Batteriopladerbeskyttelsesfunktioner

Uanset om du bruger en batterioplader til din bil, eller du bruger et batteri til andre formål, er det vigtigt at forstå, hvordan du beskytter dit batteri. Dette inkluderer at erkende, hvad der forårsager en overladning, hvordan man undgår en termisk løbsk og meget mere.

Overstrømsbeskyttelse er en vigtig del af alle elektriske kredsløb. Det beskytter udstyr mod strømoverbelastninger og jordfejl.

Ud over at yde beskyttelse kan overstrømsenheder også bruges til at diagnosticere en overopladningssituation. Afbrydere, sikringer og smelteforbindelser er de mest almindelige overstrømsbeskyttelsesanordninger. Disse enheder er forbundet i serie med det kredsløb, de beskytter.

Sikringer og afbrydere er designet til at afbryde et kredsløb, når en strøm overstiger en forudindstillet tærskelværdi. De er almindeligt anvendt i lavspændingssystemer. En sikring består af to ledninger eller strimler indkapslet i en isolator. Den smeltede forbindelse af smeltebåndet kan bue på tværs og smelte.

Sikringer og afbrydere findes i næsten alle elektronikprodukter. De bruges til at beskytte personale, ledere og udstyr mod overstrøm eller kortslutninger. Hvis kredsløbet ikke fungerer, vil sikringerne sprænge, ​​og enheden vil være ubrugelig.

Batterier skal beskyttes mod overstrøm og overspænding. Overopladning og overspænding kan forårsage batterifejl, eksplosioner og giftige dampe. Især lithium-ion-batterier bør overvåges og beskyttes.

Batteriopladningskredsløb er sårbare over for problemer såsom en overbelastning af strømkilden, en forkert belastning og et opladningskredsløb, der trækker mere strøm end tilladt. For at beskytte batteriet og udstyret mod disse farer bør batteripakken indeholde en overstrømsbeskyttelsesfunktion.

Lithium polymer batteripakker er almindeligvis udstyret med et beskyttelseskredsløb, der er designet til at forhindre overopladning og overafladning. Men de er også modtagelige for misbrug. Opladning af et lithiumpolymerbatteri ud over dets kapacitet kan resultere i termisk løb og andre sikkerhedsproblemer. Ideelt set bør et batteri ikke oplades mere end 1,5 gange batteriets overstrøms ladebeskyttelsesstrøm.

Test af overstrømsbeskyttelsesfunktionen af ​​en batteripakke involverer kontrol af kredsløbets reaktion på overstrøms- og overspændingsforhold. Disse tests bør udføres i et laboratorium.

Overstrømsopladningsbeskyttelsesfunktionen er testet ved hjælp af en jævnstrømskilde. Data indsamles i en time efter opladningen stopper. I løbet af denne tid måles batteriets temperatur og SOC-niveau. Når SOC-niveauet når 130 procent eller mere, afsluttes testen. Dette giver mulighed for en mere præcis vurdering af batteriets evne til at modstå overstrøm og overspænding.

Overafladningsbeskyttelse er en af ​​sikkerhedsfunktionerne i en lithium-ion batterioplader. Det opstår, når spændingen på et lithiumbatteri falder under en vis tærskel. Hvis spændingen når et niveau under denne tærskel, stopper batteriet med at oplade. Batteriet vil i sidste ende blive en potentiel brandfare.

Overladningsbeskyttelse er implementeret i form af en overladningsbeskyttelsesafbryder. Kontakten er forbundet i serie mellem den positive side af batterierne og udgangsterminalen på batteriet.

Kontakten er ledsaget af et styrekredsløb, der tænder og slukker for kontakten, når batterispændingen når et bestemt minimumsindstillingspunkt. Et forsinkelseskredsløb er også inkluderet for at forhindre FET i at slukke for tidligt.

Udover overladningsbeskyttelseskontakten er der også et spændingsdetekteringskredsløb, der overvåger batterispændingen. Dette kredsløb består af en controller med tre terminaler med integreret kredsløb (IC). Som vist i fig. 2 styrer IC'en overudladningsbeskyttelseskontakten ved at afbryde udgangsspændingen, når cellespændingen falder under overudladningstærsklen.

Dette kredsløb inkorporerer også en parasitisk diode for at holde FET'en i en tændt tilstand med hensyn til omvendt strøm. Den suppleres af en kondensator C21, der tilføjer en lille mængde tid til stigningen af ​​spændingen ved FET'ens gate.

Når kontakten til beskyttelse mod overafladning er slukket, hæves spændingen på udgangssiden af ​​kontakten til spændingen ved ladeenden. En termisk afbryder bruges også til at deaktivere batteriindgangen.

En anden førnævnte komponent er overtemperaturbeskyttelsesfunktionen. Denne enhed er ikke så sofistikeret som beskyttelsesfunktionen for overudladning.

Et alternativt design til over-afladningsbeskyttelsesfunktionen ville være en mikrocontroller, der læser batteriernes temperatur og deaktiverer udgangen. Denne mulighed kræver dog en del programmering, hvilket kan være upraktisk for nogle applikationer.

Ikke desto mindre er der nogle muligheder for beskyttelse mod overafladning, som er nyttige og kan tilpasses til at opfylde en bestemt applikation. For eksempel, i en flercellet Li-ion batterioplader, kunne over-afladningsdetektionsmekanismen indstilles til at overvåge alle celler i batteripakken.

Overtemperaturbeskyttelsesfunktioner i batteriopladere er afgørende for ydeevnen og pålideligheden af ​​batteristrømstyringssystemer. Overtemperaturtilstanden er ikke kun en sikkerhedsrisiko, men kan også være skadelig for batteriets levetid. For at forhindre, at der opstår en termisk løbsk, skal batteriet lukkes ned, før temperaturen når et niveau, der er umuligt.

Batteribeskyttelsesordninger tilbyder typisk to beskyttelsesniveauer. Den ene er en termisk sikring, og den anden er en termisk nedlukningsfunktion.

Termosikringen er en enhed, der automatisk slukker for opladeren, hvis temperaturen på akkumulatorbatteriet overstiger en forudbestemt tærskel. Andre funktioner ved batteriopladere omfatter overspænding og beskyttelse mod omvendt polaritet.

Der er andre batteriopladere, der tilbyder termiske nedlukningsfunktioner. Disse enheder er dog for dyre at integrere i en standardoplader og kræver et omhyggeligt design for at undgå en termisk nedlukning. I stedet kan en termisk nedlukningsfunktion implementeres ved at forbinde en NTC termistor til en dedikeret tilslutningsstift. Et spændingsdetekterende kredsløb kan derefter overvåge termistorens modstand for at bestemme, om temperaturen er høj nok til at lukke batteriet ned.

Batterier har et stort temperaturområde. Forskellen mellem temperaturen på lagerbatteriet og opladeren kan være enorm. Denne forskel kan forårsage over- eller underopladning. Begge disse kan føre til beskadigelse af batteriet.

Ud over den termiske sikring kan opladeren inkludere en spændingsregulator. Dette gør det muligt for opladeren at opretholde en konstant spænding, samtidig med at strømmen, der flyder ind i batteriet, holdes under den maksimalt tilladte værdi.

Batteriopladere har typisk et patenteret plastprofildesign, der har hurtig varmeafledning. Den inkluderer også en indikatorlampe, en ladehastighedsvisning og seks indbyggede beskyttelsesfunktioner.

Batteriet kan også inkorporere en termistor for at afgøre, om startmiljøet er for varmt til, at batteriet kan absorbere ladningen. Denne temperaturmåling er nyttig til overvågning af kredsløb og udløser igen en handling for at tænde en køleventilator eller afbryde opladningen.

Afhængig af batteriteknologien og kemien i akkumulatorbatteriet er der flere forskellige beskyttelsesfunktioner. Nogle er implementeret som en del af batteriets strømstyringssystem og andre er integreret i selve opladeren.

Termisk løbsk er en farlig tilstand, der kan opstå i et batteri. Det får elektrolytten i et batteri til at overophedes og kan føre til en brand, der ikke kan slukkes. Denne tilstand kan være et resultat af en intern kortslutning eller en ekstern kortslutning. Heldigvis har en batterioplader indbygget beskyttelse mod termisk løb.

