Лавренюк А.С., Пустова К.Г., Сніжко Є.М.

Дніпропетровський національний університет

Контролер заряду літієвих акумуляторів

Постановка проблеми. Акумулятори на основі літію (літій-іонні та літій-полімерні) завдяки високій енергетичній щільності, низькому саморозряду і відсутності т.зв. ефекту пам'яті, в даний час набули широкого поширення в якості джерел живлення для портативних електронних пристроїв, кількість яких з кожним роком тільки зростає. Акумулятори повинні заряджатися при ретельному контролі постійного струму і напруги. Надлишок заряду і необережне поводження з літій-іонними елементами може призвести до пошкодження або нестабільної роботи батареї.

Стан проблеми. Характеристики літій-іонних акумуляторів залежать від хімічного складу компонентів і варіюються в таких межах: напруга одиничного елементу номінальна 3.6 В, максимальна 4.23 В, мінімальна 2.5-3.0 В; питома енергоємність: 110 ... 230 Вт×год./кг; внутрішній опір 5–15 мОм/А×год.; число циклів заряд / розряд до втрати 80% ємності: 600; час швидкого заряду: 15 – 60 хв.; саморозряд при кімнатній температурі 3% на місяць; струм навантаження щодо ємності (С) постійний до 65С; імпульсний: до 500С; оптимальний: до 1С; діапазон робочих температур від 0 ° C до + 60 ° C (при негативних температурах заряд батарей неможливий) [1].. При використанні літієвих акумуляторів потрібно дотримуватися певних правил експлуатації: напруга акумулятора не вище 4.2 В і не нижче 2.7 В; напруга може обмежуватися в діапазоні 4.1– 3.0В; найбільша довговічність досягається при заряді 45%; перезаряд шкодить навіть більше, ніж глибокий розряд. Можна заряджати батарею як від зарядного пристрою, так і від порта USB. Порт USB може віддавати пристроям, підключеним до нього, струм до 500mA. Основний спосіб заряду літій-іонних і літій-полімерних акумуляторів, рекомендований виробниками, це заряд постійним струмом з контролем струму заряду і напруги на виходах акумулятора. Для цього призначені спеціалізовані, часто вбудовані в апаратуру зарядні пристрої з використанням спеціалізованих контролерів. Вони розробляються як на дискретних компонентах, так і на інтегральних мікросхемах [2]..

Постановка задачі. Зарядні пристрої для літієвих акумуляторів мають свої особливості, оскільки перезаряд і глибокий розряд може призвести до виходу акумулятора з ладу. Метою даної роботи була розробка та дослідження характеристик контролера на спеціалізованій мікросхемі.

Методика виконання. Розроблений компактний контролер заряду літій-іонних або полімерних акумуляторів на основі інтегральної мікросхеми MCP73831 фірми Microchip. Мікросхема забезпечує регульований струм зарядки від 15 мА до 500 мА для однієї комірки батареї [3].. Постійна напруга живлення схеми від 5 до 6В. Його можна підключити до USB порту. У табл. 1 наведені вхідні та вихідні контакти мікросхеми

Функції контактів мікросхеми MCP73831 Таблиця 1.

Контакт	Символ	Функція
4	VDD	Вхід живлення
3	VBAT	Вихід для заряду батареї
1	STAT	Вихід індикатора заряду
2	VSS	Загальний контакт
5	PROG	Від регулятора струму

Характеристики MCP73831: заряд акумулятора до 4.2 В; вхідна напруга - 3.7-6 В; програмований одним резистором струм заряду — 15 мА-1.5А; індикація заряду (або зчитування контролером); автоматичне керування логікою заряду; поставляється в корпусі SOT23-5.

Основні результати. .На рис.1 наведена схема контролера заряду літій-іонних або полімерних акумуляторів. Струм заряду може регулюватися за допомогою зовнішнього резистора за формулою І(А)=V(В)/R (кОм). Світлодіодний індикатор показує стан, коли літій-іонний акумулятор повністю заряджений. Максимальна зарядна напругу вибирається від 4.2 до 4.5В. Для різних мікросхем серії воно складає: MCP73831-2 <- 4,2В, MCP73831-3 < 4.3В, MCP73831-4 <4.4В, MCP73831-5 <- 4,5В.

Рис.1. Схема зарядного пристрою для літій-іонного акумулятора

Характеристики пристрою наведені на рис.2. Видно, що на першому етапі заряд проводиться постійним струмом, а на другому – постійною напругою.

Рис. 2. Вихідні характеристики контролера заряду при обмеженні

Висновки та подальші перспективи досліджень. Мікросхема MCP73831 (аналог LTC4054) забезпечує захист як акумулятора, так і зарядного пристрою. Вона здатна контролювати відібраний у акумулятора струм і автоматично припиняти заряд, щоб не відбулося перевантаження по струму. В подальшому передбачається дослідження впливу температури на процес зарядки-розрядки.

Список літератури

1.Варыпаев В. Н. Химические источники тока, М.: Высшая щкола, 1990. 240 с.

2.Щукин А., Воронин С. Микросхемы для заряда аккумуляторных батарей фирмы Linear Technology, Силовая электроника, 2004 (1), с.76-78

3.Miniature Single-Cell, Fully Integrated Li-Ion,Li-Polymer Charge Management Controllers, DS20001984F, Microchip Technologyб 2013, 30p.