Uporaba litij-ionskih akumulatorjev v lastnih aplikacijah (1)

Predstavili in zgradili bomo naslednje module:

• Zaščitno vezje za 1 litij-ionsko celico z zaščito pred previsoko (OVP) in prenizko (UVP) napetostjo ter pred previsokim tokom (OCP).
• USB polnilec, ki pri polnjenju z (ustrezno tokovno zmogljivega) USB vmesnika omogoča polnilne tokove do 1 ampera. Polnilec je izjemno enostaven, a žal gre odvečna energija v toploto (linearni regulator).
• MPPT solarni polnilec, ki omogoča priklop fotovoltaičnega panela z napetostjo med 6 in 32 VDC in direktno omogoča CC/CV polnilni režim. Namesto fotovoltaičnega panela lahko priklopimo tudi poljuben drug vir energije (12 V vtičnica v avtomobilu, 24 V vtičnica v tovornjaku …).
  Buck-boost napajalni sklop, ki zagotavlja izhodno napetost 2,5 – 9 V. Vezje ima izjemno nizko lastno porabo pri aktivnem izhodu (ranga 40 µA) in omogoča tudi izklop pri določeni napetosti (UVP).

Nekaj o litijevih akumulatorjih

Akumulatorji na osnovi litija zagotavljajo visoko specifično energijo (100 – 265 Wh/kg) energijsko gostoto (250 – 693 Wh/l). Razvoj litijevih akumulatorjev se je začel že v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, vendar je šele v devetdesetih letih prišlo do prvih primernih komercialnih izdelkov (Sony 1991), v res splošno uporabo pa so litijevi akumulatorji vstopili v tem tisočletju.

Znotraj pojma »litijev akumulator« se pravzaprav skriva več različnih kombinacij pozitivne in negativne elektrode. Za pozitivno elektrodo se tako običajno uporabljajo LiNixMnyCozO2 (NMC), LiMn2O4 (NMO), LiFePO4, LiCoO2, LiNiCoAlO2, za negativno elektrodo pa grafit, Li4Ti5O12 (LTO), karbon, grafen itd. Kombinacij je ogromno, tipov celic ravno tako, se pa v potrošniški elektroniki najpogosteje skrivajo »klasične« litij-ionske celice na osnovi LiCoO2 in grafita.

Kot najbolj standardni tip celic se je udomačila celica velikosti 18650, pri čemer prvi dve številki označujeta njen premer (18 mm) in druge 3 njeno dolžino (65,0 mm). Obstajajo tudi druge velikosti, ki pri cilindričnih celicah običajno sledi standardnem označevanju (premer/dolžina), pri prizmatičnih (pravokotnih) celicah pa ni nekih standardov in so običajno dimenzije različne od proizvajalca do proizvajalca.

Omejitve pri uporabi

Prekomerno praznjenje

Praktično vse celice na osnovi litija so zelo občutljive na prekomerno praznjenje pod določeno (napetostno) mejo, kar jim nepovratno skrajšuje življenjsko dobo ali celo uniči celico (celica gre v kratek stik ali stanje odprtih sponk). V našem vezju moramo tako zagotoviti, da spodnja napetost celice pri uporabi naprave (ali v mirovanju) ne bo nižja kot je dovoljena. Ta se nekoliko razlikuje med posameznimi tipi celic, ampak na splošno lahko rečemo, da je za litij-ionski akumulator varna meja med 2,5 in 3,0 V. Nižjo mejo lahko uporabimo tam, kjer imamo višje tokovne sunke, vpliva pa tudi na življenjsko dobo celic: nižja napetost krajša življenjsko dobo celic. Tako v naših aplikacijah celicam ne dovolimo globokega praznjenja in jih tudi (če aplikacija tega ne zahteva) ne praznimo do konca, temveč polnimo takoj, ko je to mogoče.

Prekomerno polnjenje

Še večjo nevarnost predstavlja polnjenje celice nad dovoljeno mejo, ki lahko v skrajnem primeru povzroči tudi samovžig ali vsaj napihovanje celice (oz. izpust elektrolita). Tudi v tem primeru je zgornja napetostna meja odvisna od tipa (kemije) celic. Z znižanjem zgornje napetostne limite lahko drastično podaljšamo življenjsko dobo akumulatorja na račun nekoliko nižje kapacitete. V primeru litij-ionskih celic, ki jih sicer (lahko) polnimo na napetost 4,20 V, znižanje polnilne napetosti na 4,05 V povzroči cca. 12 % izgubo kapacitete, a poveča število ciklov za faktor 3-4. (Celico smatramo za »slabo«, ko realna kapaciteta pade pod 80 % začetne.)

