أخبار التكنولوجيا

كيفية شحن بطاريات الليثيوم أيون/ليثيوم بوليمر بشكل صحيح



في الوقت الحاضر يتم استخدام ليثيوم أيون/ليثيوم بوليمر على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية المحمولة التي يتم شحنها بشكل متكرر. تعمل طريقة الشحن الفعالة على زيادة عمر البطارية وتحسين أدائها. لذلك، يجب على مصممي الإلكترونيات أن يكونوا على دراية بإجراءات الشحن المثالية، في تصميم الأجهزة التي تعمل بالبطاريات والمطلوبة لاجتياز المتطلبات الصناعية.

بطاريات ليثيوم أيون

الليثيوم هو أخف المعادن المتاحة. إنه يقدم أكبر إمكانات كهروكيميائية ويوفر أكبر كثافة طاقة بالنسبة لوزنه. الليثيوم غير مستقر بطبيعته، خاصة أثناء الشحن. ولذلك، ركز الباحثون على بطاريات الليثيوم غير المعدنية التي تستخدم أيونات الليثيوم. يوفر أيون الليثيوم كثافة طاقة أقل قليلاً من معدن الليثيوم، ومع ذلك، فإن أيون الليثيوم آمن إذا تم استيفاء احتياطات معينة (أثناء الشحن والتفريغ). كانت شركة سوني هي أول شركة قامت بتسويق بطاريات الليثيوم أيون في عام 1991. وبعد فترة وجيزة، تبعتها الشركات المصنعة الأخرى. ويبين الشكل 1 صورة لبطاريات الليثيوم أيون.

الشكل 1: بطاريات ليثيوم أيون..
الشكل 1: بطاريات ليثيوم أيون

بطاريات ليثيوم بوليمر (ليبو)

الفرق بين بطاريات الليثيوم بوليمر والبطاريات التقليدية هو نوع المنحل بالكهرباء المستخدم. يستخدم تصميم Lipo الأصلي إلكتروليت بوليمر صلب. يعمل هذا المنحل بالكهرباء مثل فيلم بلاستيكي يسمح بتبادل الأيونات ولكنه يمنع الكهرباء. عادة، تعاني بطاريات ليبو من مقاومة داخلية عالية وضعف في التعامل مع انفجارات التيار العالي (على الرغم من أن هذه المشكلة تم حلها في بعض بطاريات ليبو باهظة الثمن عالية السعة)، إلا أنها تحقق تصنيفات أمان أفضل ويمكن تصنيعها في مقاطع منخفضة السمك. وهذا يجعلها مثالية للأجهزة المحمولة الرفيعة مثل الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية. ويبين الشكل 2 بطارية ليبو.

الشكل 2: بطاريات ليثيوم بوليمر (ليبو).
الشكل 2: بطاريات ليثيوم بوليمر (ليبو).

كيفية شحن بطاريات الليثيوم أيون والليثيوم بوليمر

فيما يتعلق بقواعد الشحن، لا تختلف بطاريات الليثيوم أيون والليثيوم بوليمر كثيرًا. ويبين الشكل 3 دورة الشحن الكاملة. تتكون عملية الشحن الكاملة من 3 خطوات: الشحن المسبق, نسخة، و السيرة الذاتية.

الشكل 3: منحنى شحن بطاريات الليثيوم.
الشكل 3: منحنى شحن بطاريات الليثيوم

الشحن المسبق

يشار إلى هذه المرحلة بشرط أن يكون الجهد الأولي لبطارية الليثيوم أقل من 2.8 فولت. كقاعدة عامة، يجب ألا يقل جهد بطارية الليثيوم (من أي نوع) عن 3.2 فولت، وإلا فإن البطارية ميتة وتحتاج إلى “تجديد”. من المحتمل أنك واجهت حالة حيث ظلت البطاريات الخاصة بك غير مستخدمة لفترة طويلة (على سبيل المثال داخل الكاميرا الرقمية الخاصة بك) وانخفضت الفولتية الخاصة بها إلى أقل من 3.2 فولت. لا يمكنك تشغيل الجهاز أو شحن البطاريات بشكل طبيعي.

تعتبر مرحلة ما قبل الشحن مهمة لأنه إذا بدأت عملية الشحن من مرحلة CC وتم تطبيق تيار مرتفع على بطارية فارغة، فإن ذلك سيؤدي إلى تلف البطارية بشكل أكبر ويقصر عمرها الافتراضي. لذلك يجب أن تبدأ عملية شحن البطارية الفارغة بتيار يساوي 10% إلى 20% من السعة المقدرة للبطارية. على سبيل المثال، إذا كانت سعة البطارية الفارغة مُقدرة بـ 2,200 مللي أمبير وكنت تخطط لشحنها بـ 0.5 درجة مئوية (1,100 مللي أمبير)، فيجب عليك ضبط تيار الشحن على 220 مللي أمبير أو حتى أقل لخطوة الشحن المسبق. تنفذ جميع أجهزة الشحن الاحترافية مرحلة ما قبل الشحن. هكذا يمكنك إعادة بطاريتك إلى الحياة!

