Często urządzenia zasilane z baterii czy akumulatorów wymagają kompatybilności z szeroką gamą źródeł ładowania czy rodzajów baterii – ich składu chemicznego, napięcia i dopuszczalnego prądu. Na przykład w zaawansowanych, przemysłowych systemach, urządzeniach medycznych czy motoryzacyjnych systemach ładowania akumulatorów wymagana jest implementacja uniwersalnych kontrolerów ładowania, które współpracować mogą z rozmaitymi ogniwami. Dodatkowo, nowe źródła energii elektrycznej, takie jak panele fotowoltaiczne o coraz wyższej mocy, wykorzystywane są w urządzeniach bateryjnych do doładowywania ich ogniw. Dlatego też kontrolery ładowania muszą umożliwiać bezpośrednie podłączenie m.in. paneli słonecznych.
Przykładami tego rodzaju systemów mogą być systemy sygnalizacji świetlnej, przenośne zestawy głośnikowe, kompaktory do śmieci czy nawet morskie, świecące boje. Niektóre akumulatory ołowiowo-kwasowe (LA) występujące w systemach solarnych to ogniwa o głębokim cyklu pracy, tj. zdolne do przetrwania przedłużonych, powtarzających się cykli ładowania, a także do głębokiego rozładowania. Dobrym przykładem aplikacji takich ogniw są morskie boje głębinowe, gdzie 10-letni czas życia akumulatora jest podstawowym wymaganiem.
Innym przykładem są instalacje off-grid, tzn. poza siecią energetyczną, czerpiące energię z rozproszonych systemów energii odnawialnej, takich jak instalacje fotowoltaiczne lub wiatrowe. W tego rodzaju systemach, na czas przestoju systemu produkującego energię elektryczną instaluje się magazyny energii.
Nawet w zastosowaniach poza odnawialnymi źródłami energii, ostatnie trendy rynkowe oznaczają ponowne zainteresowanie ogniwami ołowiowymi (SLA) o dużej pojemności. Motoryzacyjne akumulatory SLA są niedrogie z punktu widzenia stosunku kosztów do mocy i mogą dostarczać wysokie prądy impulsowe przez krótki czas, co czyni je doskonałym wyborem do zastosowań w motoryzacji. Systemy motoryzacyjne pracują z napięciami do 30 V, ale niektóre z ich wykorzystują wyższe napięcie.
Przykładem tego rodzaju układu może być alarm samochodowy z systemem GPS, gdzie wejście 12 V służy m.in. do ładowania ogniwa litowo-jonowego. Przy dwóch celach Li-ion napięcie tego ogniwa wynosi ok, 7,4 V.
Specjalnym rodzajem ogniw ołowiowych są akumulatory o głębokim cyklu pracy. To kolejna technologia popularna w zastosowaniach przemysłowych. Mają grubsze płyty niż akumulatory samochodowe i są zaprojektowane tak, aby mogły być rozładowane nawet do 20% ich całkowitej pojemności. Są zwykle używane tam, gdzie wymagana jest moc w przez dłuższy czas, na przykład w wózkach widłowych czy samochodzikach golfowych. Niemniej jednak, podobnie jak ich odpowiedniki Litowo-jonowe, takie akumulatory są wrażliwe na przeładowanie, dlatego bardzo ważna jest staranna kontrola napięcia podczas cyklu ładowania.
Obecne scalone systemy kontroli ładowania akumulatorów pokrywają jedynie pewną niewielką część wszystkich kombinacji napięć zasilania, ładowania i prądów ładowania, jaką można sobie wyobrazić. Do pokrycia obszaru poza tym stosowało się typowo rozwiązania łączące w sobie systemy scalone i układy elementów dyskretnych.
Było tak do roku 2011, gdy Linear Technologies (obecnie zakupione przez Analog Devices) wprowadził na rynek swoje dwuukładowe rozwiązanie, składające się z scalonego kontrolera ładowania LTC4000 i szeregu kompatybilnych, zewnętrznych przetwornic DC/DC.
Zasilacz impulsowy vs liniowy
Tradycyjne liniowe topologie układów ładowania akumulatorów są lubiane za ich prostotę, kompaktowe wymiary i niską cenę, jednakże mają swoje wady – ograniczony zakres napięć wejściowych, dosyć duży pobór prądu, nadmierne grzanie się, ograniczoną liczbę stosowanych algorytmów zakończenia ładowania i niską sprawność energetyczną.
Z drugiej strony, układy impulsowe są bardziej elastyczne, w zastosowaniach z różnymi ogniwami i wykazują się wyższą wydajnością, jednakże są bardziej skomplikowane i zazwyczaj sporo droższe. Dzięki wyższej sprawności ładowarki takie mogą ładować akumulatory szybciej, wyższym prądem, ale to jeszcze bardziej komplikuje często ich projekt, z uwagi na konieczność doboru odpowiednich indukcyjności do systemu.
Z uwagi na powyższe cechy w wielu aplikacjach, takich jak ładowarki bezprzewodowe, systemy solarne czy układy motoryzacyjne, nadal dominują rozwiązania liniowe. Obecnie jednakże powoli się to zmienia, dzięki nowoczesnym systemom impulsowym, dedykowanym do ładowania akumulatorów, które wolne są od części powyższych problemów.
Nieskomplikowana ładowarka z przetwornicą typu buck
Niektóre z trudniejszych wyzwań, przed jakimi stoi projektant na początku tworzenia systemu ładowania, to szeroki zakres typów źródeł wejściowych połączony z szeroką gamą możliwych do ładowania akumulatorów, dużą pojemnością akumulatorów wymagających ładowania i wysokim napięciem wejściowym.
Źródła zasilania są tak szerokie jak różnorodne. Niektóre z bardziej skomplikowanych systemów ładowania akumulatorów to: zasilacze gniazdkowe o dużej mocy, pracujące z napięciami od 5 V do 19 V i nie tylko, prostowniki napięcia 24 V czy panele słoneczne o wysokiej impedancji wyjściowej.
Ilość możliwych do zastosowania w tych systemach rodzajów chemii akumulatorów także jest ogromna, mogą to być ogniwa oparte na licie (litowo-jonowe, litowo-polimerowe czy wykorzystujące fosforan litu) lub na ołowiu. Ilość kombinacji tych parametrów sprawia, że trudność projektu rośnie.
Z uwagi na poziom skomplikowania scalonych przetwornic DC/DC, istniejące kontrolery ładowania ograniczone są do dwóch topologii: step-down (buck) oraz SEPIC. Jeśli do tej mieszanki dodamy chęć obsługi ogniw fotowoltaicznych jako źródła energii zasilania, to otrzymujemy już dosyć złożone urządzenie.
Dodatkowe wymagania związane z bardziej złożonymi algorytmami ładowania podnoszą jeszcze bardziej poziom komplikacji. Część układów dostępnych na rynku posiada m.in. wbudowaną obsługę algorytmów zakończenia ładowania, ale dotychczasowo żaden pojedynczy układ scalony nie był w stanie dostarczyć wszystkich wymaganych możliwości naraz, zachowując wysoką uniwersalność i elastyczność w aplikacji.
Nowe, kompaktowe ładowarki
Scalona przetwornica typu buck dedykowana do ładowania ogniw powinna posiadać następujący zestaw parametrów:
* Szeroki zakres napięć wejściowych.
* Szeroki zakres napięć wyjściowych, by móc ładować ogniwa o różnym napięciu.
* Elastyczność – możliwość ładowania rozmaitych typów ogniw.
* Proste i autonomiczne działanie z wbudowanymi algorytmami zakończenia ładowania bez potrzeby stosowania np. mikrokontrolera.
* Wysoki prąd ładowania do szybkiego ładowania ogniw o dużej pojemności.
* Możliwość wykorzystania ogniw fotowoltaicznych jako źródła zasilania.
* Obudowa układu scalonego zaprojektowana pod kątem efektywnego oddawania ciepła i oszczędnego, ciasnego upakowania elementów na płytce drukowanej.
Gdy rozwijano popularny LTC4000 (który pracuje w połączeniu z zewnętrznie kompensowaną przetwornicą DC/DC jako elastyczne dwuukładowe rozwiązanie systemu ładowania) kilka lat temu, to wprowadzenie takiego systemu okazało się bardzo upraszczać projekty, które do wtedy były dosyć złożone.
Aby zapewnić funkcjonalności, takie jak kontrola PowerPath, działanie step-down jak i step-up, ograniczenie poboru prąd wejściowego etc. zestawiano rozwiązania składające się z stabilizatora impulsowego lub przetwornicy typu buck na wejściu, kontrolera ładowarki połączonego z przetwornicą typu boost; całym systemem zarządzać musiał mikrokontroler, a do działania system potrzebował jeszcze szereg innych układów scalonych i garści elementów dyskretnych.
Kluczowymi wadami takiego układu jest ograniczony zakres napięć wejściowych, brak możliwości podłączenia ogniwa fotowoltaicznego, niemożność ładowania dowolnych akumulatorów i brak wbudowanych algorytmów zakończenia ładowania.
Obecnie stosowane rozwiązania są o wiele prostsze i znacznie bardziej kompaktowe. Monolityczne systemy ładowania, takie jak dostępne w ofercie Analog Devices układy LTC4162 i LTC4015, zawierają w sobie przetwornice step-down i kontrolery ładowania, które mogą pracować z dowolnymi ogniwami, dla różnych poziomów prądu ładowania etc.
Ładowarka wykorzystująca LTC4162
LTC4162 to wysoce zintegrowana, wysokonapięciowa, synchroniczna monolityczna ładowarka ogniw o różnych systemach elektrochemicznych wyposażona w przetwornicę typu step-down oraz menedżer ładowania PowerPath z wbudowanymi funkcjami telemetrycznymi i opcjonalnym układem śledzenia maksymalnej mocy (MPPT). Układ ten skuteczne wykorzystuje energię z różnych źródeł wejściowych, takich jak zasilacze ścienne, systemowe i panele słoneczne, do ładowania akumulatorów litowo-jonowy, litowo-polimerowych, LiFePO4 lub akumulator ołowiowo-kwasowych.
Kontroler ten zapewnia jednocześnie zasilanie systemu do napięcia 35 V. System pozwala na zaawansowane monitorowanie systemu i zarządzanie w trybie PowerPath, a także monitorowanie stanu baterii. Podczas gdy do uzyskania dostępu do najbardziej zaawansowanych funkcji LTC4162 wymagany jest mikrokontroler, jednakże użycie interfejsu I ²C jest opcjonalne. Głównymi funkcjami układu można sterować za pomocą konfiguracji pinami i rezystorami programującymi.
Ładowarka oferuje precyzję ładowania na poziomie ±5% regulacji prądu ładowania do 3,2 A, ± 0,75% w zakresie stabilizacji napięcia ładowania. Układ pracuje w zakresie napięć wejściowych od 4,5 V do 35 V.
Potencjalne aplikacje układu to m.in. przenośne instrumenty medyczne, urządzenia zasilane z USB (zwłaszcza USB-C), sprzęt wojskowy, przemysłowe komputery podręczne i wytrzymałe notebooki/tablety przemysłowe.
Rys.1. Typowa aplikacja układu LTC4162.
LTC4162 (patrz rysunek 1) zawiera w sobie precyzyjny, 16 bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy, który wykorzystywany jest do monitorowania wielu parametrów układu. System pozwala na pomiar napięcia wejściowego, prądu wejściowego, napięcia i prądu baterii, jej temperatury, temperatury układu oraz wyznaczonej rezystancji szeregowej ładowanego akumulatora.
Wszystkie opisane powyżej parametry odczytane mogą być poprzez interfejs I ²C. Jest on także wykorzystywany do programowania alarmów tak, by interesujące nas informacje nam nie umknęły – system wystawia stosowne przerwania za każdym razem, gdy uruchomiony zostanie którykolwiek ze zdefiniowanych alarmów.
Układ posiada zaimplementowany punkt śledzenia maksymalnej mocy, co umożliwia optymalne wykorzystywanie energii z ogniw fotowoltaicznych. Układ tak dopiera punkt pracy ogniwa, aby zmaksymalizować ekstrahowaną moc.
Dzięki wykorzystaniu topologii PowerPath, napięcie wyjściowe z zasilacza jest niezależne od napięcia na baterii. W systemie z LTC4162 wykorzystać można rozmaite akumulatory: litowo-jonowe, litowo-polimerowe, LiFePO4 czy ołowiowe. Kontroler posiada zaprogramowane algorytmy postępowania z każdym z nich. Napięcie i prąd ładowania ogniwa dobierane mogą być automatycznie na podstawie temperatury otoczenia i temperatury samego akumulatora, zgodnie z zaleceniami JEITA. Można oczywiście także wprowadzać własne ustawienia.
Pomiar temperatury ogniwa i samego układu scalonego jest istotny, szczególnie w aplikacjach w niewielkich urządzeniach, gdzie system nie jest w stanie szybko oddawać ciepła.
Na rysunku 2 zaprezentowano krzywą wydajności ładowania dla ogniwa litowo-jonowego dla układu LTC4162.
Układ LTC4162 dostępny jest w 28-pinowej obudowie QFN o wymiarach 4 mm x 5 mm. Obudowa posiada odkryte pole na spodzie, co zapewnia doskonałe parametry termiczne i możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur od –40°C do 125°C.
Rys.2. Krzywa wydajności ładowania ogniw litowo-jonowych w funkcji napięcia wejściowego dla pakietów o różnej liczbie ogniw.
Co jeżeli potrzebujemy wyższego prądu
Inny układ z oferty Analog Devices - LTC4015 – to zintegrowana, wysokonapięciowa, synchroniczna ładowarka z przetwornicą step-down z wbudowanymi funkcjami telemetrii. Układ ten pracuje z zewnętrznymi tranzystorami FET dla większej mocy ładowania (do 20 A lub więcej, w zależności od wybranych komponentów zewnętrznych).
Urządzenie to wydajnie dostarcza energię ze źródła wejściowego (podobnie jak w powyższym przypadku może to być zasilacz ścienny, panel słoneczny itp.) do ładowanego akumulatora. Zapewnia zaawansowane funkcje monitorowania systemu i zarządzania, w tym zliczanie ładunku oraz monitorowanie stanu zdrowia ładowanego ogniwa.
Chociaż do uzyskania dostępu do najbardziej zaawansowanych funkcji LTC4015 wymagany jest mikrokontroler z portem I²C, to wykorzystanie tego interfejsu w ogólności jest opcjonalne. Główne funkcje ładowarki regulować można za pomocą konfiguracji stanem pinów i dołączonymi zewnętrznymi opornikami.
