optimalni stikalni napajalnik za polnjenje litijevih ... · li-ion battery charging key words:...

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

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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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].


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].


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.


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.


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.


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,


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


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


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


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


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.


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


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.


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.


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.


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.


Tabela 3.5: Karakteristike standardnega NCA akumulatorja.

Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide: LiNiCoALO2. Grafitna anoda Od leta 1999 Krajše: NCA ali Li-aluminum.


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.


Tabela 3.6: Karakteristike LTO akumulatorja.

Lithium Titanate: Li4Ti5O12 Titanatna anoda Od leta 2008 Krajše: LTO ali Li-titanate


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.


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


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.


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.


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].


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.


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].


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].


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)


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.


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.


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.

http://www.rt-tri.si/RT-TRI_SI,,storitve,testiranje_in_osvezevanje_baterij.htm


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


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.


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.


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


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.


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.


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.


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


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.


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


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


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


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.


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.


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


- 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.


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.


Slika 5.2: Blokovna shema bq24257.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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).


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.


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


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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


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.


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


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.


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


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.


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.


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].

http://baterije-in-akumulatorji.advice-site.com/

https://www.ebax.si/blog/li-ion/

http://survivaltraining.info/Library/Batteries/Battery%20Reference%20Book%203rd%20ed%20-%20T.%20Crompton.pdf

http://survivaltraining.info/Library/Batteries/Battery%20Reference%20Book%203rd%20ed%20-%20T.%20Crompton.pdf

http://www.monitor.si/clanek/litij-ki-poganja-mobilni-svet/159566/

http://ebatt.si/si/content/28-eksperimentalne-polnilne-baterije

http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion

http://www.ti.com/product/BQ24257

http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=sluc435&fileType=zip

http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=sluc435&fileType=zip

https://www.solo-labs.com/

http://industrial.panasonic.com/cdbs/www-%20data/pdf2/ACI4000/ACI4000CE17.pdf

http://industrial.panasonic.com/cdbs/www-%20data/pdf2/ACI4000/ACI4000CE17.pdf

http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries


[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].

http://www.lygte-info.dk/info/battery%20protection%20UK.html

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/913

http://www.ti.com/lit/ml/slyp089/slyp089.pdf

http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_prolong_lithium_based_batteries

http://export.farnell.com/?_DARGS=/jsp/home/exportHome.jsp_A&_DAV=en_EX_DIRECTEXP

http://export.farnell.com/?_DARGS=/jsp/home/exportHome.jsp_A&_DAV=en_EX_DIRECTEXP

http://news.stanford.edu/2015/04/06/aluminum-ion-battery-033115/


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


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 ... · li-ion battery charging key words:...

Documents