Funzioni di protezione del caricabatteria

Sia che utilizzi un caricabatteria per la tua auto, sia che utilizzi una batteria per altri scopi, è importante capire come proteggere la tua batteria. Ciò include il riconoscimento delle cause di un sovraccarico, come evitare una fuga termica e altro ancora.

La protezione da sovracorrente è una parte importante di tutti i circuiti elettrici. Protegge le apparecchiature da sovraccarichi di corrente e guasti a terra.

Oltre a fornire protezione, i dispositivi di sovracorrente possono essere utilizzati anche per diagnosticare una situazione di sovraccarico. Interruttori automatici, fusibili e fusibili sono i dispositivi di protezione da sovracorrente più comuni. Questi dispositivi sono collegati in serie al circuito che proteggono.

I fusibili e gli interruttori automatici sono progettati per interrompere un circuito quando una corrente supera un valore di soglia preimpostato. Sono comunemente usati nei sistemi a bassa tensione. Un fusibile è costituito da due fili o strisce racchiusi in un isolante. La connessione fusa della striscia di fusione può formare un arco e fondersi.

Fusibili e interruttori automatici si trovano in quasi tutti i prodotti elettronici. Sono utilizzati per proteggere il personale, i conduttori e le apparecchiature da sovracorrente o cortocircuiti. Se il circuito non funziona, i fusibili si bruciano e il dispositivo non funziona.

Le batterie devono essere protette da sovracorrente e sovratensione. Le condizioni di sovraccarico e sovratensione possono causare guasti alla batteria, esplosioni e fumi tossici. Le batterie agli ioni di litio, in particolare, dovrebbero essere monitorate e protette.

I circuiti di ricarica della batteria sono vulnerabili a problemi quali un sovraccarico della fonte di alimentazione, un carico non corrispondente e un circuito di ricarica che assorbe più corrente di quanto consentito. Per proteggere la batteria e l'apparecchiatura da questi pericoli, il pacco batteria dovrebbe includere una funzione di protezione da sovracorrente.

I pacchi batteria ai polimeri di litio sono comunemente dotati di un circuito di protezione progettato per prevenire il sovraccarico e lo scaricamento eccessivo. Tuttavia, sono anche suscettibili di uso improprio. Caricare una batteria ai polimeri di litio oltre la sua capacità può causare una fuga termica e altri problemi di sicurezza. Idealmente, una batteria non dovrebbe essere caricata oltre 1,5 volte la corrente di protezione da sovracorrente della batteria.

Il test della funzione di protezione da sovracorrente di un pacco batteria comporta il controllo della risposta del circuito alle condizioni di sovracorrente e sovratensione. Questi test dovrebbero essere condotti in un laboratorio.

La funzione di protezione dalla carica da sovracorrente viene testata utilizzando una fonte di alimentazione CC. I dati vengono raccolti per un'ora dopo l'interruzione della ricarica. Durante questo periodo, vengono misurati la temperatura della batteria e il livello SOC. Quando il livello SOC raggiunge il 130% o più, il test viene terminato. Ciò consente una valutazione più accurata della capacità della batteria di resistere a sovracorrente e sovratensione.

La protezione da scarica eccessiva è una delle funzioni di sicurezza di un caricabatteria agli ioni di litio. Si verifica quando la tensione di una batteria al litio scende al di sotto di una certa soglia. Se la tensione raggiunge un livello inferiore a questa soglia, la batteria smetterà di caricarsi. La batteria alla fine diventerà un potenziale pericolo di incendio.

La protezione da scarica eccessiva è implementata sotto forma di un interruttore di protezione da sovraccarico. L'interruttore è collegato in serie tra il lato positivo delle batterie e il terminale di uscita della batteria.

L'interruttore è accompagnato da un circuito di controllo che accende e spegne l'interruttore quando la tensione della batteria raggiunge un certo set point minimo. È incluso anche un circuito di ritardo per evitare che il FET si spenga prematuramente.

Oltre all'interruttore di protezione da sovraccarico, è presente anche un circuito di rilevamento della tensione che monitora la tensione della batteria. Questo circuito è costituito da un controller a circuito integrato (IC) a tre terminali. Come mostrato in Fig. 2, l'IC controlla l'interruttore di protezione da scarica eccessiva interrompendo la tensione di uscita quando la tensione della cella scende al di sotto della soglia di scarica eccessiva.

Questo circuito incorpora anche un diodo parassita per mantenere il FET in uno stato acceso rispetto alla corrente inversa. È completato da un condensatore C21 che aggiunge una piccola quantità di tempo all'aumento della tensione al gate del FET.

Quando l'interruttore di protezione da scarica eccessiva è disattivato, la tensione sul lato di uscita dell'interruttore viene aumentata alla tensione all'estremità della carica. Viene utilizzato anche un interruttore termico per disabilitare l'ingresso della batteria.

Un altro componente sopra menzionato è la funzione di protezione da sovratemperatura. Questo dispositivo non è così sofisticato come la funzione di protezione da scarica eccessiva.

Un progetto alternativo per la funzione di protezione da scarica eccessiva sarebbe un microcontrollore che legge la temperatura delle batterie e disabilita l'uscita. Tuttavia, questa opzione richiede molta programmazione, che potrebbe risultare poco pratica per alcune applicazioni.

Tuttavia, ci sono alcune opzioni di protezione da scarica eccessiva che sono utili e possono essere personalizzate per soddisfare una particolare applicazione. Ad esempio, in un caricabatteria agli ioni di litio a più celle, il meccanismo di rilevamento della scarica eccessiva potrebbe essere impostato per monitorare tutte le celle nel pacco batteria.

Le funzioni di protezione da sovratemperatura dei caricabatterie sono fondamentali per le prestazioni e l'affidabilità dei sistemi di gestione dell'alimentazione della batteria. La condizione di sovratemperatura non è solo un pericolo per la sicurezza, ma può anche essere dannosa per la durata della batteria. Per evitare il verificarsi di una fuga termica, la batteria deve essere spenta prima che la temperatura raggiunga un livello irrealizzabile.

Gli schemi di protezione della batteria in genere offrono due livelli di protezione. Uno è un fusibile termico e l'altro è una funzione di spegnimento termico.

Il termofusibile è un dispositivo che spegne automaticamente il caricabatteria se la temperatura dell'accumulatore supera una soglia prefissata. Altre caratteristiche dei caricabatterie includono la protezione da sovratensione e inversione di polarità.

Esistono altri caricabatterie che offrono funzioni di spegnimento termico. Tuttavia, questi dispositivi sono troppo costosi per essere incorporati in un caricabatterie standard e richiedono un'attenta progettazione per evitare uno spegnimento termico. È invece possibile implementare una funzione di spegnimento termico collegando un termistore NTC a un pin di connessione dedicato. Un circuito di rilevamento della tensione può quindi monitorare la resistenza del termistore per determinare se la temperatura è sufficientemente elevata da spegnere la batteria.

Le batterie hanno un ampio intervallo di temperatura. La differenza tra la temperatura della batteria di accumulo e quella del caricabatterie può essere enorme. Questa differenza può causare una carica eccessiva o insufficiente. Entrambi possono causare danni alla batteria.

Oltre al fusibile termico, il caricabatterie può includere un regolatore di tensione. Ciò consente al caricabatterie di mantenere una tensione costante mantenendo la corrente che scorre nella batteria al di sotto del valore massimo consentito.

I caricabatterie in genere incorporano un design brevettato del profilo in plastica che offre una rapida dissipazione del calore. Include anche una spia luminosa, un display della velocità di ricarica e sei funzioni di protezione integrate.

La batteria può anche incorporare un termistore per determinare se l'ambiente di avviamento è troppo caldo perché la batteria possa assorbire la carica. Questa misurazione della temperatura è utile per monitorare i circuiti e, a sua volta, attivare un'azione per attivare una ventola di raffreddamento o interrompere la carica.

A seconda della tecnologia della batteria e della composizione chimica dell'accumulatore, esistono diverse funzioni di protezione. Alcuni sono implementati come parte del sistema di gestione dell'alimentazione della batteria e altri sono integrati nel caricabatterie stesso.

La fuga termica è una condizione pericolosa che può verificarsi in una batteria. Provoca il surriscaldamento dell'elettrolita in una batteria e può provocare un incendio che non può essere spento. Questa condizione può essere il risultato di un cortocircuito interno o di un cortocircuito esterno. Fortunatamente, un caricabatterie ha una protezione integrata contro la fuga termica.

