4つのシンプルなリチウムイオンバッテリー充電回路– LM317、NE555、LM324を使用

次の投稿では、LM317やNE555などの通常のICを使用してLi-ionバッテリーを充電する、4つの簡単で安全な方法について説明します。これらは、新しい愛好家なら誰でも自宅で簡単に構築できます。

リチウムイオン電池は脆弱なデバイスですが、充電速度によって電池が大幅に温まらない場合、およびユーザーがセルの充電期間のわずかな遅延を気にしない場合は、より簡単な回路で充電できます。

バッテリーの急速充電を希望するユーザーは、以下に説明する概念を使用しないでください。代わりに、これらのいずれかを使用できます。 プロのスマートデザイン 。

リチウムイオン充電に関する基本的な事実

リチウムイオン充電器の構築手順を学ぶ前に、リチウムイオン電池の充電に関連する基本的なパラメータを知ることが重要です。

鉛蓄電池とは異なり、リチウムイオン電池は、電池自体のAh定格と同じくらい高い初期電流で充電できます。これは、1Cレートでの充電と呼ばれます。ここで、CはバッテリーのAh値です。

そうは言っても、この極端な速度を使用することは決してお勧めできません。これは、温度の上昇による非常にストレスの多い条件でバッテリーを充電することを意味するためです。したがって、0.5Cの速度が標準の推奨値と見なされます。

0.5Cは、バッテリーのAh値の50％である充電電流率を意味します。熱帯の夏の条件では、このレートでさえ、既存の高い周囲温度のために、バッテリーにとって不利なレートになる可能性があります。

リチウムイオン電池の充電には複雑な考慮が必要ですか？

絶対違う。これは実際には非常に使いやすい形式のバッテリーであり、最小限の考慮事項で充電されますが、これらの最小限の考慮事項は不可欠であり、必ず従う必要があります。

重要であるが実装が容易な考慮事項は、フル充電レベルでの自動カットオフ、定電圧、および定電流入力電源です。

次の説明は、これをよりよく理解するのに役立ちます。

次のグラフは、フル充電レベルとして4.2Vの定格を持つ標準の3.7Vリチウムイオンセルの理想的な充電手順を示しています。

ステージ＃1 ：初期段階＃1では、1アンペアの定電流充電率で約1時間でバッテリー電圧が0.25Vから4.0Vレベルに上昇することがわかります。これは青の線で示されます。 0.25 Vは表示のみを目的としており、実際の3.7Vセルは3V未満で放電しないでください。

ステージ＃2： ステージ＃2では、充電は 飽和電荷状態 、ここで電圧は4.2 Vのフル充電レベルにピークに達し、消費電流は低下し始めます。現在のレートのこの低下は、次の数時間続きます。充電電流は赤い点線で示されています。

ステージ＃3 ：電流が低下すると、セルのAh定格の3％未満の最低レベルに達します。

これが発生すると、入力電源がオフになり、セルはさらに1時間落ち着きます。

1時間後、セル電圧は実際の電圧を示します 充電状態またはSoC セルの。セルまたはバッテリーのSoCは、完全充電の過程で達成された最適な充電レベルであり、このレベルは、特定のアプリケーションに使用できる実際のレベルを示します。

この状態で、セルの状態を使用する準備ができていると言えます。

ステージ＃4 ：セルが長期間使用されない状況では、補充充電が時々適用され、セルによって消費される電流はそのAh値の3％未満です。

グラフは、4.2 Vに達した後でも充電されているセルを示していますが、 それは リチウムイオン電池の実際の充電中は絶対にお勧めしません 。セルが4.2Vレベルに達するとすぐに、電源を自動的に遮断する必要があります。

では、グラフは基本的に何を示唆していますか？

1. 上で説明したように、固定電流と固定電圧の出力を持つ入力電源を使用します。 （通常、これは次のようになります=電圧は印刷値より14％高く、電流はAh値の50％、これより低い電流もうまく機能しますが、充電時間は比例して増加します）
2. 充電器は、推奨されるフル充電レベルで自動カットオフする必要があります。
3. 入力電流がバッテリーの加温を引き起こさない値に制限されている場合、バッテリーの温度管理または制御は必要ない場合があります。

自動カットオフがない場合は、定電圧入力を4.1Vに制限するだけです。

1）単一のMOSFETを使用した最も単純なリチウムイオン充電器

あなたが最も安くて最も単純なリチウムイオン充電器回路を探しているなら、これより良い選択肢はありません。

この設計には温度調節がないため、入力電流を低くすることをお勧めします

シンプルで安全な充電器回路を作成するために必要なのは、単一のMOSFET、プリセットまたはトリマー、および470オームの1/4ワット抵抗だけです。

出力をリチウムイオンセルに接続する前に、いくつかのことを確認してください。

1）上記の設計には温度調節が組み込まれていないため、入力電流はセルの大幅な加熱を引き起こさないレベルに制限する必要があります。

2）セルが接続されるはずの充電端子間で正確に4.1Vになるようにプリセットを調整します。これを修正する優れた方法は、プリセットの代わりに正確なツェナーダイオードを接続し、470オームを1Kの抵抗に置き換えることです。

電流の場合、通常、約0.5Cの定電流入力が適切です。これは、セルのmAh値の50％です。

現在のコントローラーの追加

入力ソースが電流制御されていない場合、その場合、以下に示すように、単純なBJT電流制御ステージで上記の回路をすばやくアップグレードできます。

RX = 07 /最大充電電流

リチウムイオン電池の利点

リチウムイオン電池の主な利点は、電荷をすばやく効率的に受け入れることができることです。ただし、リチウムイオン電池は、高電圧、高電流、そして最も重要な過充電状態などの好ましくない入力に敏感すぎるという評判が悪い。

上記の条件のいずれかで充電すると、セルが暖かくなりすぎて、条件が続くと、セルの液体が漏れたり、爆発したりして、最終的にセルに恒久的な損傷を与える可能性があります。

不利な充電条件下でセルに最初に発生するのは温度の上昇です。提案された回路コンセプトでは、セルが高温に達することを決して許されない、必要な安全操作を実装するためにデバイスのこの特性を利用します。セルの必要な仕様を十分に下回るパラメータ。

2）コントローラーICとしてLM317を使用

このブログでは、多くの人に出くわしました ICLM317およびLM338を使用したバッテリー充電器回路 これは最も用途が広く、説明した操作に最も適したデバイスです。

ここでもICLM317を使用していますが、このデバイスは、接続されたリチウムイオンセルに必要な安定化電圧と電流を生成するためにのみ使用されます。

実際の検出機能は、充電中のセルと物理的に接触するように配置された2つのNPNトランジスタによって実行されます。

与えられた回路図を見ると、 3種類の保護 同時に：

セットアップに電力が供給されると、IC 317は制限し、接続されたリチウムイオン電池に3.9Vに等しい出力を生成します。

1. ザ・ 640オームの抵抗器 この電圧が完全な充電制限を超えないようにします。
2. 標準のダーリントンモードでICのADJピンに接続された2つのNPNトランジスタがセル温度を制御します。
3. これらのトランジスタも次のように機能します 電流リミッター 、リチウムイオン電池の過電流状態を防ぎます。

IC 317のADJピンが接地されている場合、その状況はIC317からの出力電圧を完全に遮断することがわかっています。

これは、トランジスタが導通すると、ADJピンがグランドに短絡し、バッテリへの出力が遮断されることを意味します。

上記の機能を使用して、ここでダーリントンペアはいくつかの興味深い安全機能を実行します。

ベースとグランドの間に接続された0.8抵抗は、最大電流を約500 mAに制限します。電流がこの制限を超える傾向がある場合、0.8オーム抵抗の両端の電圧は、ICの出力を「チョーク」するトランジスタをアクティブにするのに十分になります。 、および電流のそれ以上の上昇を抑制します。これにより、バッテリーに不要な電流が流れるのを防ぐことができます。

パラメータとして温度検出を使用する

ただし、トランジスタによって実行される主な安全機能は、リチウムイオン電池の温度上昇を検出することです。

すべての半導体デバイスと同様に、トランジスタは周囲温度または体温の上昇に比例して電流を伝導する傾向があります。

説明したように、これらのトランジスタはバッテリと物理的に密接に接触するように配置する必要があります。

ここで、セル温度が上昇し始めた場合、トランジスタがこれに応答して導通を開始するとします。導通により、ICのADJピンが瞬時にグランド電位にさらされ、出力電圧が低下します。

充電電圧が低下すると、接続されているリチウムイオン電池の温度上昇も低下します。その結果、セルの充電が制御され、セルが暴走することのないようにし、安全な充電プロファイルを維持します。

上記の回路は温度補償原理で動作しますが、自動過充電遮断機能が組み込まれていないため、最大充電電圧は4.1Vに固定されています。

温度補償なし

温度制御の煩わしさを避けたい場合は、BC547のダーリントンペアを無視して、代わりに単一のBC547を使用できます。

現在、これはリチウムイオンセルの電流/電圧制御電源としてのみ機能します。必要な変更されたデザインは次のとおりです。

変圧器は0-6 / 9 / 12V変圧器にすることができます

ここでは温度制御が採用されていないため、Rc値が0.5Cレートに対して正しく寸法設定されていることを確認してください。これには、次の式を使用できます。

Rc = 0.7 / Ah値の50％

Ah値が2800mAhとして印刷されているとします。次に、上記の式は次のように解くことができます。

Rc = 0.7 / 1400 mA = 0.7 / 1.4 = 0.5オーム

ワット数は0.7x 1.4 = 0.98、つまり単に1ワットになります。

同様に、4k7プリセットが出力端子間で正確に4.1Vに調整されていることを確認してください。

上記の調整が行われると、厄介な状況を心配することなく、目的のリチウムイオンバッテリーを安全に充電できます。

4.1 Vでは、バッテリーが完全に充電されているとは想定できません。

上記の欠点に対処するために、自動カットオフ機能は上記の概念よりも有利になります。

このブログで多くのオペアンプ自動充電器回路について説明しましたが、提案された設計にはどれでも適用できますが、設計を安価で簡単に保つことに関心があるため、以下に示す代替案を試すことができます。

カットオフにSCRを採用

温度監視なしで自動カットオフのみを行うことに興味がある場合は、以下で説明するSCRベースの設計を試すことができます。 SCRは、ラッチング操作のためにADJとICのグランドの両端で使用されます。ゲートは、電位が約4.2Vに達すると、SCRが起動してラッチをオンにし、バッテリーへの電力を永久に遮断するように出力が装備されています。

しきい値は、次の方法で調整できます。

最初に1Kプリセットをグランドレベル（右端）​​に調整したままにし、出力端子に4.3V外部電圧源を印加します。
次に、SCRがちょうど発火する（LEDが点灯する）まで、プリセットをゆっくりと調整します。

これにより、自動シャットオフ動作の回路が設定されます。

上記の回路を設定する方法

最初に、プリセットの中央のスライダーアームを回路のアースレールに接触させたままにします。

ここで、バッテリースイッチをオンに接続せずに、700オームの抵抗によって設定されたフル充電レベルを自然に示す出力電圧を確認します。

次に、SCRが起動して出力電圧がゼロになるまで、プリセットを非常に巧みにゆっくりと調整します。

これで、回路がすべて設定されたと想定できます。

放電したバッテリーを接続し、電源を入れて応答を確認します。おそらく、設定されたしきい値に達するまでSCRは起動せず、バッテリーが設定されたフル充電しきい値に達するとすぐに停止します。

3）IC555を使用したリチウムイオンバッテリー充電回路

2番目のシンプルなデザインは、ユビキタスIC555を使用した簡単で正確な自動リチウムイオンバッテリー充電回路を説明しています。

リチウムイオン電池の充電は重要な場合があります

リチウムイオン電池は、通常の方法で充電すると、電池の損傷や爆発につながる可能性があるため、制御された条件下で充電する必要があります。

基本的に、リチウムイオン電池はセルを過充電するのが好きではありません。セルが上限しきい値に達したら、充電電圧を遮断する必要があります。

次のリチウムイオンバッテリー充電回路は、接続されたバッテリーが過充電制限を超えることが決してないように、上記の条件に非常に効率的に従います。

IC 555をコンパレータとして使用する場合、そのピン＃2とピン＃6は、関連するプリセットの設定に応じて、電圧しきい値の下限と上限を検出するための効果的な検出入力になります。

ピン＃2は、低電圧しきい値レベルを監視し、レベルが設定された制限を下回った場合に高ロジックへの出力をトリガーします。

逆に、ピン＃6は、上限電圧しきい値を監視し、設定された上限検出限界よりも高い電圧レベルを検出すると、出力をローに戻します。

基本的に、上部カットオフと下部スイッチオンのアクションは、ICの標準仕様と接続されたバッテリーを満たす関連するプリセットを使用して設定する必要があります。

ピン＃2に関するプリセットは、下限がVccの1/3に対応するように設定する必要があり、ピン＃6に関連する同様のプリセットは、上限カットオフ限界がVccの2/3に対応するように設定する必要があります。 IC555の標準規則に従って。

使い方

IC 555を使用して提案されたリチウムイオン充電器回路の機能全体は、以下の説明で説明されているように行われます。

以下に示す回路の出力に、完全に放電したリチウムイオン電池（約3.4V）が接続されていると仮定します。

下限しきい値が3.4Vレベルより上のどこかに設定されていると仮定すると、ピン＃2はすぐに低電圧状態を検知し、ピン＃3で出力をハイにプルします。

ピン＃3のハイは、接続されたバッテリへの入力電源をオンにするトランジスタをアクティブにします。

バッテリーは徐々に充電を開始します。

バッテリがフル充電（@ 4.2V）に達するとすぐに、ピン＃6の上限カットオフしきい値が約4.2vに設定されていると仮定すると、ピン＃6でレベルが検出され、出力がすぐにローに戻ります。

低出力はトランジスタを瞬時にオフにします。これは、バッテリへの充電入力が禁止または遮断されることを意味します。

トランジスタステージを含めることで、より高電流のリチウムイオンセルを充電する機能も提供されます。

変圧器は、電圧が6Vを超えず、定格電流がバッテリーのAH定格の1/5になるように選択する必要があります。

回路図

上記のデザインが非常に複雑であると感じる場合は、はるかに単純に見える次のデザインを試すことができます。

回路の設定方法

示されているポイントに完全に充電されたバッテリーを接続し、リレーがN / CからN / Oの位置に非アクティブになるようにプリセットを調整します。これは充電DC入力を回路に接続せずに行います。

これが完了すると、回路が設定され、完全に充電されたときに自動バッテリー供給が遮断されるように使用できると想定できます。

実際の充電中は、充電入力電流が常にバッテリーのAH定格よりも低いことを確認してください。つまり、バッテリーのAHが900mAHであるとすると、入力は500mAを超えてはなりません。

1Kプリセットによるバッテリーの自己放電を防ぐために、リレーがオフになったらすぐにバッテリーを取り外す必要があります。

IC1 = IC555

すべての抵抗器は1/4ワットCFRです

IC555ピン配列

結論

上記の設計はすべて技術的に正しく、提案された仕様に従ってタスクを実行しますが、実際にはやり過ぎのように見えます。

リチウムイオン電池を充電するためのシンプルで効果的かつ安全な方法が説明されています この投稿で 、およびこの回路は、定電流とフル充電の自動カットオフという2つの重要なパラメータを完全に処理するため、すべての形式のバッテリに適用できます。充電源から定電圧が得られると想定しています。

4）多くのリチウムイオン電池を充電する

この記事では、12Vバッテリーや12Vソーラーパネルなどの単一の電圧源から、少なくとも25個のリチウムイオンセルを並列にすばやく充電するために使用できる簡単な回路について説明します。

このアイデアは、このブログの熱心なフォロワーの1人からリクエストされました。聞いてみましょう：

多くのリチウムイオン電池を一緒に充電する

25個のリチウム電池（各3.7v-800mA）を同時に充電する回路の設計を手伝ってもらえますか。私の電源は12v-50AHバッテリーです。また、このセットアップで1時間あたり何アンペアの12vバッテリーが消費されるかを教えてください...事前に感謝します。

デザイン

充電に関しては、リチウムイオン電池は鉛蓄電池と比較してより厳しいパラメータを必要とします。

リチウムイオン電池は充電プロセス中にかなりの量の熱を発生する傾向があるため、これは特に重要になります。この発熱が制御できない場合、電池に重大な損傷を与えたり、爆発を引き起こす可能性があります。

ただし、リチウムイオン電池の良い点の1つは、C / 5を超える充電速度を許可しない鉛蓄電池とは対照的に、最初は完全な1C速度で充電できることです。

上記の利点により、リチウムイオン電池は鉛蓄電池のカウンターパートよりも10倍速い速度で充電されます。

前述のように、熱管理が重要な問題になるため、このパラメータを適切に制御すれば、残りの作業は非常に簡単になります。

これは、これらのセルからの発熱を監視し、必要な修正措置を開始するものがあれば、何も気にせずに完全な1Cレートでリチウムイオンセルを充電できることを意味します。

セルからの熱を監視し、熱が安全なレベルから逸脱し始めた場合に充電電流を調整する別の熱感知回路を接続することによって、これを実装しようとしました。

1Cレートで温度を制御することが重要です

以下の最初の回路図は、ICLM324を使用した正確な温度センサー回路を示しています。そのopampsの3つはここで採用されました。

ダイオードD1は1N4148であり、ここでは温度センサーとして効果的に機能します。このダイオードの両端の電圧は、温度が1度上昇するごとに2mV低下します。

D1の両端の電圧のこの変化により、A2は出力ロジックを変更するように促され、A3はそれに応じて、出力電圧を徐々に増加させます。

A3の出力はオプトカプラーLEDに接続されています。 P1の設定に従って、A4出力はセルからの熱に応答して増加する傾向があり、最終的に接続されたLEDが点灯し、オプトの内部トランジスタが導通します。

これが発生すると、オプトトランジスタは必要な修正アクションを開始するためにLM338回路に12Vを供給します。

2番目の回路は、ICLM338を使用した単純な安定化電源を示しています。 2k2ポットは、接続されたリチウムイオンセル間で正確に4.5Vを生成するように調整されています。

上記のIC741回路は、セルの電荷を監視し、4.2Vを超えると電源を切断する過充電遮断回路です。

ICLM338の近くの左側にあるBC547は、セルが熱くなり始めたときに適切な修正措置を適用するために導入されています。

セルが熱くなり始めた場合、温度センサーのオプトカプラーからの供給がLM338トランジスタ（BC547）に当たり、トランジスタが導通し、温度が通常のレベルに下がるまでLM338出力を即座に遮断します。このプロセスは、 IC 741がアクティブになり、セルをソースから永久に切断すると、セルは完全に充電されます。

25個のセルすべてをこの回路に並列に接続できます。各正のラインには、電荷を均等に分配するために、個別のダイオードと5オームの1ワット抵抗を組み込む必要があります。

セルパッケージ全体を共通のアルミニウムプラットフォームに固定して、熱がアルミニウムプレート全体に均一に放散されるようにする必要があります。

放散された熱がセンサーD1によって最適に感知されるように、D1はこのアルミニウムプレート上に適切に接着する必要があります。

自動リチウムイオンセル充電器およびコントローラー回路。

結論

• バッテリーを維持するために必要な基本的な基準は、便利な温度で充電することと、完全に充電されたらすぐに電源を切ることです。これは、バッテリーの種類に関係なく従う必要のある基本的なことです。これを手動で監視することも、自動にすることもできます。どちらの場合も、バッテリーは安全に充電され、寿命が長くなります。
• 充電/放電電流はバッテリーの温度の原因です。これらが周囲温度と比較して高すぎる場合、バッテリーは長期的には大きな打撃を受けます。
• 2つ目の重要な要素は、バッテリーが大量に放電しないようにすることです。フル充電レベルを復元し続けるか、可能な限り補充し続けます。これにより、バッテリーが低い放電レベルに達することはありません。
• これを手動で監視するのが難しい場合は、説明されているように自動回路を使用できます このページで 。

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