Bezpieczeństwo procesu ładowania akumulatora litowego zależy od napięcia, prądu, temperatury oraz czasu trwania poszczególnych faz. Co więcej, wartości granicznych nie sposób dobrać według jednej, uniwersalnej zasady, ponieważ zależą one częściowo od wymagań konkretnego modelu. Układ ładowania musi więc realizować właściwy profil CC/CV, prawidłowo rozpoznawać koniec cyklu i reagować na sytuacje awaryjne. Dodatkowe warstwy ochrony zapewnia moduł PCM, a jeżeli to możliwe – także pomiar temperatury za pomocą NTC.
Co zagraża ogniwu podczas ładowania?
Jednym z podstawowych zagrożeń jest nadmierny prąd ładowania. Wartość 1C (np. 1000 mA w przypadku akumulatora o pojemności 1000 mAh) nie stanowi uniwersalnego, bezpiecznego ustawienia, choć w przypadku wielu akumulatorów dokumentacja podaje taką właśnie wartość prądu w trybie szybkiego ładowania (ang. fast charging). Wysokie natężenie prądu zwiększa straty I²R i temperaturę, a w niskiej temperaturze dodatkowo rośnie ryzyko osadzania metalicznego litu na anodzie.
Równie szkodliwe jest przekroczenie dopuszczalnego napięcia ładowania. Po osiągnięciu pełnego naładowania dalsze wymuszanie przepływu prądu nasila reakcje uboczne, utlenianie elektrolitu oraz wydzielanie ciepła i gazów. W skrajnym przypadku może dojść do tzw. ucieczki termicznej, która wiąże się z gwałtownym i niebezpiecznym wzrostem temperatury akumulatora.
Z tego samego powodu należy kontrolować temperaturę ogniwa. Przy niskiej temperaturze otoczenia pogarsza się kinetyka interkalacji jonów i wzrasta ryzyko osadzania metalu na anodzie, co w skrajnych przypadkach grozi powstawaniem wewnętrznych zwarć w strukturze akumulatora. Z kolei w zbyt wysokiej temperaturze szybciej zachodzą reakcje degradacyjne i drastycznie rośnie ryzyko ucieczki termicznej. Dopuszczalny zakres temperatur zależy od zastosowanej chemii i w pewnym stopniu także od charakterystyki konkretnego modelu. Dla przykładu: typowy zakres ładowania wielu ogniw litowych, w tym Li-Po i LiFePO4, rozciąga się od 0°C do +45°C. Nie jest to jednak przedział uniwersalny – niektóre modele ogniw litowo-jonowych dopuszczają ładowanie dopiero od +10°C albo pozwalają na pracę powyżej +45°C.
Dlaczego właśnie CC/CV?
Podstawowy cykl ładowania składa się z dwóch faz, określanych mianem CC (ang. Constant Current) i CV (ang. Constant Voltage). W pierwszej z nich ładowarka utrzymuje ustalony prąd o wartości ICC, czyli zachowuje się jak źródło prądowe. Napięcie ogniwa stopniowo rośnie aż do osiągnięcia wartości UCV (np. 4,2 V w przypadku ogniw Li-Po). W tym momencie dominującą pętlą sterowania staje się regulator napięcia i rozpoczyna się faza CV. Ładowarka utrzymuje napięcie ogniwa na poziomie UCV, a prąd stopniowo maleje, ponieważ wraz ze wzrostem stanu naładowania ogniwo może przyjmować coraz mniejszy prąd – bez ryzyka przekroczenia napięcia granicznego, które to wymuszane jest właśnie przez regulator stałonapięciowy.
Kolejność CC/CV wynika bezpośrednio z wymagań bezpieczeństwa. Rozpoczęcie ładowania z ustawionym „na sztywno” napięciem, ale bez ograniczenia prądu, spowodowałoby przepływ prądu o wartości ustalonej praktycznie tylko przez różnicę napięcia wyjściowego ładowarki i SEM akumulatora oraz sumę aktualnej impedancji ogniwa i toru zasilania. Z kolei kontynuowanie fazy CC po osiągnięciu napięcia granicznego prowadziłoby do przeładowania, gdyż źródło próbowałoby „wymusić” przepływ prądu o natężeniu ICC poprzez zwiększanie napięcia ponad bezpieczny próg.
W praktyce cykl może rozpocząć się od tzw. kwalifikacji akumulatora. Jeżeli jego napięcie znajduje się poniżej progu ładowania wstępnego, czyli akumulator jest relatywnie głęboko rozładowany, uruchamiana jest faza ładowania małym prądem, określana jako preconditioning. Dopiero później rozpoczyna się właściwy cykl CC/CV na zasadach opisanych powyżej.
W niektórych dokumentacjach faza prekondycjonowania jest określana jako trickle charge, nie należy jej jednak mylić z ciągłym ładowaniem podtrzymującym po zakończeniu cyklu (stosowanym np. w zasilaczach awaryjnych). Jeżeli napięcie nie przekroczy wymaganego progu przed upływem czasu precharge, w prawidłowej implementacji ładowanie powinno zostać przerwane i zgłoszone jako błąd.
