Încărcare 18650 alimentată prin USB: Cum să alegeți un circuit de încărcare sigur

Puteți încărca bateriile 18650 cu USB?

Răspunsul este da, dar numai atunci când USB este utilizat ca sursă de alimentare de intrare pentru un circuit adecvat de încărcare cu litiu-ion. Un cablu USB, un adaptor pentru telefon sau un port USB-C nu oferă automat profilul de încărcare controlat necesar unei celule 18650.

O baterie 18650 necesită condiții de încărcare potrivite chimiei, domeniului de tensiune, cerințelor de curent și arhitecturii de protecție. Sistemul de încărcare poate include o intrare USB, circuit integrat de încărcare, etapă de conversie a puterii, PCM sau BMS, senzor de temperatură, conector și acumulator.

Pentru consumatori, întrebarea principală este dacă un anumit modul de încărcare USB este compatibil cu bateria. Pentru inginerii OEM, întrebarea mai importantă este dacă arhitectura completă de încărcare alimentată prin USB va rămâne sigură, stabilă și repetabilă în interiorul dispozitivului finit.

Sunt acoperite principiile de bază ale încărcării cu litiu-ion procesul sigur de încărcare a bateriei 18650 . Acest articol se concentrează pe deciziile de proiectare a sistemului din spatele încărcării 18650 alimentate prin USB.

Răspuns rapid: Puteți încărca bateriile 18650 cu USB?

Da, dar USB trebuie să furnizeze un circuit de încărcare compatibil în loc să se conecteze direct la baterie.

Un sistem de încărcare corect alimentat de USB 18650 ar trebui:

• utilizați USB ca sursă de alimentare de intrare;

• reglați curentul și tensiunea de încărcare;

• potriviți numărul de celule din serie;

• susține chimia corectă de litiu-ion;

• includeți funcții adecvate de protecție sau de gestionare a bateriei;

• controlează temperatura de încărcare;

• asigura terminarea corectă a taxei;

• utilizați conectori, cabluri și design compatibile.

Nu conectați o celulă goală 18650 direct la:

• un cablu USB;

• un încărcător de telefon;

• un adaptor de alimentare USB-C;

• un port USB pentru computer;

• o sursă de alimentare neconfigurată;

• un modul de baterie generic cu specificații necunoscute.

Diferența practică este simplă:

USB poate face parte dintr-un sistem de încărcare sigur 18650, dar USB singur nu este încărcătorul.

Corpul principal

1. Înțelegeți arhitectura de încărcare alimentată prin USB

Un sistem tipic 18650 alimentat prin USB urmează această structură:

Sursă de alimentare USB ↓ Protecția intrării și gestionarea energiei ↓ Circuit integrat de încărcare Li-Ion ↓ PCM sau BMS ↓ Celulă 18650 sau pachet de baterii

Aranjamentul exact depinde dacă bateria este:

• o celulă standard 18650;

• mai multe celule conectate în paralel;

• un pachet de serie cu mai multe celule;

• o baterie detașabilă;

• un pachet de baterii OEM integrat;

• o baterie inteligentă cu funcții de comunicare.

Un dispozitiv compact de consum poate combina conectorul USB, circuitul de încărcare și circuitul de protecție pe un singur PCB. O baterie OEM mai mare poate utiliza o placă de încărcare separată, un sistem de gestionare a bateriei și un conector personalizat.

Circuitul de încărcare trebuie evaluat ca parte a sistemului complet. Un modul care funcționează cu o celulă 18650 protejată poate fi nepotrivit pentru un acumulator 2S sau 3S.

2. Alimentarea USB și încărcarea bateriei sunt funcții diferite

O sursă de alimentare USB oferă în mod normal o tensiune de ieșire definită și un curent maxim disponibil. Nu știe automat:

• starea de încărcare a bateriei;

• chimia bateriei;

• tensiunea de încărcare necesară;

• curentul de încărcare corect;

• când încărcarea ar trebui să se oprească;

• dacă temperatura celulei este acceptabilă;

• dacă bateria are o stare anormală.

