Verndaraðgerðir fyrir rafhlöðuhleðslutæki

Hvort sem þú notar rafhlöðuhleðslutæki fyrir bílinn þinn, eða þú notar rafhlöðu í öðrum tilgangi, þá er mikilvægt að skilja hvernig á að vernda rafhlöðuna þína. Þetta felur í sér að viðurkenna hvað veldur ofhleðslu, hvernig á að forðast hitauppstreymi og fleira.

Yfirstraumsvörn er mikilvægur hluti af öllum rafrásum. Það verndar búnað fyrir ofhleðslu og jarðtruflunum.

Auk þess að veita vernd er hægt að nota yfirstraumstæki til að greina ofhleðsluaðstæður. Aflrofar, öryggi og smelttenglar eru algengustu yfirstraumsvörnin. Þessi tæki eru tengd í röð við hringrásina sem þau vernda.

Öryggi og aflrofar eru hönnuð til að rjúfa hringrás þegar straumur fer yfir fyrirfram ákveðið þröskuldsgildi. Þeir eru almennt notaðir í lágspennukerfi. Öryggi samanstendur af tveimur vírum eða ræmum sem eru hlífðar í einangrunarefni. Brædd tenging bræðsluræmunnar getur bognað yfir og bráðnað.

Öryggi og aflrofar má finna í næstum öllum rafeindavörum. Þau eru notuð til að vernda starfsfólk, leiðara og búnað fyrir ofstraumi eða skammhlaupum. Ef hringrásin virkar ekki munu öryggin springa og tækið verður óstarfhæft.

Rafhlöður ættu að verja gegn ofstraumi og ofspennu. Ofhleðsla og ofspenna geta valdið rafhlöðubilun, sprengingum og eitruðum gufum. Sérstaklega ætti að fylgjast með og vernda litíumjónarafhlöður.

Hleðslurásir rafhlöðu eru viðkvæmar fyrir vandamálum eins og ofhleðslu aflgjafa, misjafnt álag og hleðslurás sem dregur meiri straum en leyfilegt er. Til að vernda rafhlöðuna og búnaðinn fyrir þessum hættum ætti rafhlöðupakkinn að innihalda yfirstraumsvörn.

Lithium fjölliða rafhlöðupakkar eru venjulega búnar hlífðarrás sem er hönnuð til að koma í veg fyrir ofhleðslu og ofhleðslu. Hins vegar eru þau einnig viðkvæm fyrir misnotkun. Að hlaða litíum fjölliða rafhlöðu umfram getu hennar getur leitt til hitauppstreymis og annarra öryggisvandamála. Helst ætti ekki að hlaða rafhlöðu meira en 1,5 sinnum hærri hleðslustraum rafhlöðunnar.

Að prófa yfirstraumsverndarvirkni rafhlöðupakka felur í sér að athuga viðbrögð hringrásarinnar við yfirstraums- og ofspennuskilyrðum. Þessar prófanir ættu að fara fram á rannsóknarstofu.

Yfirstraumshleðsluvörnin er prófuð með DC aflgjafa. Gögnum er safnað í eina klukkustund eftir að hleðslu hættir. Á þessum tíma er hitastig rafhlöðunnar og SOC stig mæld. Þegar SOC stigið nær 130 prósentum eða meira er prófinu hætt. Þetta gerir ráð fyrir nákvæmara mati á getu rafhlöðunnar til að standast yfirstraum og ofspennu.

Ofhleðsluvörn er ein af öryggisaðgerðum litíumjónarhleðslutækis. Það gerist þegar spenna litíum rafhlöðu fer niður fyrir ákveðinn þröskuld. Ef spennan nær stigi undir þessum viðmiðunarmörkum hættir rafhlaðan að hlaðast. Rafhlaðan mun að lokum verða hugsanleg eldhætta.

Ofhleðsluvörn er útfærð í formi yfirhleðsluvarnarrofa. Rofinn er tengdur í röð á milli jákvæðu hliðar rafhlöðunnar og úttaksskauts rafhlöðunnar.

