Nabíjení USB 18650: Jak vybrat bezpečný nabíjecí obvod

Můžete nabíjet baterie 18650 pomocí USB?

Odpověď je ano – ale pouze tehdy, když je USB použito jako vstupní zdroj energie pro vhodný lithium-iontový nabíjecí obvod. Kabel USB, telefonní adaptér nebo port USB-C automaticky neposkytují kontrolovaný nabíjecí profil požadovaný článkem 18650.

Baterie 18650 vyžaduje podmínky nabíjení přizpůsobené jejímu složení, rozsahu napětí, požadavkům na proud a architektuře ochrany. Nabíjecí systém může obsahovat USB vstup, nabíjecí IC, stupeň přeměny energie, PCM nebo BMS, teplotní senzor, konektor a baterii.

Pro spotřebitele je hlavní otázkou, zda je konkrétní USB nabíjecí modul kompatibilní s baterií. Pro OEM inženýry je důležitější otázka, zda kompletní architektura nabíjení napájená přes USB zůstane uvnitř hotového zařízení bezpečná, stabilní a opakovatelná.

Jsou zde popsány základní principy lithium-iontového nabíjení bezpečný proces nabíjení baterie 18650 . Tento článek se zaměřuje na rozhodnutí o návrhu systému, která stojí za nabíjením 18650 napájeným přes USB.

Rychlá odpověď: Můžete nabíjet baterie 18650 pomocí USB?

Ano, ale USB musí dodávat kompatibilní nabíjecí obvod, spíše než se připojovat přímo k baterii.

Správný nabíjecí systém 18650 napájený přes USB by měl:

• použijte USB jako vstupní zdroj napájení;

• regulovat nabíjecí proud a napětí;

• sladit počet buněk v sérii;

• podporovat správnou lithium-iontovou chemii;

• zahrnovat vhodnou ochranu nebo funkce správy baterie;

• řídit teplotu nabíjení;

• zajistit správné ukončení nabíjení;

• používejte kompatibilní konektory, kabely a design krytu.

Nepřipojujte holou buňku 18650 přímo k:

• USB kabel;

• nabíječka telefonu;

• napájecí adaptér USB-C;

• port USB počítače;

• nenakonfigurovaný napájecí zdroj;

• generický bateriový modul s neznámými specifikacemi.

Praktický rozdíl je jednoduchý:

USB může být součástí bezpečného nabíjecího systému 18650, ale samotné USB není nabíječka.

Hlavní tělo

1. Pochopte architekturu nabíjení s napájením USB

Typický systém 18650 napájený přes USB má tuto strukturu:

Zdroj napájení USB ↓ Ochrana vstupu a správa napájení ↓ Li-Ion nabíjecí IC ↓ PCM nebo BMS ↓ 18650 článek nebo baterie

Přesné uspořádání závisí na tom, zda je baterie:

• jeden standardní článek 18650;

• několik paralelně zapojených článků;

• vícečlánkové sériové balení;

• vyjímatelná baterie;

• integrovaná baterie OEM;

• chytrou baterii s komunikačními funkcemi.

Kompaktní spotřebitelské zařízení může kombinovat USB konektor, nabíjecí IC a ochranný obvod na jedné desce plošných spojů. Větší baterie OEM může používat samostatnou desku nabíječky, systém správy baterie a vlastní konektor.

Nabíjecí okruh musí být vyhodnocen jako součást kompletního systému. Modul, který pracuje s jedním chráněným článkem 18650, může být nevhodný pro 2S nebo 3S baterii.

2. USB napájení a nabíjení baterie jsou různé funkce

Napájecí zdroj USB obvykle poskytuje definované výstupní napětí a maximální dostupný proud. Automaticky neví:

• stav nabití baterie;

• chemie baterie;

• požadované nabíjecí napětí;

• správný nabíjecí proud;

• kdy by se mělo nabíjení zastavit;

• zda je teplota článku přijatelná;

• zda baterie nemá abnormální stav.

Za řízení těchto podmínek je zodpovědný lithium-iontový nabíjecí obvod. V závislosti na okruhu může spravovat:

• přednabíjení hluboce vybitého článku;

• nabíjení konstantním proudem;

• nabíjení konstantním napětím;

• regulace nabíjecího proudu;

• ukončení poplatku;

• tepelná regulace;

• omezení vstupního proudu;

• indikace stavu nabití.

USB adaptér je tedy předřazeným zdrojem napájení. Nabíjecí obvod je zařízení, které převádí tento vstup na řízený proces nabíjení baterie.

Toto rozlišení je důležité zejména při použití nabíječky telefonu. Nabíječka telefonu může napájet kompatibilní nabíjecí obvod, ale nemělo by se s ní zacházet jako s univerzální nabíječkou pro holý článek 18650.

3. Přizpůsobte obvod konfiguraci baterie 18650

První elektrická otázka není, zda je baterie označena „18650“. Jde o to, jak jsou nakonfigurovány články.

Jednočlánková baterie 1S

Jediný článek 18650 nebo paralelní skupina navržená tak, aby fungovala jako jedna sériová skupina, může používat jednočlánkový lithium-iontový nabíjecí obvod.

Okruh musí stále odpovídat:

• buněčná chemie;

• maximální nabíjecí napětí článku;

• požadovaný nabíjecí proud;

• kapacita paralelních článků;

• ujednání o ochraně;

• provozní zátěž zařízení.

Jednočlánkový nabíjecí obvod není automaticky vhodný pro každý článek 18650.

Vícečlánkové sériové balení

Sada 2S, 3S nebo větší vyžaduje nabíjecí architekturu navrženou pro počet článků zapojených do série.

Systém může vyžadovat:

• nabíječka pro více článků;

• BMS;

• monitorování napětí článku;

• vyvažování;

• vhodný stupeň konverze vstupního napětí;

• nabíječka kompatibilní s celkovým napětím baterie.

Jednočlánkový nabíjecí modul USB by se neměl používat k nabíjení sady s více články.

U sady baterií OEM by měla být před výběrem nabíječky, BMS, konektoru nebo vstupu USB potvrzena konfigurace článků. Dostupné Řešení lithiových baterií 18650 lze hodnotit podle požadavků na napětí, kapacitu a balení zařízení.

4. Ověřte chemické složení baterie a nabíjecí napětí

Formát 18650 popisuje fyzický tvar válcové buňky. Samo o sobě nedefinuje chemii ani nabíjecí napětí.

Mnoho článků 18650 používá konvenční lithium-iontovou chemii a jsou běžně specifikovány se jmenovitým napětím kolem 3,6 V nebo 3,7 V. Jejich maximální nabíjecí napětí je často kolem 4,2 V na článek, ale skutečná hodnota musí být potvrzena ze schváleného datového listu článku.

Jiné válcové články mohou používat jinou chemii, jako je fosforečnan lithný. Tyto články vyžadují různé podmínky nabíjení.

Před schválením nabíjecího obvodu napájeného přes USB ověřte:

• buněčná chemie;

• jmenovité napětí;

• maximální nabíjecí napětí;

• minimální vybíjecí napětí;

• doporučený nabíjecí proud;

• povolená teplota nabíjení;

• skladovací a provozní podmínky.

Nabíječku byste nikdy neměli vybírat pouze proto, že fyzická velikost baterie je stejná. Dva články se stejnými rozměry 18650 mohou vyžadovat různé parametry nabíjení.

5. Přizpůsobte nabíjecí proud článku a USB vstupu

Nabíjecí proud ovlivňuje dobu nabíjení, teplotu, stárnutí baterie a spotřebu energie systému.

Správný nabíjecí proud závisí na:

• kapacita buňky;

• specifikace výrobce článku;

• požadovaná doba nabíjení;

• tepelné podmínky;

• možnost vstupu USB;

• limity nabíjení IC;

• zatížení zařízení během nabíjení;

• konfigurace bateriového bloku.

U skupiny paralelních baterií může být nutné vyhodnotit nabíjecí proud vzhledem k celkové kapacitě a proudu doporučenému výrobcem pro celou skupinu.

Proud na straně USB se nemusí nutně rovnat nabíjecímu proudu na straně baterie. Při použití převodu napětí závisí vstupní proud na účinnosti a provozním napětí.

Základní odhad výkonu je:

Vstupní výkon ≈ Výkon nabíjení baterie ÷ Účinnost konverze

Nebo:

Pinput ≈ (Vbattery × Icharge) ÷ η

Kde:

• Pinput je přibližný vstupní výkon;

• Vbattery je nabíjecí napětí baterie;

• Icharge je nabíjecí proud na straně baterie;

• η je účinnost konverze.

Pokud zařízení funguje během nabíjení, zdroj USB musí také napájet zátěž zařízení:

Celkový vstupní výkon ≈ Nabíjecí výkon + Provozní výkon zařízení + Ztráty při převodu

Adaptér označený vysokým výstupním USB proudem neznamená, že by se baterie měla nabíjet tímto proudem. Nabíjecí IC a specifikace článku určují vhodný proud na straně baterie.

6. Pochopte, co USB-C a USB-C PD skutečně poskytují

USB-C je standard konektoru a rozhraní. USB-C Power Delivery může také vyjednat různé profily napájení mezi kompatibilním zdrojem a dřezem.

USB-C ani USB-C PD nenahrazuje lithium-iontový nabíjecí obvod.

Design nabíjení USB-C může vyžadovat:

• ochrana portu USB-C;

• konfigurace výkonové role;

• Sink-controller nebo PD vyjednávání tam, kde je to vhodné;

• vstupní přepěťová ochrana;

• řízení vstupního proudu;

• lithium-iontový nabíjecí IC;

• vhodný DC-DC konverzní stupeň;

• integrace BMS nebo PCM;

• tepelný monitoring.

Zdroj USB-C PD může po úspěšném vyjednávání poskytnout vyšší napětí. Toto vyšší napětí musí být dodáno do kompatibilního stupně přeměny energie nebo nabíjecího stupně. Nemělo by být aplikováno přímo na buňku 18650.

U jednoduchého jednočlánkového zařízení může regulovaný USB vstup napájet jednočlánkový nabíjecí IC. U větší sady baterií lze USB-C PD použít jako předřazený zdroj energie pro složitější nabíječku, ale nabíječka musí být stále navržena pro sériovou konfiguraci baterie.

Správný princip návrhu je:

USB-C definuje, jak do produktu vstupuje napájení. Nabíjecí obvod určuje, jak se baterie nabíjí.

7. Vyberte odpovídající PCM nebo BMS

Nabíjecí IC a systém ochrany nebo řízení plní různé funkce.

PCM může poskytovat základní ochranu, jako je:

• ochrana proti přebití;

• ochrana proti nadměrnému vybití;

• nadproudová ochrana;

• ochrana proti zkratu.

Pokročilejší BMS může navíc podporovat:

• monitorování napětí článku;

• vyvažování;

• snímání teploty;

• měření proudu;

• odhad stavu nabití;

• komunikace s hostitelským zařízením;

• ovládání nabíjení a vybíjení.

BMS automaticky nenahrazuje kompatibilní lithium-iontovou nabíječku. Může odpojit baterii, pokud dojde k abnormálnímu stavu, ale nabíjecí systém musí stále poskytovat správný proud a napěťový profil.

Ochranný systém by měl být specifikován společně s:

• počet buněk;

• sériová a paralelní konfigurace;

• trvalý proud;

• špičkový proud;

• nabíjecí proud;

• požadavky na teplotní čidlo;

• konektor konektoru;

• požadavky na komunikaci.

Rozdíly mezi základní ochranou a pokročilou správou jsou vysvětleny v Výběr PCM a BMS pro lithiové baterie.

U chráněných a nechráněných článků 18650 musí být metoda nabíjení stále kompatibilní s konstrukcí článku a sady. Chráněná buňka nezajišťuje bezpečné připojení USB.

8. Zkontrolujte USB port, kabel a design konektoru

Baterie napájená přes USB je také mechanický problém a problém s designem rozhraní.

Produktový tým by měl definovat:

• typ konektoru USB;

• požadavek na příkon;

• typ kabelu;

• délka kabelu;

• retence konektoru;

• umístění přístavu;

• ochrana proti vniknutí;

• ochrana proti přepólování nebo špatnému připojení;

• oddělení nabíjecího a vybíjecího rozhraní;

• uvolnění napětí;

• servisní přístup.

Kabel a konektor mohou ovlivnit pokles napětí, nárůst teploty a dlouhodobou spolehlivost. Malý konektor může být elektricky dostačující pro prototyp, ale mechanicky nevhodný pro opakované výrobní použití.

USB port by měl být také zkontrolován vůči krytu:

• Je kolem konektoru dostatečná vůle?

• Může se kabel ohnout bez namáhání PCB?

• Není port vystaven vlhkosti nebo prachu?

• Může uživatel zasunout konektor nesprávně?

• Zasahuje kabel do baterie?

• Je port blízko součástem produkujícím teplo?

Tyto otázky jsou důležité, když je konektor USB nainstalován přímo na vlastní baterii nebo uvnitř kompaktního zařízení.

9. Zvažte tepelný design během nabíjení USB

Nabíjení vytváří teplo v baterii, nabíjecím integrovaném obvodu, součástech pro konverzi energie, konektoru a kabelu.

Teplota se může zvýšit kvůli:

• vysoký nabíjecí proud;

• ztráty z konverze;

• simultánní provoz zařízení;

• špatný odvod tepla;

• omezený prostor prostoru;

• blízké komponenty produkující teplo;

• vysoká okolní teplota;

• staré nebo vysoce odolné buňky.

Tepelný design by měl vzít v úvahu:

• nabíjecí proud;

• měděná plocha PCB;

• teplotní jmenovité hodnoty součástí;

• teplota baterie;

• obalový materiál;

• proudění vzduchu nebo vedení tepla;

• nabíjení za provozu;

• umístění teplotního čidla;

• limity teploty nabíjení.

Nabíjecí obvod, který funguje dobře na otevřeném stole, se může uvnitř hotového produktu zahřívat. Ověření OEM by proto mělo být provedeno s konečnou baterií, nabíječkou, krytem, ​​kabelem a zátěží zařízení.

10. Rozhodněte se mezi nabíjecím modulem a designem nabíjení OEM

Běžný USB nabíjecí modul může být užitečný během raného prototypování, ale neměl by být automaticky považován za produkční řešení.

Před použitím modulu potvrďte:

• podporovaná buněčná chemie;

• podporovaná sériová konfigurace;

• maximální kapacita baterie;

• rozsah nabíjecího proudu;

• nastavení nabíjecího napětí;

• ochranné funkce;

• tepelné chování;

• rozsah vstupního napětí;

• požadavky na konektor a kabel;

• výrobní dokumentace;

• dostupnost komponent.

Vlastní design OEM může být vhodnější, když produkt vyžaduje:

• speciální rozhraní USB-C;

• sada vícečlánkových baterií;

• nabíjení za provozu;

• vysoký nabíjecí proud;

• kompaktní kryt;

• vlastní BMS komunikace;

• monitorování teploty;

• pevný konektor a kabel;

• sledovatelnost výroby;

• dlouhodobá kontrola komponent.

Baterie, nabíječka a ochranný systém by měly být schváleny jako jeden systém, nikoli jako nesouvisející komponenty.

11. Ověřte kompletní bateriový systém napájený přes USB

Design 18650 napájený přes USB by měl být testován s hotovou konfigurací.

Elektrická validace

Kontrola:

• USB vstupní napětí;

• omezení vstupního proudu;

• nabíjecí napětí;

• nabíjecí proud na straně baterie;

• ukončení poplatku;

• polarita balení;

• pokles napětí;

• pohotovostní proud;

• zatížení zařízení během nabíjení;

• chování restartu po opětovném připojení USB.

Ověření ochrany

Zkontrolujte použitelné funkce:

• ochrana proti přebití;

• ochrana proti nadměrnému vybití;

• nadproudová ochrana;

• ochrana proti zkratu;

• ochrana proti přehřátí;

• ochrana nabíjení pod nízkou teplotou;

• odpověď buněčné nerovnováhy;

• komunikační chování.

Ochranné testy by měl provádět kvalifikovaný personál za použití schváleného zkušebního postupu a vhodných bezpečnostních kontrol. Neprovádějte ruční zkratování, propichování, otevírání nebo nucené obnovení lithiové baterie.

Tepelná validace

Opatření:

• teplota buňky;

• teplota nabíjecího IC;

• teplota BMS;

• teplota USB konektoru;

• teplota koncovky kabelu;

• povrchová teplota krytu;

• teplota při současném nabíjení a provozu.

Ověření na úrovni zařízení

Vyzkoušejte baterii uvnitř hotového výrobku během:

• normální provoz;

• provoz s maximálním zatížením;

• spuštění;

• vypnutí;

• pohotovostní;

• opakované připojení a odpojení USB;

• nabíjení za provozu;

• realistické podmínky okolní teploty.

Test na stolici může proběhnout, zatímco na hotovém zařízení stále dochází k poklesu napětí, tepelné akumulaci, namáhání konektoru nebo neočekávanému vypnutí.

12. Běžné chyby při nabíjení USB 18650

Připojení USB kabelu přímo k holé buňce

USB kabel poskytuje napájení, ale nereguluje proces nabíjení článku.

Zacházení s nabíječkou telefonu jako s univerzální nabíječkou baterií

Adaptér telefonu může napájet kompatibilní nabíjecí obvod, ale není automaticky vhodný pro přímé připojení k článku 18650.

Použití jednočlánkového modulu pro sériové balení

Nabíječka 1S není vhodná pro baterie 2S, 3S nebo větší série, pokud není kompletní architektura speciálně navržena pro tuto konfiguraci.

Za předpokladu, že USB-C PD je nabíječka baterie

USB-C PD dokáže vyjednat profil vstupního napájení, ale sám o sobě neprovádí požadovanou kontrolu nabíjení baterie.

Za předpokladu, že BMS nahradí nabíječku

BMS může poskytovat monitorování a ochranu, ale nemusí nutně poskytovat úplný nabíjecí profil požadovaný baterií.

Výběr nabíječky pouze podle tvaru baterie

Formát 18650 neidentifikuje chemii článku, nabíjecí napětí ani doporučený nabíjecí proud.

Ignorování současného provozu zařízení

Zdroj USB musí podporovat jak zatížení zařízení, tak požadavek na nabíjení baterie, když je produkt během nabíjení v provozu.

Schválení modulu bez testování krytu

Tepelné chování, namáhání konektorů a vedení kabelů se mohou po instalaci nabíjecího systému do finálního produktu výrazně změnit.

FAQ

Mohu připojit kabel USB přímo k baterii 18650?

Ne. Kabel USB nebo adaptér by neměl být připojen přímo k holé buňce 18650. Baterie vyžaduje kompatibilní lithium-iontový nabíjecí obvod, který řídí nabíjecí napětí, proud a ukončení.

Může 5V USB zdroj nabíjet 4,2V článek 18650?

5 V USB zdroj může napájet vhodný jednočlánkový nabíjecí obvod, ale neměl by být připojen přímo k článku. Nabíjecí obvod musí regulovat vstup a poskytovat správný nabíjecí profil na straně baterie.

Může USB-C PD nabíjet baterii 18650?

USB-C PD může poskytovat vstupní napájení kompatibilní architektuře nabíjení baterie. Nenahrazuje nabíjecí IC, DC-DC konvertor nebo BMS požadované konfigurací baterie.

Může jeden modul USB nabíjet baterii 2S nebo 3S 18650?

Pouze v případě, že modul a kompletní nabíjecí systém jsou speciálně navrženy pro tuto sériovou konfiguraci. Jednočlánkový nabíjecí modul by se neměl používat pro vícečlánkové sériové balení.

Potřebuje chráněná baterie 18650 nabíjecí obvod USB?

Ano. Ochrana zabudovaná v článku nevylučuje potřebu kompatibilní nabíječky. Nabíjecí systém musí stále odpovídat chemii článku, požadavkům na napětí a proud.

Mohu použít nabíječku telefonu s baterií 18650?

Jako vstupní zdroj pro kompatibilní nabíjecí obvod lze použít nabíječku telefonu. Neměl by být připojen přímo k článku 18650 nebo používán jako náhrada za nabíječku lithium-iontových baterií.

Je standardní USB nabíjecí modul vhodný pro OEM výrobu?

Může být vhodný pro rané prototypování po ověření jeho specifikací. Pro výrobu by měl být modul ověřen s konečným článkem, BMS, krytem, ​​konektorem, zatížením zařízení a podmínkami nabíjení.

Jaké informace by měl výrobce OEM poskytnout, když požaduje řešení baterie 18650 napájené přes USB?

Poskytnout:

• buněčná chemie;

• sériová a paralelní konfigurace;

• jmenovité napětí;

• kapacita;

• cílová doba nabíjení;

• typ vstupu USB;

• nabíjecí proud;

• normální a špičkový proud zařízení;

• požadavek na nabíjení za provozu;

• omezení konektoru a krytu;

• provozní teplota;

• BMS nebo požadavky na komunikaci.

Závěr

USB lze použít k nabíjení baterie 18650, ale port USB je pouze začátkem nabíjecí architektury.

Spolehlivý systém se musí shodovat s chemií baterie, konfigurací článků, nabíjecím napětím, proudem, ochranným systémem, rozhraním USB, tepelným designem a zatížením zařízení. USB-C a USB-C PD mohou zlepšit vstupní flexibilitu, ale nenahrazují nabíjecí IC nebo BMS vyžadované baterií.

U aplikací OEM by měla být společně ověřena kompletní baterie, nabíjecí obvod, ochranný systém, konektor a kryt. Tento přístup pomáhá předcházet rizikům přímého připojení, nestabilitě nabíjení, přehřívání a nekompatibilitě mezi schváleným vzorkem a konečným výrobním zařízením.

Potřebujete řešení baterie 18650 napájené přes USB pro zařízení OEM? Kontaktujte ZERNE pro vlastní design lithiové baterie a podporu nabíjecího systému.