Hovedprosjekt. for bachelorutdanningen. Tittel: Batterilader. Oppdragsgiver: HiA. Forfatter(e): Helge Mathisen

Transkript

1 Hovedprosjekt for bachelorutdanningen Fakultet for teknologi, Grimstad HØGSKOLEN I AGDER Tittel: Rapportnr.: HPR/E-09/05 Fagområde: Teleteknikk Antall sider: 92 Tilgjenglighet: Åpen Oppdragsgiver: HiA Forfatter(e): Helge Mathisen Dato: Veileder(e): Paul Bjørn Andersen Emneord: Batterier SMPS NiCd Resymé: Batterier brukes i dag i en rekke forskjellig utstyr, lading av batterier er derfor høyst aktuelt. I denne oppgaven konstrueres det en allsidig batterilader for 12 volts drift. Den lader de vanligste batteriene med en ladestrøm på maks 1.2A. Flere forskjellige typer oppladbare batterier beskrives forholdsvis detaljert for å lære hvordan en lader bør designes for å lade batteriene raskt og sikkert. Kretsen og programvaren er forklart i detalj. Telefon: Grooseveien 36, N-4876 Grimstad Telefax:

2 Hovedprosjektrapport Forord Denne rapporten markerer slutten på 3 års skolegang på Høgskolen i Agder, Grimstad. Den er et resultat av flere tusen forelesninger, uttallige timer gruppearbeid og egenstudie. Hovedprosjektet er det vi alle har sett frem til siden vi begynte på HiA. Det er vanskelig å finne et hovedprosjekt som passer akkurat inn i det vi har lært, ettersom vi har vært innom veldig mye forskjellig. Det er derfor nødvendig å velge ut de mest interessante områdene, og prøve å finne et hovedprosjekt blant disse. Det føler jeg er oppnådd, prosjektet er en blanding av fag som elektronikk, mikroprosessorteknikk og elektronikklab. Oppgaven ble valgt på grunnlag av interesse, så motivasjonen har det aldri vært noe i veien med. Arbeidet har gått jevnt og trutt, uten store pauser eller veldige skippertak. Ettersom dette er et soloprosjekt har enkelte lærere vært nyttige støttespillere. Derfor vil jeg takke min veileder Paul Bjørn Andersen for generell veileding og hjelp med switch mode, Odd Håberg for hjelp med alt innen elektronikk, og Torstein Wroldsen for hjelp med programmering og implementering av mikrokontrolleren i kretsen. Dette prosjektet hadde aldri blitt til uten deres hjelp! Tilslutt vil jeg takke Øystein Kristiansen for at han overtalte meg til å begynne å fly modellfly. Du vekket interessen min for batterier! I tillegg vil jeg gjerne si at jeg er veldig glad for at jeg har fått lov til å lage noe som faktisk er brukbart i praksis, ikke bare på papiret. Helge Mathisen 2

3 Hovedprosjektrapport Sammendrag Det skal lages en batterilader som kan lade de vanligste batteritypene. Den skal ha en switch mode strømforsyning og en mikrokontroller. Den skal drives av 12v. Nikkelbaserte batterier lades vanligvis med konstant strøm. Ved konstant strøm vil spenningen på batteriet falle 10-20mV per celle når batteriet er fullt. Dette spenningsfallet brukes til å identifisere fulladet batteri. Litium og blybatterier er fulladede når de når en viss cellespenning. For å detektere fulladet batteri kan man ganske enkelt måle spenningen på batteriet. en bør også måle temperaturen på batteriet, samt ha en timer for å begrense ladetiden hvis ingenting annet gjør det. Ettersom driftspenningen er 12v og spenningen ut skal være både høyere og laver enn dette, må det brukes en up/down switch mode konverter. Den integrerte smps kontrolleren LT1070 kan kobles i up/down konfigurasjon. Den har i utgangspunktet ikke variabel utgangsspenning, så det er konstruert i tillegg. Spenningen styres av mikrokontrolleren. For å måle spenningen på batteriet med en ADC må måleområdet tilpasses. Det er gjort ved hjelp av op-amper. Det er også en temperatursensor som etter tilpasning leses av ADC. Mikrokontrolleren styrer hele ladeprosessen. Den er også tilknyttet et display som viser informasjon om ladingen, samt knapper som gjør det mulig for brukeren å velge batteritype og lignende. Laderen er realisert på kretskort og testet. Den fungerer og har ladet både NiCd og NiMH. LiIon og SLA er ikke testet på grunn av dårlig tilgang på batterier. Ladetiden er ca én time. Selv om produktet fungerte så å si etter spesifikasjonene, er det rom for mange forbedringer. 3

