Rino Liuzzi

Come caricare correttamente le batterie agli ioni di litio/polimeri di litio

Oggigiorno, le batterie agli ioni di litio/polimeri di litio sono ampiamente utilizzate nei dispositivi elettronici portatili che vengono ricaricati frequentemente. Un metodo di ricarica efficiente aumenta la durata della batteria e ne migliora le prestazioni. Pertanto, i progettisti elettronici devono conoscere la procedura di ricarica ideale nella progettazione di dispositivi alimentati a batteria che devono superare gli standard industriali. .

Batterie agli ioni di litio

Il litio è il metallo più leggero disponibile. Presenta il massimo potenziale elettrochimico e offre la maggiore densità energetica in rapporto al suo peso. Il litio è intrinsecamente instabile, soprattutto durante la carica. Pertanto, i ricercatori si sono concentrati su batterie al litio non metalliche che utilizzano ioni di litio. Gli ioni di litio offrono una densità energetica leggermente inferiore rispetto al litio metallico, tuttavia sono sicuri se si adottano determinate precauzioni (durante la carica e la scarica). La prima azienda a commercializzare le batterie agli ioni di litio è stata Sony Corporation nel 1991. Poco dopo, altri produttori l'hanno seguita. La Figura 1 mostra un'immagine delle batterie agli ioni di litio.

Figura 1: Batterie agli ioni di litio

Batterie ai polimeri di litio (Lipo)

La differenza tra le batterie ai polimeri di litio e quelle convenzionali risiede nel tipo di elettrolita utilizzato. Il design originale delle batterie Lipo utilizza un elettrolita polimerico solido. Questo elettrolita agisce come una pellicola di plastica che consente lo scambio ionico ma blocca la corrente. Solitamente, le batterie Lipo presentano un'elevata resistenza interna e una scarsa capacità di gestire picchi di corrente elevati (sebbene questo problema sia stato risolto in alcune costose batterie Lipo ad alta capacità); tuttavia, raggiungono livelli di sicurezza migliori e possono essere prodotte con profili di spessore ridotto. Questo le rende ideali per dispositivi portatili sottili come cellulari e tablet. La Figura 2 mostra una batteria Lipo.

Figura 2: Batterie ai polimeri di litio (Lipo)

Per quanto riguarda le regole di ricarica, le batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio non sono molto diverse. La Figura 3 mostra un ciclo di ricarica completo. Un processo di ricarica completo consiste in 3 fasi: PRE-carica , CC e CV .

Figura 3: Curva di carica delle batterie al litio

PRE-carica

Questa fase si riferisce alla condizione in cui la tensione iniziale di una batteria al litio è inferiore a 2,8 V. Come regola generale, la tensione di una batteria al litio (di qualsiasi tipo) non dovrebbe mai scendere sotto i 3,2 V, altrimenti la batteria è scarica e necessita di essere "rigenerata". Probabilmente vi sarà capitato di trovarvi in ​​una situazione in cui le batterie sono rimaste inutilizzate per lungo tempo (ad esempio all'interno della vostra fotocamera digitale) e la loro tensione è scesa sotto i 3,2 V. Non è possibile accendere il dispositivo o caricare le batterie normalmente.

La fase di precarica è importante perché se il processo di carica inizia dalla fase CC e una corrente elevata viene applicata a una batteria scarica, la batteria stessa ne verrebbe ulteriormente danneggiata e ne verrebbe ridotta la durata. Pertanto, un processo di carica di una batteria scarica dovrebbe iniziare con una corrente pari al 10-20% della capacità nominale della batteria. Ad esempio, se la capacità della batteria scarica è di 2.200 mA e si prevede di caricarla con 0,5 C (1.100 mA), è necessario impostare la corrente di carica a 220 mA o anche inferiore per la fase di PRE-carica. Tutti i caricabatterie professionali implementano la fase di precarica. Ecco come puoi riportare in vita la tua batteria!

CC (corrente costante)

Se la tensione della batteria è superiore a 2,8 V (o ha raggiunto questo livello durante la fase di pre-carica), è possibile caricarla con una corrente costante compresa tra 0,5 °C e 1 °C.

La velocità di carica di una batteria è indicata nella scheda tecnica. Di solito, è un valore compreso tra 0,5 °C e 1 °C. Alcuni produttori di batterie consentono correnti di carica più elevate per una ricarica più rapida, ma in caso di dubbi o se non si ha accesso alla scheda tecnica, si consiglia di caricare la batteria a 0,5 °C. Ad esempio, se la batteria è stata classificata a 2.200 mA, è necessario limitare la corrente di carica a 1.100 mA.

CV (tensione costante)

Come è chiaro nella Figura 3, una volta che la batteria raggiunge i 4,20 V (o 4,10 V in alcuni tipi di batteria), l'assorbimento di corrente si riduce e le curve di tensione e corrente entrano nella fase di CV. I 4,20 V sono un valore critico e devono essere preparati con una precisione di almeno l'1% o superiore; in caso contrario, la batteria verrà danneggiata o esploderà!

Nella fase CV, la tensione è costante (4,2 V), ma il flusso di corrente si riduce fino a raggiungere il 10% della corrente di carica. Ad esempio, se si avvia il processo di carica con una corrente di 1100 mA (0,5 C per una batteria da 2200 mA), la carica dovrebbe essere interrotta alla soglia di 110 mA, che indica una batteria completamente carica. Molti caricabatterie economici saltano la fase CV e interrompono la corrente quando la tensione della batteria raggiunge i 4,2 V, ma un buon caricabatterie dovrebbe seguire la fase CV.

Come caricare le batterie al litio

Finora, in teoria, sai come caricare le batterie al litio. Ma come implementare questi concetti nella pratica? Hai due opzioni: progettare il tuo caricabatterie combinando un microcontrollore e un alimentatore switching/lineare variabile oppure utilizzare un chip caricabatterie autonomo per batterie al litio. Parlerò del chip caricabatterie perché è facile da costruire e manutenere. Inoltre, puoi integrare uno di questi chip nel tuo prodotto/circuito stampato e alimentare il circuito dall'uscita del caricabatterie. La buona notizia è che l'assorbimento di corrente inversa di questi chip caricabatterie è ridotto e non scarica la batteria.

Esistono molti chip per caricabatterie al litio sul mercato. Una buona scelta potrebbe essere l'LTC1733. Si tratta di un caricabatterie lineare autonomo a 1 cella al litio. Può fornire una corrente di carica massima di 1,5 A. Inoltre, offre una precisione dell'1% per la tensione di carica. La Figura 4 mostra lo schema elettrico di base che abilita l'LT1733 con alcuni componenti esterni.

Figura 4: Diagramma schematico di un caricabatteria da 1 cella/1 A che utilizza LTC1733

Modificando la resistenza di pull-down del pin PROG, è possibile impostare la corrente di carica desiderata. Il valore della resistenza può essere calcolato con la seguente formula (Equazione 1):

La Figura 5 mostra la corrente di carica in funzione della tensione della batteria. Con la resistenza PROG calcolata (1,5 K), la corrente di carica per la fase CC è di circa 1 A. La fase di precarica è chiamata "carica di mantenimento" ed è di circa 100 mA (se la tensione della batteria è inferiore a 2,5 V).

Figura 5: Corrente di carica vs tensione della batteria (corrente di carica = 1 A)