USB-virralla toimiva 18650-lataus: Kuinka valita turvallinen latauspiiri

Voitko ladata 18650 akkuja USB:llä?

Vastaus on kyllä ​​– mutta vain silloin, kun USB:tä käytetään sopivan litiumionilatauspiirin syöttövirtalähteenä. USB-kaapeli, puhelinsovitin tai USB-C-portti ei tarjoa automaattisesti 18650-kennon edellyttämää ohjattua latausprofiilia.

18650-akku vaatii latausolosuhteet, jotka on sovitettu sen kemiaan, jännitealueeseen, virrantarpeeseen ja suojausarkkitehtuuriin. Latausjärjestelmä voi sisältää USB-tulon, latauspiirin, tehonmuuntovaiheen, PCM:n tai BMS:n, lämpötila-anturin, liittimen ja akun.

Kuluttajille tärkein kysymys on, onko tietty USB-latausmoduuli yhteensopiva akun kanssa. OEM-insinööreille tärkeämpi kysymys on, pysyykö koko USB-virtalähteenä toimiva latausarkkitehtuuri turvallisena, vakaana ja toistettavana valmiissa laitteessa.

Tässä käsitellään litiumionilatauksen perusperiaatteet turvallinen 18650 akun latausprosessi . Tämä artikkeli keskittyy järjestelmän suunnittelupäätöksiin USB-virralla toimivan 18650-latauksen takana.

Pikavastaus: Voitko ladata 18650-akkuja USB:llä?

Kyllä, mutta USB:n on toimitettava yhteensopiva latauspiiri sen sijaan, että se kytketään suoraan akkuun.

Oikean USB-virtalähteen 18650-latausjärjestelmän pitäisi:

• käytä USB:tä tulovirtalähteenä;

• säädä latausvirtaa ja -jännitettä;

• vastaa solujen lukumäärää sarjassa;

• tukevat oikeaa litiumionikemiaa;

• sisältää sopivat suoja- tai akunhallintatoiminnot;

• valvoa latauslämpötilaa;

• tarjota oikea veloituksen lopetus;

• käytä yhteensopivia liittimiä, kaapeleita ja kotelointia.

Älä liitä paljaata 18650-kennoa suoraan:

• USB-kaapeli;

• puhelimen laturi;

• USB-C-virtalähde;

• tietokoneen USB-portti;

• määrittämätön virtalähde;

• yleinen akkumoduuli, jonka tekniset tiedot ovat tuntemattomia.

Käytännön ero on yksinkertainen:

USB voi olla osa turvallista 18650-latausjärjestelmää, mutta USB ei yksin ole laturi.

Päärunko

1. Ymmärrä USB-latausarkkitehtuuri

Tyypillinen USB-virtalähteellä varustettu 18650-järjestelmä noudattaa tätä rakennetta:

USB-virtalähde ↓ Tulon suojaus ja virranhallinta ↓ Li-Ion Charging IC ↓ PCM tai BMS ↓ 18650 -kenno tai akkupaketti

Tarkka järjestely riippuu siitä, onko akku:

• yksi standardi 18650 solu;

• useita rinnakkain kytkettyjä soluja;

• monisoluinen sarja pakkaus;

• irrotettava akku;

• integroitu OEM-akku;

• älykäs akku viestintätoiminnoilla.

Kompakti kuluttajalaite voi yhdistää USB-liittimen, latauspiirin ja suojapiirin yhdelle piirilevylle. Suurempi OEM-akku voi käyttää erillistä latauskorttia, akunhallintajärjestelmää ja mukautettua liitintä.

Latauspiiri on arvioitava osana koko järjestelmää. Moduuli, joka toimii yhden suojatun 18650-kennon kanssa, ei välttämättä sovellu 2S- tai 3S-akulle.

2. USB-virta ja akun lataus ovat eri toimintoja

USB-virtalähde tarjoaa tavallisesti määritellyn lähtöjännitteen ja suurimman käytettävissä olevan virran. Se ei automaattisesti tiedä:

• akun varaustila;

• akun kemia;

• vaadittu latausjännite;

• oikea latausvirta;

• kun latauksen pitäisi pysähtyä;

• onko kennon lämpötila hyväksyttävä;

• onko akku epänormaalissa kunnossa.

Litiumioni-latauspiiri vastaa näiden olosuhteiden hallinnasta. Piiristä riippuen se voi hallita:

• syväpurkautuneen kennon esilataus;

• jatkuva lataus;

• jatkuva jännite lataus;

• latausvirran sääntely;

• maksun lopettaminen;

• lämmön säätely;

• tulovirran rajoittaminen;

• lataustilan ilmaisin.

USB-sovitin on siksi virtalähde. Latauspiiri on laite, joka muuntaa syötteen ohjatuksi akun latausprosessiksi.

Tämä ero on erityisen tärkeä puhelimen laturia käytettäessä. Puhelimen laturi voi antaa virtaa yhteensopivalle latauspiirille, mutta sitä ei pidä käsitellä yleislaturina paljaalle 18650-kennolle.

3. Yhdistä piiri 18650-akun kokoonpanoon

Ensimmäinen sähkökysymys ei ole, onko akussa merkintä '18650'. Se on kuinka kennot on konfiguroitu.

Yksikennoinen 1S akku

Yksi 18650-kenno tai rinnakkaisryhmä, joka on suunniteltu toimimaan yhtenä sarjaryhmänä, voi käyttää yksikennoista litiumionilatauspiiriä.

Piirin on silti vastattava:

• solukemia;

• kennon suurin latausjännite;

• vaadittu latausvirta;

• rinnakkaisten solujen kapasiteetti;

• suojajärjestely;

• laitteen käyttökuormitus.

Yksikennoinen latauspiiri ei sovellu automaattisesti jokaiselle 18650 kennolle.

Monikennoinen sarjapaketti

2S, 3S tai suurempi pakkaus vaatii latausarkkitehtuurin, joka on suunniteltu sarjaan kytkettyjen kennojen lukumäärälle.

Järjestelmä voi vaatia:

• monikennoinen laturi;

• BMS;

• solun jännitteen seuranta;

• tasapainotus;

• sopiva tulo-jännite muunnosaste;

• laturi, joka on yhteensopiva paketin kokonaisjännitteen kanssa.

Yksikennoista USB-latausmoduulia ei saa käyttää monikennoisen sarjapaketin lataamiseen.

OEM-akkupakkauksessa kennokokoonpano tulee vahvistaa ennen laturin, BMS:n, liittimen tai USB-tulon valitsemista. Saatavilla olevat 18650 litiumakkuratkaisua voidaan arvioida laitteen jännitteen, kapasiteetin ja pakkausvaatimusten mukaan.

4. Tarkista akun kemia ja latausjännite

18650-muoto kuvaa sylinterimäisen kennon fyysistä muotoa. Se ei itse määritä kemiaa tai latausjännitettä.

Monet 18650 kennot käyttävät tavanomaista litiumionikemiaa, ja niiden nimellisjännite on yleensä noin 3,6 V tai 3,7 V. Niiden maksimilatausjännite on usein noin 4,2 V kennoa kohti, mutta todellinen arvo on vahvistettava hyväksytystä kennotietolomakkeesta.

Muut sylinterimäiset kennot voivat käyttää erilaista kemiaa, kuten litiumrautafosfaattia. Nämä kennot vaativat erilaisia ​​latausolosuhteita.

Ennen kuin hyväksyt USB-latauspiirin, varmista:

• solukemia;

• nimellisjännite;

• suurin latausjännite;

• pienin purkausjännite;

• suositeltu latausvirta;

• sallittu latauslämpötila;

• varastointi- ja käyttöolosuhteet.

Laturia ei tule koskaan valita vain siksi, että akun fyysinen koko on sama. Kaksi kennoa, joilla on samat 18650-mitat, voivat vaatia erilaisia ​​latausparametreja.

5. Yhdistä latausvirta kenno- ja USB-tuloon

Latausvirta vaikuttaa latausaikaan, lämpötilaan, akun ikääntymiseen ja järjestelmän virrantarpeeseen.

Oikea latausvirta riippuu:

• solun kapasiteetti;

• solujen valmistajan tekniset tiedot;

• haluttu latausaika;

• lämpöolosuhteet;

• USB-tulomahdollisuus;

• lataus IC rajat;

• laitteen kuormitus latauksen aikana;

• akun kokoonpano.

Rinnakkaisakkuryhmässä latausvirta on ehkä arvioitava suhteessa kokonaiskapasiteettiin ja valmistajan koko ryhmälle suosittelemaan virtaan.

USB-puolen virta ei välttämättä ole yhtä suuri kuin akun puolen latausvirta. Kun käytetään jännitteen muuntamista, tulovirta riippuu tehokkuudesta ja käyttöjännitteestä.

Perustehoarvio on:

Tuloteho ≈ Akun latausteho ÷ Muunnostehokkuus

Tai:

Pinput ≈ (Vakku × lataus) ÷ η

Jossa:

• Pinput on likimääräinen syöttöteho;

• Vakku on akun latausjännite;

• Icharge on akun puolen latausvirta;

• η on muunnostehokkuus.

Jos laite toimii latauksen aikana, USB-lähteen on syötettävä myös laitteen kuormitus:

Kokonaissyöttöteho ≈ Latausteho + Laitteen käyttöteho + Muunnoshäviöt

Korkealla USB-lähtövirralla merkitty sovitin ei tarkoita, että akkua pitäisi ladata tällä virralla. Latauspiirin ja kennon tekniset tiedot määrittävät sopivan akkupuolen virran.

6. Selvitä, mitä USB-C ja USB-C PD todellisuudessa tarjoavat

USB-C on liitin- ja liitäntästandardi. USB-C Power Delivery voi myös neuvotella erilaisia ​​tehoprofiileja yhteensopivan lähteen ja altaan välillä.

USB-C tai USB-C PD eivät korvaa litiumionilatauspiiriä.

USB-C-latausmalli voi vaatia:

• USB-C-portin suojaus;

• teho-rooli kokoonpano;

• nieluohjain tai PD-neuvottelu tarvittaessa;

• tulo ylijännitesuoja;

• tulo-virta ohjaus;

• litium-ioni lataus IC;

• sopiva DC-DC-muunnosaste;

• BMS- tai PCM-integraatio;

• lämpövalvonta.

USB-C PD -lähde voi tuottaa korkeamman jännitteen onnistuneen neuvottelun jälkeen. Tämä korkeampi jännite on toimitettava yhteensopivaan tehonmuunto- tai latausvaiheeseen. Sitä ei tule käyttää suoraan 18650-soluun.

Yksinkertaisessa yksikennoisessa laitteessa säädelty USB-tulo voi syöttää yksikennoisen latauspiirin. Suuremmassa akussa USB-C PD:tä voidaan käyttää virtalähteenä monimutkaisemmassa laturilla, mutta laturin on silti oltava suunniteltu akun sarjakokoonpanoa varten.

Oikea suunnitteluperiaate on:

USB-C määrittää, kuinka virta tulee tuotteeseen. Latauspiiri määrittää, kuinka akku ladataan.

7. Valitse sopiva PCM tai BMS

Lataus-IC ja suoja- tai hallintajärjestelmä suorittavat erilaisia ​​toimintoja.

PCM voi tarjota perussuojauksen, kuten:

• ylilataussuoja;

• ylipurkaussuojaus;

• ylivirtasuojaus;

• oikosulkusuojaus.

Edistyneempi BMS voi lisäksi tukea:

• solun jännitteen seuranta;

• tasapainotus;

• lämpötilan mittaus;

• nykyinen mittaus;

• lataustilan arvio;

• viestintä isäntälaitteen kanssa;

• latauksen ja purkauksen ohjaus.

BMS ei automaattisesti korvaa yhteensopivaa litiumionilaturia. Se voi irrottaa akun, jos tapahtuu epänormaali tilanne, mutta latausjärjestelmän on silti tarjottava oikea virta- ja jänniteprofiili.

Suojausjärjestelmä on määriteltävä yhdessä:

• solujen määrä;

• sarja- ja rinnakkaiskokoonpano;

• jatkuva virta;

• huippuvirta;

• latausvirta;

• lämpötila-anturin vaatimukset;

• liitin pinout;

• viestintävaatimukset.

Perussuojauksen ja edistyneen hallinnan erot on selitetty kohdassa PCM- ja BMS-valinta litiumakuille.

Suojattujen ja suojaamattomien 18650-kennojen lataustavan on silti oltava yhteensopiva kenno- ja pakkausrakenteen kanssa. Suojattu solu ei turvaa sopimatonta USB-yhteyttä.

8. Tarkista USB-portin, kaapelin ja liittimen rakenne

USB-virtalähde on myös mekaaninen ja käyttöliittymäsuunnitteluongelma.

Tuoteryhmän tulee määritellä:

• USB-liittimen tyyppi;

• syöttötehon tarve;

• kaapelin tyyppi;

• kaapelin pituus;

• liittimen säilyttäminen;

• sataman sijainti;

• sisäänpääsyn suojaus;

• käänteisen napaisuuden tai väärän kytkennän suojaus;

• lataus- ja purkausrajapinnan erottaminen;

• vedonpoisto;

• pääsy palveluun.

Kaapeli ja liitin voivat vaikuttaa jännitteen laskuun, lämpötilan nousuun ja pitkäaikaiseen luotettavuuteen. Pieni liitin voi olla sähköisesti riittävä prototyyppiin, mutta mekaanisesti sopimaton toistuvaan tuotantokäyttöön.

USB-portti tulee myös tarkistaa kotelosta:

• Onko liittimen ympärillä tarpeeksi tilaa?

• Voiko kaapeli taipua rasittamatta piirilevyä?

• Onko portti alttiina kosteudelle tai pölylle?

• Voiko käyttäjä asettaa liittimen väärin?

• Häiritseekö kaapeli akun toimintaa?

• Onko portti lähellä lämpöä tuottavia komponentteja?

Nämä kysymykset ovat tärkeitä, kun USB-liitin asennetaan suoraan mukautettuun akkuun tai kompaktin laitteen sisään.

9. Harkitse lämpösuunnittelua USB-latauksen aikana

Lataus synnyttää lämpöä akussa, latauspiirissä, tehonmuuntokomponenteissa, liittimessä ja kaapelissa.

Lämpötila voi nousta seuraavista syistä:

• korkea latausvirta;

• muunnostappiot;

• laitteen samanaikainen toiminta;

• huono lämmöntuotto;

• rajoitettu kotelointitila;

• lähellä olevat lämpöä tuottavat komponentit;

• korkea ympäristön lämpötila;

• ikääntyneitä tai erittäin vastustuskykyisiä soluja.

Lämpösuunnittelussa tulee ottaa huomioon:

• latausvirta;

• PCB kupari-alue;

• komponenttien lämpötilaluokitukset;

• akun lämpötila;

• kotelomateriaali;

• ilmavirta tai lämmönjohtavuus;

• lataaminen käytön aikana;

• lämpötila-anturin sijainti;

• latauslämpötilan rajat.

Latauspiiri, joka toimii hyvin avoimella pöydällä, voi kuumeta valmiin tuotteen sisällä. OEM-validointi on siksi suoritettava lopullisella akulla, laturilla, kotelolla, kaapelilla ja laitekuormalla.

10. Valitse latausmoduulin ja OEM-latausmallin välillä

Valmis USB-latausmoduuli voi olla hyödyllinen prototyyppien alkuvaiheessa, mutta sitä ei pitäisi automaattisesti käsitellä tuotantoratkaisuna.

Ennen kuin käytät moduulia, varmista:

• tuettu solukemia;

• tuettu sarjakokoonpano;

• akun enimmäiskapasiteetti;

• lataus-virta-alue;

• lataus-jännite asetus;

• suojaustoiminnot;

• lämpökäyttäytyminen;

• tulo-jännite alue;

• liitin- ja kaapelivaatimukset;

• tuotannon asiakirjat;

• komponenttien saatavuus.

Mukautettu OEM-suunnittelu voi olla sopivampi, kun tuote vaatii:

• erityinen USB-C-liitäntä;

• monikennoinen akku;

• lataaminen käytön aikana;

• korkea latausvirta;

• kompakti kotelo;

• mukautettu BMS-viestintä;

• lämpötilan valvonta;

• kiinteä liitin ja kaapeli;

• tuotannon jäljitettävyys;

• pitkäaikainen komponenttiohjaus.

Akku, laturi ja suojajärjestelmä tulee hyväksyä yhtenä järjestelmänä eikä erillisinä komponentteina.

11. Vahvista täydellinen USB-akkujärjestelmä

USB-virralla toimiva 18650-malli tulee testata valmiin kokoonpanon kanssa.

Sähköinen validointi

Tarkista:

• USB-tulojännite;

• tulovirtaraja;

• latausjännite;

• akun puolen latausvirta;

• maksun lopettaminen;

• pakkauksen napaisuus;

• jännitehäviö;

• valmiustilavirta;

• laitteen kuormitus latauksen aikana;

• käynnistys uudelleen USB-yhteyden jälkeen.

Suojauksen validointi

Tarkista soveltuvat toiminnot:

• ylilataussuoja;

• ylipurkaussuojaus;

• ylivirtasuojaus;

• oikosulkusuojaus;

• ylikuumenemissuoja;

• alilämpötilan lataussuojaus;

• solujen epätasapainon vaste;

• viestintäkäyttäytymistä.

Pätevän henkilöstön tulee suorittaa suojaustestit käyttämällä hyväksyttyä testausmenettelyä ja sopivia turvatoimia. Älä suorita litiumakun manuaalista oikosulkua, lävistämistä, avaamista tai pakkopalautusta.

Terminen validointi

Mitata:

• solun lämpötila;

• lataus IC lämpötila;

• BMS lämpötila;

• USB-liittimen lämpötila;

• kaapeli-terminaali lämpötila;

• kotelon pintalämpötila;

• lämpötila samanaikaisen latauksen ja käytön aikana.

Laitetason vahvistus

Testaa akku valmiin tuotteen sisällä:

• normaali toiminta;

• suurin kuormitus;

• käynnistys;

• sammutus;

• valmiustilassa;

• toistuva USB-liitäntä ja irrottaminen;

• lataaminen käytön aikana;

• realistiset ympäristön lämpötilaolosuhteet.

Penkkitesti voi läpäistä, kun valmiissa laitteessa esiintyy edelleen jännitehäviötä, lämmön kertymistä, liittimen jännitystä tai odottamatonta sammutusta.

12. Yleisiä USB 18650 -latausvirheitä

USB-kaapelin liittäminen suoraan paljaaseen soluun

USB-kaapeli antaa virtaa, mutta ei säätele solun latausprosessia.

Puhelimen laturin käsitteleminen yleisakkulaturina

Puhelinsovitin voi antaa virtaa yhteensopivalle latauspiirille, mutta se ei automaattisesti sovellu suoraan kytkettäväksi 18650-kennoon.

Yksisoluisen moduulin käyttäminen sarjapakkauksessa

1S-laturi ei sovellu 2S-, 3S- tai suuremman sarjan akulle, ellei koko arkkitehtuuria ole erityisesti suunniteltu kyseiselle kokoonpanolle.

Olettaen, että USB-C PD on akkulaturi

USB-C PD pystyy neuvottelemaan syöttötehoprofiilin, mutta se ei suorita vaadittua akun latauksen ohjausta itsestään.

Olettaen, että BMS korvaa laturin

BMS voi tarjota valvontaa ja suojaa, mutta se ei välttämättä tarjoa täydellistä akun vaatimaa latausprofiilia.

Laturin valinta pelkästään akun muodon perusteella

18650-muoto ei tunnista kennokemiaa, latausjännitettä tai suositeltua latausvirtaa.

Ohitetaan laitteen samanaikainen toiminta

USB-lähteen on tuettava sekä laitteen kuormitusta että akun lataustarvetta, kun tuote toimii latauksen aikana.

Moduulin hyväksyminen ilman kotelointitestausta

Lämpökäyttäytyminen, liittimen jännitys ja kaapelien reititys voivat muuttua merkittävästi sen jälkeen, kun latausjärjestelmä on asennettu lopputuotteeseen.

FAQ

Voinko kytkeä USB-kaapelin suoraan 18650-akkuun?

Ei. USB-kaapelia tai sovitinta ei saa liittää suoraan paljaaseen 18650-kennoon. Akku vaatii yhteensopivan litiumionilatauspiirin, joka ohjaa latausjännitettä, virtaa ja päätettä.

Voiko 5 V:n USB-lähde ladata 4,2 V 18650 -kennoa?

5 V USB-lähde voi antaa virtaa sopivalle yksikennoiselle latauspiirille, mutta sitä ei saa kytkeä suoraan kennoon. Latauspiirin on säädettävä tuloa ja tarjottava oikea akkupuolen latausprofiili.

Voiko USB-C PD ladata 18650-akun?

USB-C PD voi tarjota syöttövirtaa yhteensopivalle akun latausarkkitehtuurille. Se ei korvaa akun kokoonpanon edellyttämää latauspiiriä, DC-DC-muunninta tai BMS:ää.

Voiko yhdellä USB-moduulilla ladata 2S- tai 3S 18650 -akkua?

Vain jos moduuli ja täydellinen latausjärjestelmä on erityisesti suunniteltu kyseiseen sarjakokoonpanoon. Yksikennoista latausmoduulia ei tulisi käyttää monikennosarjan paketissa.

Tarvitseeko suojattu 18650-akku USB-latauspiirin?

Kyllä. Kennoon sisäänrakennettu suojaus ei poista yhteensopivan laturin tarvetta. Latausjärjestelmän on silti vastattava kennojen kemiaa, jännite- ja virtavaatimuksia.

Voinko käyttää puhelimen laturia 18650 akulla?

Puhelimen laturia voidaan käyttää yhteensopivan latauspiirin tulolähteenä. Sitä ei saa liittää suoraan 18650-kennoon tai käyttää litiumioniakkulaturin korvikkeena.

Sopiiko valmis USB-latausmoduuli OEM-tuotantoon?

Se voi sopia varhaiseen prototyyppien valmistukseen, kun sen tekniset tiedot on tarkistettu. Tuotantoa varten moduuli tulee validoida lopullisen solun, BMS:n, kotelon, liittimen, laitteen kuormituksen ja latausolosuhteiden mukaan.

Mitä tietoja OEM:n tulee antaa, kun hän pyytää USB-virralla toimivaa 18650-akkuratkaisua?

Tarjoa:

• solukemia;

• sarja- ja rinnakkaiskokoonpano;

• nimellisjännite;

• kapasiteetti;

• latausaikatavoite;

• USB-tulotyyppi;

• latausvirta;

• normaali ja huippu laitteen virta;

• latauksen aikana käytön vaatimus;

• liittimen ja kotelon rajoitukset;

• käyttölämpötila;

• BMS tai viestintävaatimukset.

Johtopäätös

USB:llä voidaan ladata 18650-akkua, mutta USB-portti on vasta latausarkkitehtuurin alku.

Luotettavan järjestelmän on vastattava akun kemiaa, kennokokoonpanoa, latausjännitettä, virtaa, suojausjärjestelmää, USB-liitäntää, lämpösuunnittelua ja laitteen kuormitusta. USB-C ja USB-C PD voivat parantaa tulon joustavuutta, mutta ne eivät korvaa akun vaatimaa latauspiiriä tai BMS:ää.

OEM-sovelluksissa koko akku, latauspiiri, suojajärjestelmä, liitin ja kotelo tulee validoida yhdessä. Tämä lähestymistapa auttaa estämään suoran kytkennän vaarat, latauksen epävakauden, ylikuumenemisen ja yhteensopimattomuuden hyväksytyn näytteen ja lopullisen tuotantolaitteen välillä.

Tarvitsetko USB-virralla toimivan 18650-akkuratkaisun OEM-laitteelle? Ota yhteyttä ZERNEen, jos tarvitset mukautettua litiumakkujen suunnittelua ja latausjärjestelmän tukea.