Madarász László elektronikai oldala

A modellezésben alkalmazott nagy kapacitású Li-ion, Li-Polimer akkumulátorok ma már egyre szélesebb körben elérhetőek és kedvező tulajdonságaiknak köszönhetően nagyon sok elektronikai eszközben megtalálhatóak, mint energiaforrás. A manapság használatos mobil eszközök energiaigénye egyre nagyobb, így egységnyi – legtöbbször kicsi – helyen elhelyezett akkumulátornak változatlan geometriai méretben, de egyre több energiát szükséges tárolnia ahhoz, hogy képes legyen kiszolgálni a megnövekedett igényeket.

Az akkumulátorok lelki világa kissé bonyolult ahhoz, hogy egy terjedelmesebb írás keretein belül minden részét érintsem e területnek, így a teljesség igénye nélkül megpróbálom ebben a cikkben leírni a fontosabb dolgokat, illetve leginkább a saját töltőm építése során figyelembe vett sajátosságokat.

Nagyon rövid történelem

A Li-ion technológiát az 1970-es években kezdték fejleszteni, viszont az első akkumulátorok csak 1991-ben kerültek kereskedelmi forgalomba a Sony cég által. A technológia nagyjából 20 évvel későbbi tömeges megjelenését az indokolta, hogy kezdetben ezek az akkumulátorok még költséges titán-szulfid-katódot és fémes lítiumanódot tartalmaztak. A fémes lítium kisebb üzemzavar hatására is hajlamos volt villámsebesen felforrósodni, és ez az akkumulátor felrobbanásához vagy elolvadásához vezetett. Ezek ellenére több gyártó is belefogott a Li-ion akkumulátorok fejlesztésébe, mivel ezek az akkucellák jóval kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkeztek a korábbi NiCd technológiával készült akkumulátorokkal szemben.

Előnyök és hátrányok

A töltés tárolásáról lítiumionok gondoskodnak, melyek a  mai akkumulátorokban töltéskor a negatív, szénalapú elektródához, kisütéskor pedig a pozitív fém-oxid-elektródához vándorolnak. Az anódot és a katódot elválasztó elektrolit LiPF₆, vagy újabban a kevésbé korrodáló LiBF₄, általában folyékony, szerves oldat alkotja. A katódok anyaga ma már többféle lehet, például LiCoO₂, LiMnO₂, LiFePO₄, Li₂FePO₄F. A különböző katód anyagok használata különböző cellafeszültséget eredményeznek. Előnyük, hogy az alapanyaguknak köszönhetően könnyebbek és tartósabbak. Nincs memóriaeffektus, lessen veszítik el töltöttségüket, mindegyik katódtípusnál a cellafeszültség 3V feletti, így sok esetben egyetlen cella is elegendő a legtöbb modern eszköz táplálásához.

Ha már az előnyöket említettem, célszerű megemlíteni a hátrányokat is, mert azok is vannak. Ugyan nem kell nagy gondot fordítani az akkumulátorok rendszeres töltögetésére, lemerítésére, igazából nem is szeretik, ha teljesen kisütik őket. A túlzott lemerülés ellen védőáramkör beépítésére van szükség. Rosszabb esetben erről a felhasználónak kell gondoskodnia a saját áramkörén belül, jobb esetben az akkumulátor gyártója fordít annyi figyelmet erre a problémára, hogy az akkucellára, vagy a komplett akkupakkba beépíti a megfelelő védőelektronikát, mely a beállított feszültség szintje alatti töltés esetén leválasztja az akkucellát a kivezetésről, így az akkumulátor tovább nem meríthető és már csak a töltés lehetséges. A lítium cellák nagyon érzékenyek a túltöltésre és a hőmérsékletre, mivel szerves anyagot tartalmaznak. Túltöltés során gyorsan hő fejlődik, ami az akku felrobbanásához vezet. Ez a jelenség elkerülhető, ha a töltésvezérlő pontos feszültségmérővel van ellátva és megfelelően be tud avatkozni, ha szükséges, illetve a nagyáramú gyorstöltők képesek figyelni a cellák hőmérsékletét, így elkerülhető a nagy töltőáramok okozta melegedés. Hátrányok közé sorolható még az öregedési és elhasználódási probléma is.

Akkupakkok

Mint már írtam, a lítium akkuk egyik nagy előnye, hogy kellően magas a cellafeszültségük ahhoz, hogy akár egyetlen cella is biztosítani tudjon annyi energiát, hogy a legtöbb elektronikus eszköz arról kiválóan működni tudjon. Ebben az esetben nem kell számolni a szimmetria, vagy más hibás cellák miatt adódó problémákkal. Vannak esetek, mikor a felhasználás megköveteli a magasabb feszültséget, így kénytelenek vagyunk ilyen esetekben több cella sorba kapcsolásával elérni a kívánt tápfeszültség szintet. Ilyen esetekben az ideális megoldás a töltés során továbbra is az, hogy a cellákat egyenként töltjük, a feltöltött cellákat pedig kikapcsoljuk a töltésből. Amikor minden cella egyformán elérte a 100%-os töltöttséget, akkor van kész a töltés. Ezt a töltési módszert balanszolásnak is nevezik. Ma már komplett akkupakkot lehet venni, mely legalább kettő, vagy attól több cellát tartalmaz feszültségigénynek megfelelően. Ezen akkupakkok esetén a gyártó a két kivezetésen túl a cellánkénti kivezetéseket is biztosítja egy külön csatlakozóval ellátva, ami a töltés során lehetővé teszi a balanszeres töltő használatát, így minden cella azonos mértékig tölthető fel teljesen egyforma feszültségre. Vannak ugyanakkor forgalomban olyan akkupakkok is, mely ugyan lítium cellákat tartalmaznak, de csak két kivezetéssel vannak ellátva, így ezek balanszeres töltésére nincs lehetőség. Egyetlen cellaként tudjuk őket tölteni, viszont ebben az esetben óvatosabbnak kell lennünk, mivel a cellák feszültségei között asszimmetria léphet fel a használat során.

A töltési folyamat

Amikor az Li-ion akkumulátort elkezdték gyártani, a grafitrendszer 4,1 V/cella feszültséget határozott meg. A magasabb feszültségek nagyobb energiasűrűséget biztosítanak, de a cella oxidációja erősen behatárolta a kezdeti, 4,1 V/cella fölé feltöltött Li-ion cellák élettartamát. Ezt a hatást kémiai adalékanyagokkal küszöbölték ki. A legtöbb, kereskedelemben kapható Li-ion cella 4,2 V feszültségű, és a tűrése minden esetben szigorúan 0,05 V. Ebből látható, hogy a töltőfeszültség megfelelő lekapcsolása rendkívül fontos a túltöltés elkerülése érdekében. A névleges feszültséget 50mV feszültséggel meghaladva máris túltöltés következik be. Ekkor a cellában lítium csapódik ki az anódra, a katódról elindul egy oxidációs folyamat, melynek folyamán a cella elveszti stabilitását, és oxigén képződik. A túltöltés a cella felmelegedését okozza. A túltöltés megakadályozására az igényesebb gyártók szintén beépítenek védelmet a cella mellé, olcsóbb akkupakkok esetében viszont ez a védelem nem biztos, hogy jelen van, meglétéről csak akkor tudunk meggyőződni, ha megbontjuk a pakk burkolatát. A beépített védőáramkör lekapcsolási feszültsége jellemzően 4,3V/cella.

A teljes töltési folyamat két fő szakaszra bontható. Egyik a lemerült cella feltöltésének első szakasza, ahol a töltés áramgenerátoros módban történik. Mivel a megmerült cella hirtelen nagy áramot venne fel, ami miatt hamar felmelegedne, ezért korlátozni kell a töltőáramot. Ilyenkor a kapocsfeszültség mindig a névleges érték alatt van, a töltő ebben a fázisban így azt nem figyeli. Ahogy a cella a töltés során kezd egyre kevesebb áramot felvenni, lassan eléri a 4,2V-os kapocsfeszültséget. Jellemzően 4,1V-nál már elkezd csökkenni a töltőáram. Ekkor a töltő átkapcsol a második szakaszba, ahol a feszültséget kezdi el figyelni. Mint fentebb írtam, a lítium cellák rendkívül érzékenyek a túltöltésre, ezért nagyon fontos, hogy a maximális 4,2V-ot nem haladhatja meg a kapocsfeszültség. Ennek biztosítása a töltő feladata, ami azt jelenti, hogy kellően precíz feszültségmérést kell megvalósítani ahhoz, hogy ne menjen tönkre a töltendő akkumulátor. A töltő tehát tartja a 4,2V-os maximális feszültségértéket a cellán, miközben továbbra is folyik a töltőáram, de az már folyamatos csökkenésben van.

Az akkumulátor akkor tekinthető feltöltöttnek, mikor a töltőáram elérte az akku névleges áramának 3%-át. Ekkor a töltő lekapcsolja az akkut, a töltés kész. Az ábra szerint ez a harmadik szakasz. Látható a grafikonon még egy negyedik szakasz is, ami a merülés következtében történő utántöltést ábrázolja. Ha a feszültség a névleges értékre esik vissza, a töltő ismét bekapcsol, de csak a második fázist hajtja végre, mivel ilyen mértékű veszteség visszatöltése még nem eredményez hatalmas töltőáramot.

A Li-ion és Li-polimer akkumulátorok töltési görbéje megegyezik. A legtöbb ma (2014) forgalomban lévő ilyen típusú akkumulátorok névleges feszültsége 3,7V. Ez 40%-os töltöttséget jelent, 100%-os töltöttségi szintről 4,2V-os cellafeszültség esetén beszélhetünk. A cella teljesen lemerültnek, azaz 0%-os töltöttségűnek 3,4V-os feszültségszint mellett tekinthető. A legtöbb védelem itt, vagy kicsivel ezen a feszültségszint alatt le is választja a cellát a fogyasztóról a mélykisülés elkerülése érdekében.

A gyorstöltők csak az első töltési szakaszt hajtják végre. Amint a cella töltöttsége elérte azt a szintet, ahol a normál töltők feszültséggenerátoros módba kapcsolnak át, a gyorstöltők ott kapcsolnak le. A második ciklus így nem kerül végrehajtásra, az akkumulátor töltöttsége így csak a 80% körüli szintet éri el.

Akkupakkok ideális töltése

Li-ion akkumulátoroknál a kényes töltési paraméterek betartása végett fontos, hogy a töltő folyamatosan figyelje a töltési paramétereket és pontosan szabályozzon. Az elektronikai áramkörök egyik pozitív tulajdonsága, hogy legtöbbjük már nagyon alacsony tápfeszültségről is képes működni. Azoknál az alkalmazásoknál, ahol a működést már 2db ceruzaelem is képes biztosítani, de a fogyasztás viszonylag nagy, ami miatt az elemek hamar lemerülnek, a Li-ion akkumulátorok kiváló alternatívát jelentenek és elegendő belőlük egyetlen cella is. A legtöbb mobil alkalmazásban emiatt számos helyen találunk Li-ion akkumulátort. Ennek köszönhetően nagyon sok gyártó készít “single chip” töltőket, melyekben a fent említett tudományt beépítve gyorsan és egyszerűen összerakhatunk magunknak egy minden igényt kielégítő Li-ion akkutöltőt gyakorlatilag néhány olcsó alkatrész felhasználásával. Sok ilyen chipben már a megfelelő védelmek és hőmérséklet figyelés is be van építve.

