Lityum İyon ve Lipo Pilleri Doğru Şekilde Şarj Etmek için gerekli bilgileri ele alacağımız bu teknik yazıda detaylı bilgi paylaşmayı amaçlamaktayız.
Bu serideki ilk bölüm, yaygın olarak kullanılan ikincil pil türlerini ve bunların farklı ortam ve uygulamalardaki avantajlarını ve dezavantajlarını araştırdı. İkinci bölüm, pil yönetim sistemlerine ve şarj edilebilir Lityum pillerin güvenli ve verimli çalışmasını sağlamak için hangi görevleri yerine getirmeleri gerektiğine baktı. Serinin bu üçüncü bölümünde, özel bir şarj devresi uygularken ne yapmanız gerektiğini anlayabilmeniz için Lityum İyon ve LiPo pillerin nasıl doğru şekilde şarj edileceği anlatılmaktadır.
Lityum Hücreyi Şarj Etme
Tipik olarak lityum pilleri CC-CV şemasını uygulayarak şarj edersiniz. CC-CV, Sabit Akım – Sabit Gerilim anlamına gelir. Hücre voltajı maksimum değerinin (örneğin 4,2 Volt) altında olduğu sürece aküye izin verilen maksimum şarj akımının uygulandığı bir şarj eğrisini belirtir. Pil bu voltaj seviyesine ulaştığında şarj kontrol cihazı, pili 4,2 Voltluk sabit bir voltajda tutmak için akımı kademeli olarak azaltır:
Gerçekte bu plan çoğu zaman uygulanabilir değildir ve hatta bazen güvensiz bile olabilir. Bu nedenle, daha gerçekçi bir şarj planı, şarj sürecini birden fazla bölüme ayırır. Birincisi, daha karmaşık sürecin başladığı hücre voltajına bağlıdır. Hücre voltajı çok düşükse, muhtemelen ölü bir hücreyi canlandırmak için şarj işlemi küçük bir akımla başlar. Bu yöntem aynı zamanda daha güvenlidir çünkü hasarlı bir hücrenin çok hızlı şarj edilmesi, pilin yanması gibi potansiyel olarak yıkıcı bir arızaya yol açabilir.
Hücre belirli bir güvenlik eşiğine (örneğin 3,0 volt) ulaştığında, hücre voltajı izin verilen maksimum değere (örneğin 4,2V) ulaşana kadar sürekli olarak maksimum şarj akımı uygulanarak şarj işlemi devam eder. Bundan sonra şarj cihazı, aküyü sürekli olarak maksimum voltaj seviyesinde tutarken akımı kademeli olarak azaltır:
Sürecin güvenliğini daha da artırmak için, ücretlendirme şemasındaki her adımın tipik olarak kendisiyle ilişkili bir zaman sınırı da vardır. Ek bir sıcaklık kesme anahtarı akünün aşırı ısınmasını önler.
Özel Pil Şarj Cihazı Tasarlarken Dikkat Edilmesi Gerekenler
Neyse ki, yapımcıların projelerinde Lityum İyon veya LiPo pil takımını güvenli bir şekilde nasıl şarj edip boşaltacaklarına ilişkin kesin ayrıntılar konusunda çok fazla endişelenmelerine gerek yok. Modern dünyamızda pille çalışan taşınabilir cihazlar çok yaygın olduğundan, tüm güvenlik özellikleri ve doğru şarj algoritmaları, bugün satın alabileceğiniz ve projelerinizde kullanabileceğiniz hazır çeşitli bileşenlerde zaten yaygın olarak uygulanmaktadır. Ne olursa olsun, piliniz ve tam kullanım durumuyla ilgili birkaç önemli rakamı ve sınırlamayı yine de düşünmeniz gerekecektir.
Tek hücreli bir Lityum-İyon şarj cihazı tasarlarken, izin verilen maksimum şarj akımını ve kullanılan pilin voltajını kaydedin. Daha sonra şarj için kullanmak istediğiniz güç kaynağının voltajını ve maksimum şarj akımını belirleyin. Genellikle bu, beş volt ve 500 mA ile 900 mA (USB 2.0 ve USB 3.0) arasında olacaktır.