Når systemet begynder at oplade batteriet, vil det først begynde at overvåge batterispændingen. Hvis spændingen ikke stiger, antager systemet, at batteriet er i termisk runaway-tilstand. Så vil ladestrømmen stige, indtil batteriet har en forudbestemt ladespænding.

Når ladestrømmen når et forudbestemt niveau, begynder systemet at reducere ladehastigheden. Dette reducerer ladestrømmen til en mængde, der er sikker for batteriet. Når det aktuelle niveau når en vis tærskel, vil batteriet være fuldt opladet.

For at forhindre muligheden for termisk løbsk vil batteriopladeren overvåge ladestrømmens spænding og driftscyklus. Hvis der er en afvigelse i opladningsegenskaberne, vil systemet behandle anomalien som et problem og vil reducere opladningshastigheden.

Batteriopladerens software vil også overvåge batteriets elektriske ladeparametre. Når batterispændingen når en forudindstillet værdi, vil den blive kontrolleret for at afgøre, om der er en termisk løbsk tilstand.

I en konstant strømtilstand kontrolleres driftscyklussen hver tredje eller fjerde på hinanden følgende værdier. Når arbejdscyklussen falder, sænkes di/dt-tælleren, og DT-grænsen øges.

Under drift med konstant spænding indstilles di/dt-tælleren til den nominelle værdi. Spændingskurven vil have en positiv hældning. En termisk løbsk tilstand betragtes, når spændingen ikke stiger, og di/dt-tælleren når en negativ værdi.

I en batterioplader med konstant spænding kontrolleres driftscyklussen med faste intervaller. På et forudindstillet tidspunkt vil systemet reducere ladestrømmen og derefter kontrollere driftscyklussen igen for at se, om den er faldet.

Termisk løb kan forekomme i lithiumbatterier. Selvom de er ekstremt effektive energilagringsenheder, kan deres kapacitet formindskes, hvis de efterlades i et varmt miljø. Desuden er de kendt for at forbrænde, når de udsættes for lithiumhydroxid. Af denne grund skal Li-ion-batterier opbevares ved en temperatur, der er sikker for batteriet.

Batteriopladerens output over spændingsbeskyttelse er en funktion, der hjælper med at sikre, at strømmen, der strømmer ind i batteriet, forbliver inden for en forudbestemt grænse. Det betyder, at ladekredsløbet kan afbryde udgangen i et vist stykke tid for at undgå en funktionsfejl, der kan forårsage en eksplosion.

Batterier kan være meget følsomme, og en fejl i ladekredsløbet kan føre til en eksplosion. Heldigvis er der en række måder at forhindre dette i at ske. Først skal batteriet oplades med en konstant hastighed. Satsen afhænger af batteriets kemi og hvor meget af det, der er opbrugt. For det andet skal kredsløbet være designet til at kunne modstå unormale driftsforhold.

Et typisk batteristyringssystem består af en batteriovervågningsblok og et overspændingsbeskyttelseskredsløb. Beskyttelsesmekanismen beskytter batteriet mod beskadigelse under opladningsprocessen og mod strømforsyningsproblemer. Det kan integreres med ladekredsløbet, eller det kan implementeres som en del af batteristyringssystemet. Typisk bruger denne type batterioplader et lineært regulatordesign, som har til formål at holde strømmen inden for rækkevidden af ​​batteriterminalens spændingsindhylning.

En anden mulighed er et batteristyringssystem, der integrerer kontinuerlig kontrol og begrænsende kontrolfunktioner. Dette gør det muligt for ladestrømmen at skalere tilbage, når belastningen overstiger USB-strømgrænsen. Den regulerede 3,3V udgangsforsyning kan også bruges til at give et aktiv-lav-underspændingsdetekteringssignal.

En anden mulighed for overspændingsbeskyttelse er et komparatorkredsløb. Ved at bruge sammenligningsoperatører i mikrocontrollerkoden er det muligt at sikre, at den påtrykte spænding er lavere end den maksimalt tilladte spænding. INA300 23-strømsans-komparatoren kan forbruge et godt stykke under 1mA maksimum.

En ideel diodefunktion kan også bruges til at sætte opladningsprocessen på pause, når udgangsspændingen falder under et specificeret niveau. I dette tilfælde er den ideelle diode en højtydende diode, der gør det muligt for en anden ekstern PFET at forbinde mellem OUT og BAT. Når OUT-spændingen falder under BAT-spændingen, bliver den ideelle diode aktiv.