Temperaturno območje

Dodatna omejitev, ki se jo moramo zavedati (tudi) pri uporabi litijevih celic, je temperaturno območje, kjer lahko celico uporabljamo. Z nižanjem temperature narašča notranja upornost celic, kar v praksi pomeni slabšo tokovno zmogljivost, večje izgube in nižjo razpoložljivo kapaciteto. V spodnjem grafu lahko vidimo graf napetosti in razpoložljive kapacitete 13 Ah Kokam litij-polimer celic pri temperaturah med -10 in 55 ˚C. Vidimo, da pri nižjih temperaturah drastično pade tako kapaciteta kot napetost celice (zaradi višje notranje upornosti), glej sliko 1.

Pri litijevih akumulatorjih je zelo problematično polnjenje, kjer nikakor ne smemo celic polniti pod točko zmrzišča. Takrat pride do nalaganja litijevih oblog na anodi, kar trajno poškoduje celico (zmanjša kapaciteto) in česar tudi z nadaljnjimi cikli ni mogoče popraviti. Nekatere raziskave navajajo, da je polnjenje pod točko zmrzišča sicer mogoče, ampak le pri zelo nizkih polnilnih tokovih (0,02 C za polnjenje pri -20 ˚C, kar pomeni čas polnjenja 50 ur).

Zaporedna vezava več celic
Dodatno skrb predstavlja nadzor celic takrat, ko imamo več celic (lahko tudi paketov vzporedno vezanih celic) v zaporedni vezavi, da dosežemo višjo napetost paketa. Takrat moramo nadzirati napetost vsake posamezne celice posebej, saj vse celice nikoli niso identične, ter prekiniti praznjenje in polnjenje takrat, ko prva od celic v paketu doseže kritično mejo. Če bi gledali samo skupno napetost paketa (več zaporedno vezanih celic), bi lahko namreč celica z najnižjo kapaciteto že presegla kritično mejo, napetost samega paketa pa bi bila takrat še vedno v sprejemljivih mejah. Pri zaporedno vezanih celicah se razlike čez večje število ciklov le še večajo, zato je potrebno celice med seboj izenačevati – balansirati, kar običajno storimo tako, da pri polnjenju celice z najvišjo napetostjo praznimo preko upora (pasivno balansiranje). Večina namenskih čipov za nadzor večjega števila zaporedno vezanih celic (npr. BQ7694002, MAX14920, LTC6803, LTC6804 …) ima že predvidene direktne izhode za krmiljenje MOSFET tranzistorjev, s katerimi vklapljamo balansirne upore za posamezne celice.

Osnovno zaščitno vezje za baterijo

Osnovna zaščita mora zagotavljati vsaj zaščito pred previsoko in prenizko napetostjo na celici ter zaščito pred previsokim tokom. Dodatno je zaželeno, da nadziramo tudi temperaturo in preprečimo polnjenje pri prenizkih temperaturah (običajno pod 5 ˚C). Če imamo v našem vezju ustrezno zmogljiv mikrokontroler, lahko večino ali vse te funkcije realiziramo že z njim, pa vendar se običajno zaradi varnosti in neodvisnosti od samega procesorja odločamo za ločeno zaščitno vezje. Tovrstne zaščitne čipe imajo v svojem portfelju praktično vsi proizvajalci čipov in se razlikujejo po karakteristikah in funkcijah. Večina čipov je namenjena eni celici, seveda pa obstaja tudi mnogo različic za 2, 3 in več zaporedno vezanih celic.

Naprednejše različice zaščitnih čipov lahko preko podatkovnega vmesnika komunicirajo tudi z glavnim procesorjem in lahko npr. sporočajo napetosti celic, stanje napolnjenosti (SOC), tok in podobno, določeni parametri zaščit pa so lahko programabilni.

Enostavnejša zaščitna vezja so namenjena samostojni uporabi (torej brez spremljajočega mikrokontrolerja) in običajno so zaščitne limite definirane s podtipom samega čipa. Ponavadi omogočajo direkten priklop dveh NFET tranzistorjev, ki služita kot »stikali« med baterijo in bremenom/polnilcem.

Primer enostavne zaščite za eno celico

V tem članku si bomo pogledali zgradbo enostavnega zaščitnega vezja za 1 celico, ki ga bomo zgradili na osnovi TI-jevega BQ297xx zaščitnega čipa. Ta čip je na voljo v več različicah, odvisno od želenih zaščitnih parametrov (spodnja napetostna meja, zgodnja napetostna meja itd.). Omogoča direkten priklop dveh NFET tranzistorjev, pri čemer eden služi kot stikalo za »praznjenje« (DSG) in drugi kot stikalo za »polnjenje« (CHG). Preko merjenja padca napetosti na tranzistorjih lahko čip grobo oceni tudi tok in tako deluje tudi kot zaščita pred previsokim tokom (OC) brez potrebe po dodatnem shunt uporu v merilni veji.

