4 circuits de chargeur de batterie Li-Ion simples - Utilisation de LM317, NE555, LM324

Le post suivant explique quatre moyens simples mais sûrs de charger une batterie Li-ion à l'aide de circuits intégrés ordinaires tels que LM317 et NE555 qui peuvent être facilement construits à la maison par tout nouvel amateur.

Bien que les batteries Li-Ion soient des appareils vulnérables, elles peuvent être chargées via des circuits plus simples si le taux de charge ne provoque pas de réchauffement significatif de la batterie, et si l'utilisateur ne craint pas un léger retard dans la période de charge de la cellule.

Pour les utilisateurs qui souhaitent une charge rapide de la batterie, ne doivent pas utiliser les concepts expliqués ci-dessous, ils peuvent utiliser l'un de ceux-ci. conceptions intelligentes professionnelles .

Faits de base sur la charge Li-Ion

Avant d'apprendre les procédures de construction d'un chargeur Li-Ion, il serait important pour nous de connaître les paramètres de base concernés par la charge de la batterie Li-Ion.

Contrairement à la batterie au plomb-acide, une batterie Li-Ion peut être chargée à des courants initiaux considérablement élevés, pouvant atteindre la cote Ah de la batterie elle-même. Cela s'appelle une charge à un taux de 1C, où C est la valeur Ah de la batterie.

Cela dit, il n'est jamais conseillé d'utiliser ce taux extrême, car cela signifierait charger la batterie dans des conditions très stressantes en raison de l'augmentation de sa température. Un taux de 0,5 C est donc considéré comme une valeur standard recommandée.

0,5C signifie un taux de courant de charge qui correspond à 50% de la valeur Ah de la batterie. Dans des conditions estivales tropicales, même ce taux peut se transformer en un taux défavorable pour la batterie en raison de la température ambiante élevée existante.

La charge d'une batterie Li-Ion nécessite-t-elle des considérations complexes?

Absolument pas. C'est en fait une forme de batterie extrêmement conviviale, et sera chargée avec un minimum de considérations, bien que ces considérations minimales soient essentielles et doivent être suivies sans faute.

Quelques considérations critiques mais faciles à mettre en œuvre sont: coupure automatique au niveau de charge complète, tension constante et alimentation d'entrée de courant constant.

L'explication suivante aidera à mieux comprendre cela.

Le graphique suivant suggère la procédure de charge idéale d'une cellule Li-Ion de 3,7 V standard, évaluée à 4,2 V comme niveau de charge complète.

Étape 1 : Au stade initial n ° 1, nous voyons que la tension de la batterie passe de 0,25 V à 4,0 V en environ une heure à un taux de charge à courant constant de 1 ampère. Ceci est indiqué par la ligne BLEUE. Le 0,25 V est uniquement à titre indicatif, une cellule réelle de 3,7 V ne doit jamais être déchargée en dessous de 3 V.

Étape # 2: À l'étape 2, la charge entre dans le état de charge de saturation , où la tension atteint le niveau de charge maximale de 4,2 V et la consommation de courant commence à chuter. Cette baisse du taux actuel se poursuit pendant les prochaines heures. Le courant de charge est indiqué par la ligne pointillée ROUGE.

Étape # 3 : Lorsque le courant baisse, il atteint son niveau le plus bas qui est inférieur à 3% de la valeur Ah de la cellule.

Une fois que cela se produit, l'alimentation d'entrée est désactivée et la cellule peut se stabiliser pendant encore 1 heure.

Après une heure, la tension de la cellule indique le réel État de charge ou SoC de la cellule. Le SoC d'une cellule ou d'une batterie est le niveau de charge optimal qu'elle a atteint après un cours de charge complète, et ce niveau indique le niveau réel qui peut être utilisé pour une application donnée.

À cet état, nous pouvons dire que l'état de la cellule est prêt à être utilisé.

Étape # 4 : Dans les situations où la cellule n'est pas utilisée pendant de longues périodes, une charge d'appoint est appliquée de temps en temps, dans laquelle le courant consommé par la cellule est inférieur à 3% de sa valeur Ah.