Rofanum fylgir stjórnrás sem kveikir og slokknar á rofanum þegar rafhlaðaspennan nær ákveðnu lágmarkssettpunkti. Seinkunarrás er einnig innifalin til að koma í veg fyrir að FET slökkni of snemma.

Til viðbótar við yfirhleðsluvarnarrofann er einnig spennuskynjunarrás sem fylgist með rafhlöðuspennunni. Þessi hringrás samanstendur af þriggja skauta samþættri hringrás (IC) stjórnandi. Eins og sýnt er á mynd 2 stjórnar IC yfirhleðsluvarnarrofanum með því að rjúfa úttaksspennuna þegar frumuspennan fer niður fyrir ofhleðsluþröskuldinn.

Þessi hringrás inniheldur einnig sníkjudíóða til að halda FET í kveiktu ástandi með tilliti til bakstraums. Það er bætt við þétti C21 sem bætir litlum tíma við hækkun spennu við hlið FET.

Þegar slökkt er á yfirhleðsluvarnarrofanum hækkar spennan við úttakshlið rofans upp í spennuna við hleðsluendann. Hitarofi er einnig notaður til að slökkva á rafhlöðunni.

Annar áðurnefndur íhlutur er yfirhitavörn. Þetta tæki er ekki eins háþróað og verndaraðgerðin fyrir ofhleðslu.

Önnur hönnun fyrir ofhleðsluvarnaraðgerðina væri örstýri sem les hitastig rafhlöðunnar og slökkva á úttakinu. Þessi valkostur krefst hins vegar mikillar forritunar, sem gæti verið óhagkvæm fyrir sum forrit.

Engu að síður eru nokkrir valmöguleikar fyrir ofhleðsluvörn sem eru gagnlegir og hægt að aðlaga til að mæta tilteknu forriti. Til dæmis, í fjölfruma Li-ion rafhlöðuhleðslutæki, gæti ofhleðsluskynjunarbúnaður verið stilltur til að fylgjast með öllum frumum í rafhlöðupakkanum.

Ofhitaverndaraðgerðir hleðslutækja eru mikilvægar fyrir frammistöðu og áreiðanleika rafhlöðustjórnunarkerfa. Ofhitaástandið er ekki aðeins öryggishætta heldur getur það einnig skaðað endingu rafhlöðunnar. Til að koma í veg fyrir að hitauppstreymi komi upp verður að slökkva á rafhlöðunni áður en hitastigið nær því stigi sem er óframkvæmanlegt.

Rafhlöðuverndarkerfi bjóða venjulega upp á tvö stig verndar. Annar er varmaöryggi og hinn er hitauppstreymi.

Hitaöryggið er tæki sem slekkur sjálfkrafa á hleðslutækinu ef hitastig rafhlöðunnar fer yfir fyrirfram ákveðinn þröskuld. Aðrir eiginleikar hleðslutækja fyrir rafhlöður eru yfirspennu og vörn gegn öfugri pólun.

Það eru önnur hleðslutæki fyrir rafhlöður sem bjóða upp á hitauppstreymi. Hins vegar eru þessi tæki of dýr til að setja inn í venjulegt hleðslutæki og krefjast vandaðrar hönnunar til að forðast hitauppstreymi. Þess í stað er hægt að útfæra hitauppstreymi með því að tengja NTC hitamæli við sérstakan tengipinna. Spennugreiningarrás getur síðan fylgst með viðnám hitastigsins til að ákvarða hvort hitastigið sé nógu hátt til að slökkva á rafhlöðunni.

Rafhlöður hafa mikið hitastig. Munurinn á hitastigi rafhlöðunnar og hleðslutæksins getur verið mikill. Þessi munur getur valdið ofhleðslu eða ofhleðslu. Hvort tveggja getur leitt til skemmda á rafhlöðunni.

Auk varmaöryggisins getur hleðslutækið innifalið spennujafnara. Þetta gerir hleðslutækinu kleift að halda stöðugri spennu á sama tíma og straumurinn streymir inn í rafhlöðuna undir leyfilegu hámarksgildi.

Rafhlöðuhleðslutæki eru venjulega með einkaleyfishönnun úr plastprófíl sem hefur hraða hitaleiðni. Það inniheldur einnig gaumljós, hleðsluhraðaskjá og sex innbyggðar verndaraðgerðir.

Rafhlaðan getur einnig innifalið hitastýri til að ákvarða hvort byrjunarumhverfið sé of heitt til að rafhlaðan geti tekið í sig hleðsluna. Þessi hitastigsmæling er gagnleg við eftirlit með hringrásum og kveikir aftur á móti aðgerð til að kveikja á kæliviftu eða stöðva hleðsluna.

Það fer eftir rafhlöðutækni og efnafræði rafhlöðunnar, það eru nokkrar mismunandi verndaraðgerðir. Sumt er útfært sem hluti af orkustjórnunarkerfi rafhlöðunnar og annað er samþætt í hleðslutækið sjálft.

Hitahlaup er hættulegt ástand sem getur átt sér stað í rafhlöðu. Það veldur því að raflausnin í rafhlöðu ofhitnar og getur leitt til elds sem ekki er hægt að slökkva. Þetta ástand getur verið afleiðing af innri skammhlaupi eða ytri skammhlaupi. Sem betur fer hefur hleðslutæki rafhlöðu innbyggða vörn gegn hitauppstreymi.

Þegar kerfið byrjar að hlaða rafhlöðuna mun það fyrst byrja að fylgjast með rafhlöðuspennunni. Ef spennan eykst ekki gerir kerfið ráð fyrir að rafhlaðan sé í hitauppstreymi. Þá mun hleðslustraumurinn aukast þar til rafhlaðan er komin á fyrirfram ákveðna hleðsluspennu.

Þegar hleðslustraumurinn nær fyrirfram ákveðnu stigi byrjar kerfið að draga úr hleðsluhraðanum. Þetta dregur úr hleðslustraumnum í það magn sem er öruggt fyrir rafhlöðuna. Þegar núverandi stigi nær ákveðnum þröskuldi verður rafhlaðan fullhlaðin.

Til að koma í veg fyrir möguleika á hitauppstreymi mun hleðslutækið fylgjast með spennu og vinnulotu hleðslustraumsins. Ef það er frávik í hleðslueiginleikum mun kerfið meðhöndla frávikið sem vandamál og draga úr hleðsluhraðanum.

Hugbúnaður hleðslutækisins mun einnig fylgjast með rafhleðslubreytum rafhlöðunnar. Þegar rafhlaðan spenna nær forstilltu gildi, verður það athugað til að ákvarða hvort það sé hitauppstreymi.

Í stöðugum straumham er vinnulotan athugað á þriggja eða fjögurra gildum í röð. Þegar vinnulotan minnkar er di/dt-teljarinn lækkaður og DT-mörkin hækkuð.

Meðan á stöðugri spennu stendur er di/dt-teljarinn stilltur á nafngildið. Spennuferillinn mun hafa jákvæða halla. Litið er á hitauppstreymi þegar spennan nær ekki að hækka og di/dt teljarinn nær neikvæðu gildi.

Í stöðugri rafhlöðuhleðslutæki er vinnulotan skoðuð með föstu millibili. Á forstilltum tíma mun kerfið draga úr hleðslustraumnum og athuga síðan vinnuferilinn aftur til að sjá hvort hann hafi minnkað.

Hitahlaup getur átt sér stað í litíum rafhlöðum. Þrátt fyrir að þau séu einstaklega dugleg orkugeymslutæki getur getu þeirra minnkað ef þau eru skilin eftir í heitu umhverfi. Ennfremur er vitað að þau brenna þegar þau verða fyrir litíumhýdroxíði. Af þessum sökum verður að geyma Li-ion rafhlöður við hitastig sem er öruggt fyrir rafhlöðuna.

Framleiðsla rafhlöðuhleðslutækis yfir spennuvörn er eiginleiki sem hjálpar til við að tryggja að straumurinn sem flæðir inn í rafhlöðuna haldist innan fyrirfram ákveðinna marka. Þetta þýðir að hleðslurásin getur slökkt á úttakinu í ákveðinn tíma til að forðast bilun sem getur valdið sprengingu.

Rafhlöður geta verið mjög viðkvæmar og bilun í hleðslurásinni gæti leitt til sprengingar. Sem betur fer eru ýmsar leiðir til að koma í veg fyrir að þetta gerist. Í fyrsta lagi verður að hlaða rafhlöðuna á jöfnum hraða. Hraðinn fer eftir efnafræði rafhlöðunnar og hversu mikið af henni er tæmt. Í öðru lagi verður hringrásin að vera hönnuð til að geta staðist óeðlileg rekstrarskilyrði.

Dæmigert rafhlöðustjórnunarkerfi samanstendur af rafhlöðueftirlitsblokk og yfirspennuverndarrás. Verndarbúnaðurinn verndar rafhlöðuna gegn skemmdum meðan á hleðslu stendur og gegn vandamálum með aflgjafa. Það er hægt að samþætta það við hleðslurásina, eða það er hægt að útfæra það sem hluta af rafhlöðustjórnunarkerfinu. Venjulega notar þessi tegund af rafhlöðuhleðslutæki línulega eftirlitshönnun, sem miðar að því að halda straumnum innan sviðs rafhlöðuspennuhlífarinnar.

Annar valkostur er rafhlöðustjórnunarkerfi sem samþættir stöðuga stjórn og takmarkandi stjórnunaraðgerðir. Þetta gerir hleðslustraumnum kleift að minnka þegar álagið fer yfir USB-straummörkin. Einnig er hægt að nota stýrða 3,3V úttaksgjafa til að gefa upp virk-lág undirspennuskynjunarmerki.

Annar valkostur fyrir yfirspennuvörn er samanburðarrás. Með því að nota samanburðartæki í örstýringarkóðanum er hægt að tryggja að spennuspennan sé lægri en leyfileg hámarksspenna. INA300 23 straumskynsamanburðurinn getur eytt vel undir 1mA hámarkinu.

Tilvalin díóðaaðgerð er einnig hægt að nota til að gera hlé á hleðsluferlinu þegar úttaksspennan fer niður fyrir tiltekið mark. Í þessu tilviki er tilvalin díóða hágæða díóða sem gerir öðrum ytri PFET kleift að tengja á milli OUT og BAT. Þegar OUT spennan fer niður fyrir BAT spennuna verður kjördíóða virk.

Sum rafhlöðuefnafræði er mjög viðkvæm fyrir álagðri spennu. Til dæmis eru lithium-ion hleðslurafhlöður hannaðar til að hlaða aðeins við eina gráðu C. Þegar tengispennan fer niður fyrir þetta stig verður hleðslurásin að aftengjast. Á sama hátt búast önnur efnafræði við mjög lítilli flotspennu. Hins vegar, þegar spennan lækkar of lágt, eykst sjálfsafhleðsluhraði. Þessi efnafræði krefst þess einnig að hleðslurásin verði aftengd þegar spennunni er náð.

Önnur vandamál geta komið upp vegna notkunar á óstýrðum AC/DC millistykki. Mörg rafeindatæki, þar á meðal flugvélar, glerplötur og jafnvel hleðslutæki, eru næm fyrir skemmdum þegar þau eru tengd við stjórnlaust rafmagn.

Ein lausn er að nota aflgjafa með skiptastillingu. Þessar tegundir af aflgjafa nota rofa til að fylgjast með spennunni. Ef spennan hækkar of hratt mun rofinn athuga spennuna aftur. En ef aflgjafinn er bilaður getur rofi aflgjafinn skemmst.

