Li-Ion Li-Poly Bataryaların Hızlı Şarj Edilmesi

Li-Ion Li-Poly Bataryaların Hızlı şarj edilmesi konusunda picproje forumlarından @RaMu hocamın hazırladığı faydalı bir çalışma özetle fazla detaya girilmeden şarj konusunda bir çok bilgi verilmiş. Kendisine teşekkür ederim aşağıda ki açıklamalar kendisine aittir.

1)Problem: Lityum esaslı bataryaları mikrodenetleyici veya özel entegre kullanmadan hızlı sarz etme.

*2)Atak Planı:
a)Lityum bataryaların ve hızlı sarz karakteristiklerinin araştırılması.
b)Kullanılan genel sarz devresi diyagramlarının araştırılması.
c)Sarz için kullanılan Pic veya özel sarz entegrelerinin işlevlerini yerine getirecek devre tasarımı.

*3)Planın işletilmesi
*4)Sonucun kontrol edilmesi
*5)Öğrenme ve genelleme

*2)Atak Planı
a)Lityum bataryaların ve hızlı sarz karakteristiklerinin araştırılması

Lityum batarya nedir?

En basit tabirle temel bileşeni lityum olan bataryadır. Temel hücrenin gerilimi 3.7 volttur yani lityum bazlı pillerden elde edilecek bataryaların gerilimi 3.7 volt ve katları olacaktır.

Açısından bakıldığında diğer bataryalara göre çoğu uygulamada daha üstündür ve günümüz teknolojisinde taşınabilir bilgisayarlar, müzik çalarlar, cep telefonları vb gibi birçok taşınabilir cihazda kullanılırlar.

Li-Ion batarya için ideal sarz kaynağı akım sınırlamalı sabit voltaj kaynağıdır bunu biraz açarsak; lityum bataryaların sarz için ihtiyaç duydukları iki durumu karşılayacak kaynaktır bu durumlar, birincisi hücre voltajı batarya voltajına ulaşıncaya kadar sabit akım kaynağı, ikincisi bu gerilime ulaşıldıktan sonra tam sarjın sağlanacağı zamana kadar sabit gerilim kaynağıdır.

Yukarıdaki grafiklerde de görüldüğü gibi:

-Lityum bataryalar sarz gerilimi 4.2 volta erişinceye kadar kapasitelerinin %65 ine ulaşırlar.
-Bu esnada hücreye sabit akım uygulanır.
-Hücre gerilimi 4.2 volta eriştiğinde artık sabit akım modundan, sabit gerilim moduna geçilir.
– Sarz kaynağından bataryanın çektiği akım belirlenen Imin değerine düşene kadar sabit gerilim uygulanmaya devam edilir.
-Bu esnada tam sarz için geri kalan %35 lik kapasite doldurulmaktadır.
-Sarzın sonlandırılması için birincil kontrol Imin değeridir.
-Sarzın sonlandırılması için ikincil kontrol çevre sıcaklığı ile hücre sıcaklığı arasındaki farktır.
-Lityum pillerde sarz sonlandırması çok önemli bir noktadır

Sebepleri:

1)Öncelikle sarz sonlandırmasında hücre gerilimi 4.2 artı-eksi 50 mV tur.
2)Sarz vaktinde sonlandırılmazsa batarya ömründe ciddi azalmalara veya bataryanın patlamasına sebep olabilir.
3)Sağdaki grafiğe bakıldığında batarya kapasitesi ile son batarya voltajı arasında ilişki görülmektedir

Buradan pilin sarzı 100 mV luk bir farkla sonlandırılırsa kapasitesinin %10 unu kaybedeceğimiz açıkça görülebilir.

2)Atak Planı b)Kullanılan genel sarz devresi diyagramlarının araştırılması

Genel olarak bahsettiğimiz şarz şartlarını sağlayabilecek diyagram bu şekildedir, ayrıca birkaç sarz entegresi ve kullanım şekli örneği verecek olursak:

Gösterilen entegrelerin özellikleri ve çalışma prensipleriyle ilgili detaylı bilgi için datasheet lerinden faydalanılabilir.

2)Atak Planı

c)Sarz için kullanılan Pic veya özel sarz entegrelerinin işlevlerini yerine getirecek devre tasarımı.

A)Öncelikle 1. durum için gerekli olan sabit akım kaynağını sonrada 2. durum için gerekli olan sabit gerilim kaynağını ele alacağız.

Sabit akım kaynağının çalışacağı koşullar nelerdir:

-Hücre gerilimi sarz esnasında 3.5 V civarından 4.2 V a kadar artacak.
-Hücre iç direnci sarz süresince değişecek mi?
-Hücreyi 1C ile sarz edeceğiz yani 1000mAh luk bir hücremiz var ise sabit akım kaynağımız 1000 mA (=1A) verebilmelidir.

Lityum hücrenin 3.7 V olduğunu biliyoruz, ve sabit akım modunun sonlandırılması için hücre geriliminin 4.2 volta çıkarılması gerektiğini biliyoruz

Batarya saz geriliminin zamanla değişeceğini de bildiğimize göre sabit akım kaynağımızı nasıl tasarlamalıyız?

Tabiki sınır koşullara göre:

1)Hücre gerilimi en fazla 4.2 V a yükselebilir.
2)Hücre iç direncini nasıl bulabiliriz sarz için etkisi var mıdır?

a- Üreticinin kataloklarından bulunabilir.
b- Veya hücre tam dolu iken kısa devre akımı ölçülür Vhücre=I*Riç den hücre iç direnci bulunabilir.

c-Veya C değeri baz alınarak örneğin 1000 mAh luk bir hücre için 1A Vhücre=Ic*Riç den 3.7=1*Riç ise Riç=3.7 ohm denilebilir.

a seçeneği doğrudur fakat böyle bir katalog bulamayabiliriz
b seçeneği bataryaya zarar verecektir uygulanmamalıdır
c seçeneği zaten yanlıştır C değeriyle iç direncin böyle bir ilişkisi yoktur.

En doğru yol Devre Analizi derslerinde işlenen batarya iç direnci bulma yöntemidir:

Batarya iç direncinin şarza etkisi

Hücre iç direnci şarz esnasında verilen bütün şarz geriliminin ve akımının veya enerjisinin sadece bayaryayı şarz etmek için gerekli enerjiyi değil bu iç direncin harcayacağı ekstra enerjiyide karşılamak zorunda olduğunu ifade edebilir bunu anlamanın yolu denemektir peki bu deneyde ne araştırılmalıdır?

Bataryanın sarz öncesi enerjisi hesaplanır Bataryayı şarz etmek için verilen enerji hesaplanır Bataryanın şarz sonrası enerjisi hesaplanır

Bataryayı sarz etmek için verilen enerji ile bataryanın sarz öncesi ve sonrası enerji farkı birbirine eşit ise iç direncin etkisi yok denebilir eğer verilen enerji ile depolanan enerji arasında bir fark var ise bunu bataryanın iç direncinin harcadığı söylenebilir.

Örnek sabit akım kaynakları:

Akım sınırlama devresi

Bu devrede led kırmızı ve Re 10 ohm iken 100 mA led kırmızı ve Re 2.2 ohm iken 500 mA led kırmızı ve Re 1 ohm iken 1 A e akım sınırlandırılmış olur.

Aslında hesap şöyledir: Re direnci üzerindeki gerilim ile transistörün emiter-beyz bacakları arası gerilimin toplamı ledin üzerindeki gerilime eşit olmak zorundadır ve Re direnci üzerinden akan akım devrenin çıkış akımıyla aynı olmak zorundadır buradan hareketle çıkış akımı förmülünü türetirsek: Iout=(Vled-Veb)/Re olur.