Rys.3. Układ ładowania dwóch ogniw litowo-jonowych prądem do 8 A, zasilany napięciem 12 V.
Kontroler LTC4015 steruje prądem ładowania z dokładnością ±2% dla prądów do 20 A i dokładność ustawienia napięcia ładowania na poziomie ±1.25% dla całego zakresu napięć zasilania od 4,5 V do 35 V.
W LTC4015 zaimplementowano precyzyjny, 14-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy i precyzyjny licznik kulombów ładunku; umożliwiają one monitorowanie szeregu parametrów systemu, od napięcia i prądu wejściowego i baterii do precyzyjnego monitorowania stanu ogniwa. Wszystkie te parametry mierzy się poprzez interfejs I²C.
Układ dostępny jest w kompaktowej obudowie QFN o wymiarach 5 mm x 7 mm.
Rys.4. Wydajność ładowania akumulatora ołowiowego przez LTC4015.
Oszczędność miejsca, elastyczność i wysoki poziom mocy
Przy równych poziomach mocy (na przykład przy prądzie 3 A), LTC4162, ponieważ jest monolitycznym układem scalonym ze zintegrowanymi tranzystorami MOSFET, może pozwolić na zaoszczędzenie do 50% powierzchni na PCB w porównaniu do LTC4015. Ponieważ ich funkcje są podobne, LTC4015 powinien być używany, gdy prądy wyjściowe są większe od 3,2 A.
Żadne z konkurencyjnych, scalonych rozwiązań ładowania akumulatorów nie oferuje tak samo wysokiego poziomu integracji, ani nie może generować tych samych poziomów mocy. Te, które zbliżają się do tego prądu ładowania (od 2 A do 3 A) są ograniczone tylko do jednego rodzaju akumulatorów (np. Li-Ion) lub mają ograniczone napięcie ładowania baterii (maksymalnie do 13 V), a zatem nie oferują ani takich poziomów mocy ani elastyczności jak LTC4162 lub LTC4015.
Ponadto, gdy weźmie się pod uwagę liczbę komponentów zewnętrznych wymaganych przez konkurencyjne monolityczne rozwiązania do ładowania akumulatorów, LTC4162 oferuje do 40% oszczędności w zakresie ilości zajmowanej na powierzchni PCB, co czyni go jeszcze bardziej atrakcyjnym wyborem dla projektantów.
Ładowarki solarne
Istnieje wiele algorytmów wykorzystywania paneli słonecznych w celu maksymalnej uzyskiwanej mocy. Jedną z najprostszych metod jest podłączenie baterii do panelu słonecznego za pomocą diody. Technika ta polega na dopasowaniu maksymalnego napięcia wyjściowego panelu do stosunkowo wąskiego zakresu napięcia akumulatora. Kiedy dostępna moc jest bardzo niska (w przybliżeniu mniej niż kilka dziesiątek miliwatów), może to być najlepsze podejście.
Jednak poziomy mocy z ogniw fotowoltaicznych nie zawsze są tak niskie. Dlatego w układach LTC4162 oraz LTC4015 stosuje się algorytm MPPT. Jest to technika, która znajduje punkt, w którym napięcie zasilania z panelu słonecznego jest największe. Napięcie to może drastycznie zmieniać się w zakresie od ok. 12 V do 18 V. W tym czasie prąd panelu zmieniać może się w zakresie 2 lub więcej rzędów wielkości.
Algorytm obwodu MPPT odnajduje i śledzi wartość napięcia panelu, przy której panel dostarcza maksymalny prąd do ładowania akumulatora. Funkcja MPPT nie tylko nieprzerwanie śledzi maksymalny punkt mocy, ale jest również w stanie wybrać prawidłowe maksimum na krzywej mocy, aby zwiększyć moc pobieraną z panelu podczas częściowego zacienienia, gdy na krzywej mocy występuje wiele pików – lokalnych maksimów mocy.
W okresach słabego oświetlenia tryb niskiego poboru mocy umożliwia ładowarce dostarczanie niewielkiego prądu ładowania, nawet jeśli nie ma wystarczającej ilości światła do działania funkcji MPPT.
Podsumowanie
Nowe wszechstronne układy do ładowania akumulatorów produkcji Analog Devices oraz układy zarządzania PowerPath, LTC4162 i LTC4015, upraszczają projektowanie trudnych systemów ładowania ogniw o wysokim napięciu i dużym prądzie.
Urządzenia te wydajnie zarządzają dystrybucją energii ze źródeł wejściowych, takich jak zasilacze ścienne, zasilacze systemowe czy panele słoneczne. Umożliwiają ładowanie różnych rodzajów ogniw, w tym Li-Ion / Li-Poly, LiFePO4 i SLA. Dzięki prostym rozwiązaniom i zwartym obudowom pozwalają na osiąganie wysokich parametrów w miejscu, gdzie do niedawna układy wykorzystujące topologie impulsowe, z przetwornicami SEPIC, były jedynym rozwiązaniem.
Wykorzystanie nowoczesnych scalonych układów ładowania znacznie upraszcza zadanie projektanta systemów ładowania akumulatorów, szczególnie tych o średniej lub dużej mocy.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/simple-battery-charger-ics-for-any-chemistry.html[/quote]
Przykładami tego rodzaju systemów mogą być systemy sygnalizacji świetlnej, przenośne zestawy głośnikowe, kompaktory do śmieci czy nawet morskie, świecące boje. Niektóre akumulatory ołowiowo-kwasowe (LA) występujące w systemach solarnych to ogniwa o głębokim cyklu pracy, tj. zdolne do przetrwania przedłużonych, powtarzających się cykli ładowania, a także do głębokiego rozładowania. Dobrym przykładem aplikacji takich ogniw są morskie boje głębinowe, gdzie 10-letni czas życia akumulatora jest podstawowym wymaganiem.
Innym przykładem są instalacje off-grid, tzn. poza siecią energetyczną, czerpiące energię z rozproszonych systemów energii odnawialnej, takich jak instalacje fotowoltaiczne lub wiatrowe. W tego rodzaju systemach, na czas przestoju systemu produkującego energię elektryczną instaluje się magazyny energii.
Nawet w zastosowaniach poza odnawialnymi źródłami energii, ostatnie trendy rynkowe oznaczają ponowne zainteresowanie ogniwami ołowiowymi (SLA) o dużej pojemności. Motoryzacyjne akumulatory SLA są niedrogie z punktu widzenia stosunku kosztów do mocy i mogą dostarczać wysokie prądy impulsowe przez krótki czas, co czyni je doskonałym wyborem do zastosowań w motoryzacji. Systemy motoryzacyjne pracują z napięciami do 30 V, ale niektóre z ich wykorzystują wyższe napięcie.
Przykładem tego rodzaju układu może być alarm samochodowy z systemem GPS, gdzie wejście 12 V służy m.in. do ładowania ogniwa litowo-jonowego. Przy dwóch celach Li-ion napięcie tego ogniwa wynosi ok, 7,4 V.
Specjalnym rodzajem ogniw ołowiowych są akumulatory o głębokim cyklu pracy. To kolejna technologia popularna w zastosowaniach przemysłowych. Mają grubsze płyty niż akumulatory samochodowe i są zaprojektowane tak, aby mogły być rozładowane nawet do 20% ich całkowitej pojemności. Są zwykle używane tam, gdzie wymagana jest moc w przez dłuższy czas, na przykład w wózkach widłowych czy samochodzikach golfowych. Niemniej jednak, podobnie jak ich odpowiedniki Litowo-jonowe, takie akumulatory są wrażliwe na przeładowanie, dlatego bardzo ważna jest staranna kontrola napięcia podczas cyklu ładowania.
Obecne scalone systemy kontroli ładowania akumulatorów pokrywają jedynie pewną niewielką część wszystkich kombinacji napięć zasilania, ładowania i prądów ładowania, jaką można sobie wyobrazić. Do pokrycia obszaru poza tym stosowało się typowo rozwiązania łączące w sobie systemy scalone i układy elementów dyskretnych.
Było tak do roku 2011, gdy Linear Technologies (obecnie zakupione przez Analog Devices) wprowadził na rynek swoje dwuukładowe rozwiązanie, składające się z scalonego kontrolera ładowania LTC4000 i szeregu kompatybilnych, zewnętrznych przetwornic DC/DC.
Zasilacz impulsowy vs liniowy
Tradycyjne liniowe topologie układów ładowania akumulatorów są lubiane za ich prostotę, kompaktowe wymiary i niską cenę, jednakże mają swoje wady – ograniczony zakres napięć wejściowych, dosyć duży pobór prądu, nadmierne grzanie się, ograniczoną liczbę stosowanych algorytmów zakończenia ładowania i niską sprawność energetyczną.
Z drugiej strony, układy impulsowe są bardziej elastyczne, w zastosowaniach z różnymi ogniwami i wykazują się wyższą wydajnością, jednakże są bardziej skomplikowane i zazwyczaj sporo droższe. Dzięki wyższej sprawności ładowarki takie mogą ładować akumulatory szybciej, wyższym prądem, ale to jeszcze bardziej komplikuje często ich projekt, z uwagi na konieczność doboru odpowiednich indukcyjności do systemu.
Z uwagi na powyższe cechy w wielu aplikacjach, takich jak ładowarki bezprzewodowe, systemy solarne czy układy motoryzacyjne, nadal dominują rozwiązania liniowe. Obecnie jednakże powoli się to zmienia, dzięki nowoczesnym systemom impulsowym, dedykowanym do ładowania akumulatorów, które wolne są od części powyższych problemów.