Quando il sistema inizia a caricare la batteria, inizierà innanzitutto a monitorare la tensione della batteria. Se la tensione non aumenta, il sistema presuppone che la batteria sia in modalità di fuga termica. Quindi la corrente di carica aumenterà fino a quando la batteria raggiunge una tensione di carica predeterminata.

Quando la corrente di carica raggiunge un livello predeterminato, il sistema inizia a ridurre la velocità di carica. Ciò riduce la corrente di carica a una quantità sicura per la batteria. Una volta che il livello di corrente raggiunge una certa soglia, la batteria sarà completamente carica.

Per prevenire la possibilità di fuga termica, il caricabatteria monitorerà la tensione e il ciclo di lavoro della corrente di carica. Se c'è una deviazione nelle caratteristiche di ricarica, il sistema tratterà l'anomalia come un problema e ridurrà la velocità di ricarica.

Il software del caricabatteria monitorerà anche i parametri di carica elettrica della batteria. Quando la tensione della batteria raggiunge un valore preimpostato, verrà controllata per determinare se esiste una condizione di fuga termica.

In una modalità a corrente costante, il duty cycle viene controllato ogni tre o quattro valori consecutivi. Quando il duty cycle diminuisce, il contatore di/dt viene diminuito e il limite DT viene aumentato.

Durante una modalità di funzionamento a tensione costante, il contatore di/dt è impostato sul valore nominale. La curva di tensione avrà una pendenza positiva. Una condizione di fuga termica viene considerata quando la tensione non aumenta e il contatore di/dt raggiunge un valore negativo.

In un caricabatteria a tensione costante, il duty cycle viene controllato a intervalli fissi. A un tempo prestabilito, il sistema ridurrà la corrente di carica e quindi controllerà nuovamente il ciclo di lavoro per vedere se è diminuito.

La fuga termica può verificarsi nelle batterie al litio. Sebbene siano dispositivi di accumulo di energia estremamente efficienti, la loro capacità può essere ridotta se vengono lasciati in un ambiente caldo. Inoltre, è noto che bruciano se esposti all'idrossido di litio. Per questo motivo, le batterie agli ioni di litio devono essere conservate a una temperatura sicura per la batteria.

La protezione da sovratensione dell'uscita del caricabatteria è una funzione che aiuta a garantire che la corrente che fluisce nella batteria rimanga entro un limite predeterminato. Ciò significa che il circuito di carica può interrompere l'uscita per un certo periodo di tempo per evitare un malfunzionamento che potrebbe causare un'esplosione.

Le batterie possono essere molto sensibili e un guasto del circuito di ricarica potrebbe causare un'esplosione. Fortunatamente, ci sono diversi modi per evitare che ciò accada. Innanzitutto, la batteria deve essere caricata a una velocità costante. La velocità dipende dalla composizione chimica della batteria e da quanto è esaurita. In secondo luogo, il circuito deve essere progettato per resistere a condizioni di funzionamento anomale.

Un tipico sistema di gestione della batteria è costituito da un blocco di monitoraggio della batteria e da un circuito di protezione da sovratensione. Il meccanismo di protezione protegge la batteria da danni durante il processo di ricarica e da problemi di alimentazione. Può essere integrato con il circuito di ricarica oppure può essere implementato come parte del sistema di gestione della batteria. In genere, questo tipo di caricabatterie utilizza un design del regolatore lineare, che mira a mantenere la corrente all'interno dell'intervallo dell'inviluppo della tensione del terminale della batteria.

Un'altra opzione è un sistema di gestione della batteria che integra il controllo continuo e le funzioni di controllo limitante. Ciò consente alla corrente di carica di ridimensionarsi quando il carico supera il limite di corrente USB. Inoltre, l'alimentazione di uscita regolata da 3,3 V può essere utilizzata per fornire un segnale di rilevamento di sottotensione attivo-basso.

Un'altra opzione per la protezione da sovratensione è un circuito comparatore. Utilizzando gli operatori di confronto nel codice del microcontrollore, è possibile garantire che la tensione impressa sia inferiore alla tensione massima consentita. Il comparatore di rilevamento della corrente INA300 23 può consumare ben al di sotto del massimo di 1 mA.

Una funzione diodo ideale può anche essere utilizzata per mettere in pausa il processo di carica quando la tensione di uscita scende al di sotto di un livello specificato. In questo caso, il diodo ideale è un diodo ad alte prestazioni che consente a un secondo PFET esterno di connettersi tra OUT e BAT. Quando la tensione OUT scende al di sotto della tensione BAT, il diodo ideale si attiva.

Alcune composizioni chimiche delle batterie sono molto sensibili alle tensioni impresse. Ad esempio, le batterie ricaricabili agli ioni di litio sono progettate per caricarsi a un solo grado C. Quando la tensione del terminale scende al di sotto di questo livello, il circuito di ricarica deve disconnettersi. Allo stesso modo, altri prodotti chimici si aspettano una tensione di mantenimento molto piccola. Tuttavia, quando la tensione scende troppo in basso, la velocità di autoscarica aumenta. Queste chimiche richiedono anche che il circuito di carica si scolleghi quando viene raggiunta la tensione del terminale.

Altri problemi possono derivare dall'uso di adattatori CA/CC non regolamentati. Molti dispositivi elettronici, inclusi aeroplani, pannelli di vetro e persino i circuiti integrati di ricarica, sono soggetti a danni quando vengono collegati a un'alimentazione non regolamentata.

Una soluzione consiste nell'utilizzare un alimentatore a commutazione. Questi tipi di alimentatori utilizzano un interruttore per monitorare la tensione. Se la tensione aumenta troppo rapidamente, l'interruttore ricontrollerà la tensione. Ma se l'alimentatore è difettoso, l'alimentatore switching può essere danneggiato.

Ingresso caricabatteria Protezione da sottotensione e sovratensione

La protezione da sottotensione e sovratensione dell'ingresso del caricabatteria è una caratteristica importante per una varietà di applicazioni. Quando la tensione di ingresso supera una certa soglia, l'IC del caricatore disattiverà l'alimentazione. Questo può proteggere il carico, il dispositivo o il microcontrollore di sistema da eventuali danni. A seconda del design del caricatore IC, possono essere implementate anche soglie di temperatura.

La protezione da sovratensione è meno comune della protezione da sottotensione. Tuttavia, in alcuni casi, la condizione può causare malfunzionamenti del circuito. È meglio implementare questo tipo di protezione con cautela. È necessario considerare una serie di fattori, come la corrente e la temperatura di carica della batteria, la quantità di energia necessaria per mantenere la tensione della batteria e il tipo di dispositivo utilizzato. Idealmente, il circuito integrato del caricabatterie implementerà risposte configurabili alla situazione di sovratensione. L'IC del caricatore dovrà anche essere in grado di regolare il proprio raggio d'azione.

La protezione da sottotensione è spesso meno complessa della protezione da sovratensione. La maggior parte dei designer semplicemente non si preoccupa di questo aspetto dei loro progetti. Piuttosto, si concentrano su altri aspetti dei loro progetti. Nella maggior parte dei casi, le condizioni di sottotensione non causano danni. Tuttavia, alcune condizioni potrebbero richiedere maggiore attenzione.

Per implementare la protezione da sottotensione, viene posizionato un circuito sull'alimentatore. Quindi, viene utilizzato un timer. Questo timer scollegherà automaticamente il carico se la batteria scende al di sotto di una soglia impostata. Il circuito è semplice e facile da implementare. Il timer può essere regolato per adattarsi a diversi valori di tensione.

Un'altra opzione è utilizzare un circuito a piede di porco. Un circuito a piede di porco è simile a un piede di porco a caduta. Tuttavia, un piede di porco non considera la possibilità di danni all'alimentatore. Piuttosto, la funzione del piede di porco è impedire che si verifichi una situazione di sovratensione.

Generalmente, la funzione di protezione da sovratensione di un caricabatteria si baserà su uno standard per batterie JEITA. Di conseguenza, il produttore della batteria avrà soglie specifiche per diversi livelli di corrente di carica. Ad esempio, il caricatore IC può essere in grado di configurare la tensione di ingresso minima a 4,5 V, la tensione di ingresso massima a 20 V e la soglia di sottotensione a 3 V.

Altre funzioni di protezione da sovratensione includono la regolazione termica e il rilevamento della batteria mancante. Il circuito integrato del caricatore può anche prevenire il surriscaldamento regolando la corrente di carica. Queste caratteristiche di sicurezza garantiranno che la batteria non venga danneggiata durante la ricarica.

Esistono diversi tipi di circuiti integrati per caricabatterie, inclusi caricabatterie buck, boost e buck-boost. I caricabatterie buck-boost consentono la ricarica continua limitando la corrente di carica massima a una soglia specifica. Entrambi i caricabatterie buck e boost hanno una tensione operativa più elevata rispetto a un caricabatterie buck. Pertanto, richiedono un pacchetto IC più grande. Possono essere utilizzati in applicazioni portatili.

Alcuni circuiti integrati per caricabatterie hanno un'interfaccia I2C integrata. Ciò consente al dispositivo di configurare facilmente diverse funzioni di sicurezza. Una di queste funzionalità è il timer watchdog. Durante il processo di ricarica, l'MCU deve reimpostare regolarmente il timer. Se il timer non funziona, il microcontrollore del sistema non sarà in grado di rispondere.

Un altro tipo di caricabatteria IC è il caricabatterie a commutazione. I caricabatterie a commutazione sono generalmente più efficienti e in grado di gestire correnti più elevate. Sebbene questo tipo di caricabatterie possa costare di più, può anche essere una scelta più conveniente per alcune applicazioni.

Caricabatterie Protezione da cortocircuito e collegamento inverso

I collegamenti della batteria con polarità inversa possono causare gravi danni alle batterie e alle apparecchiature elettroniche portatili. Possono produrre una scintilla, gas idrogeno o scaricare completamente la batteria. Questi possono essere tutti pericolosi per la tua salute e per la tua attrezzatura. Ecco come prevenire i collegamenti inversi della batteria e come proteggere il caricabatterie dagli effetti.

Per evitare collegamenti della batteria con polarità inversa, è importante collegare il polo positivo a quello negativo della batteria. Questo per garantire che la batteria non si surriscaldi. Inoltre, la tensione dal lato negativo della batteria scaricherà gradualmente la batteria, provocando un ciclo di scarica simile a quello che si verifica con un condensatore.

A seconda del tipo di dispositivo che stai utilizzando, potresti aver bisogno di un interruttore di inversione della batteria o di protezioni meccaniche. Questi possono includere un connettore polarizzato o un connettore unidirezionale. Inoltre, potrebbe essere necessario indossare occhiali protettivi o guanti di gomma.

Un altro semplice approccio per impedire l'inversione della batteria consiste nell'utilizzare un circuito a diodi in parallelo. È facile da costruire e può proteggere le batterie ad alta impedenza di uscita da installazioni inverse. Tuttavia, deve essere in grado di gestire una corrente elevata. La pompa di carico può anche essere un'utile aggiunta per aiutare a proteggere il carico.

Una connessione della batteria con polarità inversa è pericolosa perché gli elettroni vengono trascinati dal lato negativo a quello positivo della batteria. Ciò può causare lo scaricamento della batteria e può bruciarla. Come con altre batterie, può anche portare a un rapido drenaggio e una breve durata. L'utilizzo di un interruttore di inversione della batteria può proteggere il caricabatterie e l'elettronica portatile dagli effetti di una connessione inversa della batteria.

Quando è collegata una batteria inversa, MP1 la rileva. Se l'MP1 non rileva la connessione, disabiliterà il dispositivo di passaggio principale MP2. Durante il collegamento inverso della batteria, l'MN1 genererà molta energia. Ciò provoca la disattivazione dell'MP2 e l'MP1 si disattiverà. Allo stesso modo, se la batteria è collegata e l'MP2 è disabilitato, l'MP1 interromperà il funzionamento del caricabatterie.

Un altro approccio consiste nell'utilizzare un circuito basato su NMOS. NMOS utilizza un elemento di memoria a scatto per determinare se la batteria inversa è collegata. Sebbene questo metodo sia più semplice di un approccio basato su PMOS, non sempre si collega alla batteria. Anche se lo fa, non è sempre abbastanza veloce da impedire l'attivazione dell'MN1.

In alternativa, puoi provare un circuito di protezione PMOS. In questo metodo, la batteria è temporaneamente collegata all'uscita del caricabatterie mentre il caricabatterie è spento. Confrontando la tensione dal terminale della batteria con la tensione dall'uscita del caricabatterie, è possibile determinare se la connessione è permanente.

Infine, è essenziale scollegare l'MN1 dalla batteria prima che diventi troppo caldo per poterlo staccare. Anche se non è un processo veloce, è molto importante. Diversi circuiti sono stati sviluppati per aiutare con questo compito. Uno dei migliori circuiti include R3 e R4. È più efficace per le applicazioni con batterie agli ioni di litio a basso voltaggio.