Nesse projeto, primeiramente divulgarei tudo que eu for aprendendo sobre as Baterias de Li Ion. E a partir do conhecimento adquirido, farei o projeto de Carregador de Bateria de Li Ion.

Um site que eu frequentemente  consulto sobre baterias, é esse :

http://batteryuniversity.com/learn/

Esse site tem muita informação sobre vários tipos de Baterias : Baterias de Chumbo, Pilhas Ni MH, Baterias Li-Ion, Baterias Li-PO e muito mais. Como elas são fabricadas, cuidados com o uso, como carregar, etc.

Atualmente as Baterias de Íons de Lítio  são muito usadas em aparelhos eletrônicos, como Laptops, Celulares, Smartphones, Tablets, GPS, etc. O custo delas tem decrescido com o tempo. Elas não oferecem tanto risco de uso como as Baterias Li-PO, possuem uma capacidade de carga expressiva, são leves e pequenas. Mas devido as suas características, precisam de circuitos de proteção para evitar tensão muito baixa durante a descarga e tensão acima do limite, quando esta sendo carregada.

Focarei os meus estudos em Baterias Li-Ion mais comuns, já que existem alguns tipos diferentes : Li-Ion (Cobalto) , Li-Ion ( Fosfato) e Li-Ion (Manganês) – a mais comum.

Características das Baterias Li-Ion :

Consultando a tabela do Link , http://batteryuniversity.com/learn/article/secondary_batteries

podemos perceber algumas características das Baterias Li-Ion (Óxido de Manganês) :

  • Capacidade de energia por peso = 100 a 150 Wh / Kg
  • Resistência interna : baixa
  • Ciclo de vida : 300 a 700 cargas
  • Tempo de carga : de 1 a 2 horas
  • Corrente de Carga normal:   0,7 C a 1 C   (máximo 3 C)
  • Corrente de Descarga normal : 1 C (10 C para alguns modelos)
  • Descarga sem uso : < 5% por mês
  • Tensão nominal de cada célula : 3,7 V
  • Tensão máxima de carga em cada célula : 4,2 V
  • Tensão mínima de uso : 2,5 a 3,0V  ( tensão de segurança)
  • Temperatura de carga : 0° C a 45 °C

Mais informações sobre Baterias Li-Ion: http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion

Cuidados com as Baterias de Li-Ion: 

O uso incorreto das baterias de Li-Ion (sobrecarga, curto-circuito) poderá provocar explosão ou incêndio. Esse projeto é destinado para pessoas com conhecimento técnico em eletrônica.

Esse Projeto é somente para Baterias Li-Ion. Não use em Baterias LI-PO !

Como as Baterias de Li-Ion possuem grande energia acumulada e são sensíveis ao calor excessivo, falhas podem ocorrer. Se uma bateria Li-Ion começar a esquentar muito, estufar, abrir o revestimento e soltar gases, existirá o risco de explodir ou pegar fogo.

No caso de ruptura do revestimento da bateria, o eletrólito é altamente inflamável e poderá causar queimaduras graves !

No caso de fogo, tente retirar a bateria do local se estiver próxima de  material inflamável. Não pegue na bateria, nessa situação. Use alguma coisa que sirva como bastão. Coloque-a sobre superfície resistente ao fogo, tal como cerâmica. Para apagar o incêndio use um extintor de CO2 ou do tipo pó químico ABC. Apesar do Lítio reagir com água (essa bateria contém somente Ions), água pode ser usada  para apagar incêndio no caso da inexistência de outro tipo de extintor.

As baterias de Li-Ion possuem dispositivos internos de segurança, como PTC, interruptor de circuito controlado por pressão, válvulas de ventilação no caso de excesso de pressão, etc. Baterias muito baratas ou de fabricantes desconhecidos, podem não possuir esses dispositivos internos de segurança !

