Ricaricare una cella litio RKE02.2016

Illustrazione 1: Il circuito completo di ricarica per cella al litio comparato con una moneta da un Eurocent

Semplice caricabatteria per 1 cella litio

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).

Illustrazione 2: Esempio di curve di ricarica. Notare la prima fase a corrente costante seguita da quella a tensione costante. Fonte: datasheet TP4057

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: