Carga de batería de iones de litio

Las baterías a base de litio son una forma versátil de almacenar energía; Tienen una de las más altas densidades de energía y energía específica (360 a 900 kJ / kg) entre las baterías recargables.

La desventaja es que, a diferencia de los condensadores u otros tipos de baterías, no se pueden cargar con una fuente de alimentación normal. Deben cargarse hasta un voltaje específico y con corriente limitada, de lo contrario se convertirán en potenciales bombas incendiarias.

Y eso no es broma, almacenar una cantidad tan alta de energía en un dispositivo pequeño y normalmente apretado puede ser realmente peligroso.

Pero son realmente útiles en electrónica debido a su voltaje de celda relativamente alto; alta densidad de energía; su forma, tamaño y variedad de capacidad, y su eficiencia de carga / descarga. Y es por eso que están en casi todos los productos electrónicos de consumo.

Como son la mejor opción para dispositivos portátiles de tamaño pequeño y mediano, son muy populares entre la comunidad de bricolaje. Sin embargo, la carga sigue siendo un problema común al usarlos si no desea comprar un cargador específico.

A través de este instructable aprenderá cómo hacer un cargador de batería de iones de litio adecuado con componentes y piezas ampliamente disponibles. Y lo que es más importante, aprenderá cómo funciona.

Si desea omitir la teoría y construir el cargador, vaya al paso 6.

Paso 1: un poco de teoría

Hay muchos tipos diferentes de baterías de litio, pero solo son diferentes en los materiales utilizados y la arquitectura. Los científicos prefieren nombrar las baterías por su nombre químico y el material utilizado, y a menos que usted sea químico, estos términos pueden ser confusos. La tabla anterior ofrece claridad al enumerar estas baterías por su nombre completo, definición química, abreviaturas y forma abreviada.

Los diferentes tipos de baterías tienen diferentes caracteres y limitaciones, para más detalles, le recomiendo que visite esta página.

Lo bueno es que la mayoría de las baterías se cargan de la misma manera, al menos las más comunes que normalmente encontrarás y / o usarías para un proyecto con baterías.

En primer lugar, debe saber cuál es la "tasa C", porque es la base del uso de la batería.

La mayoría de las baterías se etiquetan con una capacidad nominal, medida en amperios-hora (Ah) o en miliamperios-hora (mAh). Esa es básicamente la corriente de descarga que pueden suministrar durante una hora antes de ser completamente drenados.

Por ejemplo, tiene una batería grande etiquetada como 2400mAh o 2.4Ah, eso significa que puede empujar 2.4A a través de su circuito y descargarse en un período de tiempo de una hora. Esa sería una tasa de descarga de 1C, descargando la batería a la corriente de capacidad nominal.

Si su batería suministra 1200mA a un circuito, sería una tasa de descarga de 0.5C, y debería durar dos horas.

Algunas baterías permiten velocidades de descarga superiores a 1C, y si pudiera descargar su batería a 4.8A (2C), duraría 30 minutos. Algunas baterías utilizadas en los sistemas RC permiten velocidades de descarga muy altas, como 10 o 20C, pero estas baterías generalmente están diseñadas para fallar en lugar de dejar su avión sin energía en pleno vuelo, por lo que no son las más seguras.

Al cargar, es básicamente lo mismo, cargar una batería de 2400 mAh a una corriente máxima de 1200 mA sería una tasa de carga de 0.5C. Por razones de seguridad, la mayoría de las baterías deben cargarse entre 0.5C y 0.7C.

La mayoría de las baterías de iones de litio se cargan a 4.2v por celda, los voltajes más altos podrían aumentar la capacidad, pero reducir la vida útil. Y los más bajos pueden aumentar los ciclos de carga de la batería a costa de un menor tiempo de ejecución. (Ver el tercer gráfico)

Un ciclo de carga implica dos etapas principales; fuente de corriente constante o CC y voltaje o CV, pero algunos cargadores omiten o agregan más etapas. (Ver gráficos 1 y 2)

  • La mayoría de las baterías se consideran descargadas en exceso o agotadas cuando el voltaje de su celda está por debajo de 2.8-3v, pero incluso en esta situación, las celdas pueden cargarse nuevamente y reutilizarse. Para guardarlos, se realiza una etapa de "acondicionamiento" antes de cargar, en esta etapa, la batería se carga con un límite de corriente de 0.1C hasta que alcanza 3v

  • Etapa CC Esta es la etapa que usan todos los cargadores, y la única para la mayoría de los cargadores rápidos. Durante la etapa de corriente constante, la batería está básicamente conectada a una fuente de alimentación de corriente limitada, generalmente limitada a 0.5-0.7 veces la capacidad nominal de la batería (es decir, de 0.5 a 0.7C) que dura hasta que el voltaje de la celda alcanza 4.2v. Al final de esta etapa, la carga de la batería es de alrededor del 70-80%.