Nieskomplikowana ładowarka z przetwornicą typu buck
Niektóre z trudniejszych wyzwań, przed jakimi stoi projektant na początku tworzenia systemu ładowania, to szeroki zakres typów źródeł wejściowych połączony z szeroką gamą możliwych do ładowania akumulatorów, dużą pojemnością akumulatorów wymagających ładowania i wysokim napięciem wejściowym.
Źródła zasilania są tak szerokie jak różnorodne. Niektóre z bardziej skomplikowanych systemów ładowania akumulatorów to: zasilacze gniazdkowe o dużej mocy, pracujące z napięciami od 5 V do 19 V i nie tylko, prostowniki napięcia 24 V czy panele słoneczne o wysokiej impedancji wyjściowej.
Ilość możliwych do zastosowania w tych systemach rodzajów chemii akumulatorów także jest ogromna, mogą to być ogniwa oparte na licie (litowo-jonowe, litowo-polimerowe czy wykorzystujące fosforan litu) lub na ołowiu. Ilość kombinacji tych parametrów sprawia, że trudność projektu rośnie.
Z uwagi na poziom skomplikowania scalonych przetwornic DC/DC, istniejące kontrolery ładowania ograniczone są do dwóch topologii: step-down (buck) oraz SEPIC. Jeśli do tej mieszanki dodamy chęć obsługi ogniw fotowoltaicznych jako źródła energii zasilania, to otrzymujemy już dosyć złożone urządzenie.
Dodatkowe wymagania związane z bardziej złożonymi algorytmami ładowania podnoszą jeszcze bardziej poziom komplikacji. Część układów dostępnych na rynku posiada m.in. wbudowaną obsługę algorytmów zakończenia ładowania, ale dotychczasowo żaden pojedynczy układ scalony nie był w stanie dostarczyć wszystkich wymaganych możliwości naraz, zachowując wysoką uniwersalność i elastyczność w aplikacji.
Nowe, kompaktowe ładowarki
Scalona przetwornica typu buck dedykowana do ładowania ogniw powinna posiadać następujący zestaw parametrów:
* Szeroki zakres napięć wejściowych.
* Szeroki zakres napięć wyjściowych, by móc ładować ogniwa o różnym napięciu.
* Elastyczność – możliwość ładowania rozmaitych typów ogniw.
* Proste i autonomiczne działanie z wbudowanymi algorytmami zakończenia ładowania bez potrzeby stosowania np. mikrokontrolera.
* Wysoki prąd ładowania do szybkiego ładowania ogniw o dużej pojemności.
* Możliwość wykorzystania ogniw fotowoltaicznych jako źródła zasilania.
* Obudowa układu scalonego zaprojektowana pod kątem efektywnego oddawania ciepła i oszczędnego, ciasnego upakowania elementów na płytce drukowanej.
Gdy rozwijano popularny LTC4000 (który pracuje w połączeniu z zewnętrznie kompensowaną przetwornicą DC/DC jako elastyczne dwuukładowe rozwiązanie systemu ładowania) kilka lat temu, to wprowadzenie takiego systemu okazało się bardzo upraszczać projekty, które do wtedy były dosyć złożone.
Aby zapewnić funkcjonalności, takie jak kontrola PowerPath, działanie step-down jak i step-up, ograniczenie poboru prąd wejściowego etc. zestawiano rozwiązania składające się z stabilizatora impulsowego lub przetwornicy typu buck na wejściu, kontrolera ładowarki połączonego z przetwornicą typu boost; całym systemem zarządzać musiał mikrokontroler, a do działania system potrzebował jeszcze szereg innych układów scalonych i garści elementów dyskretnych.
Kluczowymi wadami takiego układu jest ograniczony zakres napięć wejściowych, brak możliwości podłączenia ogniwa fotowoltaicznego, niemożność ładowania dowolnych akumulatorów i brak wbudowanych algorytmów zakończenia ładowania.
Obecnie stosowane rozwiązania są o wiele prostsze i znacznie bardziej kompaktowe. Monolityczne systemy ładowania, takie jak dostępne w ofercie Analog Devices układy LTC4162 i LTC4015, zawierają w sobie przetwornice step-down i kontrolery ładowania, które mogą pracować z dowolnymi ogniwami, dla różnych poziomów prądu ładowania etc.
Ładowarka wykorzystująca LTC4162
LTC4162 to wysoce zintegrowana, wysokonapięciowa, synchroniczna monolityczna ładowarka ogniw o różnych systemach elektrochemicznych wyposażona w przetwornicę typu step-down oraz menedżer ładowania PowerPath z wbudowanymi funkcjami telemetrycznymi i opcjonalnym układem śledzenia maksymalnej mocy (MPPT). Układ ten skuteczne wykorzystuje energię z różnych źródeł wejściowych, takich jak zasilacze ścienne, systemowe i panele słoneczne, do ładowania akumulatorów litowo-jonowy, litowo-polimerowych, LiFePO4 lub akumulator ołowiowo-kwasowych.
Kontroler ten zapewnia jednocześnie zasilanie systemu do napięcia 35 V. System pozwala na zaawansowane monitorowanie systemu i zarządzanie w trybie PowerPath, a także monitorowanie stanu baterii. Podczas gdy do uzyskania dostępu do najbardziej zaawansowanych funkcji LTC4162 wymagany jest mikrokontroler, jednakże użycie interfejsu I ²C jest opcjonalne. Głównymi funkcjami układu można sterować za pomocą konfiguracji pinami i rezystorami programującymi.
Ładowarka oferuje precyzję ładowania na poziomie ±5% regulacji prądu ładowania do 3,2 A, ± 0,75% w zakresie stabilizacji napięcia ładowania. Układ pracuje w zakresie napięć wejściowych od 4,5 V do 35 V.
Potencjalne aplikacje układu to m.in. przenośne instrumenty medyczne, urządzenia zasilane z USB (zwłaszcza USB-C), sprzęt wojskowy, przemysłowe komputery podręczne i wytrzymałe notebooki/tablety przemysłowe.
Rys.1. Typowa aplikacja układu LTC4162.
LTC4162 (patrz rysunek 1) zawiera w sobie precyzyjny, 16 bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy, który wykorzystywany jest do monitorowania wielu parametrów układu. System pozwala na pomiar napięcia wejściowego, prądu wejściowego, napięcia i prądu baterii, jej temperatury, temperatury układu oraz wyznaczonej rezystancji szeregowej ładowanego akumulatora.
Wszystkie opisane powyżej parametry odczytane mogą być poprzez interfejs I ²C. Jest on także wykorzystywany do programowania alarmów tak, by interesujące nas informacje nam nie umknęły – system wystawia stosowne przerwania za każdym razem, gdy uruchomiony zostanie którykolwiek ze zdefiniowanych alarmów.
Układ posiada zaimplementowany punkt śledzenia maksymalnej mocy, co umożliwia optymalne wykorzystywanie energii z ogniw fotowoltaicznych. Układ tak dopiera punkt pracy ogniwa, aby zmaksymalizować ekstrahowaną moc.
Dzięki wykorzystaniu topologii PowerPath, napięcie wyjściowe z zasilacza jest niezależne od napięcia na baterii. W systemie z LTC4162 wykorzystać można rozmaite akumulatory: litowo-jonowe, litowo-polimerowe, LiFePO4 czy ołowiowe. Kontroler posiada zaprogramowane algorytmy postępowania z każdym z nich. Napięcie i prąd ładowania ogniwa dobierane mogą być automatycznie na podstawie temperatury otoczenia i temperatury samego akumulatora, zgodnie z zaleceniami JEITA. Można oczywiście także wprowadzać własne ustawienia.
Pomiar temperatury ogniwa i samego układu scalonego jest istotny, szczególnie w aplikacjach w niewielkich urządzeniach, gdzie system nie jest w stanie szybko oddawać ciepła.
Na rysunku 2 zaprezentowano krzywą wydajności ładowania dla ogniwa litowo-jonowego dla układu LTC4162.
Układ LTC4162 dostępny jest w 28-pinowej obudowie QFN o wymiarach 4 mm x 5 mm. Obudowa posiada odkryte pole na spodzie, co zapewnia doskonałe parametry termiczne i możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur od –40°C do 125°C.
Rys.2. Krzywa wydajności ładowania ogniw litowo-jonowych w funkcji napięcia wejściowego dla pakietów o różnej liczbie ogniw.
Co jeżeli potrzebujemy wyższego prądu
Inny układ z oferty Analog Devices - LTC4015 – to zintegrowana, wysokonapięciowa, synchroniczna ładowarka z przetwornicą step-down z wbudowanymi funkcjami telemetrii. Układ ten pracuje z zewnętrznymi tranzystorami FET dla większej mocy ładowania (do 20 A lub więcej, w zależności od wybranych komponentów zewnętrznych).
Urządzenie to wydajnie dostarcza energię ze źródła wejściowego (podobnie jak w powyższym przypadku może to być zasilacz ścienny, panel słoneczny itp.) do ładowanego akumulatora. Zapewnia zaawansowane funkcje monitorowania systemu i zarządzania, w tym zliczanie ładunku oraz monitorowanie stanu zdrowia ładowanego ogniwa.
Chociaż do uzyskania dostępu do najbardziej zaawansowanych funkcji LTC4015 wymagany jest mikrokontroler z portem I²C, to wykorzystanie tego interfejsu w ogólności jest opcjonalne. Główne funkcje ładowarki regulować można za pomocą konfiguracji stanem pinów i dołączonymi zewnętrznymi opornikami.
Rys.3. Układ ładowania dwóch ogniw litowo-jonowych prądem do 8 A, zasilany napięciem 12 V.
Kontroler LTC4015 steruje prądem ładowania z dokładnością ±2% dla prądów do 20 A i dokładność ustawienia napięcia ładowania na poziomie ±1.25% dla całego zakresu napięć zasilania od 4,5 V do 35 V.
W LTC4015 zaimplementowano precyzyjny, 14-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy i precyzyjny licznik kulombów ładunku; umożliwiają one monitorowanie szeregu parametrów systemu, od napięcia i prądu wejściowego i baterii do precyzyjnego monitorowania stanu ogniwa. Wszystkie te parametry mierzy się poprzez interfejs I²C.
Układ dostępny jest w kompaktowej obudowie QFN o wymiarach 5 mm x 7 mm.
Rys.4. Wydajność ładowania akumulatora ołowiowego przez LTC4015.
Oszczędność miejsca, elastyczność i wysoki poziom mocy
Przy równych poziomach mocy (na przykład przy prądzie 3 A), LTC4162, ponieważ jest monolitycznym układem scalonym ze zintegrowanymi tranzystorami MOSFET, może pozwolić na zaoszczędzenie do 50% powierzchni na PCB w porównaniu do LTC4015. Ponieważ ich funkcje są podobne, LTC4015 powinien być używany, gdy prądy wyjściowe są większe od 3,2 A.
Żadne z konkurencyjnych, scalonych rozwiązań ładowania akumulatorów nie oferuje tak samo wysokiego poziomu integracji, ani nie może generować tych samych poziomów mocy. Te, które zbliżają się do tego prądu ładowania (od 2 A do 3 A) są ograniczone tylko do jednego rodzaju akumulatorów (np. Li-Ion) lub mają ograniczone napięcie ładowania baterii (maksymalnie do 13 V), a zatem nie oferują ani takich poziomów mocy ani elastyczności jak LTC4162 lub LTC4015.
Ponadto, gdy weźmie się pod uwagę liczbę komponentów zewnętrznych wymaganych przez konkurencyjne monolityczne rozwiązania do ładowania akumulatorów, LTC4162 oferuje do 40% oszczędności w zakresie ilości zajmowanej na powierzchni PCB, co czyni go jeszcze bardziej atrakcyjnym wyborem dla projektantów.
Ładowarki solarne
Istnieje wiele algorytmów wykorzystywania paneli słonecznych w celu maksymalnej uzyskiwanej mocy. Jedną z najprostszych metod jest podłączenie baterii do panelu słonecznego za pomocą diody. Technika ta polega na dopasowaniu maksymalnego napięcia wyjściowego panelu do stosunkowo wąskiego zakresu napięcia akumulatora. Kiedy dostępna moc jest bardzo niska (w przybliżeniu mniej niż kilka dziesiątek miliwatów), może to być najlepsze podejście.
Jednak poziomy mocy z ogniw fotowoltaicznych nie zawsze są tak niskie. Dlatego w układach LTC4162 oraz LTC4015 stosuje się algorytm MPPT. Jest to technika, która znajduje punkt, w którym napięcie zasilania z panelu słonecznego jest największe. Napięcie to może drastycznie zmieniać się w zakresie od ok. 12 V do 18 V. W tym czasie prąd panelu zmieniać może się w zakresie 2 lub więcej rzędów wielkości.
Algorytm obwodu MPPT odnajduje i śledzi wartość napięcia panelu, przy której panel dostarcza maksymalny prąd do ładowania akumulatora. Funkcja MPPT nie tylko nieprzerwanie śledzi maksymalny punkt mocy, ale jest również w stanie wybrać prawidłowe maksimum na krzywej mocy, aby zwiększyć moc pobieraną z panelu podczas częściowego zacienienia, gdy na krzywej mocy występuje wiele pików – lokalnych maksimów mocy.
W okresach słabego oświetlenia tryb niskiego poboru mocy umożliwia ładowarce dostarczanie niewielkiego prądu ładowania, nawet jeśli nie ma wystarczającej ilości światła do działania funkcji MPPT.
Podsumowanie
Nowe wszechstronne układy do ładowania akumulatorów produkcji Analog Devices oraz układy zarządzania PowerPath, LTC4162 i LTC4015, upraszczają projektowanie trudnych systemów ładowania ogniw o wysokim napięciu i dużym prądzie.
Urządzenia te wydajnie zarządzają dystrybucją energii ze źródeł wejściowych, takich jak zasilacze ścienne, zasilacze systemowe czy panele słoneczne. Umożliwiają ładowanie różnych rodzajów ogniw, w tym Li-Ion / Li-Poly, LiFePO4 i SLA. Dzięki prostym rozwiązaniom i zwartym obudowom pozwalają na osiąganie wysokich parametrów w miejscu, gdzie do niedawna układy wykorzystujące topologie impulsowe, z przetwornicami SEPIC, były jedynym rozwiązaniem.
Wykorzystanie nowoczesnych scalonych układów ładowania znacznie upraszcza zadanie projektanta systemów ładowania akumulatorów, szczególnie tych o średniej lub dużej mocy.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/simple-battery-charger-ics-for-any-chemistry.html[/quote]
Cool? Ranking DIY