Kiedy ładowanie naprawdę się kończy?
Jak już wiemy, samo osiągnięcie napięcia końcowego UCV (np. 4,2 V) nie oznacza jeszcze końca cyklu. Typowa ładowarka kończy go dopiero wtedy, gdy – pracując już w fazie CV – wykryje spadek prądu poniżej ustawionego progu Iterm. W popularnych ładowarkach scalonych jest on ustawiony zazwyczaj fabrycznie jako 5%, 7,5%, 10%, czy też 20% wartości prądu ładowania ICC.
Przykładem ładowarki implementującej wszystkie najważniejsze etapy ładowania (prekondycjonowanie, CC oraz CV) jest niezwykle popularny kontroler MCP73831 marki Microchip. Diagram stanów tego układu pokazano na rysunku poniżej, zaczerpniętym z noty katalogowej producenta.
Dodatkowe zabezpieczenie stanowi licznik czasu. Pozwala on przerwać proces, gdy ogniwo zbyt długo nie spełnia kryterium zakończenia. Przyczyną może być między innymi uszkodzone ogniwo, ograniczenie termiczne albo obciążenie urządzenia podłączone bezpośrednio do zacisku BAT.
PCM nie zastępuje ładowarki
W normalnych warunkach układ PCM pozostaje praktycznie przezroczysty dla procesu CC/CV. Jego tranzystory pozostają załączone, a ładowarka samodzielnie steruje napięciem i prądem. Układ PCM interweniuje dopiero po przekroczeniu progów awaryjnych, np. w wyniku krytycznego uszkodzenia ładowarki powodującego wzrost napięcia powyżej UCV.
Opieranie zakończenia cyklu ładowania na zadziałaniu modułu PCM byłoby zatem niedopuszczalnym błędem projektowym. PCM stanowi więc ostatnią warstwę zabezpieczenia, która przy prawidłowo zaprojektowanym podsystemie zasilania, pracującym bez istotnych uszkodzeń, nigdy nie powinna być aktywowana.
Kontrola termiczna
Kolejną warstwę bezpieczeństwa zapewnia termistor NTC umieszczony przy ogniwie lub na płytce drukowanej modułu PCM wbudowanego w akumulator. Sam termistor nie przerywa rzecz jasna ładowania, tak jak ma to miejsce w przypadku wyłączników bimetalicznych – jego rezystancję musi bowiem zinterpretować ładowarka lub mikrokontroler i na podstawie zmierzonej temperatury podjąć decyzję o ograniczeniu prądu bądź całkowitym przerwaniu procesu ładowania.
Warto w tym miejscu dodać, że pomiar temperatury na poziomie struktury ładowarki scalonej nie zastępuje właściwego pomiaru temperatury akumulatora. Jeżeli w nocie katalogowej kontrolera ładowania ogniw litowych znajduje się zapis o zabezpieczeniu termicznym, to należy dokładnie przeczytać, jakiego rodzaju jest to zabezpieczenie. Zadaniem sensora wbudowanego w sam układ scalony jest bowiem zabezpieczenie tegoż układu przed uszkodzeniem w wyniku zbyt wysokiej temperatury struktury oraz – opcjonalnie – sterowanie obwodami kontroli termicznej, umożliwiającymi zmniejszenie prądu wyjściowego stosownie do aktualnej temperatury. Do pracy z termistorem wbudowanym w ogniwo lub podłączonym doń z zewnątrz trzeba natomiast zastosować dedykowany pin ładowarki, oznaczony zwykle jako THERM, NTC lub TS, sprawdzając uprzednio, czy parametry termistora (nominalna rezystancja R25, współczynnik B oraz charakterystyka R(T)) są zgodne z wymaganymi przez dany model ładowarki.
Podsumowanie
Bezpieczny układ ładowania akumulatora litowego powinien kontrolować napięcie, prąd, temperaturę akumulatora oraz czas cyklu ładowania, a wartości graniczne muszą wynikać z dokumentacji zastosowanego akumulatora. Ładowarka realizuje profil CC/CV i decyduje o zakończeniu cyklu, natomiast moduł PCM reaguje na stany awaryjne. Zastosowanie wbudowanego w akumulator lub dołączonego z zewnątrz termistora NTC pozwala dodatkowo zweryfikować, czy temperatura samego ogniwa pozostaje w dopuszczalnym, bezpiecznym zakresie. Dopiero synergiczne współdziałanie wszystkich tych mechanizmów tworzy kompletną architekturę bezpiecznego ładowania.
Sponsorem artykułu jest marka Akyga Battery
Akyga Battery to linia produktowa marki Akyga Components, oferująca praktyczne rozwiązania zasilania dla elektroniki użytkowej i przemysłowej. Baterie pierwotne oraz akumulatory Akyga projektowane są z myślą o stabilnej pracy i niezawodnym dostarczaniu energii w urządzeniach takich jak czujniki, piloty czy sprzęt przenośny. Więcej informacji można znaleźć na stronie: akygabattery.com
