Bij een stroompadontwerp, ook wel load sharing genoemd, krijgt uw apparaat een eigen stroompad van de ingangsbron naar het systeem, terwijl een apart pad de batterij oplaadt. Het opladen stopt wanneer bepaalde spannings- en stroomdrempels worden bereikt.
Zonder dit concurreert een werkend apparaat met de lader om stroom. De batterij kan leeglopen, de laadtijd kan langer worden en de belastingsstroom kan de eindmeting verstoren.
Dit is van belang voor OEM's van apparatuur in de medische, robotica-, beveiligings-, infrastructuur- en industriële markten die op maat gemaakte lithiumbatterijpakketten inkopen. Afwegingen blijven toepassingsspecifiek en vereisen systeemvalidatie.
De volgende vier onderdelen komen aan bod: waarom het stroompad belangrijk is, de belangrijkste circuitcomponenten, de werking tijdens het opladen en het beëindigen van het opladen met verificatie.
Key Takeaways
Dankzij het Powerpath-ontwerp kan uw apparaat via de adapter werken terwijl de batterij apart wordt opgeladen.
Een geschikt inputbudget en een goede stroomregelaar kunnen onnodige ontlading van de batterij verminderen; in de aanvullende modus kan er echter nog steeds stroom van de batterij worden verbruikt.
De laadcyclus wordt nauwkeurig beëindigd omdat de lader alleen de stroomsterkte van de accu meet.
Het opstarten zonder batterij of met een lege accu is afhankelijk van de controller, het beschikbare budget en het belastingprofiel en moet worden getest.
Controleer het ontwerp altijd eerst op de werkbank met de werkelijke afmetingen voordat u het goedkeurt.
Deel 1: Waarom het ontwerp van de stroomvoorziening belangrijk is voor OEM-apparaten
1.1 Het probleem met eenvoudig opladen
Een lader die "compatibel" is met je accu regelt alleen de stroom en spanning naar de accu. Het zegt niets over hoeveel stroom je apparaat tegelijkertijd verbruikt. Dat is het verschil tussen algemene compatibiliteit van laders en daadwerkelijke stroomverdeling.
Het ontwerp van het stroompad dicht de kloof. Het geeft de systeembelasting een eigen stroompad vanaf de adapter en reserveert een apart, gereguleerd pad voor de batterij. Uw apparaat haalt zijn werkstroom niet langer via de batterijaansluiting van de lader.
Neem bijvoorbeeld een draagbare medische monitor met een NMC-accu. De specificaties van de accu staan mogelijk een bepaalde laadstroom toe, maar de elektronica van het apparaat verbruikt een groot deel van de stroom van de adapter. Een eenvoudige oplader kan die twee stromen niet scheiden. Een stroomcircuit kan dat wel.
1.2 Conflicten tussen batterijverbruik en laadtijd
Zonder stroomverdeling concurreren een werkend apparaat en de oplader om dezelfde stroom. Wanneer de belasting de capaciteit van de adapter overschrijdt, vult de batterij het verschil aan. De batterij ontlaadt terwijl het apparaat is aangesloten en het opladen duurt langer.
Herhaaldelijk bijladen van de batterij kan de energiedoorvoer en de warmteontwikkeling beïnvloeden. Beoordeel de werkelijke gebruiksduur in plaats van elke gedeeltelijke gebeurtenis als een volledige cyclus te beschouwen.
Chemische chemie speelt hier een belangrijke rol. LiFePO4-, LCO- en LMO-accu's reageren elk anders op gedeeltelijke laad- en ontlaadcycli, en de beoordelingen op celniveau verschillen van die op accupakketniveau. Controleer het gedrag aan de hand van de daadwerkelijke specificaties van uw accu en de omstandigheden van uw systeem voordat u een definitieve keuze maakt.
Deel 2: Belangrijkste onderdelen van een stroomcircuit
2.1 Ideale diode en ingangs-FET's
Een ideale diode bevindt zich bij de ingang van de adapter. Deze gedraagt zich als een vrijwel verliesvrije schakelaar in plaats van een echte diode. Zolang de adapter is aangesloten, laat de diode stroom door naar het systeem. Wanneer de adapter wordt losgekoppeld, blokkeert de diode de terugstroom, zodat de batterij de ingang niet opnieuw van stroom voorziet.
Ingangs-FET's vervullen dezelfde functie bij hogere stromen. Hun plaatsing bepaalt het hele ontwerp. Laagspannings-FET's bevinden zich in het massapad van de batterij en vereenvoudigen het circuit, maar ze verliezen de massa-referentie tijdens beveiligingsincidenten. Hoogspannings-FET's bevinden zich in het positieve pad en zorgen ervoor dat de batterij en het systeem gemeenschappelijk geaard blijven, wat de meeste ontwerpers omwille van de veiligheid verkiezen.
Onderscheid het stroompadbeheer van de lader van de beveiliging van het accupakket met gemeenschappelijke of aparte poorten. Selecteer de schakelconfiguratie op basis van de circuitvereisten en valideer het gedrag met betrekking tot het blokkeren van omgekeerde stroom, inschakelstroom en storingen.
2.2 Laadregelaar en systeembelastingspad
De laadregelaar regelt de stroom en spanning naar de batterij. Het systeemcircuit gebruikt de adapter rechtstreeks. Samen vormen ze een tussenliggend knooppunt, vaak het derde knooppunt genoemd, tussen de ingang, de batterij en het systeem. Dit knooppunt maakt direct opstarten mogelijk. Uw apparaat start op vanaf de adapter, zelfs als de batterij bijna leeg is of helemaal niet meer werkt.
Het batterijbeheersysteem bewaakt het accupakket achter dit knooppunt. Een analoge front-end detecteert celsignalen en geeft fouten aan. Een brandstofmeter schat de laadstatus en de conditie van de accu in. Een microcontroller voert diagnostiek en communicatie uit, en een secundaire beveiliging zorgt voor extra veiligheid. Celbalancering helpt bij het beheersen van onbalans tussen serie- en groeperingen, indien geïmplementeerd. U kunt meer lezen over deze functies op de website. BMS- en PCM-paginaEen goed ontwerp van het energiepad koppelt de controller aan een BMS dat nauwkeurige celgegevens rapporteert.
Deel 3: Hoe het ontwerp van het energiepad werkt tijdens de werking
3.1 Het systeem van stroom voorzien vanuit de ingangsbron
De adapter voert eerst de stroom van uw systeem af. Dankzij het Power-Path Design wordt de ingangsstroom rechtstreeks naar de elektronica van het apparaat geleid, en de batterij bevindt zich op een aparte aftakking. Uw apparaat werkt dus op netstroom, niet op de batterij.
Het inputbudget bepaalt de bovengrens. Stel dat een adapter een vaste stroom levert en uw printplaat het grootste deel daarvan op het piekmoment verbruikt. Alleen het resterende deel kan naar de batterij stromen. Bepaal de grootte van de adapter op basis van de som van de maximale belasting en de beoogde laadstroom, en bevestig de verdeling vervolgens op de testbank. Deze cijfers zijn slechts ter illustratie. Uw werkelijke budget is afhankelijk van de datasheet van de adapter, de datasheet van de batterijcel en de systeemvalidatie.
Controleer de geselecteerde vermogensreductiecurves van de voeding en lader, de temperatuur in de behuizing en de werkelijke koelomstandigheden. Er bestaat geen universeel omgevingsreductiepunt, luchtstroomvereiste of convectiereductiepercentage.
De omschakeling zorgt ervoor dat het apparaat blijft werken wanneer de adapter uitvalt. Medische apparaten zoals infuuspompen en beademingsapparaten zijn afhankelijk van deze werking. Houd bij de begroting rekening met de batterijveiligheid volgens IEC 62133 en met de veroudering van de batterijcellen, niet alleen met het omschakelcircuit.
Definieer de toegestane spanningsdaling en onderbrekingen op basis van de daadwerkelijke vereisten van de host. Test het verwijderen en opnieuw aansluiten van de adapter, de belastingstappen en de beveiligingsovergangen; de applicatienaam alleen bepaalt niet de tolerantie voor onderbrekingen.
3.2 De batterij parallel opladen
De laadregelaar regelt de stroomtoevoer naar de accu terwijl het systeem draait. Hij handhaaft een gereguleerde stroomtoevoer naar het accupakket, die vervolgens afneemt naarmate het accupakket zijn spanningslimiet nadert. Tijdens normaal gebruik met de adapter is de systeemstroomtoevoer gescheiden van het laadcircuit van de accu. Controleer de aanvullende stroomtoevoer en andere modi afzonderlijk.
Die onafhankelijkheid is het punt. Een eenvoudige lader meet één stroom die de belasting en de lading combineert. Een lader met een aparte stroomkring meet alleen de laadstroom. Die scheiding maakt een nauwkeurige beëindiging mogelijk, waarover deel 4 gaat.
Deel 4: Hoe de beëindiging van een abonnement wordt afgehandeld
4.1 Spannings- en stroomdrempels
Een lithium-ion-lader werkt in twee fasen. In de constante-stroomfase levert de lader een vaste stroom aan het accupakket. Wanneer het accupakket zijn maximale spanning bereikt, schakelt de lader over op constante spanning en houdt dit niveau aan. De laadstroom neemt vervolgens af naarmate de cellen zich verder opladen.
Bij veel CC/CV-laderimplementaties zijn voor het beëindigen van de laadcyclus de accuspanning en laadstroomcondities vereist, die worden bepaald door controllerspecifieke timers, bedrijfsmodi en temperatuurlogica. Gebruik de documentatie van de gekozen controller en accu, en niet een universeel percentage van de nominale stroomsterkte.
De spanningslimieten zijn afhankelijk van de chemische samenstelling en de specificaties van de cel. Beschouw deze waarden als typische waarden en vergelijk ze met de gegevens in het specificatieblad van uw cel.
Bepaal de maximale laadcapaciteit van het accupakket aan de hand van de goedgekeurde celspecificaties, het aantal cellen in serie, de toleranties en de beveiligingsinstellingen. Controleer of geen enkele cel de toegestane waarden overschrijdt.
Specificeer de laadspanning, stroomsterkte, beëindigingscriteria, herstartvoorwaarden en temperatuurlimieten. Een lagere beëindigingsstroomsterkte is niet automatisch beter; valideer de laadtijd, thermische belasting en celvereisten.
4.2 Timers, veiligheidscontroles en verificatie
Stroom alleen mag het laadproces niet beëindigen. Voeg een veiligheidstimer toe die de cyclus na een bepaalde tijd stopt, zelfs als ITERM nooit wordt geactiveerd. Voeg een temperatuurcontrole toe aan het accupakket en pauzeer het laden buiten het tijdsbestek dat in de datasheet van de accu is toegestaan. Let op accupakketten die hun spanningslimiet nooit bereiken en markeer deze als defect.
Stel een lijst met eisen op voordat u een ontwerp goedkeurt:
Belastingverdeling: controleer of het systeem via de adapter werkt terwijl de accu wordt opgeladen.
Budget voor de ingangsstroom van de lader: kies de adapter op basis van de maximale belasting plus de gewenste laadstroom.
Uitschakeldrempels: stel de laadspanning en ITERM in volgens de gegevens in het datasheet van de cel en controleer dit vervolgens op de testbank.
Thermische limieten: controleer de vermogensreductiecurve bij de meest ongunstige interne omgevingstemperatuur.
Voedingsomschakeling: definieer het gedrag wanneer de adapter uitvalt en test dit onder belasting.
Controleer elk onderdeel met behulp van metingen op de testbank, niet op aannames uit het specificatieblad. Registreer de laadstroom, de accuspanning en de temperatuur van de printplaat gedurende een volledige cyclus.
Voor een aangepast pakket dat is afgestemd op uw apparaat, start u een aangepast batterijproject met ons team.
Een gevalideerd stroompad scheidt de systeembelasting van de batterijstroommeting en regelt de overgangen tussen voedingsbronnen. Het vervangt geen onafhankelijke batterijbeveiliging en biedt geen garantie voor de veiligheid op apparaatniveau. Geef het ontwerp pas vrij nadat het werkelijke belastingsprofiel, het energiebudget, de temperatuurlimieten en de foutrespons zijn gecontroleerd.
FAQ
Wat is het verschil tussen load sharing en een lader die beweert compatibel te zijn met accupakketten?
Compatibiliteit geeft alleen aan dat de lader de stroom en spanning naar de accu regelt. Het zegt niets over het feit dat uw apparaat tegelijkertijd stroom verbruikt. Load sharing voegt een apart pad toe van de adapter naar het systeem, waardoor uw elektronica geen stroom meer via de accupool van de lader verbruikt.
Hoe kies ik de juiste adapter voor een apparaat dat oplaadt tijdens het gebruik?
Tel de maximale systeembelasting op bij de gewenste laadstroom en controleer de verdeling op de testbank. Controleer de vermogensreductiecurve van de voeding bij de hoogste interne omgevingstemperatuur, niet bij kamertemperatuur. Bij een ventilatorloos ontwerp moet de convectiestroom worden gebruikt, die doorgaans lager is dan de waarde voor geforceerde luchtkoeling.
Waarom verstoort de systeembelasting de beëindiging van het laadproces?
Een eenvoudige lader meet één stroom die zowel de belasting als de laadstroom omvat. Als uw apparaat voldoende stroom verbruikt, kan die gecombineerde stroom nooit onder de ITERM-drempelwaarde zakken, waardoor de cyclus nooit correct wordt beëindigd. Een geavanceerd ontwerp van het stroompad meet alleen de laadstroom, waardoor de beslissing om de cyclus te beëindigen nauwkeurig blijft.
Kan mijn apparaat opstarten met een bijna lege of ontbrekende accu?
Ja, als het circuit een tussenliggend knooppunt biedt tussen de ingang, de batterij en het systeem. Dat derde knooppunt zorgt ervoor dat het apparaat direct vanaf de adapter kan opstarten. Controleer het gedrag op uw eigen hardware, aangezien het direct opstarten afhankelijk is van uw controller en het belastingprofiel.
Wat moet ik controleren voordat ik een ontwerp voor een stroomvoorzieningspad goedkeur?
Registreer de laadstroom, de accuspanning en de temperatuur van de printplaat gedurende een volledige cyclus. Test de omschakeling onder belasting wanneer de adapter uitvalt. Controleer uw laadspanning en ITERM-instellingen aan de hand van de datasheet van de accu en controleer de thermische marge bij de meest ongunstige omgevingsomstandigheden. Beschouw elk resultaat als afhankelijk van uw duty cycle.
Deel 5: Primaire technische referentie
Texas Instruments legt de scheiding van systeemstroom en batterijstroom uit in zijn technisch artikel over de Power Path-laderHet component-specifieke gedrag moet nog steeds worden gecontroleerd aan de hand van het specificatieblad van de geselecteerde controller.