CC (التيار المستمر)

إذا كان جهد البطارية أعلى من 2.8 فولت (أو وصل إلى هذا المستوى في مرحلة الشحن المسبق)، فيمكن شحنها بتيار ثابت عند حوالي 0.5 درجة مئوية إلى 1 درجة مئوية.

تم ذكر معدل شحن البطارية في ورقة البيانات. عادةً ما تكون القيمة بين 0.5C و1C. تسمح بعض الشركات المصنعة للبطاريات بتيارات شحن أعلى لشحن أسرع، ولكن إذا لم تكن متأكدًا أو لا يمكنك الوصول إلى ورقة البيانات، فاشحن البطارية عند درجة حرارة 0.5 درجة مئوية. على سبيل المثال، إذا تم تصنيف بطاريتك بـ 2200 مللي أمبير، فيجب عليك تحديد تيار الشحن إلى 1100 مللي أمبير.

السيرة الذاتية (الجهد المستمر)

وكما هو واضح في الشكل 3، بعد وصول البطارية إلى 4.20 فولت (أو 4.10 فولت في بعض أنواع البطاريات)، يقل سحب التيار ويدخل منحني الجهد والتيار في مرحلة السيرة الذاتية. يعتبر 4.20 فولت قيمة حرجة ويجب إعداده بدقة لا تقل عن 1% أو أفضل؛ وإلا فإن البطارية سوف تتلف أو تنفجر!

في مرحلة CV يكون الجهد ثابت (4.2V) لكن تدفق التيار يقل حتى يصل إلى 10% من تيار الشحن. على سبيل المثال، إذا بدأت عملية الشحن بتيار 1100 مللي أمبير (0.5 درجة مئوية لبطارية 2200 مللي أمبير)، فيجب عليك التوقف عن الشحن عند عتبة 110 مللي أمبير، مما يشير إلى امتلاء البطارية. تتخطى العديد من أجهزة شحن البطاريات الرخيصة خطوة CV وتقطع التيار عندما يصل جهد البطارية إلى 4.2 فولت، لكن الشاحن الجيد يجب أن يتبع خطوة CV.

كيفية شحن بطاريات الليثيوم

حتى الآن أنت تعرف نظريًا كيفية شحن بطاريات الليثيوم. ولكن كيف ينبغي تنفيذ هذه المفاهيم عمليا؟ لديك خياران: تصميم الشاحن الخاص بك عن طريق مزج وحدة التحكم الدقيقة ومصدر طاقة متغير/خطي أو استخدام شريحة شاحن بطارية ليثيوم مستقلة. سأقوم بتغطية شريحة الشاحن لأنها سهلة البناء والصيانة. علاوة على ذلك، يمكنك تضمين إحدى هذه الرقائق داخل المنتج/لوحة الدائرة الكهربائية الخاصة بك وتشغيل الدائرة من مخرج الشاحن. والخبر السار هو أن سحب التيار العكسي لشرائح الشاحن هذه ضحل ولا يستنزف البطارية.

هناك الكثير من رقائق شاحن خلايا الليثيوم في السوق. أحد الخيارات الجيدة يمكن أن يكون LTC1733. إنه شاحن ليثيوم خطي مستقل ذو خلية واحدة. يمكن أن يوفر تيار شحن يصل إلى 1.5 أمبير كحد أقصى. كما أنها توفر دقة بنسبة 1% لجهد الشحن. يوضح الشكل 4 الرسم التخطيطي الأساسي الذي يمكّن LT1733 من بعض المكونات الخارجية.

الشكل 4: رسم تخطيطي لشاحن بطارية أحادي الخلية/1 أمبير باستخدام LTC1733.
الشكل 4: رسم تخطيطي لشاحن بطارية أحادي الخلية/1 أمبير باستخدام LTC1733

من خلال تعديل المقاوم المنسدل لدبوس PROG، يمكنك ضبط تيار الشحن المطلوب. يمكن حساب قيمة المقاوم بالصيغة التالية (المعادلة 1):

يوضح الشكل 5 تيار الشحن مقابل جهد البطارية. مع مقاومة PROG المحسوبة (1.5K)، يكون تيار الشحن لمرحلة CC حوالي 1A. تسمى مرحلة ما قبل الشحن “الشحن الهزيل” وهي حوالي 100 مللي أمبير (إذا كان جهد البطارية أقل من 2.5 فولت).

الشكل 5: تيار الشحن مقابل جهد البطارية (تيار الشحن = 1A).
الشكل 5: تيار الشحن مقابل جهد البطارية (تيار الشحن = 1A)

ظهرت المقالة كيفية شحن بطاريات الليثيوم أيون/الليثيوم بوليمر بشكل صحيح لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *