Útmutató az akkumulátor gyorstöltéséhez – 1. rész

Amíg a nagyobb akkumulátorkapacitás növeli a készülék élettartamát, a töltési idő alacsonyan tartása további kihívások elé állítja a tervezőket. A gyorstöltés az eszközök széles skáláján alkalmazható, beleértve a fogyasztói, orvosi és ipari alkalmazásokat. Ez a kétrészes sorozat áttekintést nyújt az akkumulátorok gyorstöltési képességeinek megvalósításával kapcsolatos kihívásokról. Az 1. rész a töltő és a töltöttségmérő felosztását tárgyalja a hoszt és az akkumulátorcsomag között – a rendszer rugalmasságának növelése, a teljesítményleadás minimalizálása és az általános felhasználói élmény javítása érdekében –, valamint a biztonságos töltést és kisütést biztosító felügyeleti funkciókat. A 2. rész a párhuzamos akkumulátorokkal működő gyorstöltő rendszer megvalósítását vizsgálja.

A mobileszközök korában az akkumulátor élettartama az egyik legfontosabb felhasználói élményt befolyásoló tényező. Bár fontos az energiatakarékos technológia alkalmazása az eszközökben, de ez csak egyik meghatározója a megoldásnak. Tekintettel a mobileszközök növekvő képességeire és az egyre nagyobb energiaigényre, az eredeti berendezésgyártók (OEM-ek) emelik az akkumulátor élettartamát a kapacitásának jelentős növelésével együtt.
Egyre népszerűbbek például az olyan architektúrák, mint az 1S2P (1 cella sorosan, 2 cella párhuzamosan), amelyek két cellát használnak párhuzamosan a teljes kapacitás növelése érdekében. A nagyobb akkumulátorkapacitás hátránya a töltési idő növekedése. A töltési idő minimalizálása érdekében az akkumulátortechnológia fejlődése révén a töltési áram 2 C-ról 3 C-ra vagy 6 C-ra emelkedik (xC az akkumulátor névleges amperóráján egy óra alatt áthaladó áram x-szerese). Például egy 2000 mAh-s cella akár 12 A töltőáramot is felhasználhat anélkül, hogy ez negatívan befolyásolná az akkumulátor megbízhatóságát.
A nagy áram különleges gondosságot igényel a biztonságos töltés és kisütés biztosítása érdekében. A cellák párhuzamos használatakor a fejlesztőknek az impedancia és a kezdeti kapacitás eltéréseire is ügyelniük kell. Cikksorozatunk első részében áttekintjük az akkumulátorok gyorstöltési képességeinek megvalósításával kapcsolatos kihívásokat mindenféle típusú eszköz esetében, beleértve a fogyasztói, orvosi és ipari alkalmazásokat is.
Azt is megvizsgáljuk, hogyan lehet az akkumulátorokat nagy teljesítményű 1S2P elrendezésben tölteni, valamint azt, hogyan lehet a töltőt és az üzemanyagmérőt a hoszt és az akkumulátorcsomag között felosztani a rendszer rugalmasságának növelése, az energiaelosztás minimalizálása, továbbá az általános felhasználói élmény javítása érdekében.

Az akkumulátortöltő alapjai – miért fontos a töltöttségmérő elválasztása

Az akkumulátortöltő rendszer kulcsfontosságú elemei maga a töltő és a töltöttségmérő, amely olyan mérőszámokat jelez, mint az akkumulátor töltöttségi állapota (SOC), az üres töltésig eltelt idő, illetve a töltöttségi szintig eltelt idő. Az töltöttségmérő megvalósítható a hosztoldalon vagy az akkumulátorcsomagban (lásd az 1. ábrát).

1. ábra Az akkumulátor töltöttségmérője megvalósítható a hosztoldalon vagy az akkumulátorcsomagban

 
Ha a töltöttségmérő az akkumulátorcsomagba van beépítve, akkor az információk tárolásához nem-felejtő (nonvolatile) memóriára van szükség. A tápútvonalon lévő MOSFET-ek figyelik a töltési/kisütési áramokat, és védelmet nyújtanak a veszélyes állapotok ellen. Egy olyan eszköz, mint az Analog Devices MAX17330, egy akkumulátoros üzemanyagmérő beépített védelmi áramkörrel és akkumulátortöltő képességekkel (lásd a 2. ábrát).

2. ábra Egy MOSFET-szabályozással ellátott töltöttségmérő műszer blokkdiagramja

 
A töltő MOSFET finom granularitással szabályozható, hogy lineáris töltőt valósítson meg, amely önálló eszközként használható, ha a töltőforrás 5 V-ra van korlátozva, és a töltési áram 500 mA tartományban van. Mivel a lítiumakkumulátor töltése a töltési görbe 99%-ánál meghaladja a 3,6 V-ot, a teljesítményleadás korlátozott.

3. ábra A nagyfeszültségű/nagyáramú gyorstöltő rendszer blokkdiagramja

 
A nagyfeszültségű töltőforrás és a nagy töltőáram a töltő elé helyezett, a kimeneti feszültséget befolyásoló step-down konverterrel szabályozható (lásd a 3. ábrát). Ez szintén minimalizálja a feszültségesést, és ezáltal csökkenti a töltő MOSFET-en fellépő veszteségét (lásd a 4. ábrát).

4. ábra Step-down konverter használata a kimeneti feszültség szabályozására, hogy 10 A töltőáramot lehessen elérni nagy haté­konysággal. Az ábrán a MAX20743 step-down konverter látható V_IN = 12 V-os értékkel

 
A töltöttségmérő beépítése az akkumulátorba lehetővé teszi, hogy az akkumulátor intelligenssé váljon, ami fejlett töltési változatokat és képességeket tesz lehetővé. A töltöttségmérő például az akkumulátorcsomagban lévő cellának megfelelő töltési profilt tárolhatja a nem-felejtő memóriájában. Ez azzal a további előnnyel jár, hogy a töltést leveszi a hoszt mikrovezérlő egységéről. Mostantól a töltő MCU-nak csak az akkumulátorcsomagból érkező ALRT jelet kell kezelnie, hogy a kapott riasztás típusának megfelelően növelje/csökkentse a step-down konverter kimeneti feszültségét.

CP: hőhatár → csökkenti a feszültséget.
CT: MOSFET hőmérséklethatár → csökkenti a feszültséget.
Feszültségesés: → növeli a feszültséget.

A CP egy olyan jelző, amely akkor kerül beállításra, ha a védelmi MOSFET-ekben folyó áram veszélyeztetheti a hőelvezetést. A CT egy olyan jelző, amely akkor áll be, ha a MOSFET hőmérséklete túl magas. A hőhatár és a MOSFET-határérték beállításai az nChgCfg1 regiszterkészlet segítségével konfigurálhatók.
A MAX20743-hoz hasonló programozható step-down konverter a PMBus^® segítségével lehetővé teszi a kimeneti áram finom szabályozását. A step-down konverterbe integrált MOSFET-ek akár 10 A töltési áramerősséget is támogatnak. Ezen túlmenően, mivel a PMBus az I2C-t használja fizikai rétegként, egyetlen I2C busz használható a step-down konverter és a töltöttségmérő kezelésére is.
Az alábbi példa egyetlen 3,6 V-os lítiumcella töltésének módját mutatja be. Az 5. ábra a töltőrendszerben a feszültségek és az áramok időtartománybeli alakját mutatja. Konkrétan a grafikon az akkumulátor feszültségét, az akkumulátor áramát és a buck konverter kimeneti feszültségét mutatja.

5. ábra Egycellás gyorstöltés egy 3,6 V-os lítiumcellához

 
Amint látható, a step-down konverter kimenete (VPCK) 50 mV-ra van beállítva az akkumulátor feszültsége felett. Ezt a kimeneti feszültséget folyamatosan növeljük a feszültségesés (dropout) elkerülése, valamint a teljes teljesítményleadás minimalizálása érdekében.

Az akkumulátor biztonsági menedzsmentje

A gyorstöltéssel járó nagy áramok miatt az OEM-nek képesnek kell lennie garantálni a biztonságos töltést. Ezért egy intelligens gyorstöltőnek az átfogó akkumulátorkezelés részeként több fontos paramétert kell felügyelnie. Például az akkumulátor-hőmérséklet és a környezeti/helyiség-hőmérséklet nyomon követésével a gyorstöltő meg tudja határozni, hogy mikor kell csökkenteni a töltőáramot és/vagy a zárófeszültséget a biztonság garantálása és az akkumulátor élettartamának növelése érdekében, a cellagyártó előírásainak és ajánlásainak megfelelően.
A feszültség és az áram a hőmérséklet függvényében beállítható, hogy megfeleljen a hatzónás JEITA hőmérsékleti beállításoknak (lásd a 6. ábrát), valamint az akkumulátor feszültségén alapuló háromzónás lépcsős töltésnek.

6. ábra Hatzónás JEITA hőmérséklet-tartományok

 
Az akkumulátor élettartama tovább javítható egy olyan lépcsős töltési profillal, amely az akkumulátor feszültségének megfelelően változtatja a töltési áramot. A 7. ábra egy olyan lépcsős töltési profilt mutat, amely három töltési feszültséget és három megfelelő töltési áramot használ. A szakaszok közötti átmenetet egy állapotgépen keresztül lehet kezelni (lásd szintén a 7. ábrát).

7. ábra Lépcsős töltési profil a szakaszok közötti átmenetet kezelő állapotgépekkel

 
Fontos figyelembe venni, hogy az áram, a feszültség és a hőmérséklet összefügg egymással (lásd az 1. és 2. táblázatot).

1. táblázat Töltési áram lépcsőzetes töltés és JEITA esetén

2. táblázat Töltési feszültség lépcsőzetes töltéssel és JEITA-val

Párhuzamos töltés

Több cella párhuzamos töltése további kezelést igényel. A töltőnek például meg kell akadályoznia a kereszttöltést, ha a két akkumulátor feszültsége 400 mV-nál nagyobb mértékben tér el egymástól. A kereszttöltés csak akkor tolerálható korlátozott ideig, ha a legalacsonyabb cellatöltés túl alacsony a rendszer terhelhetőségéhez (lásd a 3. táblázatot és a 8. ábrát).

3. táblázat A FET logika kezelése

8. ábra A kereszttöltés megakadályozása érdekében a magasabb feszültségű akkumulátor kisütése blokkolva van, ha az akkumulátor ΔV > 400 mV

 A cikksorozat 2. részében egy párhuzamos akkumulátorokkal működő gyorstöltő rendszer megvalósítását vizsgáljuk meg értékelő készletek és egy Raspberry Pi lap segítségével.

Következtetés

A töltési és töltöttségmérő funkciók áthelyezése a hoszt oldaláról az akkumulátorcsomagra lehetővé teszi az egyes akkumulátorok egyedi vezérlését 1S2P konfigurációban. Ahelyett, hogy a töltés teljes körű irányításához hoszt MCU-ra lenne szükség, az intelligens töltő maga is képes a saját kimenetét az optimális töltési profilnak megfelelően kezelni. Mivel a hoszt oldalán a menedzselés a töltöttségmérő által generált ALRT-jelek kezelésére korlátozódik, a rendszerek könnyen alkalmazkodhatnak a különböző akkumulátorcsomagokhoz.
Az intelligens töltő szükség esetén blokkolni tudja a töltést és a kisütést is, hogy megakadályozza a kereszttöltést. Ez a megközelítés növeli egy tipikus gyorstöltő rendszer rugalmasságát, ahol az akkumulátorok közötti eltéréseket nem veszik figyelembe. A tervezés és a teljes töltési folyamat egyszerűsítése mellett az OEM-gyártók minimalizálhatják az energiaveszteséget, és az alkalmazások széles skáláján biztosíthatják a biztonságos töltést és kisütést, miközben a gyorsabb akkumulátortöltéssel javítják
a felhasználói élményt.

A szerzőkről

Franco Contadini több mint 35 éves tapasztalattal rendelkezik az elektronikai iparban. Tíz évnyi lap- és ASIC-tervezés után ipari, távközlési és orvosi ügyfeleket támogató alkalmazástechnikai mérnök lett, aki az energia- és akkumulátorkezelésre, jelláncokra, kriptográfiai rendszerekre és mikrokontrollerekre összpontosít. Franco számos alkalmazási jegyzet és cikk szerzője a jelláncokról és a tápellátásról. Elektronikai tanulmányait a genovai ITIS-en végezte.
Alessandro Leonardi a milánói Analog Devices ügyfélmenedzsere. Elektronikai mérnöki tanulmányokat folytatott, és a Politecnico di Milanóban szerzett alap- és mesterdiplomát. A diploma megszerzése után az ADI-nál a felhasználói alkalmazások gyakornoki programjában vett részt.

Szerzők: Franco Contadini – alkalmazástechnikai mérnök, Analog Devices
Alessandro Leonardi – ügyfélmenedzser, Analog Devices

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

 Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com