4 Hovedprosjektrapport Innholdsfortegnelse 1. FORORD SAMMENDRAG INNHOLDSFORTEGNELSE FIGURLISTE INNLEDNING BAKGRUNN OPPGAVEN/PROBLEMFORMULERINGEN MÅL OG AVGRENSNING PROSJEKTGRUPPEN OG PROSJEKTORGANISERING ARBEIDSGANGEN I PROSJEKTET RAPPORTENS STRUKTUR SPESIFIKASJON INTRODUKSJON BRUKERKRAV FUNKSJONELL SPESIFIKASJON RAMMEKRAV LEVERINGEN BATTERIER GRUNNLEGGENDE BATTERIKUNNSKAPER OG BEGREPER BEGREPER: BATTERIETS HISTORIE HVILKE BATTERITYPER HAR VI? NIKKEL/CADMIUM-BATTERIET NIKKEL/METALLHYDRID-BATTERIET LITIUM-BATTERIET BLYBATTERIET LADING AV NIKKELBASERTE BATTERIER LADING AV LIION OG SLA SYSTEMOVERSIKT SYSTEMKRAV SYSTEMSKISSE KORT SYSTEMFORKLARING SWITCH MODE POWER SUPPLY TEMPERATURMÅLER STRØM OG SPENNINGSMÅLING KRETSKORT KOSTNADER SOFTWARE KORT FORKLARING GUIFUNC.C DISPLAY.C ADCFUNC.C WAIT.C CHARGE.C PWM.C

5 Hovedprosjektrapport MAIN.C TESTING NØYAKTIGHET LADESTRØM LADING AV NICD LADING AV NIMH LADING AV LIION OG SLA KONKLUSJON AV TESTENE FORBEDRINGER KOMPONENTER SYSTEMDESIGN KONKLUSJON REFERANSER BØKER OG ARTIKLER WEBSIDER VEDLEGG VEDLEGG 1: FLYTSKJEMA VEDLEGG 2: MATHCAD UTREGNINGER VEDLEGG 3: LT1070 UTREGNINGER VEDLEGG 4: PROGRAM KODE VEDLEGG 5: FREMDRIFTSPLAN VEDLEGG 6: KRETSSKJEMA VEDLEGG 7: FORPROSJEKTRAPPORT Figurliste FIGUR 1: DEN VOLTAISKE STABELEN [11] FIGUR 2: NIMH/NICD MEKANISK OPPBYGNING [15] FIGUR 3: BLYBATTERI FRA 1860 [16] FIGUR 4: NICD/NIMH OPPLADINGSKURVE [1] FIGUR 5: SLA OPPLADINGSKURVE [1] FIGUR 6: LIION OPPLADINGSKURVE [1] FIGUR 7: SYSTEMSKISSE FIGUR 8: STEP-DOWN SWITCH MODE POWER SUPPLY FIGUR 9: STEP-UP/DOWN SWITCH MODE POWER SUPPLY FIGUR 10: SMPS BASERT PÅ L FIGUR 11: NEGATIV TIL POSITIV UP/DOWN KONVERTER [8] FIGUR 12: LT1070 TILBAKEKOBLING FIGUR 13: 2.ORDENS AKTIVT FILTER [9] FIGUR 14: TEMPERATURMÅLER FIGUR 15: PRINSIPP FOR UTREGNING AV MOTSTANDER FIGUR 16: INNDELING AV MÅLEOMRÅDER FIGUR 17: LADING AV NICD FIGUR 18: LADING AV NIMH

6 Hovedprosjektrapport Innledning 5.1. Bakgrunn For to år siden kjøpte jeg mitt første modellfly. Flyet ble valgt på grunn av den lave prisen og den ekstremt holdbare konstruksjonen. Propellen satt bak og motoren var elektrisk, så noen harde landinger var ikke noe problem. Fordelen med elektromotor er at den alltid starter, i motsetning til små glowmotorer som vanligvis brukes i modellfly. Ulempen derimot, er batteriene. I begynnelsen brukte jeg bare den medfølgende laderen. Den hadde ladetid på fire timer og du måtte huske å slå den av, ellers ville batteriene til slutt begynne å koke fordi ladetiden ble for lang. Det var veldig varierende om det ble noe fart i batteriene, fordi ladetiden sjelden ble nøyaktig 4 timer, og fordi graden av utladingen forandret seg fra gang til gang. Senere ble det kjøpt inn en ny lader, som fungerte på både 220 og 12V (noe som gjorde det mulig å lade i bilen). Det jeg ikke fant ut før senere var at ved 12V driftspenning støttet ikke laderen mer enn seks celler, noe som skapte problem for mitt syv cellers batteri, derfor måtte ladingen fortsatt foregå hjemme. Med den nye laderen kom ladetiden ned i en drøy 1 time, men med to batterier går det likevel fort to og en halv time fra du finner ut at du vil fly, til du faktisk kan dra ut på jordet med to fulladede batteripakker. En mulig løsning var jo å lade batteriene på forhånd, slik at de alltid var klare. Dette ble fort gitt opp, ettersom batteriene fremstod som nærmest tomme etter bare et døgn på hylla. Batteriene var selvfølgelig langt i fra tomme, men flymotoren er avhengig av høyest mulig spenning for å holde turtallet på motoren oppe. Det ble altså klart for meg at batterier ikke er så enkle som de ser ut til. De krever godt stell for å yte maksimalt, men er likevel ikke evigvarende. Interessen for batterier og batterilading steg raskt, så tanken om å lage en batterilader selv var aldri ikke langt borte. Innen valg av hovedprosjekt ble aktuelt, hadde ideen om en selvkonstruert batterilader modnet såpass lenge at det var på tide å sette den ut i livet. 6

