Tropimy błędy: Ładowarka akumulatorów Li-Ion

W Internecie można znaleźć mnóstwo schematów budzących większe lub mniejsze wątpliwości. Niektóre są ewidentnie błędne i bezwartościowe. Inne mają jakąś wartość, ale zawierają usterki i niedoróbki. Jeszcze inne nie są błędne, tylko całkiem przestarzałe. Jak ocenisz schemat pokazany na poniższym rysunku?

Źródło schematu: https://www.homemade-circuits.com/simplest-safest-li-ion-battery-charger/

Schemat z powyższego rysunku był przedstawiony w wydaniu ZE z lutego roku 2024 w ramach konkursu Tropimy błędy o oznaczeniu KX015. Konkurs jest zamknięty. Rozwiązania można było nadsyłać do końca lutego.

Na podanej powyżej stronie internetowej Autor zapewnia, że przedstawia i objaśnia cztery proste, ale bezpieczne sposoby ładowania akumulatorów litowych (The following post explains a four simple yet a safe way of charging a Li-ion battery…)

Jeden z tych bezpiecznych sposobów ma realizować pokazany powyżej prosty schemat z dwoma bardzo popularnymi tranzystorami. Naprawdę warto też przeanalizować i ocenić pozostałe sposoby i schematy, które są proponowane na podanej stronie internetowej.

Problem w tym, że wymieszane są tam informacje prawdziwe i totalne głupoty. Osoba mniej zorientowana może mieć kłopot żeby je rozróżnić. Pełna analiza z rozróżnieniem jednych i drugich zajęłaby więcej niż jeden duży artykuł. Dlatego w rozwiązaniu zadania konkursowego skupimy się tylko na powyższym schemacie.

Trzeba zacząć od tego, że Autor artykułu i omawianego schematu nie ma zielonego pojęcia o właściwościach akumulatorów litowych. W artykule dotyczącym ich ładowania, obok informacji prawdziwych, w bałaganiarski sposób przytacza też przypadkowe informacje dotyczące ładowania akumulatorów kwasowych oraz niklowych.

I tak podaje informacje o kompensacji temperaturowej, co ma sens w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych, a nie dotyczy akumulatorów litowych. Pisze o wzroście temperatury podczas ładowania, a to nie ma znaczenia w tym przypadku, jest natomiast istotne w przypadku akumulatorów niklowych (NiMH), gdzie może to być kryterium zakończenia ładowania.

Bezsensowne są też wskazówki dotyczące stosowania układu czasowego. Wszystko to wprowadza w błąd! Podstawowa zasada jest taka, że akumulatory Li-Ion najpierw ładuje się prądem, który nie przekracza wartości maksymalnej, podanej przez producenta. Napięcie akumulatora rośnie, ale nie powinno przekroczyć 4,2 V. Ładowarka musi więc być rodzajem zasilacza napięciowego 4,2 V ±50 mV. Wtedy po osiągnięciu napięcia akumulatora 4,2 V, nastąpi samoczynne zmniejszenie wartości prądu ładowania. Generalnie uznaje się, że akumulator jest naładowany, gdy samoczynnie malejący prąd osiągnie małą wartość, powiedzmy rzędu 1…5% początkowego prądu ładowania.

Taka procedura zapewnia bezpieczne ładowanie, natomiast bardzo groźne jest zwiększanie napięcia na akumulatorze ponad 4,2 V – zmniejsza to trwałość, a duży wzrost ponad 4,2 V może spowodować pożar.

W podstawowej wersji z rysunku 1 nie sposób sensownie ustawić końcowego napięcia ładowania 4,2 V ±50 mV! Napięcie na akumulatorze zależy od napięcia zasilania oraz od charakterystyki tranzystora – od napięcia U_GS, które zależy od prądu tranzystora.

Jeszcze gorzej jest z napięciem na akumulatorze w wersji z rysunku tytułowego, z prymitywnym ogranicznikiem prądu. Obecność Rx tylko pogarsza sytuację. Szczegółowa analiza wymagałaby kilkustronicowego artykułu – na pewno trzeba wykorzystać inny układ.

Uczestnicy konkursu podkreślali, że najpoważniejszym błędem jest brak kontroli napięcia akumulatora.

Oto jedna z odpowiedzi:

(…) podstawowy błąd to brak ogranicznika napięcia. Obwód z potencjometrem praktycznie nic nie daje. Trzeba dać w układzie coś innego, żeby nie „załatwić” akumulatora wskutek przeładowania. (…)

A oto inne, obszerniejsze rozwiązanie konkursu:

(…) konkurs „Tropimy błędy” i ładowarka Li-Ion. Ładowarka, a być może także bomba z opóźnionym zapłonem!

Mamy rezystor Rx i tranzystor NPN, który realizuje ograniczenie prądowe i stabilizuje prąd, ale co w sytuacji, gdy prąd zacznie spadać tak bardzo, że NPN się zatka (co nastąpi pod koniec ładowania)? Nie ma żadnej stabilizacji napięcia wyjściowego, żadnego obwodu sprzężenia zwrotnego. W zasadzie jedynym sprzężeniem jest tu podnoszenie potencjału źródła MOSFET-a (więc obniżanie potencjału bramki względem źródła) przy wzroście płynącego prądu, ale czy to wystarczy? Moim zdaniem nie. Dzielnikiem rezystancyjnym możemy sobie ustalić jakieś napięcie na bramce, które sprawi, że MOSFET będzie miał jakąś rezystancję (ciężką do określenia, niekontrolowaną, zależną od temperatury, od napięcia zasilającego, od płynącego prądu), ale nie ma tu żadnej stabilizacji napięcia, a sama regulacja będzie dosyć „ostra”, stroma, ze względu na występujące wzmocnienie. Napięcie na baterii będzie wypadkową wielu czynników i w żadnym razie nie będzie ograniczane do nieprzekraczalnej wartości 4,2 V, co może doprowadzić do wybuchu baterii.

W czasach, w których gotowa ładowarka z układem TP4056 kosztuje grosze, takie wydumki nie mają żadnego sensu – ani ekonomicznego ani praktycznego (a wręcz są niebezpieczne).

Tyle teorii. W praktyce widziałem „ładowarkę” baterii Li-Ion zbudowaną z… rezystora.

Tak, rezystora wpiętego między 12 V (wtyczka zapalniczki samochodowej) a baterię. Bateria była chińską podróbką (na obudowie grube amperogodziny, w praktyce zmierzone kilkaset mAh, waga też piórkowa; marka „Ultrofite”, czyli klon Ultrafire), a jednak wspomniane urządzenie (latarka czołowa, swoją drogą całkiem dobra) sprzedawało się i nie słychać było nigdzie o spektakularnych wybuchach latarek, więc sam nie wiem, co o tym myśleć. Ja w swojej latarce baterię wymieniłem (ładowarkę też) i służy mi do dziś.

Circuit Chaos

I jeszcze jedno obszerniejsze rozwiązanie. Stały uczestnik konkursów, Tadeusz Susfał z Warszawy napisał: Na podanej stronie internetowej Autor przedstawia procedurę ładowania standardowego ogniwa litowo-jonowego 3,7 V, przy pełnym napięciu 4,2 V. Zamieszcza charakterystykę ładowania akumulatora litowo-jonowego, zwraca uwagę na spełnienie podczas ładowania warunków, których należy bezwzględnie przestrzegać. Natomiast przedstawia układ, który nie spełnia tych warunków. Żeby to lepiej zrozumieć i odnieść to do przedstawionych charakterystyk ładowania należy przeanalizować proces ładowania. Dobrze to zrobić porównawczo z układem, który spełnia te wymagania pokazanym na rysunku 2.

W tym układzie akumulator jest włączony równolegle. Odłączenie akumulatora nie powoduje wzrostu napięcia powyżej 4,2 V. Rezystory R1, R2 zostały tak dobrane, aby napięcie wyjściowe nie było większe niż 4,2 V. Natomiast tranzystor T1 stanowi ogranicznik prądu ograniczając prąd maksymalny do wartości ok. 1 A. Ma to miejsce dla przypadku rozładowanego akumulatora zabezpieczając go przed nadmiernym prądem. Gdy akumulator jest naładowany, płynie mały prąd i tranzystor nie jest wysterowany. Przebieg ładowania jest zgodny z charakterystyką ładowania akumulatorów litowo-jonowych. Nie są przekroczone dopuszczalne wartości napięcia i prądu akumulatora.

W układzie przedstawionym w zadaniu konkursowym akumulator włączony jest szeregowo w obwód, mając tym samym wpływ na prąd płynący w obwodzie szeregowym, a tym samym na napięcie występujące na nim. Wielka niewiadoma!

W sytuacji braku podłączonego akumulatora (rozwarcie) w tym miejscu wystąpi napięcie większe niż 4,2 V, a w momencie jego włączenia napięcie spadnie. Wraz z postępem ładowania akumulatora, prąd wcale nie zmaleje zgodnie z charakterystyką ładowania. Co prawda akumulator ładowany jest prądem, ale napięcie może osiągnąć wartość powyżej 4,2 V, co grozi degradacją akumulatora. Jest podana zależność na wartość rezystora Rx = 0,7/I, gdzie I oznacza dopuszczalny prąd ładowania. Ale tak dobrany rezystor wcale nie ogranicza prądu do dopuszczalnej wartości. Regulacja potencjometrem wpływa na wartość prądu, ale działa to niezadowalająco. Układ nie nadaje się do ładowania akumulatorów litowo-jonowych.

Tadeusz Susfał

Finalna ocena projektu

Zaprezentowany schemat jest całkowicie błędny i zarówno on, jak i dołączony opis, poważnie wprowadzają w błąd osoby mniej zorientowane. Próba wykorzystania takiej ładowarki zapewne skończy się albo uszkodzeniem akumulatora, albo, co gorsze, wypadkiem i pożarem.

Dziś za bezcen można kupić zarówno moduły zawierające scalony kontroler ładowania, jak też najróżniejsze kompletne ładowarki akumulatorów Li-Ion o maksymalnym napięciu 4,20 V. Nie ma potrzeby realizacji niebezpiecznych samoróbek. Trudniej z akumulatorami litowymi fosfatowymi (LiFePO4), ale to zupełnie inna historia. ©

 

Piotr Górecki