¿El método de carga rápida sin CV LiFePO4 de TI reduce la vida útil de la celda?


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TI afirma que puede cargar celdas LiFePO4 cargando CC (corriente constante) como de costumbre, pero a un voltaje más alto de lo normal (por ejemplo, 3.7V en lugar de los 3.6V habituales para LiFePO4) y luego pasar la transición a un voltaje de flotación más bajo sin CV intermedio modo.

Su IC bq25070 implementa este método como se describe en la hoja de datos bq25070 .

Esto va en contra de TODOS los demás consejos, especificaciones de circuitos integrados y circuitos de carga que he visto.

Hacer esto con Vcv <= 3.6V es lo suficientemente bueno, con o sin una etapa CV. Es el voltaje extra y el modo sin CV lo que es radical. La implicación o declaración de todas las demás fuentes es que exceder el Vmax normal de 3.6V para LiFePO4 en incluso una pequeña cantidad puede ser dañino o fatal.

¿Se ha vuelto loco e irresponsablemente TI o es esta una nueva y fantástica forma de cargar células de fosfato de litio ferro?


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Hmm No estaba al tanto de ese TI IC y nunca antes había oído hablar de ese método de carga. Trabajé en un controlador de batería de respaldo para una gran empresa de la que probablemente haya oído hablar, y estuvieron en contacto constante con los ingenieros de baterías de A123. El límite superior de voltaje no es duro y rápido, es una compensación con la longevidad. Tenían gráficos para esto. Sin embargo, ellos (A123) básicamente recomendaron un voltaje máximo o esquema de corriente, el que sea menor. Esto es después de salir de la región de muy bajo voltaje. Teníamos cierta flexibilidad en el voltaje máximo para compensar la longevidad.
Olin Lathrop

Respuestas:


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Hasta ahora, mi respuesta es que no lo sé, pero TI generalmente son personas muy sólidas que tienden a no andar haciendo circuitos integrados que caminan por el lado oscuro, ya que esto es de gran aplicabilidad para mí y tengo una aplicación donde es de relevancia potencial inmediata, esto necesita más investigación.

Lo siguiente es mi comienzo en el viaje: más una descripción del problema y una investigación de parámetros que una respuesta adecuada. Iba a publicar TODO esto como parte de la pregunta, pero decidí que pertenecía mejor a una respuesta.

Más tarde me di cuenta de que había algunos voltajes LiFePO4 y LiIon entremezclados en mis andanzas. Volveré y ordenaré esto PERO espero que sea lo suficientemente claro para cualquier persona que pueda estar interesada.


Resumen: TI afirma que puede cargar celdas LiFePO4 cargando CC a un voltaje más alto de lo normal (por ejemplo, 3.7V en lugar de los 3.6V habituales para LiFePO4) y luego realice la transición a un voltaje de flotación más bajo sin modo CV intermedio. Parece lógico que esto también se aplique a LiIon, pero TI no ofrece circuitos integrados para LiIon que funcionen de esta manera.

Esto va en contra de TODOS los demás consejos, especificaciones de circuitos integrados y circuitos de carga que he visto.

Hacer esto con Vcv <= 3.6V es lo suficientemente bueno, con o sin una etapa CV. Es el voltaje extra y el modo sin CV lo que es radical. La implicación o declaración de todas las otras fuentes es que exceder el Vmax normal de 4.2V para LiIon o 3.6V para LiFePO4 en incluso una pequeña cantidad puede ser dañino o fatal.

TI tiene una serie de IC de cargador para LiIon con especificaciones, pinouts y usos similares. Solo tienen unos pocos que son adecuados para LiFePO4.
NINGUNO de los cargadores específicos de LiIon / LiPo utiliza este método.
Pueden depender de la matriz de Olivina en LiFePO4 que le da su robustez (y, por cierto, disminuye las densidades de energía), para proporcionar suficiente protección contra los excesos de este método.

El método habitual de carga de Química de litio es cargar a CC (corriente constante) hasta que se alcance Vmax y luego mantener la celda en Vmax mientras la corriente desciende de manera no li
bajo el control de la química celular hasta cierto porcentaje de edad objetivo de Imax es alcanzado.

El método TI afirma (utilizando especificaciones modificadas de LiIon donde sea necesario)

  • 100% de carga a 1 hora
  • en comparación con el 85% a 3,6 V
  • Una ganancia del 15% de la capacidad total de la batería
  • o aproximadamente un 18% más de capacidad en relación con 3.6V (100/85% = ~ 1.18)

¿Dañar?

  • ¿Produce 100% en una hora?
  • ¿Daña la batería?

Consulte "Advertencias universitarias sobre baterías" al final.


El "reclamo" de TI está en la forma "más difícil" posible, no solo en papel sino en el Silicio de un IC de control de batería. El BQ 25070, hoja de datos aquí: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25070.pdf

Dice en su hoja de datos, con fecha de julio de 2011:

  • El algoritmo de carga LiFePO4 elimina el control de modo de voltaje constante que generalmente está presente en los ciclos de carga de la batería de iones de litio.

  • En cambio, la batería se carga rápidamente al voltaje de sobrecarga y luego se deja relajar a un umbral de voltaje de carga flotante más bajo.

La eliminación del control de voltaje constante reduce significativamente el tiempo de carga.

Durante el ciclo de carga, un circuito de control interno monitorea la temperatura de la unión IC y reduce la corriente de carga si se excede un umbral de temperatura interna.

La etapa de potencia del cargador y las funciones de detección de corriente de carga están completamente integradas. La función del cargador tiene bucles de regulación de corriente y voltaje de alta precisión y pantalla de estado de carga.


¿Están locos?

Esta tabla se basa en la tabla 2 de Battery University en http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries

Esto es para LiIon y no para LiFePO4. Los voltajes son más altos con Vmax habitual = 4.2V en comparación con 3.6V para LiFePO4. Espero y espero que los principios generales sean lo suficientemente similares como para que esto sea útil. Escale a los voltajes LiFePO4 a su debido tiempo.

Las columnas con encabezado BU están en el original. Columnas encabezadas RMc fueron agregadas por mí. Filas para 4.3, 4.4, 4.5 V fueron agregadas por mí.

Su mesa dice que

  • Si carga a corriente constante hasta que se alcanza el voltaje Vcv

  • Luego se alcanza el% de capacidad total en la columna 2. (% de límite al final de CC)

  • Y luego, si mantiene el voltaje en Vcv hasta que Ibat caiga a aproximadamente 5% si Icc (generalmente 5% si C / 1 = C / 20)

  • Entonces se alcanzará la capacidad en la columna 4. (Cap completo sat)

  • Dicen que el tiempo total de carga en minutos está en la columna 3

Mis adiciones no son demasiado profundas y hacen algunas suposiciones que pueden ser inválidas.

5 minutos CC: supongo que en el modo CC inicial la capacidad aumenta linealmente con el tiempo. Esto es probablemente muy cercano a la verdad para la capacidad actual y, como en las primeras etapas, Vcg es relativamente constante, es probable que también sea una suposición adecuada para la capacidad energética.

6 Tiempo en CV = 3 - 5.

  1. Tasa media en CV = (100 - col.2) / ((col.3 - col.5) / 60) Esto es solo para darme una idea de qué tan rápido debe compensarse el equilibrio del modo CC posterior. Si NO hay un modo CV CC posterior, entonces debe ser cero y, de hecho, ha caído al &% de la tasa CC para el momento Vcv = 4.2V.

Si bien TI usa 3.7V para Vovchg (a diferencia de 3.6V regular) para su truco de magia, la extrapolación de la tabla parecería sugerir que se necesitarían aproximadamente 4.5V para una llamada de LiIon y tal vez aproximadamente 3.8V para una celda LiFePO4.

Sin embargo, puede ocurrir que cosas importantes comiencen a suceder justo por encima de 3.6V / 4.2V y que 0.1V extra sea todo lo que se necesita para aumentar la tasa en (100-85) / 55 = 28% en comparación con la tasa CC que termina en 4.2V.

Para que esto sea cierto, entonces debe producirse una carga del 15% s Vbat aumenta 0.1V, esto ocurre en aproximadamente 9 minutos (60 - col5.4.2V entrada de fila) por lo que la tasa de carga delta es 15% / (9/60) hr = 15 % / 15% = 100% = tasa C / 1, que debería ser. [Esta "coincidencia" ocurre porque el 15% de la capacidad queda por suministrar cuando queda el 15% de una hora.]

He agregado el método de carga de choque de TI a la tabla en la fila de 4.3V.

Mejor tabla a seguir:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Advertencias y comentarios de Battery University de la página mencionada anteriormente:

Esto está bien: usted "simplemente" pierde el 15% de la capacidad de la placa frontal de aproximadamente un 18% menos de la capacidad que podría tener

Algunos cargadores de consumo de menor costo pueden utilizar el método simplificado de "cargar y ejecutar" que carga una batería de iones de litio en una hora o menos sin pasar a la carga de saturación de la Etapa 2. "Listo" aparece cuando la batería alcanza el umbral de voltaje en la Etapa 1. Dado que el estado de carga (SoC) en este punto es solo del 85 por ciento, el usuario puede quejarse de un tiempo de ejecución corto, sin saber que el cargador tiene la culpa . Muchas baterías de garantía están siendo reemplazadas por este motivo, y este fenómeno es especialmente común en la industria celular.

Esto es más preocupante

El ion de litio no puede absorber la sobrecarga y, cuando está completamente cargada, la corriente de carga debe cortarse.

Una carga continua continua provocaría el enchapado de litio metálico, y esto podría comprometer la seguridad.

Para minimizar el estrés, mantenga la batería de iones de litio en el voltaje máximo de 4.20V / celda el menor tiempo posible.

El TI bq25070 hace flotar la batería a 3.5V, por debajo del rango de "seguro", es decir, tan seguro que puede perder capacidad con el tiempo.

Una vez que se termina la carga, el voltaje de la batería comienza a caer, y esto alivia el estrés del voltaje. Con el tiempo, el voltaje de circuito abierto se establecerá entre 3.60 y 3.90V / celda. Tenga en cuenta que una batería de iones de litio que recibió una carga completamente saturada mantendrá el voltaje más alto durante más tiempo que uno que se cargó rápidamente y terminó en el umbral de voltaje sin una carga de saturación.


Relacionado:

hoja de datos bq25070

   http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25070.pdf

& http://www.ti.com/lit/ds/slusa66/slusa66.pdf

bq20z80-V101 "Medidor de gas"

  http://cs.utsource.net/goods_files/pdf/12/121917_TI_BQ20Z80DBTR.pdf

bq25060 LiIon cargador IC

  http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25060.pdf

3
Creo que para obtener una respuesta directa, debe preguntar específicamente esto a una compañía de baterías FAE. Luego, no tome su respuesta inicial como algo que significa, e insista en un diálogo adecuado con los ingenieros de la fábrica. Las compañías de baterías tienen muchas más especificaciones que las que destilan en las hojas de datos. Lo sé porque he visto parte de una compañía de baterías LiFePo4. Si es un gran cliente, puede obtener todo tipo de datos interesantes. Esperaría que TI estuviera en contacto cercano con los ingenieros de baterías cuando diseñara este chip. Es posible que no se aplique a todas las marcas de baterías.
Olin Lathrop

1
Creo que su suposición de que las químicas de polímero de litio y fosfato ferroso de litio se comportan igual es falsa. Sin embargo, la única forma de saberlo con seguridad es preguntar a los ingenieros de baterías. Quizás podrías hacer algunos experimentos tú mismo; obtener algunas barras de LiFePO4 y aplicarles este algoritmo de carga durante varios ciclos y ver qué sucede. (en un entorno de laboratorio seguro con nada inflamable cerca :-)
Jon Watte

2

He descubierto varios "puntos de datos" relacionados. Nadie muestra con certeza que este es un método de carga universalmente aceptable con LiFePO4, pero las indicaciones son que probablemente lo sea, con ciertas "advertencias". El grado de aceptabilidad dependerá de muchos factores, como el grado de sobrevoltaje, el estado de carga, la tasa de carga, el tiempo de sobrevoltaje, la construcción específica de la batería y más. Agregaré lo siguiente a medida que aprenda más.


(1) A123 se encuentran entre los principales productores de baterías LiFePO4. Sus recientes problemas financieros importantes no se debieron a un malentendido de la tecnología sino a problemas de ingeniería que llevaron a retiros de productos muy caros. Cosas similares sucedieron con Sony en su fabricación de baterías LiIon, pero Sony tiene 'bolsillos mucho más profundos'.

Lo siguiente se refiere específicamente a los productos A123 y probablemente solo a un subconjunto de ellos. La extensión de este método a otras marcas es a riesgo del usuario:

La división Enerland de A123 produjo un folleto titulado "Operación adecuada del kit de desarrollo A123 Racing NanoPhosphate Developer". Esto se relaciona con las células LiFePO4 2300 mAh A123 26660 (26 mm de diámetro x 66.5 mm de largo).

Utilizan una carga CC CV para "carga normal" y una carga de choque libre de CV para carga rápida.
La carga normal es de 3A (aproximadamente 1.333C) a 3.6V, manténgalo a 3.6V hasta que I_bat haya bajado a 0.05 IChg y luego flote a 3.45V.

Sin embargo, su método de carga rápida es:

Cargue en Imax hasta alcanzar Vmax.
Mantenga en Vmax hasta que se alcance T_fast_charge.
La capacidad es 90> = 96% SOC.
AND - redoble de tambor - Vmax = 4.2V - wow.

¡Dicen que el tiempo de carga rápida es de 15 minutos!
Tenga en cuenta que esto solo se logra en Imax, que es sustancialmente más alto que el Ichg normal.
Por lo tanto, para realizar esta acción para una celda determinada, debe definir una corriente de carga más alta de lo normal, un voltaje de carga máximo más alto de lo normal y un límite de tiempo para mantener la celda al voltaje máximo.

Lo anterior no es idéntico a lo que está haciendo el TI IC: la principal característica común es un voltaje de punto final más alto que el habitual. Para el bq25070 IC, la corriente es corriente de carga estándar, Vmax aumenta y el tiempo de retención en Vmax es cero

Todavía no he encontrado ninguna indicación sobre el efecto en el ciclo de vida de este método de carga rápida.

(2) Seguir ...


Bonus Goldmine:

Descargas A123 : recién descubiertas.
Aún no explorado.
Parece probable que sea muy útil.

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