Rappelez-vous, bien que le graphique montre que la cellule est chargée même après avoir atteint 4,2 V, c'est strictement déconseillé lors du chargement pratique d'une cellule Li-Ion . L'alimentation doit être automatiquement coupée dès que la cellule atteint le niveau 4,2 V.

Alors, que suggère fondamentalement le graphique?

1. Utilisez une alimentation d'entrée qui a un courant et une tension de sortie fixes, comme indiqué ci-dessus. (En général, cela peut être = tension 14% plus élevée que la valeur imprimée, courant 50% de la valeur Ah, un courant inférieur à celui-ci fonctionnera également bien, bien que le temps de charge augmente proportionnellement)
2. Le chargeur doit avoir une coupure automatique au niveau de charge complète recommandé.
3. La gestion ou le contrôle de la température de la batterie peut ne pas être nécessaire si le courant d'entrée est limité à une valeur qui ne provoque pas de réchauffement de la batterie

Si vous n'avez pas de coupure automatique, limitez simplement l'entrée de tension constante à 4,1 V.

1) Chargeur Li-Ion le plus simple utilisant un seul MOSFET

Si vous recherchez un circuit de chargeur Li-Ion le moins cher et le plus simple, il ne peut y avoir de meilleure option que celle-ci.

Cette conception est sans régulation de température, donc un courant d'entrée plus faible est recommandé

Un seul MOSFET, un préréglage ou un trimmer et une résistance de 470 ohms 1/4 watt sont tout ce dont vous auriez besoin pour créer un circuit de chargeur simple et sûr.

Avant de connecter la sortie à une cellule Li-Ion, assurez-vous de quelques points.

1) Etant donné que la conception ci-dessus n'intègre pas de régulation de température, le courant d'entrée doit être limité à un niveau qui ne provoque pas d'échauffement significatif de la cellule.

2) Ajustez le préréglage pour obtenir exactement 4,1 V sur les bornes de charge où la cellule est censée être connectée. Un excellent moyen de résoudre ce problème est de connecter une diode Zener précise à la place du préréglage et de remplacer le 470 ohms par une résistance de 1 K.

Pour le courant, généralement une entrée de courant constant d'environ 0,5 ° C serait juste, soit 50% de la valeur mAh de la cellule.

Ajout d'un contrôleur actuel

Si la source d'entrée n'est pas contrôlée en courant, dans ce cas, nous pouvons rapidement mettre à niveau le circuit ci-dessus avec un simple étage de contrôle de courant BJT comme indiqué ci-dessous:

RX = 07 / Courant de charge maximum

Avantage de la batterie Li-Ion

Le principal avantage des cellules Li-Ion est leur capacité à accepter une charge à un rythme rapide et efficace. Cependant, les cellules Li-Ion ont la mauvaise réputation d'être trop sensibles aux entrées défavorables telles que la haute tension, le courant élevé et, surtout, les conditions de charge.

Lorsqu'elle est chargée dans l'une des conditions ci-dessus, la cellule peut devenir trop chaude, et si les conditions persistent, peut entraîner une fuite du fluide de la cellule ou même une explosion, endommageant finalement la cellule de manière permanente.

Dans des conditions de charge défavorables, la première chose qui arrive à la cellule est l'élévation de sa température, et dans le concept de circuit proposé, nous utilisons cette caractéristique de l'appareil pour mettre en œuvre les opérations de sécurité requises, où la cellule n'est jamais autorisée à atteindre des températures élevées en maintenant les paramètres bien en dessous des spécifications requises de la cellule.

2) Utilisation du LM317 comme contrôleur IC

Dans ce blog, nous avons rencontré de nombreux circuits de chargeur de batterie utilisant les IC LM317 et LM338 qui sont les dispositifs les plus polyvalents et les plus appropriés pour les opérations décrites.

Ici aussi, nous utilisons l'IC LM317, bien que cet appareil ne soit utilisé que pour générer la tension et le courant régulés requis pour la cellule Li-Ion connectée.

La fonction de détection proprement dite est assurée par le couple de transistors NPN qui sont positionnés de telle sorte qu'ils viennent en contact physique avec la cellule sous charge.

En regardant le schéma de circuit donné, nous obtenons trois types de protections simultanément:

Lorsque l'alimentation est appliquée à l'installation, l'IC 317 restreint et génère une sortie égale à 3,9 V à la batterie Li-ion connectée.

1. Le Résistance de 640 ohms s'assure que cette tension ne dépasse jamais la limite de charge complète.
2. Deux transistors NPN connectés en mode Darlington standard à la broche ADJ de l'IC contrôlent la température de la cellule.
3. Ces transistors fonctionnent également comme limiteur de courant , évitant une situation de surintensité pour la cellule Li-Ion.

Nous savons que si la broche ADJ de l'IC 317 est mise à la terre, la situation coupe complètement la tension de sortie de celui-ci.

Cela signifie que si les transistors conduisent, cela provoquerait un court-circuit de la broche ADJ à la masse, provoquant la coupure de la sortie vers la batterie.

Avec la fonction ci-dessus en main, la paire Darlingtom remplit ici quelques fonctions de sécurité intéressantes.

La résistance de 0,8 connectée sur sa base et sa masse limite le courant maximum à environ 500 mA, si le courant a tendance à dépasser cette limite, la tension aux bornes de la résistance de 0,8 ohm devient suffisante pour activer les transistors qui `` étouffe '' la sortie du circuit intégré , et empêche toute nouvelle montée du courant. Cela permet à son tour d'empêcher la batterie de recevoir des quantités de courant indésirables.

Utilisation de la détection de température comme paramètre

Cependant, la principale fonction de sécurité assurée par les transistors est de détecter la montée en température de la batterie Li-Ion.

Les transistors comme tous les dispositifs à semi-conducteurs ont tendance à conduire le courant plus proportionnellement à l'augmentation de la température ambiante ou de leur corps.

Comme discuté, ces transistors doivent être positionnés en contact physique étroit avec la batterie.

Supposons maintenant que dans le cas où la température de la cellule commence à augmenter, les transistors répondraient à cela et commenceraient à conduire, la conduction ferait instantanément la broche ADJ du circuit intégré plus soumise au potentiel de masse, entraînant une diminution de la tension de sortie.

Avec une diminution de la tension de charge, l'augmentation de température de la batterie Li-Ion connectée diminuerait également. Le résultat est une charge contrôlée de la cellule, garantissant que la cellule ne se retrouve jamais dans une situation de fuite et maintient un profil de charge sûr.

Le circuit ci-dessus fonctionne avec le principe de compensation de température, mais il n'intègre pas de fonction de coupure de surcharge automatique, et par conséquent, la tension de charge maximale est fixée à 4,1 V.

Sans compensation de température

Si vous voulez éviter les tracas du contrôle de la température, vous pouvez simplement ignorer la paire Darlington de BC547 et utiliser un seul BC547 à la place.

Désormais, cela fonctionnera uniquement comme une alimentation contrôlée en courant / tension pour la cellule Li-Ion. Voici la conception modifiée requise.

Le transformateur peut être un transformateur 0-6 / 9 / 12V

Puisque, ici, le contrôle de la température n'est pas utilisé, assurez-vous que la valeur Rc est correctement dimensionnée pour un taux de 0,5 C. Pour cela, vous pouvez utiliser la formule suivante:

Rc = 0,7 / 50% de la valeur Ah

Supposons que la valeur Ah soit imprimée comme 2800 mAh. Ensuite, la formule ci-dessus pourrait être résolue comme suit:

Rc = 0.7 / 1400 mA = 0.7 / 1.4 = 0.5 Ohms

La puissance sera de 0,7 x 1,4 = 0,98, ou simplement 1 watt.

De même, assurez-vous que le préréglage 4k7 est réglé à 4,1 V exact sur les bornes de sortie.

Une fois les réglages ci-dessus effectués, vous pouvez charger la batterie Li-Ion prévue en toute sécurité, sans vous soucier d'une situation fâcheuse.

Depuis, à 4,1 V, nous ne pouvons pas supposer que la batterie est complètement chargée.

Pour contrer l'inconvénient ci-dessus, une fonction de coupure automatique devient plus favorable que le concept ci-dessus.

J'ai discuté de nombreux circuits de chargeur automatique d'amplis op dans ce blog, n'importe lequel d'entre eux peut être appliqué pour la conception proposée, mais comme nous sommes intéressés à garder la conception bon marché et facile, une idée alternative qui est montrée ci-dessous peut être essayée.

