Pengisian Daya 18650 Bertenaga USB: Cara Memilih Sirkuit Pengisian Daya yang Aman

Bisakah Anda mengisi baterai 18650 dengan USB?

Jawabannya adalah ya—tetapi hanya jika USB digunakan sebagai sumber daya input untuk sirkuit pengisian daya litium-ion yang sesuai. Kabel USB, adaptor telepon, atau port USB-C tidak secara otomatis menyediakan profil pengisian daya terkontrol yang diperlukan oleh sel 18650.

Baterai 18650 memerlukan kondisi pengisian daya yang disesuaikan dengan sifat kimianya, rentang voltase, kebutuhan arus, dan arsitektur perlindungannya. Sistem pengisian daya dapat mencakup input USB, IC pengisian daya, tahap konversi daya, PCM atau BMS, sensor suhu, konektor, dan paket baterai.

Bagi konsumen, pertanyaan utamanya adalah apakah modul pengisian USB tertentu kompatibel dengan baterai. Bagi para insinyur OEM, pertanyaan yang lebih penting adalah apakah arsitektur pengisian daya USB yang lengkap akan tetap aman, stabil, dan dapat diulang di dalam perangkat yang sudah jadi.

Prinsip dasar pengisian daya litium-ion tercakup dalam proses pengisian baterai 18650 yang aman . Artikel ini berfokus pada keputusan desain sistem di balik pengisian daya 18650 bertenaga USB.

Jawaban Cepat: Bisakah Anda Mengisi Baterai 18650 dengan USB?

Ya, tapi USB harus menyediakan sirkuit pengisian daya yang kompatibel daripada terhubung langsung ke baterai.

Sistem pengisian daya 18650 bertenaga USB yang benar harus:

• gunakan USB sebagai sumber daya input;

• mengatur arus dan tegangan pengisian;

• mencocokkan jumlah sel secara seri;

• mendukung kimia lithium-ion yang benar;

• mencakup fungsi perlindungan atau manajemen baterai yang sesuai;

• mengontrol suhu pengisian;

• memberikan penghentian biaya yang benar;

• gunakan konektor, kabel, dan desain penutup yang kompatibel.

Jangan sambungkan sel 18650 kosong langsung ke:

• kabel USB;

• pengisi daya telepon;

• adaptor daya USB-C;

• port USB komputer;

• catu daya yang tidak dikonfigurasi;

• modul baterai generik dengan spesifikasi yang tidak diketahui.

Perbedaan praktisnya sederhana:

USB dapat menjadi bagian dari sistem pengisian daya 18650 yang aman, namun USB saja bukanlah pengisi dayanya.

Badan Utama

1. Pahami Arsitektur Pengisian Daya Bertenaga USB

Sistem 18650 bertenaga USB pada umumnya mengikuti struktur ini:

Sumber Daya USB ↓ Perlindungan Input dan Manajemen Daya ↓ IC Pengisian Daya Li-Ion ↓ PCM atau BMS ↓ 18650 Sel atau Paket Baterai

Susunan pastinya bergantung pada apakah baterainya:

• satu sel standar 18650;

• beberapa sel terhubung secara paralel;

• paket seri multi-sel;

• baterai yang dapat dilepas;

• paket baterai OEM terintegrasi;

• baterai pintar dengan fungsi komunikasi.

Perangkat konsumen yang ringkas dapat menggabungkan konektor USB, IC pengisian daya, dan sirkuit perlindungan pada satu PCB. Baterai OEM yang lebih besar mungkin menggunakan papan pengisi daya terpisah, sistem manajemen baterai, dan konektor khusus.

Sirkuit pengisian daya harus dievaluasi sebagai bagian dari sistem yang lengkap. Modul yang berfungsi dengan satu sel 18650 yang dilindungi mungkin tidak cocok untuk baterai 2S atau 3S.

2. Daya USB dan Pengisian Baterai Fungsinya Berbeda

Sumber daya USB biasanya memberikan tegangan keluaran yang ditentukan dan arus maksimum yang tersedia. Ia tidak secara otomatis mengetahui:

• status pengisian daya baterai;

• sifat kimia baterai;

• tegangan pengisian yang diperlukan;

• arus pengisian yang benar;

• saat pengisian harus berhenti;

• apakah suhu sel dapat diterima;

• apakah baterai mempunyai kondisi yang tidak normal.

IC pengisian daya lithium-ion bertanggung jawab untuk mengendalikan kondisi ini. Tergantung pada sirkuitnya, ia dapat mengatur:

• pengisian awal sel yang sangat kosong;

• pengisian arus konstan;

• pengisian tegangan konstan;

• peraturan biaya saat ini;

• penghentian biaya;

• pengaturan termal;

• pembatasan arus masukan;

• indikasi status pengisian daya.

Oleh karena itu, adaptor USB merupakan sumber daya upstream. Sirkuit pengisian daya adalah perangkat yang mengubah masukan tersebut menjadi proses pengisian baterai yang terkontrol.

Perbedaan ini sangat penting ketika menggunakan pengisi daya telepon. Pengisi daya telepon dapat memberikan daya ke sirkuit pengisian daya yang kompatibel, namun tidak boleh diperlakukan sebagai pengisi daya universal untuk sel 18650 kosong.

3. Cocokkan Sirkuit dengan Konfigurasi Baterai 18650

Pertanyaan kelistrikan yang pertama bukanlah apakah baterai tersebut diberi label '18650.' Namun bagaimana sel-selnya dikonfigurasi.

Baterai 1S sel tunggal

Sel 18650 tunggal, atau grup paralel yang dirancang untuk beroperasi sebagai satu grup seri, dapat menggunakan sirkuit pengisian lithium-ion sel tunggal.

Sirkuit harus tetap cocok:

• kimia sel;

• tegangan pengisian maksimum sel;

• arus pengisian yang diperlukan;

• kapasitas sel paralel;

• pengaturan perlindungan;

• beban pengoperasian perangkat.

Sirkuit pengisian daya sel tunggal tidak secara otomatis cocok untuk setiap 18650 sel.

Paket seri multi-sel

Paket 2S, 3S atau lebih besar memerlukan arsitektur pengisian daya yang dirancang untuk jumlah sel yang terhubung secara seri.

Sistem mungkin memerlukan:

• pengisi daya multi-sel;

• sebuah PASI;

• pemantauan tegangan sel;

• menyeimbangkan;

• tahap konversi tegangan masukan yang sesuai;

• pengisi daya yang kompatibel dengan tegangan paket total.

Modul pengisian daya USB sel tunggal tidak boleh digunakan untuk mengisi daya paket seri multi-sel.

Untuk paket baterai OEM, konfigurasi sel harus dikonfirmasi sebelum memilih pengisi daya, BMS, konektor, atau input USB. Yang tersedia Solusi baterai litium 18650 dapat dievaluasi sesuai dengan voltase perangkat, kapasitas, dan persyaratan pengemasan.

4. Verifikasi Kimia Baterai dan Tegangan Pengisian

Format 18650 menggambarkan bentuk fisik sel silinder. Itu tidak menentukan kimia atau tegangan pengisian dengan sendirinya.

Banyak sel 18650 menggunakan bahan kimia lithium-ion konvensional dan biasanya ditentukan dengan tegangan nominal sekitar 3,6 V atau 3,7 V. Tegangan pengisian maksimumnya sering kali sekitar 4,2 V per sel, namun nilai sebenarnya harus dikonfirmasi dari lembar data sel yang disetujui.

Sel silinder lainnya mungkin menggunakan bahan kimia yang berbeda, seperti litium besi fosfat. Sel-sel ini memerlukan kondisi pengisian yang berbeda.

Sebelum menyetujui sirkuit pengisian daya USB, verifikasi:

• kimia sel;

• tegangan nominal;

• tegangan pengisian maksimum;

• tegangan pelepasan minimum;

• arus pengisian yang direkomendasikan;

• suhu pengisian yang diizinkan;

• kondisi penyimpanan dan pengoperasian.

Pengisi daya tidak boleh dipilih hanya karena ukuran fisik baterainya sama. Dua sel dengan dimensi 18650 yang sama mungkin memerlukan parameter pengisian daya yang berbeda.