7 Hovedprosjektrapport Oppgaven/problemformuleringen Forslag til STUDENTPROSJEKT VÅREN 2005 Forslag nr: Oppdragsgiver: HiA Kontaktperson: Kontaktperson/veileder(HiA): Passer for studieretning: TELE Prosjekttittel: Utvikling av batterilader Prosjektbeskrivelse: Det skal utvikles en batterilader for batteritypene Ni-Cd, Ni-MH, Li-Ion og blyakkumulator. en skal drives av et standard 12V bilbatteri. Det skal være mulig å lade 1-10 Nickelbaserte celler i serie, 1-3 Li-Ion celler i serie og blyakkumulatorer opp til 12 V. Maks ladestrøm bør være i området 2 ampere. Laderen skal realiseres på printkort og som et ferdig produkt i egnet boks. Den skal ha et display og et enkelt brukergrensesnitt som lar brukeren velge batteritype, se ladespenning, ladestrøm m.m. Laderen skal bygges opp rundt en mikrokontroller. en skal designes primært for R/C-bruk. (Radiostyrte duppedingser) Studenter: Helge Mathisen 7

8 Hovedprosjektrapport Mål og avgrensning Målsetning Målsetningen med prosjektet er å utvikle en batterilader som tilfredsstiller kravene i oppgaveteksten. Det er et mål i seg selv at produktet skal være brukbart i praksis, ikke bare på papiret. Denne oppgaven vil ha mange elementer i seg, og det er et mål å bli kjent med hele prosessen fra idé til ferdig produkt. Batterier omgåes en daglig, og i en jobb innen elektronikk er en nesten nødt til å ha en viss kjennskap til batterier. Denne oppgaven vil sette undertegnede bedre inn i hvordan batterier fungerer og bør behandles. Avgrensninger Siden laderen primært skal rettes mot R/C markedet, vil hurtiglading bli prioritert fremfor lang levetid og 100 % batterikapasitet. Prisen på det ferdige produktet bør holdes under 1000kr. Det skal kun utvikles en prototyp for test av ladeprinsipper, det vil ikke bli fokusert på å tilfredsstille krav til CE-godkjenning og lignende. Forutsetninger Prosjektet forutsetter at skolen stiller til disposisjon et egnet arbeidsrom, tilgang til lodde/etserom, samt skaffer til veie diverse komponenter Prosjektgruppen og prosjektorganisering Prosjektgruppen består av en person, Helge Mathisen. Bakgrunnen for å ha prosjekt alene, er at jeg har planlagt en batterilader i halvannet år. Det ville derfor ikke vært riktig å blande flere personer inn i arbeidet når det meste er planlagt på forhånd. Ulempen er selvfølgelig at alt ansvaret ligger på en person, og at arbeidsmengden blir stor. En annen ulempe er at ideene kan bli veldig ensporet, så påvirkning fra flere ville utvilsomt vært en fordel Arbeidsgangen i prosjektet Arbeidet i prosjektet ble delt inn i fire hovedfaser, se vedlegg 5. Fase 1 går fra startdato, , til Denne perioden var satt av til å få strømforsyningen til å fungere. På tross av store tilbakeslag i begynnelsen, ble fristen holdt med noen få timers margin. I fase 2 skulle hele kretsen realiseres, det vil si skriving av software, kretsdesign, produksjon av printkort, montering og sluttest. Rekkefølgen på punktene i denne fasen var litt dårlig gjennomtenkt, så programvaren ble hovedsakelig skrevet etter at kretskortet var ferdig produsert. Arbeidet i denne fasen var mer tidkrevende enn antatt, så montering i boks og sluttest ble utsatt. Arbeidet ble avsluttet , i henhold til fremdriftsplanen. Fase 3 er rapportskriving og dokumentering. Sluttesten er flyttet til denne fasen, mens monteringen er utsatt til fase 4. Den siste fasen er forberedelse til presentasjon. Av naturlige grunner kan ikke denne fasen dokumenteres her, siden rapporten leveres inn ved fasens start. Montering av produktet i egnet boks må være ferdig innen presentasjonen

