Bau einer Lithium-Ion / Polymer-Akku mit einer eingebetteten Protection Circuit Module (PCM)

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Im Vergleich zu anderen Typen

von wiederaufladbaren Batterien, die hohe Energiedichte mit Lithium-Ionen und Lithium-Polymer-Zellen assoziiert sind sie die ideale Energiequelle für tragbare elektronische Geräte. Aus diesem Grund kann die aufladbare Lithiumbatterien in einer Vielzahl von Verbraucherelektronikgeräten, wie Mobiltelefone, Laptops, Digitalkameras und schnurlose Elektrowerkzeuge zu finden. Um ihre Lebensdauer zu maximieren und die Sicherheit betrifft, sowohl Lithium-Ionen (Li-Ion) und Lithium-Polymer (Li-Po) Zellen erfordern die Verwendung einer Schutzschaltung Model (PCM), wenn sie zusammengebaut, um eine Batterie zu bilden (siehe Abbildung 4). Der PCM kann in der Lade eingebettet sein oder dauerhaft auf jede einzelne Batteriepack befestigt.

Ziel:

Das Ziel für diese Anwendungshinweise, um die Vor- und Nachteile von wiederaufladbaren Lithium-Batterie-Technologie zu erklären, erklären die Notwendigkeit einer Schutzschaltung, beschreiben die beiden wichtigsten Methoden für die Implementierung eines PCM, und weisen Sie dem Leser, wie man ein Li-Ion oder Li zu konstruieren -PO Batterie, die einen integrierten PCM enthält.

Achtung! Diese Anwendungshinweise sind für den Einsatz in der theoretischen Michigan State University, ECE 480 Kurs bestimmt. Während der Autor tut haben Erfahrung in diesem Bereich und für bestimmte Arten von elektrischen Anlagen hier in der Leser wird aufgefordert, in allen solchen Batterie oder Stromkreis in diesem Papier ohne eine gründliche, professionelle Ausbildung in der Elektrotechnik aufbauen und nachdem alle Daten gelesen diskutiert vom Hersteller der Zellen, PCM, Ladegerät und anderen Geräten oder Einrichtungen auf, verwendet in oder in der Nähe der Kreislauf und / oder System. Darüber hinaus übernimmt der Autor keine Haftung für Verletzungen oder Zerstörung, die von einem einzelnen, der nicht der Autor auftreten kann, versucht es, eine Vorrichtung zu konstruieren, wie in diesem Anhang beschrieben.

Wenn Sie die oben genannten Anforderungen nicht erfüllt haben; Bauen nicht DIESES GERÄT!

Hintergrund:

Als Elektrotechniker, ist es wahrscheinlich an einem gewissen Punkt in unserer Karriere werden wir ein gewisses Maß an professionellen Engagement bei batteriebetriebenen Systemen haben. Wiederaufladbare Nickel-Metall-Hydrid (Ni-MH) und Nickel-Cadmium (NiCd) Zellen und Blei-Säure-Batterien sind nicht mehr die Standard-Akku-Technologien. Diese drei Technologien leiden unter niedrigeren Energiedichten (50-112, 33-75, 18-55 & J / kg) als herkömmliche, den einmaligen Gebrauch Zink-Kohle oder Alkaline-Zellen. Das hat diese einmalige Nutzung Batterien und Zellen für viele Consumer-Anwendungen wünschenswerter gemacht.

Die wiederaufladbaren Zellen der neuen Generation haben es möglich, höhere Energiedichte (95 bis 335 J / kg), relativ hohe Nennspannung (zwischen 3 und 4 Volt), und die Fähigkeit, eine Gebühr für die Jahre halten kombinieren gemacht, in einem kompakten Akku dass übertrifft einmalige Nutzung Batterien. Die Fähigkeit von Lithium-Ionen (Li-Ion) und Lithium-Polymer (Li-Po) Zellen in der Leistung aufzuladen und zu entladen mehr als 1000 Mal, ohne eine Verringerung, macht sie umweltfreundlich als auch. Steigender Massenproduktion dieser Zellen wurde diese Technologie wirtschaftlicher gestaltet. Der Höhepunkt dieser Faktoren wird schnell machen wiederaufladbare Lithium-Zellen, die die bevorzugte Energiequelle für tragbare elektronische Geräte

Wiederaufladbare Lithium-Zellen sind nicht ohne Nachteile. Der Hauptbestandteil, Lithium, ist sehr reaktiv, so dass Zellen, die es noch gefährlicher als die Verwendung eines anderen wiederaufladbare Zelle-Technologie enthalten. Aufgrund der erhöhten Sicherheitsrisiko, beide Lithium-Ionen und Lithium-Polymer-Batterien erfordern die Einbeziehung von vier Sicherheitsfunktionen, um die Gefahr von Bränden oder Explosionen zu reduzieren:

- Shutdown Separator (Deaktiviert eine Zelle, wenn seine Temperatur zu hoch ist)

- Tear-away-Tab (Deaktiviert eine Zelle, wenn seine internen Druck zu hoch ist)

- Vent (Releases up Innendruck in einer Zelle gebaut)

- Thermische Interrupt (Deaktiviert eine Zelle, wenn sie überladen wird oder wenn der aktuelle Pegel verwendet werden, um zu laden sie zu hoch ist)

Abgesehen von der Erhöhung der Gesamtkomplexität dieser Zellen, diese Sicherheitsmerkmale nehmen Platz, fügen Sie Gewicht und begrenzen Gestaltungsmöglichkeiten. Da die Aktivierung der Sicherheitsfunktion dauerhaft und irreversibel eine Zelle zu deaktivieren, sind wiederaufladbare Lithium-Batterien in der Regel aktive Schaltungstechnik für den Schutz, vor allem während des Ladezyklus.

Diese Schutzschaltung wird oft in einem PCM enthalten (Protection Circuit Module, siehe Abbildung 4). Der PCM kann in der Lade eingebettet sein oder endgültig an einen einzelnen Batteriepack befestigt. Der Rest dieser Hinweise wird die Vor- und Nachteile jeder Methode der Umsetzung zu diskutieren und über die Details für den Bau von einem Li-Ion oder Li-Po Akku, der eine fest angebrachte PCM enthält gehen.

Vergleich der Methoden:

Es gibt zwei Methoden für die Implementierung einer Lithium-Ionen oder Lithium-Polymer-Batterie unter Verwendung einer Schutzschaltung Modul oder PCM. Erstens kann das PCM in der Ladepackung eingebettet sein (siehe Abb. 1a). Während auf dem Ladegerät wird der Akku der Standardschutz durch eine PCM inklusive angeboten haben:

- Überladeschutz

- Kurzschluss-Schutz

- Ladestrombegrenzung

- Balancing-Funktionen für jede Zelle.

Dieses System ist jedoch nicht in der Lage, um die Batterie zu schützen, wenn es aus dem Ladegerät entfernt. Dies bedeutet, dass der Akku seine Selbst hat wenige oder keine befestigt aktive Schaltungselemente, die ihren Betrieb überwachen wird. Die Vorteile und die Nachteile dieses Systems sind unten in Tabelle 1 gezeigt.

Vorteile

Nachteile

Reduzierte Batteriegewicht

Kein Aktiver Batterieschutz während der Verwendung

Verwendet nur eine PCM

Erhöhtes Sicherheitsrisiko

Reduzierte Kosten für mehrere Batterien

Reduzierte Akkuleistung und kürzere Lebens

Tabelle 1 Vor- und Nachteile der Lade eingebettet PCM.

Als nächstes kann der PCM dauerhaft auf jedem einzelnen Batteriepack befestigt werden (siehe Abb. 1b). Dieses System ist allgemein in wiederaufladbaren Lithium-Batterien, die mehrere Zellen aufweisen, sind teurer verwendet, und wobei die kleine Menge zusätzliches Gewicht eines PCM die Leistung nicht zu bewirken. Die Vorteile und die Nachteile dieses Systems sind in der folgenden Tabelle 2 gezeigt.

Vorteile

Nachteile

Fulltime Aktiver Batterieschutz

Erhöhte Gewicht u Komplexität Battery

Erhöhte Systemsicherheit

Jede Batterie benötigt eine eigene PCM

Optimal Battery Performance & Life

Erhöhte Kosten für mehrere Batterien

Fähigkeit, Battery In-Place Laden

Die Verwendung von nicht spezialisierten Power Sources zum Aufladen

Verwendung von Onboard Batterieladeanzeige

Tabelle 2. Vor- und Nachteile PCM Bordbatterie.

Die Vorteile der interne PCM in der Regel das anfängliche erhöhten Kosten und Gewicht wert. Die Kostensteigerung ist oft durch die längere Akkulaufzeit amortisiert, in-place Lade und erhöhte Batterieleistung.

Wie:

Batterie / Zellengröße und Bewertung: Dieser Abschnitt enthält Anweisungen, wie man die zweite wiederaufladbare Li-Ion / Po-Akku-System mit einem Onboard-PCM montieren. Um ein Batteriesystem, die richtige Größe für die jeweilige Anwendung ist zu konstruieren, und vorausgesetzt, Sie haben bereits festgestellt haben, die Spannung benötigt, müssen Sie die Amperestunden, die mithilfe der folgenden Formel benötigt werden, zu berechnen:

(Current Erforderlich für Betrieb) X (Betriebsdauer) = AH

Nach der Bestimmung der Amperestunden das Element angetrieben wird verwendet werden, ist es normalerweise eine gute Idee, um 10 bis 20% auf den berechneten Amperestunden-Ergebnis hinzufügen.