Sabit akım kaynağı

Burada da basitçe görülebileceği gibi BC337 transistörünün collector pinine yük üzerinden akım akmaktadır yani yük üzerinden geçen akım ile BC337 nin kollektor akımı aynıdır bu akım ise yaklaşık olarak BC337 nin emiter akımına eşittir,

I load = I c = I e,

BC337 nin emiter akımı ise Rsense direnci üzerinden akan akıma eşittir, Rsense direncinin akımı, üzerindeki gerilim bölü direnci olacağından ve üzerindeki gerilimde BC547 nin beyz emiter bacaklarındaki sabit 0.7 V gerilime eşit olacağından
I load = I c = I e = 0.7/Rsense

Olmak zorundadır. Burada BC547 nin 0.7 voltluk bir zener diyot olarak kullanıldığını söyleyebiliriz

Bu devrede yukarıdakiyle aynı mantık kullanılarak transistör sürülmektedir fakat Rsense üzerindeki gerilim opamp ile ayarlanmaktadır.

Opampın 3 nolu bacağında, R1 ve RV1 dirençlerinden oluşan gerilim bölücü ile referans gerilimi vardır,

VR3=[Vin/(R1+RV1)]* RV1alt

Opamp 3 nolu bacağı ile 2 nolu bacağındaki gerilimleri sürekli eşit tutmaya çalışır yani VRsense=VR2=VR3 öyleyse;

VRsense=[Vin/(R1+RV1)]* RV1alt

Buradan hareketle I load=VRsense/Rsense olacağı görülür. Gördüğümüz örnek devreler arasında en uygun sabit akım kaynağı olduğunu düşündüğüm bu devreyi inceleyeceğim.

Bu devre incelenirken sarz için gerilim kaynağını usb olarak almanın, devrenin kullanışlılığını arttıracağı düşüncesiyle, doğru olacağını düşünüyorum.

Bir bilgisayar usb sinden ne kadar güç alabiliriz?

En fazla 5 Volt 0.5 Amper yani 2.5 Watt Fakat ölçümlerimde usb den 5.6 volt alabildiğimi gördüm tabiki bu değer yük altında düşmektedir öyleyse tasarlanan devrenin giriş gerilimindeki bu değişimden ne kadar etkileneceğide hesaplanmalı ve gerekiyorsa giriş gerilimi regüle edilmelidir.

Sarz hücresi için 500 mAh a kadar pillerin herhangi biri kullanılabilir ve devreyi 500 mAh luk hücreyi hızlı sarz edebilecek kapasitede yapıp alt değerler içinde ayarlanabilir kılacağım.

Sabit akım kaynağı modu için bu devreyi seçmemdeki ana sebep;

Devredede açıkça ifade edildiği gibi sarz akımını ayarlamada kullanılan iki ana faktör var birisi Rsense direnci diğeri üzerindeki gerilim ilk örnekteki iki transistörlü devrede Rsense üzerindeki gerilimi değiştirmek olanaksız opamplı devrede ise 3 nolu bacaktaki Vref değiştirilerek bu gerilim değeri değiştirilebilir peki bu gerilim ve direnç değerinin ne önemi var?
Bildiğimiz gibi direnç üzerindeki gerilim ve üzerinden geçen akıma göre bir güç harcayacaktır bu güç P=I*V dir yani bu güç fazladan harcanacaktır, kayıptır, israfa gerek yok, bunu engellemeliyiz ama nasıl; akım değerini değiştiremeyiz çünki bu bizim sarz akımımız o zaman direnç üzerindeki gerilimi azaltmalıyız buda ancak opamplı devremizle mümkün.

Direnç üzerindeki gerilim düşürüldükçe direnç değeride aynı sarz akımını sağlamak için düşürülecektir

Burada dikkat edilmesi gereken husus; Örneğin direnç üzerindeki gerilimi 0.1 volta düşürdük 500 mA sarz akımı için direnç değerimiz 0.2 ohm olacak bu direç değerindeki %10 hata aynı şekilde sarz akımında %10 hataya sebep olur ve direnç üzerinde harcanan güçte %20 hataya sebep olur yani seçilecek direnç değeri için güç harcaması hesabı yapılırken direncin tolerans değeride hesaba katılmalıdır.

Tabiki gerilim bölücü kısımdaki dirençlerin toleransınında referans gerilimini oluşturmadaki etkisi gözardı edilmemelidir.