Referências:

Razão C das Baterias :

A carga e descarga das baterias são referenciadas com a Razão C .  A capacidade de uma bateria é normalmente referenciada como 1 C. Por exemplo, se a capacidade da bateria for 1 Ah ela fornecerá a corrente de 1 A ( 1 C) durante uma hora, quando totalmente carregada. Ou a corrente de 500 mA ( 0,5 C) durante 2 horas ou ainda 2 A ( 2 C) durante meia hora.

Algumas baterias podem ser descarregadas mais rapidamente, como 2 C ou 3 C, mas isso implica em maior desgaste da mesma e portanto menor durabilidade. Veja as especificações da sua bateria, para saber os modos indicados de uso.

As baterias de Li-Ion tem proteção interna para bloquear descargas acima da razão 1 C.

Como a Razão C se aplica à carga também, se uma bateria tem a capacidade de corrente de, por exemplo 2200mAh e se o carregador tem a corrente de carga máxima de 1000mA (1A) , ele teoricamente gastará 2,2 Horas para carregar a bateria. Na verdade o carregador deverá demorar mais do que isso, devido à curva de carga do Gráfico mostrado logo abaixo.

Carregadores de Baterias Li-Ion :

Os carregadores de Baterias Li-Ion são do tipo Tensão Constante/ Corrente Constante. Cada célula de Li-Ion pode ser carregada com a tensão máxima de 4,2V. Se essa tensão for excedida, a bateria poderá ser danificada. E se essa condição perdurar por muito tempo, existirá o risco de explosão da mesma. Essa tensão é muito crítica ! A tolerância é de apenas +/- 50mV.

Se a bateria possuir mais de uma célula, é importante que o carregador monitore a tensão em cada célula para evitar danificá-la.

Quando a tensão na célula de Li-Ion chegar nos 4,2V e a corrente de carga estiver menor do que 3% da capacidade da bateria é porque a mesma esta carregada. Nesse caso ela deve ser desconectada. Não é recomendável que essa tensão seja mantida por muito tempo.

Se deseja aumentar a vida útil da Bateria Li-Ion, use uma tensão menor do que 4,2V por célula. Mas isso fica para outra parte do projeto, se eu achar necessário.

A corrente para carga normal pode variar entre 0,3 C e 0,5 C. A carga normal é mais efetiva, pois o processo de carga é mais lento.  No caso da carga rápida 1 C, devido às características do eletrólito, a carga pode ser um pouco menor do que a capacidade total da bateria. Como o meu projeto visa segurança, o carregador não permitirá carga ultra rápida como 2 C ou 3 C.

Gráfico de Carga de uma célula de Bateria Li-Ion: 

ion1

Estágio 1 : Tensão aumenta com a corrente constante
Estágio 2 : Tensão chega no topo e a corrente diminui
Estágio 3 : Processo de Carga termina ( corrente < 3% da capacidade da Bateria)
Estágio 4 : Carga ocasional

A temperatura da bateria também é importante. Nunca carregue a Bateria de Li-Ion se ela estiver muito fria ou muito quente. A temperatura ideal é a moderada ( 25°C). A faixa de temperatura sugerida é entre 10°C e 45°C. Um aumento de 5°C é esperado, quando a bateria estiver totalmente carregada. Se a temperatura aumentar mais do que 10°C , desconecte a bateria.

Para segurança do processo de carga, um carregador mais sofisticado mede também o tempo de carga. Se o tempo de carga exceder o esperado é porque pode existir algum problema com a bateria.

Referências :

Carregador de Bateria Li-Ion – TP4056 : (somente uma célula) :

Album Flick – Carregador TP456

TP4056 LIPO 01.jpg

Tenho um módulo de Carregador de Bateria Li-Ion  que usa um chip TP4056. Esse carregador serve para bateria Li-Ion  com somente uma célula ( isto é, 3,7V) .  Esse chip TP4056 é um Carregador Linear com corrente de carga máxima de 1 A.  A tensão de carga é fixada em 4,2V . A corrente de carga é ajustada através de um resistor. No meu caso, o módulo esta configurado para corrente de 1 A ( R4 = 1200 Ω).

O módulo do Carregador possui um conector USB, mas não recomendo a conexão com a USB de um PC, já que a corrente máxima em um port USB  é de aproximadamente  500 mA. Se for usar um carregador de Smartphone para alimentar o módulo, use um com corrente > 1 A.

O carregador termina a carga, quando a corrente cai  para  10% da corrente configurada. No meu módulo essa corrente seria de 100 mA.

O chip TP4056 tem um pino para monitorar a temperatura através do resistor NTC da Bateria. Mas no meu módulo esse pino esta aterrado (sem uso).

Esse é o datasheet do chip TP4056 : tp4056

Esse é o diagrama do meu módulo Carregador TP4056 :

modulo-tp4056

O módulo Carregador tem dois Leds:

  • Led Vermelho (esquerda)  – CHRG – Carga :    Quando a bateria esta sendo carregada, o Led acende. Do contrário, o Led apaga-se.
  • Led Azul (direita) – STBY – Espera :     Quando a bateria completa a carga, o led acende. Do contrário, o Led apaga-se.

Carregador de Bateria Li-Ion – TP4056 com DW01 e 8205:

Album Flick – Carregador TP456

TP4056 01

Comprei recentemente um outro Módulo de carregador de Bateria Li-Ion. Esse carregador serve para bateria Li-Ion  com somente uma célula também ( isto é, 3,7V. Ele possui um chip adicional de proteção de carga e descarga (DW01), além do TP4056. Dessa forma, esse módulo tem mais segurança.

Esse é o Datasheet do DW01 ( chip de proteção) : DW01A-DS-10_EN

E esse é o Datasheet do chip com dois MosFET N-Channel : FS8205A-DS-12_EN

Esse é o circuito que eu desenhei baseando-me nas imagens do módulo:

TP4056 DW01

Esse módulo também esta configurado para corrente de carga de até 1 A ( R3 = 1200 Ω). O circuito de carga TP4056 é idêntico ao módulo anterior. (Veja na descrição acima).

O circuito DW01 é um circuito de proteção para o módulo de carga da bateria. Ele tem dois pinos de controle (OC e OD) que ativam ou desativam os dois MosFETs (8205), através de circuitos internos de comparação de tensão.

O pino OC (over charge) de sobre carga é usado para desligar o MosFET Q2, se a tensão na bateria chegar nos 4,3V (situação anormal) . E o pino OD (over discharge) sobre descarga é usado para desligar o MosFET Q1 , se a tensão na bateria cair para menos de 2,4V. Como os dois MosFETs estão em série com a bateria, se alguns dos dois forem desligados, não haverá corrente passando. Portanto, quando a bateria esta sendo carregada, os dois MosFETs deverão estar ligados.

Além dessas proteções do monitoramento das Tensões, no DW01 existem mais circuitos comparadores internos que protegem a bateria contra curto-circuito e contra excesso de corrente.

Muito bom !

Carregador de Bateria Li-Ion  (mais de uma célula) :

Esse é o grande desafio ! Vou pesquisar e assim que conseguir algo, postarei.

No carregador de Bateria Li-Ion com mais de uma célula, as tensões de cada célula devem ser monitoradas, como já havia dito. E pelo que sei até o momento, a tensão  de cada célula deve ser regulada.

Imagine se a tensão de uma célula estiver baixa, por exemplo 3,0V e se for usada uma fonte de carga somente.

Tensão em cada célula = 4,2V . Se for uma bateria de 2 células, a tensão de carga = 2 x 4,2V = 8,4V . Se uma célula estiver com 3,0V , a outra ficará com 8,4V – 3,0V = 5,4 V !!!

Essa tensão de 5,4V é suficiente para danificar a outra célula. Por isso, a tensão de cada célula precisa ser regulada.

Analisando as caraterísticas do módulo de proteção de bateria de Li-Ion abaixo (HX-3S-01), podemos estabelecer alguns dados importantes para o Projeto do Carregador de Multi-célula Li-Ion ( penso em usar um Arduino) :

  • a resolução das medições de tensão é de 5 mV. Portanto um conversor ADC de 10 Bits poderia ser usado. Usando 5,12V como referência, pois  5,120 V / 1024 = 5 mV .
  • No caso de um Pack de 2 células, a tensão total será 2 x 4,2 = 8,4V
  • No Pack de 3 células, a tensão total será 3 x 4,2V = 12,6 V
  • No Pack de 4 células,  a tensão total será 4 x 4,2V = 16,8 V

Como medir tensões de 8,4V , 12,6V e 16,8V com um conversor ADC de 0 a 5V ?  Pode ser usado um divisor de tensão. Mas, opa ! Assim a resolução de 5 mV, será perdida. E se usarmos um conversor de 12 bits com variações de 0 a 20V ?   20,48V / 4096 = 5 mV.

Módulo de Proteção para Carregador de Bateria Li-Ion – 3S ( usando o 8254A) :

8254a-pack-3s

Descobri na WEB, esse módulo de proteção HX-3S-01 para um conjunto (Pack – 3S) de 3 células de Bateria Li-Ion .  Existe um outro módulo para Pack-4S usando o mesmo chip 8254A. Esse módulo não é um carregador de bateria.

Parece ser bom, protege o Pack tanto durante a Carga como na Descarga das baterias. O Chip 8254A monitora a tensão em cada célula, e corta o circuito se houver sobretensão durante a carga ou tensão abaixo do limite quando em uso (descarga).  A corrente também é controlada e o pack fica protegido contra curto circuito ou excesso de corrente.

Esse é o Datasheet do 8254A : s8254a_e

No Datasheet, informa que dependendo do código do chip, as tensões limites podem variar. Na fotografia do módulo esta escrito 8254AA GUG M10 (acho que é isso). Não encontrei esse código no datasheet.

Esse é o link do Módulo : Módulo HX-3S-01

No link acima, tem fotos mostrando que o Pack 3S pode ter células em paralelo também.

Carregador de Bateria Li Ion Bosch AL1814V 

Nesses últimos dias, desmontei e estou estudando o Carregador de Bateria Li-Ion da Bosch modelo AL1814V. Esse carregador veio com a minha parafusadeira/furadeira GSR1800-Li.

Atenção : o manuseio de baterias Li-Ion exige muitos cuidados. Um curto-circuito poderá provocar incêndio e ou explosão. Já no carregador de bateria existem tensões perigosas que podem provocar choque elétrico grave ! (mesmo com a tomada desconectada da energia). Se não tem especialização em eletrônica, não desmonte a bateria e nem o carregador !

O conjunto de Bateria (Battery Pack) da ferramenta Bosch é o GBA 18V 1,5Ah. Ele possui cinco células de baterias Li-Ion ( 5 x 3,6V = 18V). Essa foto é do conjunto sem a tampa superior, mostrando os cinco contatos ( AKKU+, COD1, NTC, COD2, AKKU-). O contato NTC (Termistor com Coeficiente Negativo de Temperatura) , como o nome já diz é do sensor de temperatura interno do Pack. COD1 e COD2 servem para identificar o modelo da Bateria, já que o carregador AL1814V serve para outros modelos de baterias.

battery-pack-01

O Carregador Bosch AL1814V funciona somente com  a tensão de entrada de 127V  (não use em 220V). A tensão de saída pode variar de 10,8V até 18V com a corrente de até 1,4A. (essas são as especificações que constam na tampa). A tensão de saída vai depender do modelo do Pack de Baterias.

Desmontei o carregador e usando o meu processo fotográfico, estou conseguindo fazer o levantamento de todo o diagrama do circuito eletrônico. Vejam as fotos da placa do circuito:

Link das fotos do Carregador Bosch AL1814V

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Esses são os diagramas da parte secundária do Carregador. O carregador  usa uma fonte chaveada para regular a tensão de carga da bateria. O primeiro diagrama, eu fiz obedecendo a localização dos componentes na placa. E o segundo  é um diagrama padrão que facilita o entendimento do funcionamento do circuito.

Link do diagrama componentes Bosch AL1814V  carregador-bosch-al1814v

Link do Diagrama do Circuito Bosch AL1814Vcarregador-bosch-al1814v-diagrama

Apesar do circuito ser simples, tem uma eletrônica embarcada bem sofisticada. O chip IC2 parece ser um microcontrolador dedicado para carregador de bateria e é fabricado pela ST. Ainda não consegui identificar qual é o chip, já que usa um código da Bosch.  Constatei fazendo medições, que as tensões VCC1 e VCC2  variam se o carregador esta com a bateria conectada ou não. Muito interessante.

  •                      Sem Bateria                  Com Bateria
  •    +VCC1    =         8,65v                            21,57V
  •    + VCC2  =          8,35V                           21,20V
  •    +VCC3  =          5,00V                             5,00V

O amplificador operacional que esta conectado no pino 9 do IC2 é um medidor de corrente de carga. Os outros dois são usados para detectar a tensão na bateria e selecionar a tensão de carga. A realimentação para o circuito primário da fonte chaveada é enviada através dois dois opto-acopladores L817A. O sensor NTC de temperatura da bateria esta conectado no pino 7 do IC2. E a seleção do tipo de bateria é feita através da tensão no contato COD que esta conectado no pino 8 do IC2.

Apesar da informação que a bateria é de 18V, a tensão de carga é de 21V , pois 5 x 4,2 = 21. Sabendo-se que essa tensão deve ser muito precisa, pois em excesso poderá danificar a bateria. A referência de tensão é obtida através dos 2,50V do TL1431AC.

Percebi que não existe monitoramento das tensões em cada célula. Imagino que o Microcontrolador deverá medir a tensão da bateria antes de carregá-la. Mas como identificar se um célula pode estar com defeito ? Deve existir algum algoritmo especial para detectar esse tipo de falha. Não sei, talvez…

Vamos fazer alguma suposições – temos cinco células de Li-Ion :

Se todas estiverem carregadas , a tensão será de 21V ( 5 x 4,2) . Se todas estiverem descarregadas, a tensão será de 15V ( 5 x 3,0). Algumas baterias são “desligadas” internamente se a tensão chegar no limite mínimo. Se uma das células estiver com defeito, a tensão será zero. E a corrente será zero também ? Talvez fazendo testes de tensão e de corrente, possa ser possível identificar que o Pack não poderá ser carregado se uma das células estiver com defeito.

Porque usar a tensão +8,65V para alimentar todo o carregador antes da bateria estar conectada? E mais uma coisa que percebi, quando a bateria esta sendo carregada, VCC1 = 21,10V e depois de carregada a tensão cai novamente para 8,65V. Creio que a bateria é identificada como carregada quando a tensão chega nos 21V e a corrente de carga fica menor do que 5% da capacidade da bateria ( 5% de 1,5Ah = 75 mA).

Hoje andei fazendo estudos sobre o circuito do regulador de tensão com o TL1431AC.

Achei essas fórmulas no datasheet de um TL431 (similar ao TL1431) :

tl431s

Esse é o mesmo circuito usado no regulador do carregador da Bosch. Como R1 e R2 são idênticos (1KΩ), então a tensão de saída é (1 + 1) Vref = 2 x 2,5V = 5,00V.  Por isso acho que a tensão de entrada VCC2 de 8,65V foi usada. Essa tensão é mais baixa, para gastar menos energia (eu acho).Quando o carregador precisa carregar a bateria, a tensão de VCC2 muda para 21V. Como o TL1431 aceita até 36V na entrada, tudo ok.

 

 

 

 

 

 

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