ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА


PDF версия

В статье рассматриваются основные требования, предъявляемые к зарядным устройствам мобильных приложений. Рассказывается о методах измерения их эффективности, приводятся схемы включения зарядных устройств. Перечислены особенности работы аккумуляторных батарей с большим током разряда и даны практические рекомендации по разработке зарядных устройств для них.

Введение

Известно, что одна из главных задач проектировщика мобильных уст­ройств — уменьшение энергопотребления изделия для увеличения времени между подзарядом аккумуляторных батарей (АБ). Однако сегодня не менее важной задачей становится уменьшение энергопотребления зарядных устройств (ЗУ), для чего необходима оптимизация процесса заряда аккумуляторных батарей и собственно зарядных устройств.
По сведениям компании Ecos Con­sulting, только в США изделия, работающие от АБ, потребляют около 42 млрд кВт∙ч в год и, по оценкам экспертов той же компании, лишь за счет оптимизации процессов заряда и зарядных устройств возможно снизить потребление до 23,5 млрд кВт∙ч [1]. В России проблема с энергосбережением не столь остра, но в США и Европе уже рассматриваются стандарты по улучшению эффективности блоков питания и зарядных устройств [2]. Когда стандарты будут приняты, учитывать их придется и отечественным разработчикам аналогичной продукции.

 

Эффективность зарядных устройств

Специалисты компании Ecos Con­sulting исследовали шестьдесят два различных ЗУ для нескольких десятков устройств и выделили некоторые свойства лучших в своем классе.
– Эффективность лучших ЗУ составляет 75—90%, а в режиме ожидания их энергопотребление не превышает 0,5 Вт. В то время как эффективность линейных ЗУ, которыми обычно комплектуются дешевые изделия, лежит в пределах 40—60%, а потребление в режиме ожидания составляет несколько ватт.
– Алгоритм работы лучших ЗУ поддерживает оптимальный режим работы на всех стадиях заряда. Например, используются периодические импульсы для поддержания заряда в АБ с высокой скоростью саморазряда, что намного эффективнее непрерывного процесса поддержания заряда.
– Лучшие ЗУ снабжены механическим или электронным выключателем и практически не потребляют мощность при отсутствии АБ.
– Лучшие в своём классе продукты обычно рассчитаны на литий-ионные или свинцовые аккумуляторы, имеющие большую эффективность процессов заряда и разряда и минимальные потери на саморазряд. По сравнению с ними никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторные батареи имеют меньший коэффициент эффективности.
– Лучшие ЗУ обеспечивают быстрый заряд АБ, но при этом не нуждаются в принудительной вентиляции, заметно увеличивающей стоимость, и не перегревают АБ.

 

Рис. 1. Иллюстрация метода определения эффективности ЗУ

Отметим, что эффективность ЗУ определяется как отношение энергии, потребляемой от сети переменного тока, к выходной энергии (см. рис. 1). Существуют несколько методик оценки эффективности, но сегодня принята единая процедура, которая охватывает все стадии заряда: и собственно заряд до номинального напряжения и поддержание заряда АБ, и расход энергии в режиме ожидания. На рисунке 2 показан пример определения эффективности ЗУ при заряде литий-ионноной АБ сотового телефона и металлгидридной АБ портативной рации. Металлгидридная АБ портативной рации потребляла постоянный ток 0,2С (С — емкость АБ, выраженная в А∙ч) в течение всего времени испытаний и для нее нельзя разделить режимы работы на быстрый заряд и режим поддержания заряда, как в случае литий-ионной АБ.

 

Рис. 2. Единая процедура измерения эффективности ЗУ

Средняя эффективность преобразователя ЗУ литий-ионной АБ составила 73%, а металлгидридной — 43%. В NiMH АБ нет чёткой разницы между режимами заряда и компенсации разряда, в них не предусмотрена возможность экономии энергии за счёт минимального потребления для поддержания полного заряда аккумулятора. К тому же они продолжают потреблять 0,8 Вт в режиме ожидания.

 

Рис. 3. Результаты измерения эффективности ЗУ различных изделий

 

Если же говорить об эффективности ЗУ, определяемых по единой процедуре, то в этом случае контраст еще более разителен: ЗУ металлгидридной АБ за 24 ч израсходовало 63 Вт∙ч (эффективность 6%), а литий-ионной — 8 Вт∙ч (эффективность 45%). Более подробные сведения об испытаниях АБ можно найти в [3, 4].

 

Схемы включения зарядных устройств

В общем случае микросхема ЗУ в процессе заряда может подключаться либо только к АБ (см. рис. 4), при этом нагрузка питается от адаптера ЗУ (изолированная нагрузка), либо и к АБ, и к нагрузке (см. рис. 5) [5].

 

Рис. 4. Схема подключения микросхемы ЗУ с изолированной нагрузкой

 

Во многих микросхемах ЗУ предусмотрены оба режима работы. В режиме изолированной нагрузки ключ на полевом транзисторе отключает нагрузку от АБ при подключенном адаптере ЗУ и питание нагрузки осуществляется через диод непосредственно от адаптера, при отключении адаптера ключ открывается и АБ подключается к нагрузке. Преимущества прямого подключения очевидны: не требуются лишние компоненты; отсутствуют потери на ключе; не требуются дополнительные элементы для защиты нагрузки от перенапряжений — подобная защита есть в микросхеме ЗУ, да и АБ играет роль сглаживающего конденсатора.

 

Рис. 5. Схема подключения микросхемы ЗУ с прямым подключением к нагрузке

При импульсной нагрузке и больших пиковых токах преимущества прямого подключения возрастают. При изолированной нагрузке только адаптер зарядного устройства обеспечивает ток в нагрузке, поэтому его максимальный выходной ток должен равняться сумме токов заряда АБ и максимальному току нагрузки — следовательно, его выходная мощность, а значит, и стоимость увеличиваются. Если выходной ток адаптера недостаточно велик, то импульсные токи нагрузки приведут к провалам напряжения на его выходе и, возможно, к срабатыванию защиты от токов короткого замыкания.
При прямом подключении максимальный выходной ток адаптера выбирается равным сумме токов заряда АБ и среднему току нагрузки, т.к. импульсные токи нагрузки поддерживаются уже не только адаптером, но и АБ. Фактически схема с изолированной нагрузкой выбирается лишь в случае, когда микросхема ЗУ не в состоянии обеспечить и зарядный ток АБ (особенно при быстром заряде) и питание нагрузки. Поэтому при заряде АБ следует стараться уменьшить ток нагрузки, например при зарядке отключается подсветка дисплея, в некоторых устройствах отдельные функциональные узлы переводятся в режим пониженного энергопотребления и т.д.

Зарядные устройства АБ с большим током разряда

Литий-ионные АБ можно разделить на две группы. В первую войдут АБ большой емкости, предназначенные для отдачи относительно небольшого тока в течение продолжительного времени, а во вторую — АБ, способные отдавать в нагрузку значительный ток за короткий интервал [6]. Последние используются, например, в ручном инструменте с электроприводом (power-tool). Заряжать такие АБ также желательно большим током, вплоть до 2…3С, в отличие от АБ первого типа, ток заряда которых не превышает 0,7С.

 

Рис. 6. Характеристики АБ 27600

В АБ с большим разрядным током вместо литий-кобальт-оксидного (LiCoO2) катода используется катод из марганцевого шпинеля (LiMn2O4), что позволяет осуществлять трехмерную диффузию при транспорте ионов. На рисунке 6 для примера приведены характеристики цилиндрической АБ типоразмера 26700 (диаметр 26 и длина 70 мм), производимой канадской компанией E-One Moli Energy. Эта АБ способна в течение 10 с отдавать в нагрузку ток 80 А. Все аккумуляторные батареи подобного типа имеют низкий внутренний импеданс, поэтому могут и отдавать большой ток в нагрузку, и заряжаться большим током. К сожалению, плотность энергии в таких АБ относительно мала и они довольно дороги.
Зарядные устройства АБ с большим током заряда также должны иметь большую мощность. Например, для обычной литий-ионной батареи вполне пригоден источник мощностью 5 Вт: зарядный ток 0,5С в режиме постоянного тока, а затем поддержание напряжения заряда в режиме постоянного напряжения. АБ с большим током разряда, например емкостью 3 А∙ч и выходным напряжением 3 В (АБ с большим током разряда как правило имеют меньшее напряжение, нежели обычные АБ с LiCoO2-катодом) могут поддерживать ток разряда 18 А в течение 10 мин и должны заряжаться в пределах 15 мин. Для их заряда потребуется 60-Вт источник, стоимость которого, конечно, больше, чем стоимость 5-Вт источника, поэтому следует оценить экономический аспект проблемы при разработке ЗУ.
Помимо экономических вопросов, при проектировании ЗУ АБ с большим током разряда необходимо решить и ряд конструктивных проблем, основная из которых — охлаждение ЗУ. Принудительная вентиляция заметно повысит стоимость изделия, к тому же в устройство может проникать токопроводящая пыль, возможно наилучшим решением является применение радиаторов, примерная конструкция устройства показана на рисунке 7.

 

Рис. 7. Пример конструкции ЗУ для АБ с большим разрядным током

 

Нельзя забывать, что при больших токах заряда дополнительного внимания потребуют и вопросы электромагнитной совместимости. При выборе величины зарядного тока следует знать, что уменьшение времени заряда происходит в основном при увеличении тока до 1С, а увеличение тока с 2С до 3С даст выигрыш меньше минуты.

 

Заключение

Сегодня при проектировании мобильных устройств необходимо учитывать требования повышения эффективности ЗУ. Уже в ближайшее время эти требования могут быть узаконены в американских и европейских стандартах. Известны методы измерения эффективности, как и основные требования, предъявляемые к ЗУ обычных АБ и АБ с большим разрядным током. Новые требования будут способствовать дальнейшему распространению литий-ионных АБ и уходу со сцены металлгидридных батарей.


Литература
1. Chris Calwell, Policy and Research Di­rec­tor, Suzanne Foster Porter Radical Re­de­sign Nears for Battery Chargers//Power Elec­tronics Technology, April 2007.
2. Environmentally Friendly Design of Energy-Using Products: Framework Directive for Setting Eco-Design Requirements for Ener­gy-Using Products (EuP).
3. www.efficientpowersupplies.org.
4. www.efficientproducts.org.
5. Schroeder W. Direct Battery Connec­tion Benefits Portable Designs//Power Elec­tronics Technology, July 2007.
6. Tichy R.S., Van Zwol J. Fast Charge Becomes a Reality For Li-Ion Batteries//Power Electronics Technology, October 2007.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *