Grundlagen des Batterieladens und Ladeprofil

Li-{0}}-Ionen-Ladegeräte sind Geräte, die den Ladestrom und die Spannung des Akkus regulieren und häufig für tragbare Geräte wie Mobiltelefone, Laptops und Tablets verwendet werden. Im Vergleich zu anderen Batteriechemien weisen Li--Ionenbatterien eine der höchsten Energiedichten auf, bieten eine höhere Spannung pro Zelle, können höhere Ströme vertragen und müssen nicht zur Erhaltungsladung geladen werden, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Darüber hinaus haben Li--Ionen-Akkus keinen Memory-Effekt, das heißt, sie „merken“ sich nicht an eine geringere Ladekapazität, wenn sie aufgeladen werden, bevor sie vollständig entladen sind. Allerdings müssen Li--Ionen-Batterien mit einem bestimmten Ladeprofil mit konstantem Strom und konstanter Spannung (CC-CV) geladen werden, das je nach Temperatur und Spannungsniveau der Batterie automatisch angepasst wird.

Das Ladeprofil ist ein grundlegender Aspekt von Li--Ionen-Batterien, da es beschreibt, wie sich Spannung und Strom einer Batterie ändern, während die Batterie geladen wird.

Li--Ionenbatterien folgen einem relativ häufigen Ladeprofil, das weiter unten ausführlicher beschrieben wird. Beachten Sie, dass der Entwickler möglicherweise eigene Schwellenwerte für diese Phasen festlegen kann, wenn ein Ladegerät-IC Konfigurierbarkeit bietet. Diese konfigurierbaren Schwellenwerte sind äußerst vorteilhaft, wenn man bedenkt, dass die meisten Batteriehersteller bestimmte Schwellenwerte für unterschiedliche maximale Ladestromniveaus angeben. Die Konfigurierbarkeit kann eine zusätzliche Sicherheitsebene bieten, indem sie den Akku vor Überspannung und Übertemperatur sowie Überlastungen schützt, die den Akku dauerhaft beschädigen oder seine Kapazität verringern könnten.

Erhaltungsladung:

Im Allgemeinen wird die Erhaltungsladephase nur verwendet, wenn die Batteriespannung unter einem sehr niedrigen Wert (ca. 2,1 V) liegt. In diesem Zustand hat der interne Schutz-IC des Akkupacks den Akku möglicherweise zuvor abgeklemmt, weil er tiefentladen war oder ein Überstromereignis aufgetreten ist. Der Lade-IC liefert einen kleinen Strom (typischerweise 50 mA), um die Kapazität des Akkus aufzuladen, was den Schutz-IC veranlasst, den Akku durch Schließen seiner FETs wieder anzuschließen. Obwohl die Erhaltungsladung normalerweise nur wenige Sekunden dauert, sollte der Lade-IC über einen Timer verfügen, der den Ladevorgang stoppt, wenn der Akku nicht innerhalb einer bestimmten Zeitspanne wieder angeschlossen wird, da dies darauf hinweist, dass der Akku beschädigt wurde.

Vor-Vorladung:

Sobald der Akku wieder-angeschlossen wurde oder sich im entladenen Zustand befindet, beginnt der Vor-Ladevorgang. Während des Vorladens beginnt das Ladegerät, den entladenen Akku sicher mit einem niedrigen Strompegel aufzuladen, der normalerweise C / 10 beträgt (wobei C die Kapazität (in mAh) ist). Durch die Vorladung steigt die Batteriespannung langsam an. Der Zweck des Vorladens besteht darin, den Akku sicher mit einem niedrigen Strom aufzuladen. Dies verhindert eine Beschädigung der Zelle, bis ihre Spannung einen höheren Wert erreicht.

Konstantstromladung (CC):

Das Laden mit konstantem Strom (CC) wird auch als Schnellladen bezeichnet, was im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Der CC-Ladevorgang beginnt nach dem Vorladen, sobald der Akku etwa 3 V pro Zelle erreicht hat. In der CC-Ladephase kann die Batterie problemlos höhere Ladeströme zwischen 0,5 °C und 3 °C verarbeiten. Der CC-Ladevorgang wird fortgesetzt, bis die Batteriespannung den „vollen“ oder schwebenden Spannungspegel erreicht hat. An diesem Punkt beginnt die Phase mit konstanter Spannung.

Ladung mit konstanter Spannung (CV):

Der Schwellenwert für die konstante Spannung (CV) für Lithiumzellen liegt normalerweise zwischen 4,1 V und 4,5 V pro Zelle. Der Lade-IC überwacht die Batteriespannung während des CC-Ladens. Sobald die Batterie den CV-Schwellenwert erreicht, wechselt das Ladegerät von der CC- zur CV-Regelung. Das CV-Laden wird implementiert, weil die vom Ladegerät-IC erkannte Spannung des externen Batteriepacks die tatsächliche Batteriezellenspannung im Pack übersteigt. Dies ist auf den internen Zellwiderstand, den PCB-Widerstand und den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von Schutz-FET und Zelle zurückzuführen. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, darf der Lade-IC nicht zulassen, dass die Batteriespannung ihre maximale Erhaltungsspannung überschreitet.

Gebührenbeendigung:

Der Lade-IC bestimmt, wann der Ladezyklus beendet werden soll, basierend darauf, dass der in die Batterie fließende Strom während der CV-Phase unter einen festgelegten Schwellenwert (ca. C/10) fällt. Zu diesem Zeitpunkt gilt der Akku als vollständig geladen und der Ladevorgang ist abgeschlossen. Wenn die Ladebeendigung im Ladegerät-IC deaktiviert ist, sinkt der Ladestrom natürlich auf 0 mA, was in der Praxis jedoch selten geschieht. Dies liegt daran, dass die Ladungsmenge, die in die Batterie gelangt, beim CV-Laden exponentiell abnimmt (da die Zellenspannung wie bei einem großen Kondensator ansteigt) und das Wiederaufladen der Batterie bei einer sehr geringen Kapazitätssteigerung deutlich länger dauern würde.

Der tatsächliche Ladestrom kann zu jedem Zeitpunkt niedriger sein als der eingestellte Wert aufgrund von Schleifenvorschriften, wie z. B. der Eingangsstrombegrenzung, der Eingangsspannungsbegrenzung, der Wärmeregulierung oder der Batterietemperatur.