Un circuit integrat de încărcare cu litiu-ion este responsabil pentru controlul acestor condiții. În funcție de circuit, acesta poate gestiona:

• preîncărcarea unei celule profund descărcate;

• încărcare cu curent constant;

• încărcare cu tensiune constantă;

• reglarea curentului de încărcare;

• terminarea taxei;

• reglare termică;

• limitarea curentului de intrare;

• indicarea stării de încărcare.

Adaptorul USB este, prin urmare, o sursă de alimentare în amonte. Circuitul de încărcare este dispozitivul care convertește acea intrare într-un proces controlat de încărcare a bateriei.

Această distincție este deosebit de importantă atunci când utilizați un încărcător de telefon. Un încărcător de telefon poate furniza energie unui circuit de încărcare compatibil, dar nu ar trebui tratat ca un încărcător universal pentru o celulă 18650 goală.

3. Potriviți circuitul cu configurația bateriei 18650

Prima întrebare electrică nu este dacă bateria este etichetată „18650”. Ci modul în care sunt configurate celulele.

Baterie cu o singură celulă 1S

O singură celulă 18650 sau un grup paralel proiectat să funcționeze ca un grup în serie, poate utiliza un circuit de încărcare litiu-ion cu o singură celulă.

Circuitul trebuie să se potrivească în continuare:

• chimia celulară;

• tensiunea maximă de încărcare a celulei;

• curentul de încărcare necesar;

• capacitatea celulelor paralele;

• aranjamentul de protecție;

• sarcina de funcționare a dispozitivului.

Un circuit de încărcare cu o singură celulă nu este potrivit automat pentru fiecare celulă 18650.

Pachet serie cu mai multe celule

Un pachet 2S, 3S sau mai mare necesită o arhitectură de încărcare concepută pentru numărul de celule conectate în serie.

Sistemul poate necesita:

• un încărcător cu mai multe celule;

• un BMS;

• monitorizarea tensiunii celulei;

• balansare;

• o etapă adecvată de conversie a tensiunii de intrare;

• un încărcător compatibil cu tensiunea totală a pachetului.

Un modul de încărcare USB cu o singură celulă nu trebuie utilizat pentru a încărca un pachet de serie cu mai multe celule.

Pentru un pachet de baterii OEM, configurația celulei trebuie confirmată înainte de a selecta încărcătorul, BMS, conectorul sau intrarea USB. Cele disponibile Soluțiile de baterii cu litiu 18650 pot fi evaluate în funcție de tensiunea dispozitivului, capacitatea și cerințele de ambalare.

4. Verificați chimia bateriei și tensiunea de încărcare

Formatul 18650 descrie forma fizică a unei celule cilindrice. Nu definește chimia sau tensiunea de încărcare de la sine.

Multe celule 18650 folosesc chimie convențională de litiu-ion și sunt de obicei specificate cu o tensiune nominală în jur de 3,6 V sau 3,7 V. Tensiunea maximă de încărcare a acestora este adesea în jur de 4,2 V per celulă, dar valoarea reală trebuie confirmată din fișa de date aprobată a celulei.

Alte celule cilindrice pot folosi chimie diferite, cum ar fi fosfatul de litiu fier. Aceste celule necesită condiții de încărcare diferite.

Înainte de a aproba un circuit de încărcare alimentat prin USB, verificați:

• chimia celulară;

• tensiune nominală;

• tensiune maximă de încărcare;

• tensiunea de descărcare minimă;

• curent de încărcare recomandat;

• temperatura de încărcare permisă;

• conditii de depozitare si functionare.

Un încărcător nu trebuie selectat niciodată doar pentru că dimensiunea fizică a bateriei este aceeași. Două celule cu aceleași dimensiuni 18650 pot necesita parametri de încărcare diferiți.