Čip kot tak je precej majhen (DSO ohišje) in ima 6 pinov (5 aktivnih). Vezava je tako preprosta, da praktično ne zahteva dodatne razlage. Baterijska celica je priklopljena na VSS (-) in BAT (+). Pozitivna veja je neprekinjena, negativno pa prekinemo z dvema N-FET tranzistorjema, ki ju krmilita Dout in Cout izhoda. V- pin je namenjen detekciji toka preko padca napetosti na N-FET tranzistorjih.

V primeru, da je vse v redu, sta oba tranzistorja odprta in prevajata.
V primeru previsoke napetosti se CHG tranzistor zapre in prepreči nadaljnje polnjenje. DSG tranzistor v tem primeru ostane odprt in tako je mogoče paket vseeno prazniti (ne pa polniti) preko DSG tranzistorja in zaščitne diode v CHG tranzistorju.

Podobna, a obratna situacija, se zgodi pri prenizki napetosti: DSG tranzistor se zapre, CHG pa ostane odprt. Polnjenje je tako mogoče preko CHG tranzistor in zaščitno diodo v DSG tranzistorju, praznjenje pa je onemogočeno.
Zato je nujno, da moramo za tranzistorje izbrati takšne z vgrajeno zaščitno diodo. Za tranzistorje izberimo takšne N-FET tranzistorje, da imajo čim nižjo notranjo upornost (= izgube in gretje) in Vgs največ 2,5 V, še raje manj (da se zanesljivo in hitro odpre).

Pri prvem priklop baterije na vezje je izhod odklopljen. Aktiviramo ga tako, da ročno naredimo kratek stik med negativnim polom baterije (pin VSS) in izhodom (pin V-). V ta namen lahko na naše vezje predvidimo tudi tipko letvico, res pa je, da tega postopka razen po prvem priklopu baterije načeloma ne bomo več potrebovali ponavljati.

Še par besed o spajkanju takšnega miniaturnega čipa, ki je po vrhu vsega še brez nogic (žal gredo v to smer praktično vsi novejši čipi). Poleg običajnega spajkalnika potrebujemo še vroč zrak, fluks (priporočam Ersa No-clean flux) pinceto in mikroskop (ali res dobro oko) – pa seveda mirno roko!

• 

  Takšnih čipov se lotimo najprej – še preden se okrog njega na tiskanini nahajajo drugi elementi, ki bi motili že tako kočljivo operacijo.

• Pospajkamo vse pade tako, da je na njih nekaj (ne preveč) spajke in je ta enakomerno razporejen (da ni na enem padu bistveno več spajke kot na drugih). To najenostavneje storimo tako, da čip primemo s pinceto, ga obrnemo okoli in pospajkamo (glej sliko 4).
• Na tiskanino na mesto čipa nanesemo fluks.
• Preverimo pravilno orientacijo čipa ter ga s pinceto namestimo čim bolj točno na pozicijo(glej sliko 5).
• Vroči zrak nastavimo na srednjo temperaturo (nekje 250 – 300 ˚C) in moč pihanja na najnižjo stopnjo.
• S pomočjo vročega zraka zaspajkamo čip. Teoretično bi se, če se čipu približamo povsem navpično in pravokotno nanj, čip ne smel premakniti iz pozicije. Praksa seveda pravi drugače, saj se običajno z vročim zrakom nikoli ne približamo tako natančno. Posledično čip premakne z mesta in ga v najslabšem primeru odpihne neznano kam. Zato sam običajno, medtem ko z desno roko držim ročko za vroči zrak, z levico s pinceto čip držim na njegovi lokaciji. Ko spajka steče, kapilarne sile čip lepo »primejo« in ga potegnejo na svoje mesto, tudi če je bil v začetku nekaj desetink milimetra netočno postavljen(glej sliko 6).
• Pod mikroskopom, lupo ali makro-kamero preverimo, ali je čip točno postavljen in ali so vsi padi lepo zaliti. To se najlepše vidi, če tiskanino gledamo nekje pod kotom 45 stopinj(glej sliko 7).
• Očistimo ostanke fluksa z izopropilnim alkoholom. Čiščenje pri določenih fluksih (no clean) sicer ni strogo zahtevano, a je priporočljivo. Pri »normalnih« fluksih pa je čiščenje obvezno, saj lahko fluks deluje kot (sicer slab) prevodnik in posledično se naše vezje lahko odziva nepričakovano. To je še posebej izrazito pri sklopih, kjer imamo elemente z višjimi upornostmi in ojačanji.

Ta točka je zgolj opcijska, a precej običajna. Preizkusimo vezje, ki seveda ne deluje … Ugotovimo, da smo čip obrnili narobe 🙂 … Ponovimo korake 1 – 8 …

Vir in slikovno gradivo
Wikipedia, BatteryUniversity, TI, avtor