Fondamenti di carica della batteria e profilo di carica

I caricabatterie agli ioni di litio- sono dispositivi che regolano la corrente e la tensione di carica della batteria e sono comunemente utilizzati per dispositivi portatili, come cellulari, laptop e tablet. Rispetto ad altri prodotti chimici, le batterie agli ioni di litio hanno una delle densità di energia più elevate, forniscono una tensione per cella più elevata, possono tollerare correnti più elevate e non devono essere caricate di mantenimento quando la batteria è completamente carica. Inoltre, le batterie agli ioni di litio- non hanno effetto memoria, ovvero non "ricordano" una capacità di carica inferiore se vengono caricate prima di essere completamente scariche. Tuttavia, le batterie agli ioni di litio- devono essere caricate con uno specifico profilo di carica a corrente costante e tensione costante (CC-CV) che viene regolato automaticamente in base alla temperatura e ai livelli di tensione della batteria.

Il profilo di ricarica è un aspetto fondamentale delle batterie agli ioni di litio- poiché descrive come variano la tensione e la corrente della batteria mentre la batteria è in carica.

Le batterie agli ioni di litio- seguono un profilo di carica relativamente comune, descritto più dettagliatamente di seguito. Si noti che se un circuito integrato del caricabatterie fornisce configurabilità, il progettista potrebbe essere in grado di impostare le proprie soglie per queste fasi. Queste soglie configurabili sono estremamente vantaggiose, considerando che la maggior parte dei produttori di batterie specifica determinate soglie per diversi livelli massimi di corrente di carica. La configurabilità può fornire un ulteriore livello di sicurezza proteggendo la batteria da condizioni di sovra-tensione e sovra{5}}temperatura, nonché da sovraccarichi, che potrebbero danneggiare permanentemente la batteria o ridurne la capacità.

Carica di mantenimento:

Generalmente la fase di carica di mantenimento viene utilizzata solo quando la tensione della batteria è inferiore a un livello molto basso (circa 2,1 V). In questo stato, il circuito integrato di protezione interno del pacco batteria potrebbe aver precedentemente scollegato la batteria perché era completamente scarica o se si è verificato un evento di sovra-corrente. L'IC del caricabatterie genera una piccola corrente (tipicamente 50 mA) per caricare la capacità del pacco batteria, che attiva l'IC di protezione per ricollegare la batteria chiudendo i suoi FET. Sebbene la ricarica di mantenimento di solito duri pochi secondi, l'IC del caricabatterie dovrebbe integrare un timer che interrompe la ricarica se la batteria non viene ricollegata entro un certo periodo di tempo, poiché ciò indica che la batteria è stata danneggiata.

Pre-carica:

Una volta che la batteria è stata ri-collegata o è scarica, inizia la pre-carica. Durante la pre-carica, il caricabatterie inizia a caricare in sicurezza la batteria scarica con un livello di corrente basso che in genere è C/10 (dove C è la capacità (in mAh)). Come risultato della pre-carica, la tensione della batteria aumenta lentamente. Lo scopo della pre-carica è caricare in sicurezza la batteria a bassa corrente. Ciò impedisce danni alla cella finché la sua tensione non raggiunge un livello superiore.

Carica a corrente costante (CC):

Anche la carica a corrente costante (CC) è considerata ricarica rapida, descritta più dettagliatamente di seguito. La ricarica CC inizia dopo la pre-carica, una volta che la batteria ha raggiunto circa 3 V per cella. Nella fase di carica CC, è sicuro che la batteria gestisca correnti di carica più elevate comprese tra 0,5°C e 3°C. La carica CC continua finché la tensione della batteria non raggiunge il livello di tensione "pieno" o fluttuante, a quel punto inizia la fase di tensione costante.

Carica a tensione costante (CV):

La soglia di tensione costante (CV) per le celle al litio è solitamente compresa tra 4,1 V e 4,5 V per cella. Il caricabatterie IC monitora la tensione della batteria durante la ricarica CC. Una volta che la batteria raggiunge la soglia CV, il caricabatterie passa dalla regolazione CC a quella CV. La ricarica CV viene implementata perché la tensione del pacco batteria esterno rilevata dal circuito integrato del caricabatterie supera la tensione effettiva delle celle della batteria nel pacco. Ciò è dovuto alla resistenza interna della cella, alla resistenza del PCB e alla resistenza in serie equivalente (ESR) del FET di protezione e della cella. Per garantire un funzionamento sicuro, il caricabatterie IC non deve consentire alla tensione della batteria di superare la sua tensione flottante massima.

Terminazione della carica:

L'IC del caricabatterie determina quando terminare il ciclo di carica in base alla corrente che entra nella batteria scendendo al di sotto di una soglia impostata (circa C/10) durante la fase CV. A questo punto la batteria è considerata completamente carica e la ricarica è completata. Se la terminazione della carica è disabilitata nel circuito integrato del caricatore, la corrente di carica decade naturalmente a 0 mA, ma nella pratica ciò avviene raramente. Questo perché la quantità di carica che entra nella batteria diminuisce esponenzialmente durante la carica CV (poiché la tensione della cella aumenta come un grande condensatore) e occorrerebbe un tempo significativamente più lungo per ricaricare la batteria con un aumento minimo di capacità.

La corrente di carica effettiva in qualsiasi momento può essere inferiore a quella impostata a causa delle normative del circuito, come il limite di corrente in ingresso, il limite di tensione in ingresso, la regolazione termica o la temperatura della batteria.