Inntak rafhlöðuhleðslutækis undirspennu og yfirspennuvörn

Undirspennu og yfirspennuvörn fyrir inntak rafhlöðuhleðslutækis er mikilvægur eiginleiki fyrir margs konar notkun. Þegar inntaksspennan fer yfir ákveðinn þröskuld mun hleðslutækið IC slökkva á aflgjafanum. Þetta getur verndað hleðsluna, tækið eða kerfisörstýringuna fyrir skemmdum. Það fer eftir hönnun IC hleðslutækisins, hitaþröskuldar geta einnig verið útfærðar.

Yfirspennuvörn er sjaldgæfari en undirspennuvörn. Hins vegar, í sumum tilfellum, getur ástandið valdið bilun í hringrásinni. Best er að útfæra þessa tegund verndar með varúð. Það eru nokkrir þættir sem þarf að hafa í huga, eins og hleðslustraum og hitastig rafhlöðunnar, magn afls sem þarf til að viðhalda rafhlöðuspennu og tegund tækis sem er notað. Helst mun hleðslutækið innleiða stillanleg viðbrögð við ofspennu. Hleðslutækið IC mun einnig þurfa að geta stjórnað notkunarsviði þess.

Undirspennuvörn er oft minna flókin en yfirspennuvörn. Flestir hönnuðir hafa einfaldlega ekki áhyggjur af þessum þætti hönnunar sinnar. Þeir einbeita sér frekar að öðrum þáttum verkefna sinna. Í flestum tilfellum valda undirspennuskilyrði ekki skemmdum. En sum skilyrði gætu krafist meiri athygli.

Til að innleiða undirspennuvörn er hringrás sett yfir aflgjafann. Síðan er tímamælir notaður. Þessi tímamælir mun sjálfkrafa aftengja hleðsluna ef rafhlaðan fer niður fyrir ákveðna þröskuld. Hringrásin er einföld og auðveld í framkvæmd. Hægt er að stilla tímamælirinn til að mæta mismunandi spennugildum.

Annar valmöguleiki er að nota kúlurás. Crowbar hringrás er svipað og drop-crowbar. Samt sem áður telur kúbein ekki möguleikann á skemmdum á aflgjafanum. Hlutverk kúpunnar er frekar að koma í veg fyrir að ofspennuástand komi upp.

Almennt mun yfirspennuvörn hleðslutækis byggjast á JEITA rafhlöðustaðli. Fyrir vikið mun framleiðandi rafhlöðupakka hafa tilgreind viðmiðunarmörk fyrir mismunandi hleðslustraum. Til dæmis gæti hleðslutækið IC verið fær um að stilla lágmarksinntaksspennu í 4,5V, hámarksinntaksspennu í 20V og undirspennuþröskuld 3V.

Aðrir yfirspennuverndareiginleikar fela í sér hitastjórnun og skynjun á vantar rafhlöðu. Hleðslutækið IC getur einnig komið í veg fyrir ofhita með því að stjórna hleðslustraumnum. Þessir öryggiseiginleikar tryggja að rafhlaðan skemmist ekki við hleðslu.

Það eru nokkrar gerðir af hleðslutækjum, þar á meðal buck, boost og buck-boost hleðslutæki. Buck-boost hleðslutæki gera stöðuga hleðslu kleift en takmarka hámarkshleðslustraum við ákveðinn þröskuld. Bæði buck og boost hleðslutæki hafa hærri rekstrarspennu en buck hleðslutæki. Þess vegna þurfa þeir stærri IC pakka. Þeir geta verið notaðir í flytjanlegum forritum.

Sumir hleðslutæki hafa innbyggt I2C tengi. Þetta gerir tækinu kleift að stilla mismunandi öryggiseiginleika auðveldlega. Einn slíkur eiginleiki er varðhundurinn. Á meðan á hleðslu stendur verður MCU reglulega að endurstilla tímamælirinn. Ef tímamælirinn virkar ekki mun örstýring kerfisins ekki geta svarað.

Önnur tegund af rafhlöðuhleðslutæki IC er skiptihleðslutækið. Skiptahleðslutæki eru almennt skilvirkari og geta meðhöndlað hærri strauma. Þó að þessi tegund af hleðslutæki geti kostað meira, getur það líka verið þægilegra val fyrir sum forrit.

