Schutzschaltung Lithium-Ionen-Akkus

Ich entwerfe in meinem Projekt einen Lithium-Ionen-Akku, bin aber in Bezug auf bestimmte Aspekte der Schutzschaltung von Lithium-Ionen-Akkus etwas verwirrt. Ich kenne die verschiedenen Phasen des Ladens eines Li-Ion und Sie müssen einen haben Lithium-Ladegerät-IC, um das Laden sicher für Sie durchzuführen. Wenn ich es richtig verstehe, müssen Sie die Batterie vor Überladung, Tiefentladung und Überstrom (Kurzschluss) schützen.

Der von mir ausgewählte Li-Ion-Akku (einzelne Zelle, 1200 mAh) hat eine eigene Schutzschaltung, aber die Abschaltspannung liegt bei etwa 2,4 V bis 2,7 V und die Überladespannung bei etwa 4,2/4,3 V. Meine Verwirrung liegt bei diesen 2,4 V bis 2,7 V. Ich habe verstanden, dass Sie Li-Ion nicht unter 3,0 V entladen lassen sollten. Mein Batterielieferant und eine andere Quelle, die ich gefunden habe, sagen, dass es besser ist, die Batterieschutzschaltung nicht zu aktivieren, und sie schlugen vor, dass ich auch eine "zusätzliche / zweite" Schutzschaltung auf meiner Leiterplatte mit einer höheren Spannung wie 3,0 V bauen sollte, damit diese Schaltung schaltet der Last zuerst anstelle des Schutzes der Batterie.

Ich kann dies in keiner anderen Quelle bestätigen, was mir für einen so wichtigen Aspekt seltsam erscheint, wenn es richtig wäre. Meine Frage ist also im Grunde, was die richtige Designpraxis ist und wie dies oft gemacht wird. Ich weiß, dass Seiko bei Über-/Unterspannungsschutz-ICs ziemlich groß ist, aber ich kann mir auch Schaltungen mit Supervisoren oder Operationsverstärkern vorstellen.

Eine andere Frage, die ich habe, bezieht sich auf einen NTC-Thermistor für Li_ion-Batterien. (weißer oder gelber Draht in vielen Batterien oder Packs) Wie wichtig ist das? Wann sollte ich dies in mein Design aufnehmen? Weil ich manchmal Lade-ICs mit und ohne Anschluss für einen Thermistor sehe.

Antworten (4)

A1. Der eingebaute Schutz für Lithium-Ionen-Zellen sollte als „Notfallschutz“ betrachtet werden – er sollte nicht als normaler Zyklus-V & A-Schutz verwendet werden. Bei einem „sicheren“ Batteriedesign sollte V&A-Schutz „immer“ in Ihrem Design enthalten sein.

A2. Ein Thermistor-geschütztes Batteriesystem ist sinnvoll. Manchmal entladen/laden Li-Ion-Zellen nicht mit der gleichen Rate und verursachen ein Ungleichgewicht in der Reihen-/Parallelkonfiguration größerer Ah-Batterien. Ein Thermistor kann verwendet werden, um einen Überhitzungszustand zu erkennen, einen Brand zu verhindern, die Entlade-/Laderate(n) zu verlangsamen oder einen Entlade-/Ladefehler in einem intelligenten Batteriesystem anzuzeigen. Ich halte es für sehr wichtig in einem sicheren Batteriesystem, aber es wird oft übersehen oder ignoriert, wenn Li-Ionen-Zellen vom ICR-Typ verwendet werden. Wenn Sie ein sicheres Batteriepaket herstellen möchten, schlage ich vor, dass Sie immer einen Thermistor und eine unterstützende Schaltung einbeziehen - lassen Sie nicht zu, dass die unvollständigen / schäbigen Designs anderer Ihre Designentscheidungen beeinflussen.

A1: klare Antwort. Danke schön! A2: Ich habe keine Multicell-Konfiguration. Ich habe eine Beutelzelle und meinen Ladekreis abgesichert, daher glaube ich nicht, dass der Strom wirklich ansteigt und die Batterie sehr stark aufwärmt. Das Laden bei höheren Umgebungstemperaturen muss ich aber noch testen.
Pouch-Zellen sind in der Regel Li-Ionen-Polymerzellen. Wenn Ihre Sicherung die richtige Größe und den richtigen Typ hat, könnte sie Ihre Zelle/n vor übermäßiger Entladung schützen, aber das Hitze-/Entlüftungs-/Auspuff-/Feuerproblem bei wiederaufladbaren Zellen ist immer ein Risiko, denn wenn einige von ihnen anfangen, schlecht zu werden ( und einige von ihnen werden DEFINITIV schlecht werden), entladen/laden sich nicht richtig. Sie können sogar durch normale Entlade-/Ladeströme ernsthaft überhitzen. Ich habe kürzlich eine Zelle mit einer langsamen Laderate (0,5 A) aufgeladen, die nach der Hälfte des Ladevorgangs so weit überhitzt war, dass eine thermische Schaltungsabschaltung ausgelöst wurde.
Ohne Schutz kann diese Zelle giftiges Gas abgegeben haben, möglicherweise explodiert sein und möglicherweise auch Feuer gefangen haben. Meistens werden Sie auf eine solche Situation nicht stoßen – aber wenn es passiert, werden Sie sehr froh sein, dass Sie Schutzschaltkreise haben, um damit fertig zu werden.

Klare Frage :-)

Wie tief willst du gehen? Ich denke, die 2,4 - 2,7 V-Grenze dient eher dem Schutz vor Tiefentladung als alles andere. Tiefentladung ist schlecht für Batterien auf Lithiumbasis, sie verkürzt ihre Lebensdauer. Allerdings würde ich auch noch eine zusätzliche "Batterie leer"-Erkennung einbauen. Wenn Sie bereits einen Mikrocontroller mit einem ADC in Ihrer Anwendung haben, können Sie diesen verwenden, um die Batteriespannung zu erkennen und beispielsweise bei etwa 3,7 V zu warnen und unter 3,5 V herunterzufahren. Dann sollte der Schutz der Batterie niemals aktiviert werden, was gut ist.

Bezüglich des NTC zur Temperaturüberwachung: Ich denke, das wird nur benötigt, wenn Sie den Akku schnellladen. Damit meine ich das Laden mit einem großen Strom, so dass der Akku in 1 - 2 Stunden von leer geladen ist. Falls der Akku die Ladung nicht aufnehmen kann, erwärmt er sich schnell, das möchten Sie erkennen. Wenn Sie nur langsam aufladen (es dauert 5 Stunden oder länger zwischen leer und vollständig aufgeladen), kann der Akku immer noch warm werden, aber nicht so sehr, dass dies ein Problem darstellen könnte. Es ist also keine Temperaturerfassung erforderlich.

Alle Li+-Akkus, mit denen ich gearbeitet habe, sollten einen Ladezyklus nur zwischen 0 °C und +40 °C einleiten und den Ladezyklus zwischen 0 °C und +45 °C fortsetzen. Ich würde sagen, das ist der Hauptgrund für den Thermistor (obwohl schnelles Laden definitiv die Zellentemperatur beeinflusst).
Ich stimme zu, obwohl Sie 0 ° C bis +40 ° C auch mit einem Sensor an anderer Stelle abdecken könnten, muss es nicht an der Batterie selbst sein, wie dies für das Schnellladen erforderlich wäre.
Danke für deine Antwort! Aber wäre es nicht unmöglich, das Schalten der Batterie mit der CPU zu steuern, die von der Batterie gespeist wird? Ich bevorzuge eine Art Hardware-Schaltung, das funktioniert auch in Fällen, in denen die CPU blockiert. Hm ok, also kann es für mehrere Zwecke verwendet werden. Die Erfassung der Umgebungstemperatur ist jedoch nur beim Start sinnvoll, da sonst das Laden des Akkus die Messung beeinflussen würde. Dann wäre es sinnvoller, den an einem anderen Ort als die Batterie zu platzieren.
Ja, richtig und deshalb muss der Batterieschalter tatsächlich von einem dedizierten Chip gesteuert werden und ist normalerweise in die Batterie selbst integriert (wenn sie vom Benutzer austauschbar ist). Es geht nicht so sehr darum, dass Sie eine genaue Temperaturmessung benötigen, sondern dass Sie eine Möglichkeit brauchen, um zu erkennen, wenn etwas schief geht.

Die erste Frage wurde bereits gut beantwortet. Den eingebauten Schutz zu wiederholen, ist ein Notfallschutz, um zu verhindern, dass Dinge knallen. Dies sind Notfallgrenzen, die Sie im normalen Betrieb nicht erreichen sollten. Wird die Batterie bis zu diesen Grenzwerten betrieben, verringert sich ihre Kapazität und Lebensdauer.

Auf die zweite Frage sehe ich keine richtige Antwort. Es ist nicht für Multizellen-Setups oder nur zum Schnellladen geeignet. Der Temperatursensor ist da, weil das Laden eines Li-Ion-Akkus unter 0 °C oder über 40 °C seine Lebensdauer und Kapazität erheblich reduziert. Der Temperatursensor ermöglicht das Abschalten des Ladegeräts, wenn diese Grenzwerte erreicht werden, um Schäden an der Batterie zu vermeiden. 40 °C klingt heiß, aber denken Sie daran, dass der Lade-IC Wärme erzeugt und sich oft in der Nähe der Batterie befindet.

  • Je höher die Spannung, auf die Sie aufladen, und je öfter Sie dies tun, desto mehr Schaden nehmen Sie der Batterie zu (Verringerung der Dauerkapazität und Lebensdauer) und desto mehr quellende Beutel und prismatische (flache) Zellen entstehen.
  • Ein zu starkes Entladen der Batterie führt auch zu dauerhaften Schäden, die als "Auflösung" bezeichnet werden, wodurch Elektrodenmaterialien voneinander getrennt werden, was ebenfalls zu dauerhaften Schäden an der Leistung der Batterie führt.
  • Beides kann zu Sicherheitsproblemen führen. Selbst das Laden von 0-3 mV über die vom Hersteller empfohlenen Grenzwerte kann sich im Laufe der Zeit erheblich auf die Batterie auswirken. Ich kenne das aus Erfahrung.