5. Cocokkan Arus Pengisian dengan Sel dan Input USB

Arus pengisian daya memengaruhi waktu pengisian, suhu, penuaan baterai, dan kebutuhan daya sistem.

Arus pengisian yang benar bergantung pada:

• kapasitas sel;

• spesifikasi produsen sel;

• waktu pengisian yang diinginkan;

• kondisi termal;

• Kemampuan masukan USB;

• batas pengisian IC;

• beban perangkat saat mengisi daya;

• konfigurasi paket baterai.

Untuk grup baterai paralel, arus pengisian mungkin perlu dievaluasi terhadap kapasitas total dan arus yang direkomendasikan pabrikan untuk grup lengkap.

Arus sisi USB belum tentu sama dengan arus pengisian sisi baterai. Ketika konversi tegangan digunakan, arus masukan bergantung pada efisiensi dan tegangan operasi.

Perkiraan daya dasar adalah:

Daya input ≈ Daya pengisian baterai ÷ Efisiensi konversi

Atau:

Pinput ≈ (Vbaterai × Icharge) η

Di mana:

• Pinput adalah perkiraan daya masukan;

• Vbattery adalah tegangan pengisian baterai;

• Icharge adalah arus pengisian sisi baterai;

• η adalah efisiensi konversi.

Jika perangkat beroperasi saat mengisi daya, sumber USB juga harus menyuplai beban perangkat:

Total daya input ≈ Daya pengisian daya + Daya pengoperasian perangkat + Kerugian konversi

Adaptor berlabel arus keluaran USB tinggi tidak berarti baterai harus diisi pada arus tersebut. IC pengisian daya dan spesifikasi sel menentukan arus sisi baterai yang sesuai.

6. Pahami Apa yang Sebenarnya Disediakan USB-C dan USB-C PD

USB-C adalah standar konektor dan antarmuka. Pengiriman Daya USB-C juga dapat menegosiasikan profil daya yang berbeda antara sumber dan sink yang kompatibel.

Baik USB-C maupun USB-C PD tidak menggantikan sirkuit pengisian daya lithium-ion.

Desain pengisian daya USB-C mungkin memerlukan:

• Perlindungan port USB-C;

• konfigurasi peran kekuasaan;

• pengontrol wastafel atau negosiasi PD jika memungkinkan;

• perlindungan tegangan lebih masukan;

• kontrol arus masukan;

• IC pengisian daya litium-ion;

• tahap konversi DC-DC yang sesuai;

• Integrasi BMS atau PCM;

• pemantauan termal.

Sumber USB-C PD dapat memberikan volume yang lebih tinggitage setelah negosiasi berhasil. Tegangan yang lebih tinggi tersebut harus disalurkan ke tahap konversi daya atau pengisian daya yang kompatibel. Ini tidak boleh diterapkan langsung ke sel 18650.

Untuk perangkat sel tunggal yang sederhana, input USB yang diatur dapat memberi daya pada IC pengisian daya sel tunggal. Untuk paket baterai yang lebih besar, USB-C PD dapat digunakan sebagai sumber daya upstream untuk pengisi daya yang lebih kompleks, namun pengisi daya tersebut tetap harus dirancang untuk konfigurasi seri baterai.

Prinsip desain yang benar adalah:

USB-C menentukan cara daya masuk ke produk. Sirkuit pengisian menentukan cara baterai diisi.

7. Pilih PCM atau BMS yang Sesuai

IC pengisian daya dan sistem perlindungan atau manajemen menjalankan fungsi yang berbeda.

PCM dapat memberikan perlindungan dasar seperti:

• perlindungan harga yang berlebihan;

• perlindungan pelepasan berlebih;

• perlindungan arus lebih;

• perlindungan hubung singkat.

BMS yang lebih canggih mungkin juga mendukung:

• pemantauan tegangan sel;

• menyeimbangkan;

• penginderaan suhu;

• pengukuran saat ini;

• perkiraan biaya negara;

• komunikasi dengan perangkat host;

• kontrol pengisian dan pengosongan.

BMS tidak secara otomatis menggantikan pengisi daya litium-ion yang kompatibel. Ini mungkin memutuskan sambungan baterai ketika terjadi kondisi abnormal, namun sistem pengisian tetap perlu menyediakan profil arus dan tegangan yang benar.

Sistem proteksi harus ditentukan bersama dengan:

• jumlah sel;

• konfigurasi seri dan paralel;

• arus kontinu;

• arus puncak;

• pengisian arus;

• persyaratan sensor suhu;

• pinout konektor;

• persyaratan komunikasi.

Perbedaan antara perlindungan dasar dan pengelolaan lanjutan dijelaskan di Pemilihan PCM dan BMS untuk paket baterai litium.

Untuk sel 18650 yang dilindungi dan tidak dilindungi, metode pengisian daya harus tetap kompatibel dengan desain sel dan paket. Sel yang dilindungi tidak membuat koneksi USB yang tidak sesuai menjadi aman.

8. Periksa Desain Port USB, Kabel dan Konektor

Baterai bertenaga USB juga merupakan masalah mekanis dan desain antarmuka.

Tim produk harus mendefinisikan:

• Jenis konektor USB;

• kebutuhan daya masukan;

• jenis kabel;

• panjang kabel;

• retensi konektor;

• lokasi pelabuhan;

• perlindungan masuknya;

• perlindungan polaritas terbalik atau koneksi salah;

• pemisahan antarmuka pengisian dan pemakaian;

• menghilangkan ketegangan;

• akses layanan.

Kabel dan konektor dapat mempengaruhi penurunan tegangan, kenaikan suhu, dan keandalan jangka panjang. Konektor kecil mungkin memadai secara elektrik untuk prototipe tetapi secara mekanis tidak cocok untuk penggunaan produksi berulang.

Port USB juga harus dicocokkan dengan casingnya:

• Apakah jarak di sekitar konektor cukup?

• Bisakah kabel ditekuk tanpa memberi tekanan pada PCB?

• Apakah port terkena kelembapan atau debu?

• Bisakah pengguna salah memasukkan konektor?

• Apakah kabel mengganggu baterai?

• Apakah port dekat dengan komponen penghasil panas?

Pertanyaan-pertanyaan ini penting ketika konektor USB dipasang langsung pada baterai khusus atau di dalam perangkat kompak.

9. Pertimbangkan Desain Termal Selama Pengisian USB

Pengisian daya menghasilkan panas pada baterai, IC pengisian daya, komponen konversi daya, konektor, dan kabel.

Suhu dapat meningkat karena:

• arus pengisian tinggi;

• kerugian konversi;

• pengoperasian perangkat secara simultan;

• pembuangan panas yang buruk;

• ruang kandang terbatas;

• komponen penghasil panas di dekatnya;

• suhu lingkungan yang tinggi;

• sel yang sudah tua atau memiliki resistensi yang tinggi.

Desain termal harus mempertimbangkan:

• pengisian arus;

• Area tembaga PCB;

• peringkat suhu komponen;

• suhu baterai;

• bahan penutup;

• aliran udara atau konduksi panas;

• mengisi daya saat beroperasi;

• lokasi sensor suhu;

• batas suhu pengisian.

Sirkuit pengisian daya yang bekerja dengan baik di bangku terbuka mungkin menjadi lebih panas di dalam produk jadi. Oleh karena itu, validasi OEM harus dilakukan dengan baterai akhir, pengisi daya, penutup, kabel, dan beban perangkat.

10. Putuskan Antara Modul Pengisian Daya dan Desain Pengisian OEM

Modul pengisian daya USB yang tersedia dapat berguna selama pembuatan prototipe awal, namun tidak secara otomatis dianggap sebagai solusi produksi.

Sebelum menggunakan modul, konfirmasikan:

• mendukung kimia sel;

• konfigurasi seri yang didukung;

• kapasitas baterai maksimum;

• rentang arus pengisian;

• pengaturan tegangan pengisian;

• fungsi perlindungan;

• perilaku termal;

• rentang tegangan masukan;

• persyaratan konektor dan kabel;

• dokumentasi produksi;

• ketersediaan komponen.

Desain OEM khusus mungkin lebih sesuai bila produk memerlukan:

• antarmuka USB-C khusus;

• paket baterai multi-sel;

• mengisi daya saat beroperasi;

• arus pengisian tinggi;

• kandang yang kompak;

• komunikasi BMS khusus;

• pemantauan suhu;

• konektor dan kabel tetap;

• ketertelusuran produksi;

• pengendalian komponen jangka panjang.

Baterai, pengisi daya, dan sistem proteksi harus disetujui sebagai satu sistem dan bukan sebagai komponen yang tidak terkait.

11. Validasi Sistem Baterai Bertenaga USB Lengkap

Desain 18650 bertenaga USB harus diuji dengan konfigurasi yang telah selesai.

Validasi kelistrikan

Memeriksa:

• Tegangan masukan USB;

• batas arus masukan;

• tegangan pengisian;

• arus pengisian sisi baterai;

• penghentian biaya;

• polaritas paket;

• penurunan tegangan;

• arus siaga;

• beban perangkat saat mengisi daya;

• memulai kembali perilaku setelah koneksi ulang USB.

Validasi perlindungan

Periksa fungsi yang berlaku:

• perlindungan harga yang berlebihan;

• perlindungan pelepasan berlebih;

• perlindungan arus lebih;

• perlindungan hubung singkat;

• perlindungan suhu berlebih;

• perlindungan pengisian daya di bawah suhu;

• respon ketidakseimbangan sel;

• perilaku komunikasi.

Uji proteksi harus dilakukan oleh personel yang berkualifikasi dengan menggunakan prosedur pengujian yang disetujui dan kontrol keselamatan yang sesuai. Jangan melakukan hubungan arus pendek, menusuk, membuka, atau memulihkan paksa baterai litium secara manual.

Validasi termal

Ukuran:

• suhu sel;

• pengisian suhu IC;

• suhu BMS;

• suhu konektor USB;

• suhu terminal kabel;

• suhu permukaan kandang;

• suhu selama pengisian dan pengoperasian secara bersamaan.

Validasi tingkat perangkat

Uji baterai di dalam produk jadi selama:

• operasi normal;

• operasi beban maksimum;

• rintisan;

• penutupan;

• siaga;

• koneksi dan pemutusan USB berulang;

• mengisi daya saat beroperasi;

• kondisi suhu sekitar yang realistis.

Tes bangku mungkin lulus saat perangkat yang sudah jadi masih mengalami penurunan tegangan, akumulasi termal, tegangan konektor, atau penghentian yang tidak terduga.

12. Kesalahan Umum Pengisian USB 18650

Menghubungkan kabel USB langsung ke sel kosong

Kabel USB menyediakan daya tetapi tidak mengatur proses pengisian daya sel.

Memperlakukan pengisi daya telepon sebagai pengisi daya baterai universal

Adaptor telepon mungkin memberi daya pada sirkuit pengisian daya yang kompatibel, namun tidak secara otomatis cocok untuk koneksi langsung ke sel 18650.

Menggunakan modul sel tunggal untuk paket seri

Pengisi daya 1S tidak cocok untuk baterai seri 2S, 3S, atau lebih besar kecuali arsitektur lengkapnya dirancang khusus untuk konfigurasi tersebut.

Dengan asumsi USB-C PD adalah pengisi daya baterai

USB-C PD dapat menegosiasikan profil daya input, namun tidak melakukan kontrol pengisian daya baterai yang diperlukan dengan sendirinya.

Dengan asumsi BMS menggantikan pengisi daya

BMS dapat memberikan pemantauan dan perlindungan, namun tidak serta merta menyediakan profil pengisian daya lengkap yang diperlukan oleh baterai.

Memilih pengisi daya berdasarkan bentuk baterai saja

Format 18650 tidak mengidentifikasi kimia sel, tegangan pengisian, atau arus pengisian yang disarankan.

Mengabaikan pengoperasian perangkat secara bersamaan

Sumber USB harus mendukung beban perangkat dan permintaan pengisian daya baterai saat produk beroperasi saat mengisi daya.

Menyetujui modul tanpa pengujian enclosure

Perilaku termal, tegangan konektor, dan perutean kabel dapat berubah secara signifikan setelah sistem pengisian daya dipasang pada produk akhir.

Pertanyaan Umum

Bisakah saya menyambungkan kabel USB langsung ke baterai 18650?

Tidak. Kabel atau adaptor USB tidak boleh dihubungkan langsung ke sel 18650 yang kosong. Baterai memerlukan sirkuit pengisian lithium-ion yang kompatibel yang mengontrol tegangan, arus, dan penghentian pengisian.

Bisakah sumber USB 5 V mengisi daya sel 4,2 V 18650?

Sumber USB 5 V dapat memberi daya pada sirkuit pengisian daya sel tunggal yang sesuai, namun tidak boleh dihubungkan langsung ke sel. Sirkuit pengisian daya harus mengatur input dan menyediakan profil pengisian daya sisi baterai yang benar.

Bisakah USB-C PD mengisi baterai 18650?

USB-C PD dapat memberikan daya input ke arsitektur pengisian daya baterai yang kompatibel. Itu tidak menggantikan IC pengisian daya, konverter DC-DC atau BMS yang diperlukan oleh konfigurasi baterai.

Bisakah satu modul USB mengisi baterai 2S atau 3S 18650?

Hanya jika modul dan sistem pengisian daya lengkap dirancang khusus untuk konfigurasi seri tersebut. Modul pengisian daya sel tunggal tidak boleh digunakan untuk paket seri multi-sel.

Apakah baterai 18650 yang dilindungi memerlukan sirkuit pengisian USB?

Ya. Perlindungan yang terpasang pada sel tidak menghilangkan kebutuhan akan pengisi daya yang kompatibel. Sistem pengisian harus tetap sesuai dengan kebutuhan kimia sel, voltase, dan arus.

Bisakah saya menggunakan pengisi daya telepon dengan baterai 18650?

Pengisi daya telepon dapat digunakan sebagai sumber input untuk sirkuit pengisian daya yang kompatibel. Ini tidak boleh dihubungkan langsung ke sel 18650 atau digunakan sebagai pengganti pengisi daya baterai lithium-ion.

Apakah modul pengisian daya USB siap pakai cocok untuk produksi OEM?

Ini mungkin cocok untuk pembuatan prototipe awal setelah spesifikasinya diverifikasi. Untuk produksi, modul harus divalidasi dengan sel akhir, BMS, penutup, konektor, beban perangkat, dan kondisi pengisian daya.

Informasi apa yang harus diberikan oleh OEM saat meminta solusi baterai 18650 bertenaga USB?

Menyediakan:

• kimia sel;

• konfigurasi seri dan paralel;

• tegangan nominal;

• kapasitas;

• target waktu pengisian;

• Jenis masukan USB;

• pengisian arus;

• arus perangkat normal dan puncak;

• persyaratan pengisian daya saat beroperasi;

• kendala konektor dan enclosure;

• suhu pengoperasian;

• BMS atau persyaratan komunikasi.

Kesimpulan

USB dapat digunakan untuk mengisi daya baterai 18650, tetapi port USB hanyalah awal dari arsitektur pengisian daya.

Sistem yang andal harus sesuai dengan kimia baterai, konfigurasi sel, tegangan pengisian, arus, sistem perlindungan, antarmuka USB, desain termal, dan beban perangkat. USB-C dan USB-C PD dapat meningkatkan fleksibilitas input, namun tidak menggantikan IC pengisian daya atau BMS yang diperlukan oleh baterai.

Untuk aplikasi OEM, baterai lengkap, sirkuit pengisian daya, sistem proteksi, konektor, dan penutup harus divalidasi bersama. Pendekatan ini membantu mencegah bahaya koneksi langsung, ketidakstabilan pengisian daya, panas berlebih, dan ketidakcocokan antara sampel yang disetujui dan perangkat produksi akhir.

Butuh solusi baterai 18650 bertenaga USB untuk perangkat OEM? Hubungi ZERNE untuk desain paket baterai litium khusus dan dukungan sistem pengisian daya.