Nogle batterikemi er meget følsomme over for påtrykte spændinger. For eksempel er genopladelige lithium-ion-batterier designet til kun at oplade ved én gradC. Når terminalspændingen falder til under dette niveau, skal ladekredsløbet afbrydes. Tilsvarende forventer andre kemier en meget lille flydende spænding. Men når spændingen falder for lavt, stiger selvafladningshastigheden. Disse kemier kræver også, at ladekredsløbet afbrydes, når terminalspændingen er nået.

Andre problemer kan opstå ved brug af uregulerede AC/DC-adaptere. Mange elektroniske enheder, herunder fly, glaspaneler og endda opladnings-IC'erne, er modtagelige for beskadigelse, når de er tilsluttet en ureguleret strømforsyning.

En løsning er at bruge en switch-mode strømforsyning. Disse typer strømforsyninger bruger en switch til at overvåge spændingen. Hvis spændingen stiger for hurtigt, vil kontakten kontrollere spændingen igen. Men hvis strømforsyningen er defekt, kan skiftestrømforsyningen blive beskadiget.

Batteriopladerindgang Beskyttelse mod underspænding og overspænding

Beskyttelse mod underspænding og overspænding af batteriopladerens input er en vigtig funktion til en række applikationer. Når indgangsspændingen overstiger en vis tærskel, vil opladerens IC deaktivere strømforsyningen. Dette kan beskytte belastningen, enheden eller systemets mikrocontroller mod beskadigelse. Afhængigt af designet af opladerens IC kan temperaturtærskler også implementeres.

Overspændingsbeskyttelse er mindre almindelig end underspændingsbeskyttelse. Men i nogle tilfælde kan tilstanden forårsage funktionsfejl i kredsløbet. Det er bedst at implementere denne type beskyttelse med forsigtighed. Der er en række faktorer, der skal tages i betragtning, såsom batteriets ladestrøm og temperatur, mængden af ​​strøm, der skal til for at opretholde batterispændingen, og den type enhed, der bruges. Ideelt set vil opladerens IC implementere konfigurerbare svar på overspændingssituationen. Opladerens IC skal også kunne regulere dens driftsområde.

Underspændingsbeskyttelse er ofte mindre kompleks end overspændingsbeskyttelse. De fleste designere bekymrer sig simpelthen ikke om dette aspekt af deres design. I stedet fokuserer de på andre aspekter af deres projekter. I de fleste tilfælde forårsager underspændingsforhold ikke skade. Men nogle forhold kan kræve mere opmærksomhed.

For at implementere underspændingsbeskyttelse placeres et kredsløb på tværs af strømforsyningen. Derefter bruges en timer. Denne timer vil automatisk afbryde belastningen, hvis batteriet kommer under en indstillet tærskel. Kredsløbet er enkelt og nemt at implementere. Timeren kan justeres til at rumme forskellige spændingsværdier.

En anden mulighed er at bruge et kobenskredsløb. Et kobenskredsløb ligner et drop-brækjern. Et koben tager dog ikke højde for muligheden for beskadigelse af strømforsyningen. Tværtimod er kobenets funktion at forhindre en overspændingssituation i at opstå.

Generelt vil overspændingsbeskyttelsesfunktionen i en batterioplader være baseret på en JEITA batteristandard. Som følge heraf vil batteripakkeproducenten have specificerede tærskler for forskellige ladestrømsniveauer. For eksempel kan opladerens IC være i stand til at konfigurere den minimale indgangsspænding til 4,5V, den maksimale indgangsspænding til 20V og underspændingstærsklen til 3V.

Andre overspændingsbeskyttelsesfunktioner omfatter termisk regulering og detektering af manglende batteri. Opladerens IC kan også forhindre overtemperatur ved at regulere ladestrømmen. Disse sikkerhedsfunktioner sikrer, at batteriet ikke beskadiges under opladning.