Rafhlöðuhleðslutæki Skammrásarrás og öfugtengingarvörn

Rafhlöðutengingar með öfugum skautum geta valdið alvarlegum skemmdum á rafhlöðum og flytjanlegum rafeindabúnaði. Þeir geta myndað neista, vetnisgas eða tæmt rafhlöðuna alveg. Þetta getur allt verið hættulegt heilsu þinni og búnaði þínum. Hér er hvernig á að koma í veg fyrir öfugar rafhlöðutengingar og hvernig á að vernda hleðslutækið þitt fyrir áhrifunum.

Til að koma í veg fyrir rafhlöðutengingar með öfugri pólun er mikilvægt að tengja jákvæðu við neikvæðu skauta rafhlöðunnar. Þetta er til að tryggja að rafhlaðan ofhitni ekki. Að auki mun spennan frá neikvæðu hlið rafhlöðunnar smám saman tæma rafhlöðuna, sem veldur losunarlotu svipað þeirri sem á sér stað með þétta.

Það fer eftir tegund tækisins sem þú notar, þú gætir þurft rafhlöðuviðsnúningsrofa eða vélræna öryggisvörn. Þetta getur falið í sér skautað tengi eða einhliða tengi. Einnig gætir þú þurft að nota hlífðargleraugu eða gúmmíhanska.

Önnur einföld aðferð til að koma í veg fyrir að rafhlaðan snúist við er að nota samhliða díóða hringrás. Það er auðvelt að smíða og getur verndað rafhlöður með mikilli framleiðni viðnám gegn öfugum uppsetningum. Hins vegar þarf það að geta þolað mikinn straum. Hleðsludælan getur líka verið gagnleg viðbót til að vernda álagið.

Rafhlöðutenging með öfugri pólun er hættuleg vegna þess að rafeindirnar eru dregnar frá neikvæðu til jákvæðu hliðar rafhlöðunnar. Þetta getur valdið því að rafhlaðan tæmist og getur brunnið út. Eins og með aðrar rafhlöður getur það einnig leitt til skjótrar tæmingar og stutts endingartíma. Með því að nota snúningsrofa fyrir rafhlöðu geturðu verndað hleðslutækið þitt og flytjanlegur rafeindabúnaður fyrir áhrifum öfugrar rafhlöðutengingar.

Þegar öfug rafhlaða er tengd, skynjar MP1 hana. Ef MP1 greinir ekki tenginguna mun það slökkva á MP2 aðalpassabúnaðinum. Þegar rafhlaða er fest í öfuga rafhlöðu mun MN1 framleiða mikið afl. Þetta veldur því að MP2 slekkur á sér og MP1 mun þá aftengjast. Á sama hátt, ef rafhlaðan er tengd og MP2 er óvirk, mun MP1 stöðva hleðslutækið í gangi.

Önnur aðferð er að nota NMOS-undirstaða hringrás. NMOS notar læsingarminni til að ákvarða hvort rafhlaðan sé tengd. Þó að þessi aðferð sé einfaldari en PMOS-undirstaða nálgun, tengist hún ekki alltaf rafhlöðunni. Jafnvel þó það gerist, þá er það ekki alltaf nógu hratt til að koma í veg fyrir að MN1 virki.

Að öðrum kosti geturðu prófað PMOS verndarrás. Í þessari aðferð er rafhlaðan tímabundið tengd við úttak hleðslutækisins á meðan slökkt er á hleðslutækinu. Með því að bera saman spennuna frá rafhlöðutenginu við spennuna frá hleðslutækinu geturðu ákvarðað hvort tengingin sé varanleg.

Að lokum er nauðsynlegt að aftengja MN1 rafhlöðuna áður en það verður of heitt til að aftengjast. Þó það sé ekki fljótlegt ferli er það mjög mikilvægt. Nokkrar hringrásir hafa verið þróaðar til að aðstoða við þetta verkefni. Ein besta hringrásin inniheldur R3 og R4. Það er áhrifaríkast fyrir notkun á litíumjónarafhlöðum með lægri spennu.