception, mais que vous souhaitez la rendre plus efficace, vous pouvez utiliser des amplificateurs opérationnels rail à rail et une alimentation électrique à tension plus faible, vous n'avez donc pas besoin de créer une puissance de perte de rail supplémentaire dans un transistor supplémentaire.

Le voyant d'alimentation indique quand le chargeur est allumé, et C2 atténue la tension du chargeur.

Étape 4: Le chargeur réel

C'est la partie importante du chargeur, c'est ce qui s'occupe de limiter le courant et la tension aux bornes de la batterie. Dans ce cas, le courant de charge peut être sélectionné avec le potentiomètre 10k, mais la tension limite sera une référence fixe de 4, 2 V, quelles que soient les variations de la tension d'alimentation.

(Vous pouvez voir que dans le schéma général, le potentiomètre et les valeurs R8 et R9 sont un ordre de grandeur plus élevé, c'est parce que le seul pot que j'avais était de 100K, mais la valeur recommandée est 10K et pour R8 & 9 ceux du schéma au dessus)

L'amplificateur opérationnel à gauche (IC1c) veille à limiter le courant à un maximum fixé avec le potentiomètre.Comme la résistance de détection est de 1 ohm, la tension aux bornes sera la même que le courant qui la traverse.

Le potentiomètre est situé au sommet d'une résistance de 1 k, à travers la résistance, il y a une chute de 160 mV, donc la tension de sortie minimale du potentiomètre est de 0, 16 V, dans ce cas, le circuit limiterait un courant maximum de 160 mA, idéal pour charger une batterie de 300 mAh.

La chute de tension aux bornes du potentiomètre est d'environ 1, 6 V. La limite de courant maximale sera donc légèrement supérieure à 1, 6 A. En ajustant le potentiomètre, vous pouvez obtenir n'importe quelle tension de sortie entre 0, 16 et 1, 6 V, ce qui signifie une limite de courant maximale entre 160 et 1600 mA.

L'amplificateur opérationnel pilotera le transistor de telle manière que la tension aux bornes de la résistance de détection soit la même que la sortie du potentiomètre. Et grâce au rail 2, 5 V, l'ampli-op sera capable de produire une tension suffisamment basse pour presque couper le transistor et définir une limite de courant faible.

À la fin de l'étage à courant constant, la tension de la batterie se rapproche d'une limite de 4, 2 V, au-delà de laquelle la batterie serait endommagée, à ce moment, la partie limiteur de tension du circuit entre en action et l'étage à tension constante commence.

La diode Zener de 4, 7 V et le diviseur de tension R10 et 11 créent une référence de 4, 2 V sous VCC (~ 12 V). Lorsque la tension aux bornes de la batterie atteint 4, 2 V, le deuxième ampli-op (IC1d) commence à pomper la tension dans l'entrée inverseuse du premier ampli-op, ce qui permet d'abaisser la tension de sortie du transistor pour que le courant circule dans la batterie commence à chuter pour garder 4.2v à travers.

Au fur et à mesure que la batterie se charge et que sa résistance interne augmente, moins de courant est nécessaire pour garder 4, 2 V à travers, donc le courant chutera lentement. Lorsque le courant traversant la batterie devient inférieur à 3-10% de la capacité nominale, la batterie est considérée comme chargée à 100%.

Étape 5: L'indicateur de charge

La charge complète d'une batterie peut prendre de 2 à 4 heures selon le taux de charge (que je recommande de conserver entre 0, 5 et 0, 7 ° C). Lorsque le courant circulant dans la batterie est inférieur à 3-10% de la capacité nominale, la batterie est chargée à 100%, et le circuit ci-dessus nous dira quand cela se produira.

Le quatrième ampli op (IC1b) est utilisé comme comparateur; à l'entrée non inverseuse, il prend la tension aux bornes de la résistance de détection (sur le rail de 2, 5 V) qui chutera pendant la phase de tension constante ou de charge de saturation et la compare à une fraction de la tension définie par le potentiomètre.

Le diviseur de tension R15 et 16 délivre 9% de la tension définie et alimente la référence dans l'entrée inverseuse de l'ampli-op.

lorsque la tension aux bornes de la résistance de détection (qui est la même que le courant traversant la batterie) tombe en dessous de la référence définie par le diviseur, la tension à in est supérieure à celle à in +, de sorte que la sortie de l'ampli op chute à GND et éteint la LED.

Avec cette configuration, la LED est allumée pendant la charge et éteinte lorsque la batterie est complètement chargée. Si vous souhaitez qu'il s'allume une fois la charge terminée, échangez simplement les broches d'entrée de l'ampli opérationnel.

Étape 6: Construisez le chargeur

Maintenant que nous en avons terminé avec la théorie, construisons le chargeur!

Tout d'abord, vous avez besoin du PCB, vous pouvez le commander en ligne ou DIY. Lorsque votre PCB est prêt avec tous les trous et les tampons étamés, il est temps de commencer à remplir la carte.

Avec la conception que j'ai faite, tous les composants sont traversants, donc tout le monde peut le faire, mais si vous préférez une version plus petite de la carte, vous pouvez télécharger le fichier .brd et éditer tous les composants sur SMD.

La plupart des résistances que j'ai utilisées ont une tolérance de 1%, c'est parce que je les avais sous la main, vous pouvez utiliser celles de 5%.

Soudez les résistances et les cavaliers, puis les condensateurs et les diodes, faites attention à la polarité!

Si vous n'avez pas de potentiomètre avec le même boîtier que le mien, vous pouvez en souder un externe avec quelques fils, ou simplement modifier l'empreinte.

La résistance de détection que j'ai utilisée est une résistance 4W 1ohm, vous pouvez en utiliser une autre, mais pas sous 3W.

Les transistors sont deux paires darlington TIP122, il n'est pas nécessaire d'utiliser des darlington, tout BJT avec un gain supérieur à 100 et avec une capacité de courant de 2A devrait fonctionner, mais vérifiez les résistances de base pour correspondre à vos transistors!

En outre, vous pouvez utiliser presque n'importe quel autre ampli-op quad, assurez-vous d'en choisir un compatible avec les broches.

J'ai fait la carte avec deux sorties, une avec une borne à vis et l'autre avec un connecteur de batterie DSI, elles sont connectées en parallèle, mais vous ne devez charger qu'une seule batterie à la fois. N'oubliez pas que ce chargeur est conçu pour charger une batterie à cellule unique, pas deux en parallèle ni deux en série.

Lorsque vous avez fini de souder, visser un dissipateur de chaleur à vos transistors, ils vont dissiper une bonne quantité d'énergie! Celui que j'utilise est plutôt petit, peut-être qu'un plus grand devrait être utilisé, mais je pense qu'il ne dépasse pas 70 ° C, donc ça va pour le moment.

Maintenant, ajoutez un peu de stanoffs à votre planche et c'est prêt à fonctionner.

Pièces jointes

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Étape 7: Test n ° 1

Comme premier test, je vais charger une batterie de 600 mAh, je dois la charger à 0, 5 ° C pour être en sécurité.

Tout d'abord, connectez votre multimètre à la sortie et réglez le cadran sur courant dans la plage 10A. Branchez le chargeur et tournez le potentiomètre jusqu'à ce que le courant de sortie soit la moitié de la capacité nominale de la batterie, dans mon cas, 0, 3A.

Ensuite, connectez la batterie au chargeur et faites attention à la polarité, dans ma conception de circuit, la broche positive est à droite des connecteurs.

J'ai testé la référence 4.2v sous VCC, et comme vous pouvez le voir sur les photos, c'est une référence 4.2v parfaite.

Quand j'ai commencé à charger la batterie, elle avait une tension en circuit ouvert de 3, 1 V, donc assez vide. Environ une heure et demie plus tard, la batterie avait une tension de 4, 09 V, elle était sur le point d'entrer dans l'étage à tension constante.

Une heure et demie plus tard, j'ai vu la LED s'estomper, j'ai donc vérifié le courant via la chute de tension à travers la résistance de détection, le courant était d'environ 24mA, ce qui est inférieur à 9% des 300mA initiaux. À ce stade, la batterie était complètement chargée.

Ce chargeur fonctionne très bien, je l'ai testé avec cette batterie 600mAh, une batterie 840mAh DSI, une petite batterie de montre 200mAh et une batterie de tablette 4000mAh. Ils ont tous pris environ 3 heures pour charger complètement, celui de 4 Ah a pris un peu plus de temps, mais simplement parce que le chargeur est limité à 1, 6 A, et c'est un taux de charge de 0, 4 C.

J'espère que cet instructable sera utile pour tous les fabricants qui commencent à utiliser des batteries Li-ion, bon petit déjeuner avec tous vos projets!

Si vous n'avez pas compris quelque chose ou si vous avez besoin d'informations plus détaillées, n'hésitez pas à me le demander, je répondrai à tout ce que je peux.

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