Der er flere typer oplader-IC'er, herunder buck-, boost- og buck-boost-opladere. Buck-boost-opladere muliggør kontinuerlig opladning, mens den begrænser den maksimale ladestrøm til en bestemt tærskel. Både buck- og boostladere har en højere driftsspænding end en buck-oplader. Derfor kræver de en større IC-pakke. De kan bruges i bærbare applikationer.

Nogle oplader-IC'er har et integreret I2C-interface. Dette giver enheden mulighed for nemt at konfigurere forskellige sikkerhedsfunktioner. En sådan funktion er vagthund-timeren. Under opladningsprocessen skal MCU'en regelmæssigt nulstille timeren. Hvis timeren ikke fungerer, vil systemets mikrocontroller ikke være i stand til at reagere.

En anden type batterioplader IC er skifteopladeren. Skiftende opladere er generelt mere effektive og i stand til at håndtere højere strømme. Selvom denne type oplader kan koste mere, kan den også være et mere bekvemt valg til nogle applikationer.

Batterioplader Kortslutnings- og omvendt forbindelsesbeskyttelse

Batteriforbindelser med omvendt polaritet kan forårsage alvorlig skade på batterier og bærbart elektronisk udstyr. De kan producere en gnist, brintgas eller aflade batteriet helt. Disse kan alle være farlige for dit helbred og dit udstyr. Her er, hvordan du forhindrer omvendte batteriforbindelser, og hvordan du beskytter din batterioplader mod virkningerne.

For at forhindre batteriforbindelser med omvendt polaritet er det vigtigt at forbinde den positive til de negative poler på batteriet. Dette er for at sikre, at batteriet ikke bliver overophedet. Derudover vil spændingen fra den negative side af batteriet gradvist aflade batteriet, hvilket forårsager en afladningscyklus svarende til den, der opstår med en kondensator.

Afhængigt af den type enhed, du bruger, kan du have brug for en batteriomskifter eller mekaniske sikkerhedsforanstaltninger. Disse kan omfatte et polariseret stik eller et envejsstik. Du skal muligvis også bære beskyttelsesbriller eller gummihandsker.

En anden simpel tilgang til at forhindre batterivending er at bruge et parallelt diodekredsløb. Det er nemt at bygge og kan beskytte batterier med høj udgangsimpedans mod omvendte installationer. Den skal dog kunne klare en høj strøm. Ladepumpen kan også være en nyttig tilføjelse til at beskytte lasten.

En batteriforbindelse med omvendt polaritet er farlig, fordi elektronerne trækkes fra den negative til den positive side af batteriet. Dette kan få batteriet til at aflades og kan brænde batteriet ud. Som med andre batterier kan det også føre til hurtig dræning og kort levetid. Brug af en batteriomskifterkontakt kan beskytte din batterioplader og bærbare elektronik mod virkningerne af en omvendt batteriforbindelse.

Når et omvendt batteri er tilsluttet, registrerer MP1 det. Hvis MP1'en ikke registrerer forbindelsen, vil den deaktivere MP2's primære pass-enhed. Under en omvendt batteritilslutning vil MN1 generere meget strøm. Dette får MP2 til at deaktivere, og MP1 vil derefter frakobles. På samme måde, hvis batteriet er tilsluttet, og MP2 er deaktiveret, vil MP1 stoppe opladeren i at køre.

En anden tilgang er at bruge et NMOS-baseret kredsløb. NMOS bruger et låsende hukommelseselement til at bestemme, om det omvendte batteri er tilsluttet. Selvom denne metode er enklere end en PMOS-baseret tilgang, forbindes den ikke altid til batteriet. Selvom den gør det, er den ikke altid hurtig nok til at forhindre MN1 i at aktivere.

Alternativt kan du prøve et PMOS-beskyttelseskredsløb. I denne metode er batteriet midlertidigt forbundet til opladerens udgang, mens opladeren er slukket. Ved at sammenligne spændingen fra batteriterminalen med spændingen fra opladerudgangen kan du afgøre, om forbindelsen er permanent.

Endelig er det vigtigt at koble MN1 fra batteriet, før det bliver for varmt til at frakobles. Selvom det ikke er en hurtig proces, er den meget vigtig. Adskillige kredsløb er blevet udviklet til at hjælpe med denne opgave. Et af de bedste kredsløb inkluderer R3 og R4. Det er mest effektivt til lithium-ion-batterier med lav spænding.