  • Etapa CV o carga de saturación. Cuando la batería alcanza 4.2v por celda, el cargador actúa como una fuente de alimentación de voltaje limitado. El voltaje de la batería permanece en 4.2v mientras la corriente de carga cae gradualmente. Cuando la corriente de carga está entre 3 y 10% de la capacidad etiquetada, la batería se considera completamente cargada.

  • Carga de cobertura. Dependiendo del cargador y la autodescarga de la batería, se puede implementar una carga adicional una vez cada 500 horas o 20 días. Típicamente, la carga se activa cuando el voltaje del terminal abierto cae a 4.05V / celda y se apaga cuando alcanza 4.20V / celda nuevamente.

Por lo general, solo se usan las etapas 2 y 3, y una carga completa puede demorar de 2 a 4 horas dependiendo de la velocidad de carga.

El ion de litio no necesita estar completamente cargado, como es el caso del ácido de plomo, ni es deseable hacerlo. De hecho, es mejor no cargar completamente, porque los altos voltajes estresan la batería. Elegir un umbral de voltaje más bajo, o eliminar la carga de saturación por completo, prolonga la vida útil de la batería, pero esto reduce el tiempo de ejecución. Dado que el mercado de consumo promueve el máximo tiempo de ejecución, estos cargadores buscan la máxima capacidad en lugar de una vida útil prolongada.

Para más información puedes visitar esta página.

Paso 2: diseño del circuito del cargador

Hace aproximadamente un año comencé a trabajar con amplificadores operacionales y decidí diseñar un cargador de batería de iones de litio adecuado para aprender a usarlos. Aprendí mucho sobre los amplificadores operacionales en el camino al diseñar este circuito y quería compartirlo, para que la gente pueda hacer sus propios cargadores en lugar de comprarlos.

El circuito utiliza el popular amplificador operacional LM324 para crear una fuente de alimentación limitada de corriente y voltaje. En este caso, la corriente es ajustable con un potenciómetro de aproximadamente 160 a 1600 mA, lo que permite cargar baterías con una amplia gama de capacidades. El límite de voltaje es de 4.2v, por lo que no dañará sus baterías.

Tiene un LED indicador de carga que se encenderá mientras la batería se está cargando y se apagará cuando termine.

Diseñé este circuito para que use componentes de orificio pasante ampliamente disponibles y baratos para que cualquiera pueda construirlo.

Se puede usar casi cualquier amplificador operacional de propósito general, no se necesita operación de riel a riel, no se requiere alta frecuencia o precisión.

Los transistores tip122 se pueden reemplazar por cualquier transistor compatible con clavijas con una ganancia de corriente CC mínima (Hfe) superior a 100 y una corriente máxima de colector (Ic) superior a 2A.

El circuito está diseñado para que cualquier persona con habilidades básicas de soldadura pueda construirlo fácilmente.

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Paso 3: la fuente de alimentación

Todo el cargador de batería está alimentado por un cargador de 12v 2A, pero dado que el LM324 no es un amplificador operacional de riel a riel, necesito un segundo riel de voltaje para permitir que los voltajes de detección del amplificador operacional estén cerca de GND (pequeños voltajes para pequeñas corrientes) y emite voltajes lo suficientemente bajos como para no encender los transistores Darlington cuando no deberían estarlo.

Si observa el esquema general en el paso anterior, puede ver que el transistor que controla el flujo de corriente y el voltaje a través de la batería está conectado a un riel de voltaje y no a tierra. Esto se debe a que el voltaje de salida del LM324 no puede alcanzar su voltaje de suministro negativo, solo puede pasar alrededor de 1.5-2v por encima. A ese voltaje, el transistor Darlington no podría apagarse y no limitaría el voltaje y la corriente correctamente.

Es por eso que utilicé uno de los cuatro amplificadores operacionales (IC1a) y un transistor para crear un riel virtual de 2.5v sobre GND que hunde la corriente que fluye a través de la parte del cargador del circuito.

R2 y R3 son un divisor de voltaje con un voltaje de salida de alrededor de 2.5v dependiendo de las tolerancias de la resistencia, el amplificador operacional impulsa el transistor de tal manera que independientemente del flujo de corriente, 2.5v siempre caerá a través de él.

Los cuatro amplificadores operacionales y los indicadores LED se alimentan directamente de la fuente de alimentación de 12v, pero el resto del circuito se alimenta con 9.5v; entre los rieles 12v y 2.5v.

Si usa este diseño, pero desea hacerlo más eficiente, puede usar amplificadores operacionales de riel a riel y una fuente de alimentación de menor voltaje, por lo que no necesita crear una energía de desperdicio de riel adicional en un transistor adicional.

El LED de encendido indica cuando el cargador está encendido y C2 suaviza el voltaje del cargador.

Paso 4: el cargador real

Esta es la parte importante del cargador, esto es lo que se encarga de limitar la corriente y el voltaje a través de la batería. En este caso, la corriente de carga se puede seleccionar con el potenciómetro de 10k, pero el voltaje límite será una referencia fija de 4.2v, independientemente de las variaciones de voltaje de la fuente de alimentación.

(Puede ver que en el esquema general, el potenciómetro y los valores R8 y R9 son un orden de magnitud más alto, eso es porque el único bote que tenía era 100K, pero el valor recomendado es 10K y para R8 y 9 los del esquema encima)

El amplificador operacional de la izquierda (IC1c) se encarga de limitar la corriente a un máximo establecido con el potenciómetro. Dado que la resistencia de detección es de 1 ohm, el voltaje a través de ella será el mismo que la corriente que fluye a través de él.

El potenciómetro se encuentra en la parte superior de una resistencia de 1k, a través de la resistencia hay una caída de 160 mV, por lo que el voltaje de salida mínimo del potenciómetro es 0.16v, en ese caso, el circuito limitaría una corriente máxima de 160 mA, ideal para cargar una batería de 300 mAh.

La caída de voltaje a través del potenciómetro es de alrededor de 1.6v. Por lo tanto, el límite máximo de corriente será ligeramente superior a 1.6A. Ajustando el potenciómetro puede obtener cualquier salida de voltaje entre 0.16 a 1.6v, lo que significa un límite de corriente máximo en cualquier lugar entre 160 y 1600mA.

El amplificador operacional impulsará el transistor de tal manera que el voltaje a través de la resistencia de detección sea el mismo que la salida del potenciómetro. Y gracias al riel de 2.5v, el amplificador operacional podrá emitir un voltaje lo suficientemente bajo como para casi apagar el transistor y establecer un límite de corriente baja.

Al final de la etapa de corriente constante, el voltaje de la batería se acerca a un límite de 4.2v, más allá del cual la batería se dañaría, en ese momento, la parte del circuito limitador de voltaje se activa y comienza la etapa de voltaje constante.

El diodo zener de 4.7v junto con el divisor de voltaje R10 y 11 crea una referencia de 4.2v debajo de VCC (~ 12v). Cuando el voltaje a través de la batería alcanza 4.2v, el segundo amplificador operacional (IC1d) comienza a bombear voltaje a la entrada inversora del primer amplificador operacional, esto hace que baje el voltaje de salida al transistor para que la corriente fluya a través de la batería comienza a caer para mantener 4.2v a través de él.

A medida que la batería se carga y aumenta su resistencia interna, se necesita menos corriente para mantener 4.2v en ella, por lo que la corriente disminuirá lentamente. Cuando la corriente que fluye a través de la batería cae por debajo del 3-10% de la capacidad nominal, la batería se considera 100% cargada.

Paso 5: el indicador de carga

La carga completa de una batería puede llevar de 2 a 4 horas dependiendo de la velocidad de carga (que recomiendo mantener entre 0.5 y 0.7C). Cuando la corriente que fluye hacia la batería es inferior al 3-10% de la capacidad nominal, la batería está cargada al 100%, y el circuito de arriba es lo que nos dirá cuando esto suceda.

El cuarto amplificador operacional (IC1b) se usa como comparador; en la entrada no inversora, toma el voltaje a través de la resistencia de detección (sobre el riel de 2.5v) que caerá durante la etapa de carga de saturación o voltaje constante y lo compara con una fracción del voltaje establecido por el potenciómetro.

El divisor de voltaje R15 y 16 genera un 9% del voltaje establecido y alimenta la referencia en la entrada inversora del amplificador operacional.

cuando el voltaje a través de la resistencia de detección (que es la misma que la corriente que fluye a través de la batería) cae por debajo de la referencia establecida por el divisor, el voltaje en in es mayor que el de in +, por lo que la salida del amplificador operacional cae a GND y apaga el LED.

Con esta configuración, el LED se enciende durante la carga y se apaga cuando la batería está completamente cargada. Si desea que se encienda cuando finalice la carga, simplemente cambie los pines de entrada del amplificador operacional.

Paso 6: construye el cargador

Ahora que hemos terminado con la teoría, ¡construyamos realmente el cargador!

En primer lugar, necesita el PCB, puede pedirlo en línea o bricolaje. Cuando tenga su PCB lista con todos los agujeros y las almohadillas estañadas, es hora de comenzar a llenar el tablero.

Con el diseño que hice, todos los componentes son pasantes, por lo que cualquiera puede hacerlo, pero si prefiere una versión más pequeña de la placa, puede descargar el archivo .brd y editar todos los componentes a SMD.

La mayoría de las resistencias que utilicé son de 1% de tolerancia, eso es porque las tenía a mano, puede usar las comunes de 5%.

Suelde las resistencias y los puentes de cables, luego los condensadores y los diodos, ¡tenga cuidado con la polaridad!

Si no tiene un potenciómetro con el mismo paquete que el mío, puede soldar uno externo con algunos cables, o simplemente editar la huella.

La resistencia de detección que utilicé es una resistencia de 4W 1ohm, puede usar una diferente, pero no inferior a 3W.

Los transistores son dos pares darlington TIP122, no es necesario usar los darlington, cualquier BJT con una ganancia superior a 100 y con una capacidad de corriente de 2A debería funcionar, ¡pero compruebe las resistencias base para que coincidan con sus transistores!

Además, puede usar casi cualquier otro amplificador operacional cuádruple, asegúrese de elegir uno compatible con pin.

Hice la placa con dos salidas, una con un terminal de tornillo y otra con un conector de batería DSI, están conectadas en paralelo, pero debe cargar solo una batería a la vez. Recuerde que este cargador está diseñado para cargar una batería de celda única, no dos en paralelo ni dos en serie.

Cuando haya terminado de soldar, atornille un disipador de calor a sus transistores, ¡van a disipar una buena cantidad de energía! El que estoy usando es bastante pequeño, tal vez debería usarse uno más grande, pero creo que no supera los 70ºC, así que por ahora está bien.

Ahora agregue un poco de stanoffs a su tablero y estará listo para funcionar.

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Paso 7: Prueba # 1

Como primera prueba, voy a cargar una batería de 600 mAh, voy a cargarla a 0.5C para estar seguro.

En primer lugar, conecte su multímetro a la salida y ajuste el dial a la corriente en el rango de 10A. Conecte el cargador y gire el potenciómetro hasta que la corriente de salida sea la mitad de la capacidad nominal de la batería, en mi caso, 0.3A.

Luego, conecte la batería al cargador y tenga cuidado con la polaridad, en el diseño de mi circuito, el pin positivo está a la derecha de los conectores.

Probé la referencia de 4.2v debajo de VCC, y como pueden ver en las imágenes, es una referencia perfecta de 4.2v.

Cuando comencé a cargar la batería, tenía un voltaje de circuito abierto de 3.1v, muy vacío. Aproximadamente una hora y media después, la batería tenía un voltaje de 4.09v, estaba a punto de entrar en la etapa de voltaje constante.

Una hora y media después, vi que el LED se estaba atenuando, así que verifiqué la corriente a través de la caída de voltaje a través de la resistencia de detección, la corriente era de aproximadamente 24 mA, que es menos del 9% de los 300 mA iniciales. En ese momento la batería estaba completamente cargada.

Este cargador funciona muy bien, lo he probado con esa batería de 600 mAh, una batería DSI de 840 mAh, una pequeña batería de reloj de 200 mAh y una batería de tableta de 4000 mAh. Todos tardaron alrededor de 3 horas en cargarse por completo, el 4Ah tardó un poco más, pero solo porque el cargador está limitado a 1.6A, y eso es una tasa de carga de 0.4C.

Espero que este instructable sea útil para todos los fabricantes que comienzan a usar baterías de iones de litio, ¡buena suerte con todos sus proyectos!

Si no entendió algo o necesita información más detallada, no dude en preguntarme, responderé todo lo que pueda.

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