5. Potriviți curentul de încărcare cu celula și intrarea USB

Curentul de încărcare afectează timpul de încărcare, temperatura, îmbătrânirea bateriei și cererea de putere a sistemului.

Curentul corect de încărcare depinde de:

• capacitatea celulei;

• specificațiile producătorului de celule;

• timpul de încărcare dorit;

• conditii termice;

• Capacitate de intrare USB;

• limitele IC de încărcare;

• încărcarea dispozitivului în timpul încărcării;

• configurația pachetului de baterii.

Pentru un grup de baterii paralel, este posibil ca curentul de încărcare să fie evaluat în raport cu capacitatea totală și curentul recomandat de producător pentru întregul grup.

Curentul pe partea USB nu este neapărat egal cu curentul de încărcare pe partea bateriei. Când se utilizează conversia tensiunii, curentul de intrare depinde de eficiență și de tensiunea de funcționare.

O estimare de bază a puterii este:

Puterea de intrare ≈ Puterea de încărcare a bateriei ÷ Eficiența conversiei

Sau:

Pinput ≈ (Vbaterie × Icharge) ÷ η

Unde:

• Pinput este puterea aproximativă de intrare;

• Vbattery este tensiunea de încărcare a bateriei;

• Icharge este curentul de încărcare din partea bateriei;

• η este eficiența conversiei.

Dacă dispozitivul funcționează în timpul încărcării, sursa USB trebuie să asigure și sarcina dispozitivului:

putere totală de intrare ≈ putere de încărcare + putere de funcționare a dispozitivului + pierderi de conversie

Un adaptor etichetat cu un curent de ieșire USB mare nu înseamnă că bateria trebuie încărcată la acel curent. IC-ul de încărcare și specificațiile celulei determină curentul adecvat pe partea bateriei.

6. Înțelegeți ce oferă de fapt USB-C și USB-C PD

USB-C este un conector și un standard de interfață. De asemenea, USB-C Power Delivery poate negocia diferite profiluri de putere între o sursă compatibilă și o chiuvetă.

Nici USB-C, nici USB-C PD nu înlocuiesc circuitul de încărcare cu litiu-ion.

Un design de încărcare USB-C poate necesita:

• Protectie port USB-C;

• configurație putere-rol;

• negociere sink-controller sau PD, acolo unde este cazul;

• protectie la supratensiune de intrare;

• control curent de intrare;

• un circuit integrat de încărcare cu litiu-ion;

• o etapă de conversie DC-DC adecvată;

• integrare BMS sau PCM;

• monitorizare termică.

O sursă USB-C PD poate furniza o tensiune mai mare după o negociere cu succes. Această tensiune mai mare trebuie să fie livrată la o etapă compatibilă de conversie a puterii sau de încărcare. Nu trebuie aplicat direct unei celule 18650.

Pentru un dispozitiv simplu cu o singură celulă, o intrare USB reglementată poate alimenta un circuit integrat de încărcare cu o singură celulă. Pentru un acumulator mai mare, USB-C PD poate fi folosit ca sursă de alimentare în amonte pentru un încărcător mai complex, dar încărcătorul trebuie totuși proiectat pentru configurația de serie a bateriei.

Principiul corect de proiectare este:

USB-C definește modul în care puterea intră în produs. Circuitul de încărcare definește modul în care este încărcată bateria.

7. Selectați PCM sau BMS adecvat

Un circuit integrat de încărcare și un sistem de protecție sau management îndeplinesc diferite funcții.

Un PCM poate oferi protecție de bază, cum ar fi:

• protecție la supraîncărcare;

• protecție la supradescărcare;

• protecție la supracurent;

• protectie la scurtcircuit.

Un BMS mai avansat poate suporta în plus:

• monitorizarea tensiunii celulei;

• balansare;

• senzor de temperatură;

• măsurarea curentului;

• estimarea stării de încărcare;

• comunicare cu dispozitivul gazdă;

• control de încărcare și descărcare.

Un BMS nu înlocuiește automat un încărcător compatibil cu litiu-ion. Poate deconecta bateria atunci când apare o condiție anormală, dar sistemul de încărcare trebuie să ofere în continuare profilul corect de curent și tensiune.

Sistemul de protecție trebuie specificat împreună cu:

• numărul de celule;

• configurație în serie și paralelă;

• curent continuu;

• curent de vârf;

• curent de încărcare;

• cerințele senzorului de temperatură;

• pinout conector;

• cerințele de comunicare.

Diferențele dintre protecția de bază și managementul avansat sunt explicate în Selectare PCM și BMS pentru baterii cu litiu.

Pentru celulele 18650 protejate și neprotejate, metoda de încărcare trebuie să fie în continuare compatibilă cu designul celulei și al pachetului. O celulă protejată nu asigură o conexiune USB necorespunzătoare.

8. Verificați portul USB, cablul și designul conectorului

O baterie alimentată prin USB este, de asemenea, o problemă mecanică și de proiectare a interfeței.

Echipa de produs ar trebui să definească:

• tip conector USB;

• necesarul de putere de intrare;

• tip cablu;

• lungimea cablului;

• reținerea conectorului;

• amplasarea portului;

• protectie la intrare;

• protecție împotriva polarității inverse sau a conexiunii greșite;

• separarea interfeței de încărcare și descărcare;

• ameliorarea tensiunii;

• acces la serviciu.

Cablul și conectorul pot afecta căderea de tensiune, creșterea temperaturii și fiabilitatea pe termen lung. Un conector mic poate fi adecvat din punct de vedere electric pentru un prototip, dar mecanic nepotrivit pentru utilizarea repetată în producție.

Portul USB trebuie verificat, de asemenea, cu carcasa:

• Există suficient spațiu liber în jurul conectorului?

• Se poate îndoi cablul fără a solicita PCB-ul?

• Este portul expus la umiditate sau praf?

• Utilizatorul poate introduce incorect conectorul?

• Cablul interferează cu bateria?

• Este portul aproape de componente care produc căldură?

Aceste întrebări sunt importante atunci când un conector USB este instalat direct pe un acumulator personalizat sau în interiorul unui dispozitiv compact.

9. Luați în considerare designul termic în timpul încărcării prin USB

Încărcarea creează căldură în baterie, circuitul integrat de încărcare, componentele de conversie a puterii, conectorul și cablul.

Temperatura poate crește din cauza:

• curent de încărcare mare;

• pierderi de conversie;

• funcționarea simultană a dispozitivului;

• disipare slabă a căldurii;

• spațiu restrâns din incintă;

• componente care produc căldură din apropiere;

• temperatura ambientala ridicata;

• celule îmbătrânite sau cu rezistență ridicată.

Proiectarea termică ar trebui să ia în considerare:

• curent de încărcare;

• Zona de cupru PCB;

• evaluările de temperatură ale componentelor;

• temperatura bateriei;

• material de incintă;

• fluxul de aer sau conducerea căldurii;

• încărcarea în timpul funcționării;

• locația senzorului de temperatură;

• limitele de temperatură de încărcare.

Un circuit de încărcare care funcționează bine pe un banc deschis poate fi mai fierbinte în interiorul produsului finit. Prin urmare, validarea OEM ar trebui să fie efectuată cu încărcarea finală a bateriei, încărcătorului, carcasei, cablului și dispozitivului.

10. Decideți între un modul de încărcare și un design de încărcare OEM

Un modul de încărcare USB de la raft poate fi util în timpul prototipării timpurii, dar nu ar trebui tratat automat ca o soluție de producție.

Înainte de a utiliza un modul, confirmați:

• chimie celulară susținută;

• configurație de serie acceptată;

• capacitatea maximă a bateriei;

• interval de curent de încărcare;

• setarea tensiunii de încărcare;

• funcții de protecție;

• comportament termic;

• intervalul de tensiune de intrare;

• cerințele pentru conector și cablu;

• documentatia de productie;

• disponibilitatea componentelor.

Un design OEM personalizat poate fi mai potrivit atunci când produsul necesită:

• o interfață USB-C specială;

• un acumulator cu mai multe celule;

• încărcarea în timpul funcționării;

• curent de încărcare mare;

• o carcasă compactă;

• comunicare BMS personalizată;

• monitorizarea temperaturii;

• un conector fix și cablu;

• trasabilitatea producției;

• controlul componentelor pe termen lung.

Bateria, încărcătorul și sistemul de protecție ar trebui să fie aprobate ca un singur sistem și nu ca componente neînrudite.

11. Validați sistemul complet de baterii alimentat prin USB

Un design 18650 alimentat prin USB ar trebui testat cu configurația finală.

Validare electrică

Verifica:

• tensiune de intrare USB;

• limita curentului de intrare;

• tensiune de încărcare;

• curent de încărcare pe partea bateriei;

• terminarea taxei;

• polaritatea pachetului;

• căderea de tensiune;

• curent de așteptare;

• încărcarea dispozitivului în timpul încărcării;

• comportamentul de repornire după reconectarea USB.

Validarea protecției

Verificați funcțiile aplicabile:

• protecție la supraîncărcare;

• protecție la supradescărcare;

• protecție la supracurent;

• protectie la scurtcircuit;

• protectie la supratemperatura;

• protecție la încărcare sub temperatură;

• răspunsul la dezechilibru celular;

• comportamentul de comunicare.

Testele de protecție trebuie efectuate de personal calificat, utilizând o procedură de testare aprobată și controale de siguranță adecvate. Nu executați manual scurtcircuitarea, perforarea, deschiderea sau recuperarea forțată a unei baterii cu litiu.

Validare termică

Măsură:

• temperatura celulei;

• temperatura IC de încărcare;

• temperatura BMS;

• temperatura conectorului USB;

• temperatura cablu-terminal;

• temperatura suprafeței incintei;

• temperatura în timpul încărcării și funcționării simultane.

Validare la nivel de dispozitiv

Testați bateria din interiorul produsului finit în timpul:

• funcționare normală;

• funcționare la sarcină maximă;

• lansare;

• închidere;

• așteptare;

• conexiune și deconectare USB repetată;

• încărcarea în timpul funcționării;

• condiții realiste de temperatură ambientală.

Un test pe banc poate trece în timp ce dispozitivul finit înregistrează încă scăderea tensiunii, acumularea termică, tensiunea conectorului sau oprirea neașteptată.

12. Greșeli obișnuite de încărcare USB 18650

Conectarea unui cablu USB direct la o celulă goală

Un cablu USB oferă energie, dar nu reglează procesul de încărcare al celulei.

Tratarea unui încărcător de telefon ca pe un încărcător universal de baterie

Un adaptor de telefon poate alimenta un circuit de încărcare compatibil, dar nu este potrivit automat pentru conectarea directă la o celulă 18650.

Utilizarea unui modul cu o singură celulă pentru un pachet de serie

Un încărcător 1S nu este potrivit pentru un pachet de baterii de serie 2S, 3S sau mai mare decât dacă arhitectura completă este proiectată special pentru acea configurație.

Presupunând că USB-C PD este încărcătorul de baterie

USB-C PD poate negocia un profil de putere de intrare, dar nu realizează singur controlul necesar de încărcare a bateriei.

Presupunând că un BMS înlocuiește încărcătorul

Un BMS poate oferi monitorizare și protecție, dar nu oferă neapărat profilul complet de încărcare cerut de baterie.

Selectarea unui încărcător numai după forma bateriei

Formatul 18650 nu identifică chimia celulei, tensiunea de încărcare sau curentul de încărcare recomandat.

Ignorarea funcționării simultane a dispozitivului

Sursa USB trebuie să accepte atât încărcarea dispozitivului, cât și cererea de încărcare a bateriei atunci când produsul funcționează în timpul încărcării.

Aprobarea unui modul fără testarea carcasei

Comportamentul termic, tensiunea conectorului și traseul cablurilor se pot schimba semnificativ după ce sistemul de încărcare este instalat în produsul final.

FAQ

Pot conecta un cablu USB direct la o baterie 18650?

Nu. Un cablu sau un adaptor USB nu trebuie conectat direct la o celulă 18650 goală. Bateria necesită un circuit de încărcare compatibil cu litiu-ion care controlează tensiunea de încărcare, curentul și terminarea.

O sursă USB de 5 V poate încărca o celulă 18650 de 4,2 V?

O sursă USB de 5 V poate alimenta un circuit de încărcare cu o singură celulă adecvat, dar nu trebuie conectat direct la celulă. Circuitul de încărcare trebuie să regleze intrarea și să ofere profilul de încărcare corect pe partea bateriei.

USB-C PD poate încărca o baterie 18650?

USB-C PD poate furniza putere de intrare unei arhitecturi compatibile de încărcare a bateriei. Nu înlocuiește IC-ul de încărcare, convertorul DC-DC sau BMS cerut de configurația bateriei.

Un modul USB poate încărca un acumulator 2S sau 3S 18650?

Doar dacă modulul și sistemul complet de încărcare sunt proiectate special pentru configurația de serie respectivă. Un modul de încărcare cu o singură celulă nu trebuie utilizat pentru un pachet de serie cu mai multe celule.

O baterie 18650 protejată are nevoie de un circuit de încărcare USB?

Da. Protecția încorporată într-o celulă nu elimină necesitatea unui încărcător compatibil. Sistemul de încărcare trebuie să se potrivească în continuare cu cerințele chimice ale celulei, tensiune și curent.

Pot folosi un încărcător de telefon cu o baterie 18650?

Un încărcător de telefon poate fi utilizat ca sursă de intrare pentru un circuit de încărcare compatibil. Nu trebuie conectat direct la o celulă 18650 sau folosit ca înlocuitor pentru un încărcător de baterie litiu-ion.

Este un modul de încărcare USB de la raft potrivit pentru producția OEM?

Poate fi potrivit pentru prototipuri timpurii după ce specificațiile sale sunt verificate. Pentru producție, modulul trebuie validat cu celula finală, BMS, carcasă, conector, încărcarea dispozitivului și condițiile de încărcare.

Ce informații ar trebui să furnizeze un OEM când solicită o soluție de baterie 18650 alimentată prin USB?

Furnizați:

• chimia celulară;

• configurație în serie și paralelă;

• tensiune nominală;

• capacitate;

• tinta timpului de incarcare;

• tip de intrare USB;

• curent de încărcare;

• curent normal și de vârf al dispozitivului;

• cerința de încărcare în timpul funcționării;

• constrângeri de conector și carcasă;

• temperatura de functionare;

• BMS sau cerințe de comunicare.

Concluzie

USB poate fi folosit pentru a încărca o baterie 18650, dar portul USB este doar începutul arhitecturii de încărcare.

Un sistem fiabil trebuie să se potrivească cu chimia bateriei, configurația celulei, tensiunea de încărcare, curentul, sistemul de protecție, interfața USB, designul termic și încărcarea dispozitivului. USB-C și USB-C PD pot îmbunătăți flexibilitatea de intrare, dar nu înlocuiesc IC-ul de încărcare sau BMS-ul necesar acumulatorului.

Pentru aplicațiile OEM, bateria completă, circuitul de încărcare, sistemul de protecție, conectorul și carcasa ar trebui validate împreună. Această abordare ajută la prevenirea pericolelor legate de conexiunea directă, instabilitatea încărcării, supraîncălzirea și incompatibilitatea dintre proba aprobată și dispozitivul final de producție.

Aveți nevoie de o soluție de baterie 18650 alimentată prin USB pentru un dispozitiv OEM? Contactați ZENE pentru design personalizat al pachetului de baterii cu litiu și suport pentru sistemul de încărcare.