Illustrazione 1: Il circuito completo di ricarica per cella al litio comparato con una moneta da un Eurocent
Semplice caricabatteria per 1 cella litio
Illustrazione 1: Il circuito completo di ricarica per cella al litio comparato con una moneta da un Eurocent
La crescente disponibilità di elettroniche alimentate a 3,3V assieme agli sviluppi della tecnologia del litio nelle batterie ha reso sempre più interessante lo sviluppo di specifiche soluzioni di ricarica.
In particolare oggi vedremo una applicazione per la ricarica ottimale di una generica singola cella al litio da 3,7V.
Prima di addentrarci nella soluzione pratica, vediamo un poco alcune informazioni generali su questi accumulatori:
ogni singolo elemento genera una tensione nominale di 3,7 Volt, valore da confrontare coi 1,2 Volt delle NiCd o NimH o i 2 Volt di quelli al piombo. Quindi meno elementi in serie a pari tensione totale
elevata densità di potenza (molta energia accumulata in poco spazio e poco peso)
effetto memoria assente (si possono ricaricare partendo da un qualsivoglia livello di scarica)
soffrono le situazioni di sovraccarica (non consigliate quindi in apparecchiature di emergenza o in tampone ove è ancora oggi meglio impiegare soluzioni al piombo o NiMh)
ridotta autoscarica, quindi una volta caricate non serve la cosiddetta “carica di mantenimento”
la resistenza interna e' molto bassa, quindi il processo di ricarica è molto efficiente e dissipa poca energia. Attenzione però al rovescio della medaglia: se cortocircuitate possono dare luogo a correnti elevatissime con rischi per la sicurezza delle cose e delle persone
a differenza delle batterie al nichel-cadmio, andrebbero caricate spesso e mai scaricate completamente (0%) e nemmeno conservate scariche.
La ricarica
Una ricarica ideale richiede la conoscenza esatta della tecnologia chimica impiegata nella costruzione della batteria.
In mancanza di queste complesse informazioni è però possibile ottenere risultati buoni e in sicurezza tramite una combinazione di carica a corrente costante (iniziale) seguita da una fase a tensione costante (fine carica). In tutte le fasi la tensione ai capi dell'elemento non supererà mai i 4,2 Volt (circa).
Superare questa soglia produce una riduzione della vita utile della batteria, cioè del numero dei cicli di carica/scarica che può affrontare prima di perdere significativamente capacità, ovvero guastarsi totalmente.
Superare poi i 4,3 Volt provoca l'innesco di processi chimici dannosi e pericolosi. In questo caso assistiamo ad un aumento della temperatura e della pressione interna che possono portare anche ad incidenti seri.
La procedura di carica per le celle Li-ion singole è riassumibile nelle due fasi seguenti:
Corrente costante (CC)
Tensione costante (CV)
Durante la fase di corrente costante, il caricabatterie applica una corrente costante alla batteria (con la tensione in costante aumento), fino al raggiungimento del limite di tensione per cella.
Durante la fase a tensione costante, la corrente diminuisce gradualmente verso lo zero, finché la corrente diviene inferiore a circa il 3% dell'iniziale corrente di carica costante, sancendo così la fine carica.
La soluzione proposta
Un ottimo dispositivo “tuttofare” per questa applicazione è il circuito integrato TP4057 della NanJing Top Power ASIC Corp. In un minuscolo case SOT-23-6 a 6 piedini, contiene tutto il necessario per una corretta carica di un elemento litio con corrente di carica massima di 500mA, compresa anche una sezione di segnalazione dello stato di funzionamento così funzionante:
Stato | Led rosso (CHRG) | Led verde (STDBY) |
Nessuna batteria collegata | lampeggia | acceso |
In carica | acceso | spento |
Fine carica | spento | acceso |
Il suo impiego è di una semplicità disarmante. Vediamolo in breve:
Vediamo le funzioni dei vari pin
n° | nome | Funzione |
1 | CHRG | Indica lo stato di carica, in tal caso è posto a livello logico basso, altrimenti ad alta impedenza. |
2 | GND | Connessione al negativo di alimentazione |
3 | BAT | Uscita del circuito di carica. Questo pin è collegato da un lato alla batteria, dall'altro al regolatore interno che comprende anche un partitore resistivo di precisione. |
4 | Vcc | Positivo dell'alimentazione del circuito integrato, può variare fra 4 e 9V, richiede un condensatore di filtro da 1μF in prossimità del pin. Quando la tensione sul pin BAT scende a 30mV il TP4057 entra in modalità di arresto, riducendo così il consumo a 2μA o meno. |
5 | STDBY | Avvisa del completamento della carica della batteria, scendendo a livello logico basso. Altrimenti in alta impedenza. |
6 | PROG | Serve per definire la corrente di carica: collegando un resistore di precisione fra il pin e massa. In questa modalità il pin è mantenuto a circa 1V di tensione. Il pin può essere anche utilizzato per spegnere il caricabatterie e il circuito di regolazione |
La corrente di carica
Come visto sopra, è possibile definire il valore della corrente di carica, dato che in larga misura vincolerà la velocità di carica. Per calcolare il valore della resistenza da inserire fra il pin 6 e la massa occorre impiegare le due formule seguenti a seconda del valore di corrente impostato:
Per chi non volesse perdersi tanto in conti, di seguito una tabella coi valori pre calcolati della resistenza di programmazione per le correnti di carica più comuni.
RPROG (k) | IBAT (mA) |
20k | 50 |
10k | 100 |
5k | 200 |
4k | 250 |
3k | 300 |
2k | 400 |
1.6k | 500 |
La dissipazione
Come tutti i regolatori, anche questo circuito dissiperà una certa quantità di energia in calore durante il processo di carica della batteria. Occorre quindi in fase di progetto tenere sotto controllo la temperatura interna del chip tramite le valutazioni seguenti:
La potenza dissipata dal dispositivo (come tutti i regolatori lineari) durante la carica vale:
La resistenza giunzione-ambiente vale 150°C/W
data una corrente di carica (ad esempio 400mA) e una tensione di ingresso (ad esempio i 5V di una porta USB) è possibile calcolare la temperatura massima ambiente a cui far lavorare in sicurezza il dispositivo come:
mentre è possibile calcolare la corrente massima in funzione di tensione di ingresso (sempre 5V ad esempio) e temperatura ambiente (ad esempio 60°C) come segue:
Nel caso nella propria applicazione non si rientrasse nell'area di funzionamento di sicurezza del dispositivo, si può migliorare la situazione applicando allo stesso un dissipatore costituito da una opportuna superficie di circuito stampato. Valori guida sono riportati nel datasheet del componente.
Varianti
Concludiamo questo breve articolo con la presentazione di alcune varianti al circuito base.
Per i più “pigri” che non volessero cimentarsi nell'assemblaggio dei pochi componenti, segnalo come siano facilmente reperibili circuiti già premontati, in cui occorre solo definire la resistenza di programmazione carica.
Bibliografia
http://www.minisumo.net/guide/strumentazione/costruiamo-un-carica-batterie-litio/
http://www.elio.org/iw2bsf/litio_batt.pdf
https://it.wikipedia.org/wiki/Accumulatore_agli_ioni_di_litio
http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries
datasheet TP4057