Szybkie ładowanie baterii akumulatorowych o dużej pojemności

Poniedziałek, 16 kwietnia 2007 | Technika

Dominującym źródłem zasilania współczesnych przenośnych urządzeń elektronicznych stały się akumulatory litowo-jonowe i litowo-polimerowe. Ich duża popularność wynika największej wagowej i objętościowej gęstości ładunku. Zaletą tych ogniw jest także stosunkowo wysokie napięcie nominalne (3,6V do 3,7V). Jeżeli tylko aplikacja nie wymaga bardzo dużego natężenia prądu rozładowania i ładowania (na przykład zasilanie elektronarzędzi), wybór akumulatora litowego do urządzenie konsumenckiego jest oczywisty. Ostatnie udoskonalenia technologii tych ogniw skupiają się w dwóch dziedzinach, podwyższeniu napięcia pracy i zwiększeniu pojemności. Gdy w urządzeniach codziennego użytku zbiega się rosnąca liczba funkcji, a pobór prądu z akumulatorów rośnie, od obu tych parametrów zależą możliwości spełniania rosnących wymagań systemów i przedłużenia czasu ich działania.

Szybkie ładowanie baterii akumulatorowych o dużej pojemności

Postępy w technologii ogniw w ostatnich latach umożliwiają przeciętnie 10% roczny wzrost pojemności pakietu akumulatorowego tego samego rozmiaru. W tym samym czasie wchodzą do użytku pakiety o większej pojemności i umożliwiają przedłużenie czasu działania tysięcy nowych bardzo skomplikowanych urządzeń przenośnych. Zwiększenie ilości energii dostępnej w systemie jest korzystne dla konsumenta, przedłuża bowiem czas użytkowania urządzenia. Przy tradycyjnym sposobie ładowania oznacza to jednak przedłużenie czasu ładowania akumulatora, co jest z punktu widzenia konsumenta niekorzystne. Warto się zastanowić, jaka jest przyczyna tego ograniczenia.

Rys. 1. Typowy profil ładowania ogniwa Li-jonowego.

Szybkość ładowania i rozładowywania akumulatora jest zwykle odnoszona do miary jego pojemności C. Na przykład akumulator o pojemności 1000mAh teoretycznie zostanie naładowany prądem 1C (1000mA) w ciągu 1 godziny. Według większości producentów akumulatorów typową bezpieczną szybkością ładowania jest 0,7C do 1,2C w fazie ładowania szybkiego. Faza ta, to okres ładowania, gdy napięcie ogniwa jest dostatecznie duże (zwykle wyższe od 2,8V do 3,0V), aby znieść duże natężenie prądu ładowania (rys. 1). Gdy napięcie ogniwa jest niższe od tzw. poziomu przygotowawczego, dla bezpiecznego uzupełnienia ładunku w głęboko rozładowanym ogniwie jest wymagane ułamkowe natężenie prądu ładowania (zwykle 0,1C). A zatem teoretycznie, gdy tylko napięcie ogniwa osiągnie około 3V, prąd ładowania można zwiększyć do 0,7C-1,2C, żeby ładowanie ukończyć w możliwie najkrótszym czasie. W praktyce osiągnięcie takiej „optymalizacji” nastręcza wiele trudności, i – jak zostanie opisane dalej – wykonanie tego zdania będzie wymagało radykalnych zmian w tradycyjnym obwodzie ładowania.

W większości współczesnych aplikacji, w których korzysta się z pojedynczego ogniwa Li-jon lub Li-polimer, preferowanym sposobem ładowania jest ładowanie liniowe. Podobnie do liniowych stabilizatorów napięcia DC-DC, za pomocą liniowej ładowarki akumulatorów dokonuje się tego w łatwy sposób. Ładowarka taka wymaga minimalnej liczby elementów zewnętrznych, a ze względu na proste działanie ładowanie jest łatwe. W przypadku pakietów akumulatorowych o pojemności 800mAh lub większej, szeroko obecnie stosowanych w ręcznych urządzeniach konsumenckich, liniowe ładowarki nie są w stanie sprostać wymaganiom szybkiego ładowania, zgodnie z oczekiwaniami użytkowników i projektantów.

Jedną z wad liniowych ładowarek ze scalonymi zasilaczami jest wydzielanie zbyt dużej ilości ciepła w trakcie ładowania. Dzieje się tak głównie wtedy, gdy ładowarka przejdzie od fazy ładowania wstępnego do fazy ładowania szybkiego. W tym czasie tranzystor szeregowy typu P musi rozpraszać maksymalną moc, co jest spowodowane występowaniem na nim wtedy dużego spadku napięcia (rys. 1). Pierwsze ładowarki liniowe dla ochrony przed przegrzaniem w czasie normalnej pracy musiały być wyposażane w radiatory.

Rys. 2. Typowa liniowa ładowarka akumulatora z zewnętrznym FET-em.

Większość liniowych ładowarek drugiej generacji jest zaopatrywana w obwody automatycznego ograniczania prądu. Funkcja ta pozwala układowi scalonemu ładowarki dostarczać do akumulatora możliwie największego natężenia prądu, o ile tylko temperatura złącza utrzymuje się poniżej maksymalnego dopuszczalnego poziomu. Funkcja ta jest bardzo ważna dla projektanta, ponieważ nie musi on wtedy dostosowywać projektu do warunków najbardziej niekorzystnych. Układ scalony automatycznie bowiem zmniejsza prąd ładowania w zależności od temperatury złącza, eliminując możliwość jej niekontrolowanego wzrostu.

Takie ograniczenie liniowego ładowania jest możliwe dwoma sposobami. W pierwszym można użyć liniowego układu ładującego z zewnętrznym tranzystorem mocy (rys. 2). Przy takim rozwiązaniu ciepło nie jest wydzielane w układzie scalonym tylko w zewnętrznym FET. Istnieje wiele FET-ów mocy, pozwalających zrównoważyć koszt, maksymalne natężenie prądu i własności termiczne. Wadami tego sposobu są wydzielanie takiej samej ilości ciepła w ładowarce, a także zwiększona liczba potrzebnych elementów (rezystor czujnikowy, FET mocy, dioda blokująca itd.) oraz mniejsza niezawodność ze względu na zwiększenie liczby elementów i większa powierzchnia płytki drukowanej. Idealnym sposobem będzie radykalne zmniejszenie wydzielanego ciepła. Jest to możliwe w drugi sposób, przez zastosowaniu zasilania impulsowego, którego sprawność jest wysoka, i umożliwia znaczne zwiększenie prądu ładowania przy zachowaniu niskiej temperatury złącza.

Zdolność do szybkiego ładowania nowych pakietów akumulatorowych o dużej pojemności z szybkością około 1C pozwala na przedłużenie czasu działania systemu przy krótkim czasie ładowania akumulatora. Jak pokazano w Tabeli, rozpraszanie ciepła i wydajność prądowa ładowarek impulsowych wykazują ich znaczną przewagę nad ładowarkami liniowymi.

Tabela 1. Wydzielanie mocy i maksymalne natężenie prądu ładowania standardowego pakietu akumulatorów
Ładowarka	Nominalny prąd ładowania	Rzeczywisty prąd ładowania	Wydzielana moc przy 500mA	Wydzielana moc przy 800mA
Impulsowa	800 do 2000mA	800 do 2000mA	0,19W	0,31W
Liniowa z termoregulacją	500 do 1000mA	300 do 400mA	0,63W	0,63W
Liniowa bez termoregulacji	500 do 1000mA	500 do 1000mA	1,10W	1,76W
Założenia: napięcie wejściowe 5,5V, napięcie akumulatora 3,3V, temp. otoczenia 65°C, maks. temp. złącza 105°C

Korzyści ze zmniejszenia wydzielania ciepła to nie tylko większy prąd i krótszy czas. Trzeba do nich doliczyć eliminację „gorącego punktu” w urządzeniu. Koncentracja ciepła w jednym miejscu może użytkownikowi sprawiać kłopoty, ponieważ może mu się wydawać, że urządzenie elektroniczne źle funkcjonuje, albo co gorsza, że zagraża jego zdrowiu. Zatem w najlepszym interesie wytwórcy jest eliminacja z urządzenia takich „gorących punktów” przez zapewnienie mu możliwie najlepszej sprawności energetycznej. Obniżenie temperatury w obudowie urządzenia zwiększy także jego niezawodność.

Rys. 3. Typowa impulsowa ładowarka akumulatora, zasilana z zasilacza naściennego.

Dodatkową zaletą zaprezentowanego przykładowo scalonego układu ładowarki SMB135 jest fakt, że maksymalne natężenie prądu ładowanie przewyższa maksymalne natężenie jego prądu wejściowego. Jest to możliwe dzięki właściwości obniżającego stabilizatora impulsowego o wyjściowym napięciu niższym od napięcia wejściowego. Takie rozwiązanie umożliwia z kolei obniżenie mocy pobieranej z sieci przez zasilacz naścienny, a zatem oszczędność mocy transformatora i elementów filtrujących prostownika.

Przenośne urządzenia elektroniczne nieustannie zyskują nowe możliwości i lepsze parametry. Popularność wszelkich nowych gadżetów jest w wysokim stopniu uzależniona od ich malejących rozmiarów i poprawy łatwości użycia, zapewniających użytkownikowi wygodę i zadowolenie. Trend ten zwiększa nacisk na producentów akumulatorków i projektantów systemów do poprawy funkcjonalności i polepszanie parametrów użytkowych urządzeń, co zwiększa ich zapotrzebowanie energetyczne i czas użytkowania pomiędzy kolejnymi ładowaniami akumulatora. Potrzeby te z kolei wymagają zwiększania pojemności pakietów akumulatorowych i skracania czasu ich ładowania. Ograniczenia konwencjonalnych metod ładowania nie pozwalają na bezpieczne i szybkie ładowanie bez niezbyt korzystnych kompromisów. Nowoczesne ładowarki impulsowe natomiast nie tylko umożliwiają pełne i bezpieczne wykorzystywanie parametrów akumulatorów, ale zapewniają równocześnie zwiększenie niezawodności systemu i zmniejszenie kosztów jego eksploatacji.

Krzysztof Pochwalski