Ez mind nagyszerű, de mi a helyzet akkor, ha mi akkupakkot szeretnénk tölteni, ráadásul olyat, amin nincs cellánkénti kivezetés, tehát a balanszeres töltőkkel sem tudunk mit kezdeni? Egész egyszerűen az a helyet, hogy erre nincs kész megoldás alkatrész szinten. Mivel kereskedelmi forgalomban nagyon sok ilyen akkupakk van, azok többféle verzióban, különféle cellamennyiséggel rendelkeznek, gyakorlatilag nem tudunk hozzájuk standard töltőt építeni pár alkatrészből. Talán kész töltőt még találunk itt-ott az elterjedtebb konfigurációkhoz, de mondjuk az épülő eszközünkhöz mondjuk nem szeretnénk mindenféle töltőszerkezetet hozzáaggatni, mert az mégis érdekesen nézne ki.

Mivel nekem is egy saját fejlesztésű rendszerben volt szükség egy ilyen töltőre, így kénytelen voltam tervezni egyet az általam használt akkupakk töltésére.

Tervezés és építés

A fő szempont az volt, hogy az általam tervezett elektronikai rendszer beépített akkumulátorát úgy fel tudjam tölteni, hogy lehetőleg csak egy 15V-os adaptert kelljen kívülről csatlakoztatni az eszközhöz. Kivitelezés szempontjából egyszerű és nagyszerű megoldás kellett, így megalkottam egy olyan töltőelektronikát, mely a Li-ion akkuk töltését illetően minden követelménynek meg tud felelni, ugyanakkor biztonsággal képes a beépített akkupakkot közel 100%-os szintre tölteni, mindezt kis méretben és bárhonnan beszerezhető általános alkatrészekből. A tervezés azért nem volt már annyira egyszerű.

A használt akkupakk egy, a már kínai oldalakról jól ismert YSD-12450 típus. Aránylag olcsón hozzá lehet jutni, 3db Li-ion cellát tartalmaz sorba kapcsolva, így feltöltött állapotban 12,6V-ot tud szolgáltatni. Cellánként tartalmaz mélykisülés elleni védelmet, ami a pakkba van beépítve. Gyanítom, hogy több gyártó is készít ilyen akkumulátorokat Kínában, így elképzelhető, hogy nem mindegyikben van védelem, ebben volt. A burkolaton 4500mAh kapacitás szerepel, ami vagy igaz, vagy nem. Általában ezekbe a pakkokba 3000mAh kapacitású cellákat tesznek, de szerintem ezt is gyártója válogatja. Kínai termék, tehát az, hogy mi van ráírva csak egy dolog, viszont azért annyira nem rossz kis akksi ez. A gyárilag rászerelt kábel csatlakozókkal van ellátva, viszont komoly terhelés esetén könnyedén kiolvadhat, mivel a réztartalma minimális. A vezető keresztmetszet 0,4mm alatt van valahol és akkor még lehet, hogy sokat is írtam. Íme egy kép is az említett akksiról:

Tehát, ha valaki ilyet vásárol és szándékában áll komolyabban is megterhelni, akkor ajánlott a pakk tetejét megbontani és a gyári kábelezést egy az egyben kiszedni és kicserélni normális keresztmetszetű vezetékekre. Egyébként a gyártó ad az akkumulátorai mellé töltőt is. Erről én nem írnék sokat, csak beszúrok ide két darab képet.

… és amit a külső rejt:

Feszültség figyelőként található benne egy LM358-as műveleti erősítő TL431 segítségével stabilizált referenciafeszültség beállítással. Ez megoldja azt, hogy 12,6V-nál, de inkább kicsivel alatta lekapcsoljon a töltés, az áramkorlát meg hát maga a táp, mivel 350mA-t tud magából kipréselni. Mindezt precíz műanyag házban kapjuk. Az már mellékes, hogy a dugalj nem EU szabvány, de biztosan van nekik olyan kivitel is. Maradjunk annyiban, hogy a tervezők nem gondolkodtak sokat a töltési problémán és amilyen olcsón lehetett, olyan olcsón meg is oldották.

Én ettől némileg komolyabbra vettem a figurát. A maximális töltőáramot ennél a pakknál 1A-ben határoztam meg, a maximális töltöttségi szintet pedig 4,1V-os cellafeszültségre állítottam be, azaz 12,3V-nál van vége a töltésnek. Ennek két fő oka is van.

1. A cellák maximális töltöttsége 4,2V, a túltöltési tolerancia pedig 50mV. A feszültség és az áram mérése nem labor pontosságú, így a mérési hibával is számolni kell.

2. Mivel ez nem balanszeres töltő és a cellák együtt vannak kisütve és együtt vannak fel is töltve elméletileg egyforma feszültséggel is rendelkeznek, viszont az elhasználódás során az egyes cellák feszültségértéke változhat, tehát egyik kevesebb, másik nagyobb feszültséget is elérhet, ha a maximális, 4,2V-os cellafeszültségre töltöm őket. elegendő 50mV eltérés és máris kész a túltöltés.

A töltőáramot egy külső 15v-os kapcsolóüzemű DC tápegység biztosítja, mely 2A-t képes maximálisan biztosítani ezen a feszültségen. A töltő lelke egy PIC12F1822 mikrokontroller, mely a teljes szabályozást végzi. Egy step-down típusú konvertert működtet 10bites felbontású PWM jellel. Az töltőáram és kapocsfeszültség méréseket a beépített 10bites AD konverter végzi. A step-down konverter a töltési ciklusnak megfelelően hol áramra, hol pedig feszültségre szabályoz, így ez gyakorlatilag egy kettő az egyben stabilizátor. A tápfeszültség csatlakoztatásakor elindul a program, ami felügyeli a teljes töltési ciklust. A fenti diagramon nincs ábrázolva, de az első szakasz előtt egyes töltőknél még van egy ún. “precondition stage” azaz előkondícionáló szakasz. Ez az áramgenerátoros gyorstöltési szakasz előtt lép működésbe abban az esetben, ha az akkumulátor mélykisült állapotban van. Lényege, hogy egy 8,5V körüli szintre merült akkumulátort is képes még életre kelteni a töltő úgy, hogy kezdetben kicsi töltőárammal indítja a töltést. Természetesen ez már nem képes csodát tenni, de egyes esetekben még valamennyire helyre lehet vele állítani egy nagyon lemerült akkumulátort. Mivel a fent tárgyalt akkumulátorpakk tartalmaz beépített védelmet, így ilyen állapot nem következhet be.

Ebbe a töltőbe is bekerült egy plusz funkció, ami véd a túltöltés ellen. Ha valamilyen oknál fogva az akkumulátor feszültsége 12,6V felé növekedne, esetleg a mikrovezérlő meghibásodik, akkor azonnal kikapcsol a töltés. A töltési idő egy 0%-ra merített akkumulátornál közelítőleg 3 órát igényel.

A töltés állapotáról egy piros/zöld LED ad tájékoztatást. A töltő úgy tölti az akkumulátort, hogy közben a kimenetére kapcsolt fogyasztó működéséhez szükséges tápfeszültséget is biztosítja.

Mivel ez egy korábbi töltőelektronikám továbbfejlesztése, így ez lett a 2.0-ás változat. Kétrétegű panelen került kivitelezésre, mivel az áramkör bonyolultsága miatt már az egyoldalas panelen nem lett volna megvalósítható. Kis mérete miatt bármilyen eszközbe beépíthető, amiben a burkolat alatt még van némi szabad hely.

Mivel a töltő bárhol beszerezhető alkatrészekből épül fel, könnyedén ráintegrálható más elektronikai panelre is. A töltő a fent említett akkupakktól eltérő kapacitású, de azonos tulajdonságú ( 3 Li-ion, vagy Li-polimer cellát tartalmazó, 12,6V-os) akkupakkok töltésére is alkalmas.

Egy párat már készítettem belőle: