Зарядка 18650 от USB: как выбрать безопасную схему зарядки

Можно ли заряжать аккумуляторы 18650 через USB?

Ответ — да, но только тогда, когда USB используется в качестве входного источника питания для подходящей литий-ионной схемы зарядки. USB-кабель, телефонный адаптер или порт USB-C не обеспечивают автоматически управляемый профиль зарядки, необходимый для элемента 18650.

Для аккумулятора 18650 требуются условия зарядки, соответствующие его химическому составу, диапазону напряжения, потреблению тока и архитектуре защиты. Система зарядки может включать в себя USB-вход, зарядную микросхему, ступень преобразования мощности, PCM или BMS, датчик температуры, разъем и аккумуляторный блок.

Для потребителей главный вопрос заключается в том, совместим ли тот или иной USB-модуль зарядки с аккумулятором. Для OEM-инженеров более важный вопрос заключается в том, останется ли полная архитектура зарядки с питанием от USB безопасной, стабильной и воспроизводимой внутри готового устройства.

Основные принципы зарядки литий-ионных аккумуляторов описаны в безопасный процесс зарядки аккумулятора 18650 . В этой статье основное внимание уделяется системным решениям, лежащим в основе зарядки 18650 с питанием от USB.

Быстрый ответ: можете ли вы заряжать аккумуляторы 18650 через USB?

Да, но USB должен обеспечивать совместимую цепь зарядки, а не подключаться напрямую к аккумулятору.

Правильная система зарядки 18650 с питанием от USB должна:

• используйте USB в качестве источника входного питания;

• регулировать зарядный ток и напряжение;

• сопоставить количество ячеек в серии;

• поддерживать правильный химический состав литий-ионных аккумуляторов;

• включать подходящие функции защиты или управления батареями;

• контролировать температуру зарядки;

• обеспечить корректное прекращение заряда;

• используйте совместимые разъемы, кабели и конструкцию корпуса.

Не подключайте голый элемент 18650 напрямую к:

• USB-кабель;

• зарядное устройство для телефона;

• адаптер питания USB-C;

• USB-порт компьютера;

• ненастроенный блок питания;

• универсальный аккумуляторный модуль с неизвестными характеристиками.

Практическая разница проста:

USB может быть частью безопасной системы зарядки 18650, но сам по себе USB не является зарядным устройством.

Основная часть

1. Понимание архитектуры зарядки с питанием от USB

Типичная система 18650 с питанием от USB имеет следующую структуру:

Источник питания USB ↓ Защита входа и управление питанием ↓ Микросхема литий-ионной зарядки ↓ PCM или BMS ↓ Элемент или аккумулятор 18650

Точное расположение зависит от того, является ли аккумулятор:

• одна стандартная ячейка 18650;

• несколько ячеек, соединенных параллельно;

• пакет серии с несколькими ячейками;

• съемный аккумулятор;

• встроенный аккумулятор OEM;

• умный аккумулятор с функциями связи.

Компактное потребительское устройство может сочетать в себе разъем USB, микросхему зарядки и схему защиты на одной печатной плате. Для OEM-аккумулятора большего размера может использоваться отдельная плата зарядного устройства, система управления аккумулятором и специальный разъем.

Цепь зарядки должна оцениваться как часть целостной системы. Модуль, работающий с одной защищенной ячейкой 18650, может оказаться непригодным для аккумуляторного блока 2S или 3S.

2. Питание от USB и зарядка аккумулятора – это разные функции.

Источник питания USB обычно обеспечивает определенное выходное напряжение и максимально доступный ток. Он не знает автоматически:

• уровень заряда аккумулятора;

• химический состав батареи;

• необходимое зарядное напряжение;

• правильный зарядный ток;

• когда зарядка должна прекратиться;

• приемлема ли температура ячейки;

• находится ли аккумулятор в ненормальном состоянии.

За контроль этих условий отвечает литий-ионная зарядная микросхема. В зависимости от схемы он может управлять:

• предзарядка глубоко разряженного элемента;

• зарядка постоянным током;

• зарядка постоянным напряжением;

• регулирование зарядного тока;

• прекращение заряда;

• терморегуляция;

• ограничение входного тока;

• индикация состояния зарядки.

Таким образом, USB-адаптер является восходящим источником питания. Схема зарядки — это устройство, которое преобразует этот входной сигнал в управляемый процесс зарядки аккумулятора.

Это различие особенно важно при использовании зарядного устройства для телефона. Зарядное устройство для телефона может обеспечивать питание совместимой схемы зарядки, но его не следует рассматривать как универсальное зарядное устройство для элемента 18650.

3. Сопоставьте схему с конфигурацией батареи 18650.

Первый вопрос в области электротехники заключается не в том, имеет ли батарея маркировку «18650». А в том, как устроены элементы.

Одноэлементная батарея 1S

Один элемент 18650 или параллельная группа, предназначенная для работы как одна последовательная группа, могут использовать одноэлементную литий-ионную схему зарядки.

Схема должна по-прежнему соответствовать:

• клеточная химия;

• максимальное зарядное напряжение элемента;

• необходимый зарядный ток;

• емкость параллельной ячейки;

• устройство защиты;

• эксплуатационная нагрузка устройства.

Схема зарядки одной ячейки не подходит автоматически для каждой ячейки 18650.

Пакет серии Multi-cell

Для блока 2S, 3S или большего размера требуется архитектура зарядки, рассчитанная на количество ячеек, соединенных последовательно.

Система может потребовать:

• многоячеечное зарядное устройство;

• БМС;

• контроль напряжения ячейки;

• балансировка;

• подходящий каскад преобразования входного напряжения;

• зарядное устройство, совместимое с общим напряжением аккумулятора.

Зарядный USB-модуль с одной ячейкой не следует использовать для зарядки серии с несколькими ячейками.

Для аккумуляторной батареи OEM необходимо подтвердить конфигурацию элемента перед выбором зарядного устройства, BMS, разъема или входа USB. Доступные Решения для литиевых батарей 18650 можно оценить в зависимости от напряжения, емкости и требований к упаковке устройства.

4. Проверьте химический состав батареи и напряжение заряда.

Формат 18650 описывает физическую форму цилиндрической ячейки. Он сам по себе не определяет химический состав или напряжение зарядки.

Во многих элементах 18650 используются традиционные литий-ионные элементы, и их номинальное напряжение обычно составляет около 3,6 В или 3,7 В. Их максимальное зарядное напряжение часто составляет около 4,2 В на элемент, но фактическое значение должно быть подтверждено из утвержденной таблицы данных элемента.

В других цилиндрических элементах может использоваться другой химический состав, например фосфат лития-железа. Эти элементы требуют разных условий зарядки.

Прежде чем утвердить схему зарядки с питанием от USB, проверьте:

• клеточная химия;

• номинальное напряжение;

• максимальное зарядное напряжение;

• минимальное разрядное напряжение;

• рекомендуемый зарядный ток;

• допустимая температура зарядки;

• условия хранения и эксплуатации.

Никогда не следует выбирать зарядное устройство только потому, что физический размер батареи одинаков. Для двух ячеек с одинаковыми размерами 18650 могут потребоваться разные параметры зарядки.

5. Сопоставьте зарядный ток с аккумулятором и USB-входом.

Зарядный ток влияет на время зарядки, температуру, старение аккумулятора и энергопотребление системы.

Правильный зарядный ток зависит от:

• емкость ячейки;

• спецификации производителя ячеек;

• желаемое время зарядки;

• термические условия;

• возможность USB-входа;

• лимиты зарядки IC;

• нагрузка устройства во время зарядки;

• конфигурация аккумуляторной батареи.

Для параллельной группы батарей может потребоваться оценка зарядного тока в сравнении с общей емкостью и рекомендованным производителем током для всей группы.

Ток на стороне USB не обязательно равен току зарядки на стороне аккумулятора. При использовании преобразования напряжения входной ток зависит от эффективности и рабочего напряжения.

Базовая оценка мощности:

Входная мощность ≈ Мощность зарядки аккумулятора ÷ Эффективность преобразования.

Или:

Вывод ≈ (Vbattery × Icharge) ÷ η.

Где:

• Pinput — приблизительная входная мощность;

• Vbattery — напряжение зарядки аккумулятора;

• Icharge – ток зарядки аккумулятора;

• η — эффективность преобразования.

Если устройство работает во время зарядки, источник USB также должен обеспечивать нагрузку устройства:

Общая входная мощность ≈ Мощность зарядки + Рабочая мощность устройства + Потери преобразования.

Наличие адаптера, на котором указан высокий выходной ток USB, не означает, что аккумулятор следует заряжать таким током. Спецификация зарядной микросхемы и элемента определяет соответствующий ток на стороне батареи.

6. Поймите, что на самом деле обеспечивают USB-C и USB-C PD

USB-C — это стандарт разъема и интерфейса. USB-C Power Delivery также может согласовывать различные профили мощности между совместимым источником и приемником.

Ни USB-C, ни USB-C PD не заменяют литий-ионную схему зарядки.

Для конструкции зарядки USB-C может потребоваться:

• защита порта USB-C;

• конфигурация властных ролей;

• согласование контроллера-приемника или PD, где это применимо;

• защита от входного перенапряжения;

• контроль входного тока;

• литий-ионная зарядная микросхема;

• подходящий каскад преобразования постоянного тока в постоянный;

• Интеграция BMS или PCM;

• тепловой мониторинг.

Источник USB-C PD может обеспечить более высокое напряжение после успешного согласования. Это более высокое напряжение должно быть подано на совместимый каскад преобразования энергии или зарядки. Его не следует применять непосредственно к элементу 18650.

Для простого одноячеечного устройства регулируемый вход USB может питать одноячеечную микросхему зарядки. Для более крупного аккумуляторного блока USB-C PD можно использовать в качестве источника питания для более сложного зарядного устройства, но зарядное устройство все равно должно быть спроектировано для серийной конфигурации аккумулятора.

Правильный принцип проектирования:

USB-C определяет, как питание поступает на продукт. Схема зарядки определяет способ зарядки аккумулятора.

7. Выберите подходящий PCM или BMS.

Микросхема зарядки и система защиты или управления выполняют разные функции.

PCM может обеспечивать базовую защиту, такую ​​как:

• защита от перезаряда;

• защита от переразряда;

• защита от перегрузки по току;

• защита от короткого замыкания.

Более продвинутая BMS может дополнительно поддерживать:

• контроль напряжения ячейки;

• балансировка;

• измерение температуры;

• измерение тока;

• оценка состояния;

• связь с хост-устройством;

• контроль зарядки и разрядки.

BMS не заменяет автоматически совместимое литий-ионное зарядное устройство. Она может отключить батарею при возникновении ненормальной ситуации, но система зарядки все равно должна обеспечивать правильный профиль тока и напряжения.

Система защиты должна быть указана вместе с:

• количество клеток;

• последовательная и параллельная конфигурация;

• постоянный ток;

• пиковый ток;

• зарядный ток;

• требования к датчикам температуры;

• распиновка разъема;

• требования к общению.

Различия между базовой защитой и расширенным управлением описаны в разделе Выбор PCM и BMS для литиевых аккумуляторов.

Для защищенных и незащищенных аккумуляторов 18650 метод зарядки должен быть совместим с конструкцией аккумулятора и упаковки. Защищенный элемент не гарантирует безопасность неподходящего USB-соединения.

8. Проверьте USB-порт, кабель и конструкцию разъема.

Батарея с питанием от USB также представляет собой механическую проблему и проблему проектирования интерфейса.

Продуктовая команда должна определить:

• Тип USB-разъема;

• требуемая входная мощность;

• тип кабеля;

• длина кабеля;

• удержание разъема;

• расположение порта;

• защита от проникновения;

• защита от обратной полярности или неправильного подключения;

• разделение интерфейса зарядки и разрядки;

• снятие напряжения;

• доступ к сервису.

Кабель и разъем могут повлиять на падение напряжения, повышение температуры и долгосрочную надежность. Небольшой разъем может электрически подходить для прототипа, но механически непригоден для повторного использования в производстве.

USB-порт также следует проверить на корпусе:

• Достаточно ли зазора вокруг разъема?

• Может ли кабель сгибаться, не нагружая печатную плату?

• Не подвергается ли порт воздействию влаги или пыли?

• Может ли пользователь неправильно вставить разъем?

• Мешает ли кабель аккумулятору?

• Расположен ли порт рядом с тепловыделяющими компонентами?

Эти вопросы важны, когда USB-разъем установлен непосредственно на специальном аккумуляторном блоке или внутри компактного устройства.

9. Учитывайте тепловой расчет во время зарядки через USB

Зарядка создает тепло в аккумуляторе, зарядной микросхеме, компонентах преобразования энергии, разъеме и кабеле.

Температура может повышаться из-за:

• высокий зарядный ток;

• конверсионные потери;

• одновременная работа устройства;

• плохой отвод тепла;

• ограниченное пространство вольера;

• близлежащие тепловыделяющие компоненты;

• высокая температура окружающей среды;

• старые или высокорезистентные клетки.

Тепловой расчет должен учитывать:

• зарядный ток;

• Медная область печатной платы;

• температурные значения компонентов;

• температура батареи;

• материал корпуса;

• воздушный поток или теплопроводность;

• зарядка во время работы;

• расположение датчика температуры;

• пределы температуры зарядки.

Схема зарядки, которая хорошо работает на открытом столе, может нагреваться сильнее внутри готового изделия. Поэтому валидацию OEM следует проводить для окончательной нагрузки аккумулятора, зарядного устройства, корпуса, кабеля и устройства.

10. Сделайте выбор между зарядным модулем и OEM-конструкцией зарядки.

Готовый USB-модуль для зарядки может быть полезен на ранних стадиях прототипирования, но его не следует автоматически рассматривать как производственное решение.

Перед использованием модуля подтвердите:

• поддерживаемая клеточная химия;

• поддерживаемая конфигурация серии;

• максимальная емкость аккумулятора;

• диапазон зарядного тока;

• установка напряжения заряда;

• функции защиты;

• термическое поведение;

• диапазон входного напряжения;

• требования к разъемам и кабелям;

• производственная документация;

• доступность компонентов.

Индивидуальный OEM-дизайн может быть более подходящим, если продукт требует:

• специальный интерфейс USB-C;

• многоячеечный аккумуляторный блок;

• зарядка во время работы;

• высокий зарядный ток;

• компактный корпус;

• пользовательская связь BMS;

• мониторинг температуры;

• фиксированный разъем и кабель;

• отслеживаемость производства;

• долгосрочный контроль компонентов.

Аккумулятор, зарядное устройство и система защиты должны быть одобрены как одна система, а не как несвязанные компоненты.

11. Проверка всей аккумуляторной системы с питанием от USB

Конструкция 18650 с питанием от USB должна быть протестирована в готовой конфигурации.

Электрическая проверка

Проверять:

• Входное напряжение USB;

• ограничение входного тока;

• зарядное напряжение;

• зарядный ток на стороне аккумулятора;

• прекращение заряда;

• полярность упаковки;

• падение напряжения;

• ток ожидания;

• нагрузка устройства во время зарядки;

• поведение перезапуска после переподключения USB.

Проверка защиты

Проверьте применимые функции:

• защита от перезаряда;

• защита от переразряда;

• защита от перегрузки по току;

• защита от короткого замыкания;

• защита от перегрева;

• защита от перегрева при зарядке;

• реакция клеточного дисбаланса;

• коммуникативное поведение.

Испытания защиты должны выполняться квалифицированным персоналом с использованием утвержденной процедуры испытаний и соответствующих мер безопасности. Не выполняйте ручное замыкание, прокалывание, открытие или принудительное восстановление литиевой батареи.

Термическая проверка

Мера:

• температура ячейки;

• температура зарядки IC;

• температура БМС;

• температура USB-разъема;

• температура кабельного наконечника;

• температура поверхности корпуса;

• температура во время одновременной зарядки и работы.

Проверка на уровне устройства

Проверьте батарею внутри готового изделия во время:

• нормальная работа;

• работа с максимальной нагрузкой;

• запускать;

• неисправность;

• поддерживать;

• неоднократное подключение и отключение USB;

• зарядка во время работы;

• реалистичные температурные условия окружающей среды.

Стендовые испытания могут пройти успешно, хотя готовое устройство все еще испытывает падение напряжения, накопление тепла, перенапряжение разъема или неожиданное отключение.

12. Распространенные ошибки при зарядке USB 18650

Подключение USB-кабеля непосредственно к голому элементу

USB-кабель обеспечивает питание, но не регулирует процесс зарядки аккумулятора.

Относитесь к зарядному устройству для телефона как к универсальному зарядному устройству.

Телефонный адаптер может питать совместимую схему зарядки, но он не подходит автоматически для прямого подключения к элементу 18650.

Использование одноячеечного модуля для серийного пакета

Зарядное устройство 1S не подходит для аккумуляторных блоков серий 2S, 3S или более крупных, если вся архитектура не разработана специально для этой конфигурации.

Предполагая, что USB-C PD является зарядным устройством.

USB-C PD может согласовывать профиль входной мощности, но сам по себе не выполняет необходимое управление зарядкой аккумулятора.

Предполагая, что BMS заменяет зарядное устройство

BMS может обеспечивать мониторинг и защиту, но не обязательно обеспечивает полный профиль зарядки, необходимый для аккумулятора.

Выбор зарядного устройства только по форме аккумулятора

Формат 18650 не определяет химический состав элемента, зарядное напряжение или рекомендуемый зарядный ток.

Игнорирование одновременной работы устройств

Источник USB должен поддерживать как нагрузку устройства, так и потребность в зарядке аккумулятора, когда продукт работает во время зарядки.

Утверждение модуля без тестирования корпуса

Термическое поведение, нагрузка на разъем и прокладка кабеля могут существенно измениться после установки системы зарядки в конечный продукт.

Часто задаваемые вопросы

Могу ли я подключить USB-кабель напрямую к аккумулятору 18650?

Нет. USB-кабель или адаптер не следует подключать напрямую к голому элементу 18650. Для аккумулятора требуется совместимая литий-ионная схема зарядки, которая контролирует зарядное напряжение, ток и оконечную нагрузку.

Может ли источник USB с напряжением 5 В заряжать элемент 18650 с напряжением 4,2 В?

Источник USB напряжением 5 В может питать подходящую схему зарядки одного элемента, но его не следует подключать непосредственно к элементу. Схема зарядки должна регулировать входной сигнал и обеспечивать правильный профиль зарядки на стороне аккумулятора.

Может ли USB-C PD заряжать аккумулятор 18650?

USB-C PD может обеспечивать входное питание для совместимой архитектуры зарядки аккумулятора. Он не заменяет зарядную микросхему, преобразователь постоянного тока или BMS, необходимые для конфигурации аккумулятора.

Может ли один USB-модуль заряжать аккумуляторную батарею 2S или 3S 18650?

Только если модуль и полная система зарядки специально разработаны для конфигурации этой серии. Зарядный модуль с одной ячейкой не следует использовать для последовательного блока с несколькими ячейками.

Нужна ли защищенной батарее 18650 схема зарядки через USB?

Да. Защита, встроенная в аккумулятор, не устраняет необходимость в совместимом зарядном устройстве. Система зарядки по-прежнему должна соответствовать требованиям по химическому составу элементов, напряжению и току.

Можно ли использовать зарядное устройство для телефона с аккумулятором 18650?

Зарядное устройство телефона можно использовать в качестве источника входного сигнала для совместимой схемы зарядки. Его не следует подключать напрямую к элементу 18650 или использовать вместо зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов.

Подходит ли готовый USB-модуль зарядки для OEM-производства?

Он может подойти для раннего прототипирования после проверки его спецификаций. Перед производством модуль должен быть проверен с учетом конечного элемента, BMS, корпуса, разъема, условий нагрузки и зарядки устройства.

Какую информацию должен предоставить OEM-производитель при запросе аккумуляторной батареи 18650 с питанием через USB?

Предоставлять:

• клеточная химия;

• последовательная и параллельная конфигурация;

• номинальное напряжение;

• емкость;

• целевое время зарядки;

• Тип USB-входа;

• зарядный ток;

• нормальный и пиковый ток устройства;

• требование зарядки во время работы;

• ограничения разъема и корпуса;

• рабочая температура;

• Требования к BMS или связи.

Заключение

USB можно использовать для зарядки аккумулятора 18650, но порт USB — это только начало архитектуры зарядки.

Надежная система должна соответствовать химическому составу батареи, конфигурации элементов, зарядному напряжению, току, системе защиты, интерфейсу USB, тепловой конструкции и нагрузке устройства. USB-C и USB-C PD могут повысить гибкость ввода, но они не заменяют зарядную микросхему или BMS, необходимые для аккумуляторного блока.

Для OEM-приложений всю батарею, схему зарядки, систему защиты, разъем и корпус следует проверять вместе. Такой подход помогает предотвратить опасности при прямом подключении, нестабильность зарядки, перегрев и несовместимость между утвержденным образцом и конечным серийным устройством.

Вам нужен аккумулятор 18650 с питанием от USB для OEM-устройства? Свяжитесь с ZERNE для получения индивидуальной конструкции литиевого аккумулятора и поддержки системы зарядки.