Utilisation d'un SCR pour la coupure

Si vous êtes intéressé par une coupure automatique uniquement, sans surveillance de la température, vous pouvez essayer la conception basée sur SCR expliquée ci-dessous. Le SCR est utilisé à travers l'ADJ et la masse du CI pour une opération de verrouillage. La porte est gréée avec la sortie de telle sorte que lorsque le potentiel atteint environ 4,2 V, le SCR se déclenche et se verrouille, coupant l'alimentation de la batterie en permanence.

Le seuil peut être ajusté de la manière suivante:

Initialement, gardez le préréglage 1K ajusté au niveau du sol (extrême droite), appliquez une source de tension externe de 4,3 V aux bornes de sortie.
Ajustez maintenant lentement le préréglage jusqu'à ce que le SCR se déclenche (LED allumée).

Ceci définit le circuit pour l'action d'arrêt automatique.

Comment configurer le circuit ci-dessus

Dans un premier temps, gardez le bras coulissant central du préréglage en contact avec le rail de masse du circuit.

Maintenant, sans connecter l'alimentation ON de l'interrupteur de batterie, vérifiez la tension de sortie qui indiquerait naturellement le niveau de charge complet tel que défini par la résistance de 700 ohms.

Ensuite, ajustez très habilement et doucement le préréglage jusqu'à ce que le SCR se déclenche juste en coupant la tension de sortie à zéro.

Voilà, maintenant vous pouvez supposer que le circuit est prêt.

Connectez une batterie déchargée, mettez sous tension et vérifiez la réponse, vraisemblablement le SCR ne se déclenchera pas tant que le seuil défini ne sera pas atteint et se coupera dès que la batterie atteindra le seuil de charge complète défini.

3) Circuit de chargeur de batterie Li-Ion utilisant IC 555

La deuxième conception simple explique un circuit de chargeur de batterie Li-Ion automatique simple mais précis utilisant l'omniprésent IC 555.

La charge de la batterie Li-ion peut être critique

Une batterie Li-ion, comme nous le savons tous, doit être chargée dans des conditions contrôlées, si elle est chargée avec des moyens ordinaires, cela pourrait endommager ou même exploser la batterie.

Fondamentalement, les batteries Li-ion n'aiment pas trop charger leurs cellules. Une fois que les cellules atteignent le seuil supérieur, la tension de charge doit être coupée.

Le circuit de chargeur de batterie Li-Ion suivant suit très efficacement les conditions ci-dessus de sorte que la batterie connectée ne peut jamais dépasser sa limite de surcharge.

Lorsque l'IC 555 est utilisé comme comparateur, ses broches n ° 2 et n ° 6 deviennent des entrées de détection efficaces pour détecter les limites de seuil de tension inférieure et supérieure en fonction du réglage des préréglages pertinents.

La broche n ° 2 surveille le niveau de seuil de tension basse et déclenche la sortie sur une logique haute au cas où le niveau descend en dessous de la limite définie.

Inversement, la broche n ° 6 surveille le seuil de tension supérieur et ramène la sortie au niveau bas lors de la détection d'un niveau de tension supérieur à la limite de détection haute définie.

Fondamentalement, les actions de coupure supérieure et de mise en marche inférieure doivent être définies à l'aide des préréglages correspondants satisfaisant aux spécifications standard du circuit intégré ainsi que de la batterie connectée.

Le préréglage concernant la broche # 2 doit être réglé de telle sorte que la limite inférieure corresponde à 1/3 du Vcc, et de même le préréglage associé à la broche # 6 doit être réglé de telle sorte que la limite de coupure supérieure corresponde à 2/3 de Vcc, comme selon les règles standard de l'IC 555.

Comment ça fonctionne

Le fonctionnement complet du circuit de chargeur Li-Ion proposé utilisant IC 555 se déroule comme expliqué dans la discussion suivante:

Supposons qu'une batterie li-ion complètement déchargée (à environ 3,4 V) est connectée à la sortie du circuit illustré ci-dessous.

En supposant que le seuil inférieur soit réglé quelque part au-dessus du niveau de 3,4 V, la broche n ° 2 détecte immédiatement la situation de basse tension et tire la sortie vers le haut sur la broche n ° 3.

Le haut à la broche n ° 3 active le transistor qui met sous tension la puissance d'entrée de la batterie connectée.

La batterie commence maintenant progressivement à se charger.

Dès que la batterie atteint la pleine charge (à 4,2 V), en supposant que le seuil de coupure supérieur à la broche n ° 6 soit réglé à environ 4,2 V, le niveau est détecté à la broche n ° 6 qui ramène immédiatement la sortie au niveau bas.

La sortie basse coupe instantanément le transistor, ce qui signifie que l'entrée de charge est maintenant inhibée ou coupée vers la batterie.

L'inclusion d'un étage à transistor offre également la possibilité de charger des cellules Li-Ion à courant plus élevé.

Le transformateur doit être sélectionné avec une tension ne dépassant pas 6 V et un courant nominal de 1/5 de la batterie AH.

Schéma

Si vous pensez que la conception ci-dessus est beaucoup plus complexe, vous pouvez essayer la conception suivante qui semble beaucoup plus simple:

Comment configurer le circuit

Connectez une batterie complètement chargée aux points indiqués et ajustez le préréglage de telle sorte que le relais se désactive simplement de la position N / C à N / O .... faites cela sans connecter une entrée CC de charge au circuit.

Une fois que cela est fait, vous pouvez supposer que le circuit est configuré et utilisable pour une coupure automatique de l'alimentation de la batterie lorsqu'elle est complètement chargée.

Pendant la charge réelle, assurez-vous que le courant d'entrée de charge est toujours inférieur à la cote AH de la batterie, ce qui signifie que si la batterie AH est de 900 mAH, l'entrée ne doit pas être supérieure à 500 mA.

La batterie doit être retirée dès que le relais s'éteint pour éviter l'autodécharge de la batterie via le préréglage 1K.

IC1 = IC555

Toutes les résistances sont de 1/4 watt CFR

Brochage IC 555

Conclusion

Bien que les conceptions présentées ci-dessus soient toutes techniquement correctes et exécuteront les tâches conformément aux spécifications proposées, elles apparaissent en fait comme une surpuissance.

Un moyen simple mais efficace et sûr de charger une cellule Li-Ion est expliqué dans ce post , et ce circuit peut être applicable à toutes les formes de batteries car il prend parfaitement en charge deux paramètres cruciaux: la coupure automatique à courant constant et à pleine charge. Une tension constante est supposée être disponible à partir de la source de charge.

4) Chargement de nombreuses batteries Li-Ion

L'article explique un circuit simple qui peut être utilisé pour charger au moins 25 nsa de cellules Li-Ion en parallèle ensemble rapidement, à partir d'une seule source de tension telle qu'une batterie 12V ou un panneau solaire 12V.

L'idée a été demandée par l'un des fervents adeptes de ce blog, écoutons-le:

Chargement de plusieurs batteries Li-ion ensemble

Pouvez-vous m'aider à concevoir un circuit pour charger 25 batteries Li-on (3,7 V à 800 mA chacune) en même temps. Ma source d'alimentation provient d'une batterie 12v-50AH. Faites-moi également savoir combien d'ampères de la batterie 12v seraient tirés avec cette configuration par heure ... merci d'avance.

La conception

En ce qui concerne la charge, les cellules Li-ion nécessitent des paramètres plus stricts que les batteries au plomb-acide.

Cela devient particulièrement crucial car les cellules Li-ion ont tendance à générer une quantité considérable de chaleur au cours du processus de charge, et si cette génération de chaleur dépasse le contrôle, cela peut entraîner de graves dommages à la cellule ou même une éventuelle explosion.

Cependant, une bonne chose à propos des cellules Li-ion est qu'elles peuvent être chargées initialement à un taux de 1C complet, contrairement aux batteries au plomb-acide qui ne permettent pas un taux de charge supérieur à C / 5.

L'avantage ci-dessus permet aux cellules Li-ion de se charger à une vitesse 10 fois plus rapide que la contrepartie au plomb-acide.

Comme indiqué ci-dessus, puisque la gestion de la chaleur devient la question cruciale, si ce paramètre est correctement contrôlé, le reste des choses devient assez simple.

Cela signifie que nous pouvons charger les cellules Li-ion à plein débit 1C sans être dérangé par quoi que ce soit tant que nous avons quelque chose qui surveille la génération de chaleur de ces cellules et initie les mesures correctives nécessaires.

J'ai essayé de mettre en œuvre cela en attachant un circuit de détection de chaleur séparé qui surveille la chaleur des cellules et régule le courant de charge au cas où la chaleur commencerait à s'écarter des niveaux de sécurité.

Le contrôle de la température à un taux de 1 ° C est crucial

Le premier schéma de circuit ci-dessous montre un circuit de capteur de température précis utilisant l'IC LM324. Trois de ses opamps ont été utilisés ici.

La diode D1 est une 1N4148 qui joue ici effectivement le rôle de capteur de température. La tension aux bornes de cette diode chute de 2 mV à chaque augmentation de température.

Ce changement de tension aux bornes de D1 invite A2 à changer sa logique de sortie, qui à son tour initie A3 à augmenter progressivement sa tension de sortie en conséquence.

La sortie de A3 est connectée à une LED optocoupleur. Selon le réglage de P1, la sortie A4 a tendance à augmenter en réponse à la chaleur de la cellule, jusqu'à ce que finalement la LED connectée s'allume et que le transistor interne de l'opto se conduise.

Lorsque cela se produit, le transistor opto fournit le 12V au circuit LM338 pour initier les actions correctives nécessaires.

Le deuxième circuit montre une alimentation régulée simple utilisant l'IC LM338. Le pot 2k2 est ajusté pour produire exactement 4,5 V à travers les cellules Li-ion connectées.

Le circuit IC741 précédent est un circuit de coupure de surcharge qui surveille la charge sur les cellules et déconnecte l'alimentation lorsqu'elle atteint au-dessus de 4,2 V.

Le BC547 à gauche près de l'ICLM338 est introduit pour appliquer les actions correctives appropriées lorsque les cellules commencent à chauffer.

Dans le cas où les cellules commencent à devenir trop chaudes, l'alimentation du coupleur optique du capteur de température frappe le transistor LM338 (BC547), le transistor conduit et coupe instantanément la sortie LM338 jusqu'à ce que la température redescende à des niveaux normaux, ce processus se poursuit jusqu'à ce que le les cellules sont complètement chargées lorsque l'IC 741 s'active et déconnecte les cellules de manière permanente de la source.

Au total, 25 cellules peuvent être connectées à ce circuit en parallèle, chaque ligne positive doit intégrer une diode séparée et une résistance de 5 Ohm 1 watt pour une répartition égale de la charge.

L'ensemble de la cellule doit être fixé sur une plate-forme commune en aluminium afin que la chaleur soit dissipée uniformément sur la plaque d'aluminium.

D1 doit être collé de manière appropriée sur cette plaque d'aluminium afin que la chaleur dissipée soit détectée de manière optimale par le capteur D1.

Circuit de contrôleur et chargeur de cellules Li-Ion automatique.

Conclusion

• Les critères de base qui doivent être maintenus pour toute batterie sont: la charge à des températures convenables et la coupure de l'alimentation dès qu'elle atteint la pleine charge. C'est la chose de base que vous devez suivre quel que soit le type de batterie. Vous pouvez le surveiller manuellement ou le rendre automatique, dans les deux cas, votre batterie se chargera en toute sécurité et aura une durée de vie plus longue.
• Le courant de charge / décharge est responsable de la température de la batterie, si celles-ci sont trop élevées par rapport à la température ambiante, votre batterie en souffrira fortement sur le long terme.
• Le deuxième facteur important est de ne jamais permettre à la batterie de se décharger fortement. Continuez à restaurer le niveau de charge complet ou continuez à le recharger autant que possible. Cela garantira que la batterie n'atteindra jamais ses niveaux de décharge inférieurs.
• Si vous avez du mal à surveiller cela manuellement, vous pouvez opter pour un circuit automatique comme décrit sur cette page .

Avez-vous d'autres doutes? Veuillez les laisser passer par la zone de commentaires ci-dessous