9 Hovedprosjektrapport Rapportens struktur Rapporten begynner med en introduksjon til batterier, og en historisk oversikt. Videre blir de mest aktuelle batteritypen beskrevet nærmere, samt lading av disse. Deretter følger en systemoversikt med en kort beskrivelse av de forskjellige delene av systemet (batteriladeren). Disse blir nærmere forklart, enkelte helt ned til komponentnivå. Videre følger det en oversikt over kostnadene til prosjektet. Deretter er det en beskrivelse av programkoden som er skrevet, etterfulgt av testresultater og forslag til forbedring. Helt til slutt er det en konklusjon, med påfølgende referanser og vedlegg. 6. Spesifikasjon 6.1. Introduksjon Det skal lages en batterilader som kan lade NiCd, NiMH, LiIon og SLA. Det skal være en hurtiglader rettet mot R/C markedet. Den skal drives av et standard 12v bilbatteri. Bakgrunn Oppladbare batterier brukes overalt, lading av disse er derfor svært aktuelt. Ved å ta utgangspunkt i en lader for R/C markedet, må det designes en allsidig og rask lader. Oversikt over systemkrav Drivspenning: Støttede batterityper: 12v dc. Ni-Cd Ni-MH Li-Ion SLA Antall seriekoblede celler: Ni-Cd 1 10 Ni-MH 1 10 Li-Ion 1 3 SLA 3 6 Maks ladestrøm: ca. 2 A Oversikt over systemomgivelse Systemet skal kunne brukes utendørs i bra vær. Definisjoner R/C: Radio Controlled. En betegnelse på radiostyrte modeller, vanligvis biler, båter, fly og helikoptre, i størrelsen under 1: Brukerkrav Systemets brukere Systemet skal brukes av folk med en viss kjennskap til batterier. De skal være i stand til å 9

10 Hovedprosjektrapport 2005 identifisere batteritypen og størrelsen. Systemets funksjoner Systemet skal kun lade opp batteriene. Operasjon av systemet Systemet skal betjenes ved hjelp av noen få knapper og informasjon på et display. Livssyklusaspekter Produktet skal ha en levetid på minimum to år ved riktig bruk Funksjonell spesifikasjon Overordnet krav til systemoperasjon Systemet skal ikke bli ustabilt eller farlig under noen omstendigheter. Normal operasjon Ved normal bruk skal batteriet lades til det er fullt, for så å avbryte ladingen og gi beskjed til brukeren om at batteriet er ferdig ladet. Feil operasjon Ved feil operasjon skal det vises en feilmelding på display Rammekrav Rammekrav for konstruksjon av programvare Programvaren skal i sin helhet lastes inn i mikrokontrolleren. Programvaren skal skrives i C. Rammekrav for konstruksjon av maskinvare Produktet skal monteres i en apparatboks av fornuftig størrelse Leveringen Den ferdige batteriladeren skal leveres klar til bruk. 10

11 Hovedprosjektrapport Batterier Før en kan begynne å prate om lading av batterier, er det nødvendig å vite litt om batterier Grunnleggende batterikunnskaper og begreper Ordet batteri betegner egentlig flere celler koblet sammen til et batteri, men i dag brukes ordet like gjerne om enkeltceller. Et batteri er et lager av kjemisk energi som omdannes til elektrisk energi ved bruk. Ved opplading omdannes elektrisk energi til kjemisk energi i cellen. Et batteri har alltid to poler, en positiv og en negativ pol. Når en krets sluttes mellom polene går det en elektronstrøm fra den negative polen til den positive. Per definisjon går strømmen fra pluss til minus, fordi det er retningen en positivt ladet partikkel ville beveget seg. Polene i et batteri er dekket av, eller laget av to forskjellige metaller eller legeringer. Disse metallene eller legeringene kalles aktivt materiale og inngår i den kjemiske prosessen i batteriet. Elektrolytten forbinder elektrodene kjemisk. Polene må ha forskjellig elektrisk potensial for å produsere en strøm, derfor har de forskjellige batteritypene forskjellig cellespenning. Hvis vi ser på grunnstoffenes elektriske egenskaper ser vi at litium har et større elektrisk potensial enn for eksempel nikkel. Det stemmer bra med cellespenningen til litiumbaserte og nikkelbaserte batterier, i og med at litium har en cellespenning på ca. 3.7v og nikkel 1.2v. For å lade et batteri må det påtrykkes en høyere spenning enn batteriet selv. Ladingen må avsluttes når batteriet er fullt, ellers vil temperaturen og trykket i batteriet øke til batteriet ødelegges. De forskjellige batteritypene har forskjellige måter å avgjøre når batteriet er fullt Begreper: Anode: Den elektroden som oksiderer, det vil si avgir elektroner. Ved utlading er det den negative elektroden, ved opplading den positive. Ah: Ampere timer (hours). 10 Ah vil si at du kan trekke 10 ampere i én time, eller 20 ampere i en halv time før batteriet er tomt. På mindre batterier brukes ofte mah (milliamperehours). C: C er en betegnelse på opp/utladingsstrøm i forhold til kapasiteten. 1C på et 600mAh batteri vil si 600mA. 0.5C blir da 300mA på samme batteriet. Effektivitet: Hvor mange Ah som må tilføres for lade opp et batteri i forhold til kapasiteten. Elektrolytt: Et medium i batteriet som ionene kan bevege seg i, mellom elektrodene. For eksempel svovelsyre eller kaliumhydroksid. Energitetthet: Energi per volumenhet eller masseenhet. watt timer/liter (Wh/l) eller watt timer / kg (Wh/kg). Kapasitet: Måles i Ah eller mah og angir hvor mange Ah som finnes i batteriet når det er fulladet. Katode: Den elektroden som reduseres, det vil si mottar elektroner. Ved utlading er det den positive elektroden, ved opplading den negative. Lading/opplading: Tilførsel av strøm til et batteri. Omforming av elektrisk energi til kjemisk energi. Primærbatterier/primærceller: Batterier som ikke er beregnet til å lade opp, også kjent som engangsbatterier. 11

12 Hovedprosjektrapport 2005 Sekundærbatterier/sekundærceller: Batterier som er beregnet på opplading. Utlading: Omforming av kjemisk energi i et batteri til elektrisk energi som kan forsyne et elektrisk system Batteriets historie Batterier brukes i dag til praktisk talt alt mulig. Biler, båter og ubåter bruker gjerne batterier til fremdriften. Rullestoler, driller og klokker bruker som regel batterier. Mobiltelefoner, bærbare PC er og digitale armbåndsur bruker utelukkende batterier. Med andre ord er batterier blitt en viktig del av hverdagen vår. Men batterier er langt i fra noe nytt, forskere hevder at batterier i primitiv form ble brukt i Irak og Egypt allerede for 2200 år siden. Strømmen som disse Baghdadbatteriene produserte ble den gang trolig brukt til forgylling. Figur 1: Den voltaiske stabelen [11] Denne teknikken ble imidlertid glemt i nesten 2000 år, helt til Alessandro Volta oppfant den Voltaiske stabelen, eller The Voltaic Pile i 1799[11]. Dette var det første batteriet i moderne tid og ble raskt fast inventar på ethvert laboratorium med respekt for seg selv. Dette batteriet besto av en stabel med metallskiver, annenhver av sølv og sink, med pappskiver dyppet i saltvann i mellom. Denne stabelen leverte bare mellom en og to volt, men flere stabler kunne seriekobles for høyere spenninger. To år senere videreutviklet den engelske professoren Dr. William Cruickshank batteriet slik at det kunne masseproduseres. Disse batteriene var såkalte primærbatterier, det vil si kun for engangsbruk. I 1859[16] utviklet den franske oppfinneren Gaston Plante det første pratisk brukbare oppladbare (sekundær) batteriet. Det var et blybatteri med syre som vi i dag kjenner best som bilbatterier. Dagens bilbatterier er en nesten uforandret versjon av Plantes batteri fra I 1899[20] laget svensken Waldemar Jungner det første oppladbare alkaliske batteriet. Alkalisk betyr at elektrolytten er basisk, ikke syrebasert. Det besto av nikkel og kadmium, og hadde mange fordeler fremfor datidens eneste konkurrent, blybatteriet. Men på grunn av høyt pris ble blybatteriet som regel fortrukket fremfor det nye nikkel - kadmium batteriet. I 1901[20] oppfant Thomas A. Edison det alkaliske jern - nikkel batteriet. Motivasjonen for å utvikle et nytt batteri var interessen for biler. Thomas Edison mente strøm var den beste 12

13 Hovedprosjektrapport 2005 energikilden for biler, men han mente blybatteriene var for store og tunge for bilene. Uheldigvis brukte han for lang tid på å utvikle batteriet sitt, så innen det var ferdig gikk mesteparten av bilene på bensin. Men batteriet fikk andre bruksområder innen industrien, og ble dermed en av hans mest innbringende oppfinnelser. De neste 60 årene ble de nikkelbaserte batteriene videreutviklet til dagens nikkel kadmium batteri som ble introdusert rundt Deretter fulgte fire tiår med stor utvikling på batterifronten. Litium batteriet (primærbatteri) kom på markedet i Samtidig ble også det forseglede blybatteriet, SLA(Sealed Lead Acid) introdusert. På begynnelsen av 1990 tallet ble det fokusert på miljø, og dermed ble kvikksølvet fjernet fra nesten alle batterityper. I kommer nikkel/metallhydrid batteriet som en miljøriktig erstatter for nikkel kadmium, men det tar lang tid før dette skjer. I blir litium igjen introdusert på markedet, men denne gangen som oppladbart (sekundær) batteri. Litium Polymer kom på markedet noen år senere, i De siste årene har vi fått blant annet batterier med titan, batterier som kan lades på 15 min og et batteri som kan printes på papir. Fremtiden for batteriene er lys, mye på grunn av mobiltelefoner og bærbare datamaskiner med stadig høyere effektforbruk. En annen høyst aktuell teknologi er brenselseller, som kan lades opp med å fylle på hydrogen er metanol. Mye har skjedd siden Voltas Voltaiske stabel, og mye vil skje i fremtiden Hvilke batterityper har vi? Det er en mengde forskjellige typer batterier på markedet i dag, alle med ulike fordeler og ulemper. Hvilket som er best avhenger av hva batteriet skal brukes til, det finnes ikke et superbatteri som er bra til alt. Type: Primær / Sekundær Alkaliske Primær 1.5v Nominell cellespenning : Normalt bruksområde: "Vanlig" husholdningsbatterier. Radioer, lommelykter, klokker og leketøy med relativt lave strømtrekk. Brunsten Primær 1.5v Som alkaliske, men for mindre strømtrekk. NiCd Sekundær 1.25v Alt som trekker relativt mye strøm, 1-20 A. Kadmium er miljøfarlig og erstattes derfor mer og mer av NiMH NiMH Sekundær 1.25v Alt som trekker relativt mye strøm, 1-20 A. Litium Sekundær 3.6v / 3.7v Blyakkumulato r Sekundær 2v Sølvoksid Primær 1.5v Sink luft Primær 1.4v SuperCap Sekundær 1v / 2.5v Hovedsaklig bærbart utstyr der lav vekt og høy kapasitet kreves. Startbatteri i kjøretøy, backup til alarmer og UPS'er Høreapparater, klokker og lignende. Små strømmer og liten fysisk form. Høreapparater, klokker og lignende. Små strømmer og liten fysisk form. Backup for mikroprosessorer og RAM. Små strømmer, hurtig opplading, lang levetid. 13

14 Hovedprosjektrapport 2005 Det finnes flere typer batterier, men det er enten avarter av de som er beskrevet her, eller så brukes de i veldig liten grad. I R/C utstyr med elektrodrift er en avhengig av relativt store strømmer, avhengig av hva man skal drive. En R/C bil til konkurransebruk bruker opp batteriet sitt på 5 min og kan komme opp i strømmer på 150A 200A. I den andre enden av skalaen ligger for eksempel små radiostyrte lekebiler som drives av en form for Supercap, en kraftig kondensator, med strømtrekk på noen titalls ma. R/C fly bruker i dag ofte litiumbatteri pga lav vekt og god kapasitet. Strømtrekket er vanligvis mellom 2A og 15A. Store modellbåter bruker gjerne blyakkumulator pga av lav pris og høy kapasitet. De fire store innen R/C er NiCd, NiMH, Litium og blyakkumulator Nikkel/kadmium-batteriet I år 2000 ble det produsert over 1.5 milliarder nikkel kadmium batterier i hele verden. Navnet kommer av de aktive materialene i batteriet og forkortes som regel til NiCad eller NiCd. Det har lenge vært det mest brukte oppladbare batteriet, på grunn av relativ høy energitetthet, lav pris og høy utladningsstrøm. Batteriet tåler tøff behandling, og er derfor mye brukt i batteridrevne verktøy som krever høy effekt og korte oppladningstider. Dessverre inneholder det miljøgiften kadmium, og er derfor i ferd med å bli faset ut til fordel for NiMH og litiumbatterier. Mekanisk oppbygning Figur 2: NiMH/NiCD mekanisk oppbygning [15] 14

15 Hovedprosjektrapport 2005 NiCd kommer både som sylindriske og prismatiske celler. I tillegg får du de også som knappcelle(små kondensator liknende batterier), men det er ikke så vanlig. Alle dagens sylindriske NiCd batterier lages etter jelly-roll metoden. Det vil si at flere lag med anode og katode materiale blir rullet sammen til en sylinder, slik som på figuren. Den positive elektroden er laget av en tynn, bøyelig skive som består hovedsakelig av nikkelhydroksid. Den negative elektroden består av kadmium. Elektrolytten er alkalisk og består av kaliumhydroksid, KOH. Den absorberes i begge elektrodene samt i isolatoren (Separator på figuren). Cellene har en sikkerhetsventil som åpner seg ved for høyt trykk. Den er tilbakefjærende, men vanligvis forsvinner noe av elektrolytten ved ventilering, som igjen fører til lavere kapasitet. Ventilering skjer kun ved feil, for eksempel ved overlading. Historie NiCd er et av de mest utprøvde sekundærbatteriene våre. Det ble oppfunnet av svensken Waldemar Jungner i Etter noen få forandringer av prototypen steg energitettheten til ca. det halve av primærbatterier. Dette var mye bedre enn den eneste konkurrenten, blybatteriet. I 1910 ble det startet produksjon av NiCd batterier til industrien. Frem til ca var batteriene av den såkalte pocket-typen, dvs at de var laget av nikkel belagte stållommer med henholdsvis nikkel og kadmium inni. Etter 1950 ble de såkalte sintered plate nickel cadmium batteriene stadig mer populære. Disse består av porøse plater av nikkel med en overflate som er ca. 80 større enn den gamle pocket-typen. Platene dekkes av nikkel og kadmium for henholdsvis positiv og negativ pol. Platene er mye tynnere enn de gamle lommene, og det blir derfor plass til mer aktivt materiale (nikkel og kadmium) per volumenhet. Mer aktivt vil si lavere indre motstand og høyere strømmer. Elektriske egenskaper NiCd har en nominell cellespenning på ca. 1.2 volt. Dette er lavere enn primærbatterienes 1.5v, men NiCd har en rettere utladningskurve. Mens primærbatteriene begynner på 1.5v og faller til 0.9v når det er tilnærmet tomt, holder NiCd seg mellom 1.25v og 1.0v. Dette gjør det enklere å utnytte hele batteriets potensiale, men det blir vanskeligere å bestemme når batteriet nærmer seg tomt. Siden NiCd holder seg innenfor grenseverdiene til primærbatteriene, kan de i nesten alle tilfeller erstatte alkaliske eller brunsten batterier. Unntaket er produkter som krever veldig lite strøm over lang tid, for eksempel klokker og røykvarslere. NiCd har en høyere selvutlading enn primærbatterier, ca. 1% pr døgn, og vil derfor ha vesentlig kortere levetid enn disse. Ved riktig bruk skal NiCd batteriet tåle opp/utladinger. Kjemisk reaksjon 2 NiO(OH) + Cd + 2 H 2 O 2 Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 [4] Reaksjonen går mot høyre ved utlading, og mot venstre ved opplading. Elektrolytten inngår ikke i den kjemiske reaksjonen, og blir derfor ikke brukt opp. Alle oppladbare batterier må dimensjoneres for en viss overlading. Overlading kan skje med feil bruk av ladere, eller ved bruk av en defekt lader. For NiCd er det to ting som kan skje ved overlading: 15

16 Hovedprosjektrapport Positiv pol blir overladet og hydrogengass blir produsert i cellen. 2. Negativ pol blir overladet og det blir produsert oksygengass i cellen. Hydrogengassen er mye farligere enn oksygengassen, derfor blir anoden designet for å tåle mer enn katoden. Men oksygengassen må likevel kunne luftes ut, for å forhindre at cellen sprekker eller eksploderer. Dette fører til at alle NiCd er utstyrt med ventil, noe som er med på å fordyre batteriet i forhold til alkaliske som ikke trenger ventilering. Cellereversering[1], det vil si at strømmen går feil vei i cellen, er et problem som kan føre til at hydrogengass bygger seg opp i cellen og ventileres. Cellereversering oppstår på to måter, enten ved at brukeren monterer cellen feil vei i laderen, eller ved fullstendig utlading av batteripakker. I en batteripakke er aldri cellenes kapasitet helt lik, derfor vil en celle bli fullstendig utladet før de andre. Dette fører til cellereversering, det vil si at de andre cellene lader den svakeste cellen feil vei, som igjen forkorter levetiden til hele batteripakken. Mange produsenter anbefaler å ikke lade ut NiCd til mindre enn 1v per celle. Enkeltceller derimot, kan gjerne lades helt ut, enkelte produsenter anbefaler til å med å kortslutte enkeltceller før langtidslagring. Men det vanlige er å langtidslagre NiCd ved ca. 40% av full kapasitet. Memory[3] Memory eller minneeffekt er ord som ofte brukes om NiCd batterier. Mange mener at batteriet husker et kapasitetsnivå hvis det ikke lades helt ut før opplading gjentatte ganger. Dvs. at kapasiteten blir lavere, fordi den gamle kapasiteten ikke blir utnyttet. Begrepet blir ofte brukt om alt som fører til lavere kapasitet i batterier, for ekte memory eksisterer ikke ved vanlig bruk. Ekte memory er kun observert i verdensrommet, om bord i kunstige satellitter. Satellittbatteriene lades opp av solcellepaneler og har en helt fast opp/utladings syklus. Batteriene ble derfor ladet ut til nøyaktig det samme punktet hvert døgn, noe som førte til at krystaller ble dannet på elektrodene og reduserte kapasiteten. Ekte memory er derfor ikke et problem i vanlig forbrukerelektronikk. Det som folk kaller memory er som regel en kombinasjon av to ting: 1. Aldring. Cellene mister kapasitet med alderen. Forbrukeren kan ikke gjøre noe for å forhindre dette. 2. Voltage depression. Dette er et problem med NiCd og også med NiMH, men i mindre grad. Det har ingenting å gjøre med kapasiteten, men spenningen faller raskere enn vanlig. Det kan medføre at elektroniske apparater indikerer low batt, eller i verste fall skrur av hele apparatet fordi det tror batteriet er nesten tomt. I virkeligheten er så å si hele kapasiteten inntakt. Når dette skjer kan et par, tre fulle ut/oppladinger hjelpe. Men å lade ut batteripakken for hver opplading gjør mer skade enn nytte, på grunn av cellereversering Nikkel/metallhydrid-batteriet Historie Forskningen på nikkel metallhydrid ble påbegynt i 1970 årene i et forsøk på å finne en måte å lagre hydrogen for det nye batteriet nikkel-hydrogen. Dette batteriet er i dag bare i bruk i satellittsystemer, men biproduktet av forskningen ble til NiMH batteriet. Til å begynne med var 16