Weiter benötigen Sie, um einen Lithium-Ionen oder Lithium-Polymer-Zelle, die einen Verstärker Stunde Bewertung nächste Ebene ermittelt hat zu wählen. Wenn Sie die genaue Bewertung benötigen Sie nicht finden können, sollten Sie eine Zelle, die eine höhere Amperestunden-Bewertung hat zu wählen.

Weiter benötigen Sie, um festzustellen, wie viele dieser Zellen, die Sie benötigen, um den Spannungspegel Ihr System zu erhalten. Beide Arten von wiederaufladbaren Lithiumzellen haben in der Regel einen Nennspannung von 3,7 Volt. Die Wahl der Batteriespannungen wird üblicherweise ein Mehrfaches dieser Zahl beschränkt.

Wählen Sie die entsprechende Anzahl von Zellen in Reihe erforderlich ist, um den Spannungspegel benötigen Sie zu erreichen.

Wo kann ich bestellen: Weiter benötigen Sie, um eine PCM, das entworfen, um diese Spannung zu nutzen und bewertet für die aktuelle die Sie benötigen wählen.

Montage: Nachdem man die Zellen empfangen haben und die PCM ist es eine einfache Sache, das Verlöten der Zellen, die miteinander in Reihe und dann zu dem PCM verbinden, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4. Anschlussschema für ein Drei-Zelle (11,1 V) Li-Ion / Po PCM.

Das PCM in Figur 4 benutzt drei Li-Ion / PO Zellen in Serie, um eine kombinierte Spannung von 11,1 V zu erzeugen. Auf der linken Seite können Sie die positiven und negativen Anschlüssen (P & P +) und der Anschluss für die Kraftstoffanzeige zu sehen. Auf der rechten Seite können Sie die Punkte, wo die Batterie und einzelne Zellen zu verbinden sind zu sehen. Die einzelnen Zellen angeschlossen sind, so daß der PCM zuführen Ausgleichsfunktion, um sicherzustellen, daß jede Zelle eine äquivalente Spannungspegel beibehält kann, und überschreitet nicht die einzelnen Zellen Ladung und Überentladung Grenzen (üblicherweise im Bereich von etwa 4,2 - 4.35V und 2,4 - 2,5 V beziehungsweise).

Und der Nominalspannungsniveau der Batterie wird in der Regel gleich der Anzahl der Zellen-fachen der Nennspannung jeder Zelle (N x 3,7), sollte man sich bewusst sein, dass dieser ein Mittelwert. Die maximalen und minimalen Spannungen der Batterie wird die Anzahl der Zellen-fache der Überladung und Überentladung Grenzen betragen. Dies kann oder kann nicht die gleiche Anzahl in der Anleitung für die PCM die Sie ausgewählt haben angezeigt sein. Für die 11.1v System in Abbildung 4 die maximale Batteriespannung berechnet werden, höher als die PCM-Spezifikation sein. Dies ist in Ordnung, da der interne PCM-System wird auch verwendet, wenn die Batterie geladen, so lange, wie es durch den P + und P- Anschlüssen des PCM geladen ist, wird es nie die höhere Überladung und Überentladung Grenzen der Zellen zu erreichen.

Aufladung: Um Ihren PCM Bordbatterie aufzuladen schließen Sie einfach die entsprechenden PCM-Terminals, um eine Gleichstromversorgung, sicherzustellen, dass die verwendeten Strompegel in Übereinstimmung mit der vom Hersteller der verwendeten einzelnen Batteriezellen oder dem PCM, die jemals festgelegten Wert niedriger ist.

Achtung! Diese Anwendungshinweise sind für den Einsatz in der theoretischen Michigan State University, ECE 480 Kurs bestimmt. Während der Autor tut haben Erfahrung in diesem Bereich und für bestimmte Arten von elektrischen Anlagen hier in der Leser wird aufgefordert, in allen solchen Batterie oder Stromkreis in diesem Papier ohne eine gründliche, professionelle Ausbildung in der Elektrotechnik aufbauen und nachdem alle Daten gelesen diskutiert vom Hersteller der Zellen, PCM, Ladegerät und anderen Geräten oder Einrichtungen auf, verwendet in oder in der Nähe der Kreislauf und / oder System. Darüber hinaus übernimmt der Autor keine Haftung für Verletzungen oder Zerstörung, die von einem einzelnen, der nicht der Autor auftreten kann, versucht es, eine Vorrichtung zu konstruieren, wie in diesem Anhang beschrieben.

Wenn Sie die oben genannten Anforderungen nicht erfüllt haben; Bauen nicht dieses oder irgendwelche in diesem Dokument erwähnten anderen Gerät aus!

Custom battery pack, Protection circuit modules, LiFePO4 Battery