Daha sonra kullanmak istediğiniz şarj cihazının türünü düşünün. Doğrusal şarj cihazları genellikle bir amperin altındaki akımlar için tasarlanmış düşük akımlı şarj cihazlarıdır. Bu şarj cihazları uygun maliyetli, küçük ve kullanımı kolaydır. Anahtarlamalı şarj cihazları daha maliyetlidir ancak aynı zamanda doğrusal şarj cihazlarından daha verimlidir. Bir amperin üzerindeki akımlarla hızlı şarj kullanmayı planlıyorsanız anahtar modlu bir şarj cihazı kullanmalısınız. Şarj cihazının türünden bağımsız olarak, her iki seçenek de çeşitli üreticilerin çok çeşitli PMIC’leri (güç yönetimi IC’leri) tarafından önceden uygulanmış olarak gelir.
Maksimum şarj akımının ne olacağına karar verdikten sonra, kullanıcının cihaz şarj olurken onunla çalışmasını isteyip istemediğinizi düşünün. Hat içi şarj işlevini harici olarak uygulamak mümkün olsa da, bunu zaten destekleyen bir şarj IC’si aramak en iyisidir. Bunu yapmak maksimum güvenlik ve verimliliği garanti edecektir çünkü IC, aküye giden akımı daha doğru bir şekilde izleyebilir ve bir arıza durumunda akü bağlantısını kesebilir.
Son olarak, bazı IC’ler, uygun dirençler ekleyerek veya belirli pinlere mantık düzeyinde girişler uygulayarak maksimum sabit şarj akımı, voltaj eşikleri, zamanlama kısıtlamaları ve kesme sıcaklığı gibi temel parametreleri kolayca ayarlamanıza olanak tanır. Diğer IC’ler, örneğin ayarları I2C aracılığıyla değiştirmek için ek bir mikro denetleyici gerektirebilir. İlk seçenek genellikle daha ucuz ve uygulanması daha kolaydır; ikincisi ise daha fazla esneklik ve daha iyi izleme olanağı sunar.
Neyse ki seçtiğiniz yöntem ve projenizin özellikleri ne olursa olsun aklınıza gelebilecek hemen hemen tüm uygulamalar için hazır bir çip mevcut.
Özet
Tipik olarak PMIC’ler LiPo ve Lityum-İyon pilleri CC-CV yöntemini kullanarak şarj eder. Pil, hücre maksimum voltajına ulaşana kadar sabit bir akımla şarj edilir. Bundan sonra şarj cihazı, pil tamamen şarj olana kadar şarj akımını kademeli olarak azaltır. Modern şarj IC’leri güvenliği artırmak için sürece birkaç adım daha uygular. Bu IC’ler hücre sıcaklığını izler ve önceden belirlenmiş bir süre sonunda hücrenin şarj edilmesini durduran programlanabilir bir kesme işlevine sahiptir.
Bir şarj cihazı tasarlarken hücre voltajına, maksimum şarj akımına ve kapasiteye dikkat edin. Ardından güç kaynağı sınırlamalarını ve doğrusal şarj cihazı mı yoksa anahtarlamalı mod şarj cihazı mı kullanmak istediğinizi düşünün. Doğrusal şarj cihazları genellikle daha uygun maliyetli ve daha küçüktür; bu da onları basit devreler ve bir amperden daha düşük şarj akımı için ideal kılar. Anahtarlamalı şarj cihazları daha verimlidir ve hızlı şarj için idealdir.
Birçok şarj IC’si, dirençleri veya mantık düzeyindeki girişleri kullanarak hayati parametreleri ayarlamanıza olanak tanır. Öte yandan bazı IC’ler, kesme sıcaklığı gibi değerleri yapılandırmak için mikro denetleyici gibi bir ana bilgisayara ihtiyaç duyabilir.