17 Hovedprosjektrapport 2005 NiMH batteriet ustabilt på grunn av metallhydrid legeringen. Det førte til at utviklingen gikk seint. Først på slutten av 1980 tallet fant de frem til en legering som holdt seg stabil, og siden har batteriet bare blitt bedre, hovedsakelig i form av større energitetthet. Energitettheten er nå oppe i 120 Wh/kg, nesten 40% bedre enn for NiCd. NiMH vs. NiCD NiMH inneholder ingen tungmetaller, og har derfor blitt det miljøvennlige alternativet til NiCd som nå er i ferd med å fases ut av miljøhensyn. Dette har bidratt til økt forskning på andre batterityper, deriblant NiMH. Ulempene med NiMH er at det krever mer presise ladere, tåler mindre overlading og tåler lavere utladingstrømmer enn det gamle NiCd. Fordelene er høyere energitetthet, miljøvennlig og at det er mindre utsatt for voltage depression. Prisen på NiMH er nå den samme eller lavere enn prisen på NiCd. Den mekaniske oppbygningen er nesten identisk med NiCd, men NiMH har litt kortere levetid. NiMH lider av samme problemet med cellereversering som NiCd. Elektriske egenskaper NiMH tåler vanligvis ikke så mye som NiCd, men de brukes likevel for eksempel i R/C biler. Utladningsstrømmen er da gjerne oppe i 200A, men dette kan ikke regnes som normal bruk! Levetiden blir da betraktelig redusert, men batteriet klare likevel å levere disse enorme strømmene. Den indre motstanden i batteriet har blitt lavere de siste årene, noe som er med på å øke strømmene det kan levere. Selvutladingen på NiMH er imidlertid stor % første døgnet, deretter 15-20% i måneden. [1] Ladingen av NiMH er også vanskeligere enn for NiCD, fordi spenningsfallet som indikerer fullt batteri er lavere, ofte under 10mV per celle. Spenningsfallet blir lavere med alderen og varmen på batteriet. Kravet til overvåkningskretsene på laderne stiger derfor en del. Levetiden er på opp/utladninger, og det liker ikke dype utladinger. Innimellom (annenhver måned) er dette likevel påkrevd, for å forhindre dannelse av krystaller på elektrodene (voltage depression). Kjemisk reaksjon Den kjemiske reaksjonen er svært kompleks på grunn av alle stoffene som inngår i metallhydrid legeringen. Hele reaksjonen er ikke fullstendig kartlagt, legeringen har delvis fremkommet ved hjelp av prøve og feile metoden. NiOOH + MH > Ni(OH) 2 + M [4] M = legering som absorberer hydrogen. MH = metallhydrid Reaksjonen går mot høyre ved utlading, og mot venstre ved opplading. Den positive elektroden består hovedsakelig av nikkelhydroksid. Den negative elektroden består av en metallhydridlegeringsom blant annet inneholder vanadium(v), titan(ti), zirkonium(zr), nikkel(ni), krom(cr), kobolt(co) og jern(fe). Elektrolytten inngår ikke i den kjemiske reaksjonen, og blir derfor ikke brukt opp. Elektrolytten består av kaliumhydroksid, KOH. 17

18 Hovedprosjektrapport Litium-batteriet Historie Litium-batteriet er et av dagens mest lovende batterier, men teknologien er langt i fra ny. Allerede i 1912 begynte den amerikanske kjemikeren G.N. Lewis å eksperimentere med litiumbaserte batterier. Det var likevel ikke før i 1970 at det første litiumbaserte primærbatteriet kom på markedet. I 1980 årene ble det forsket mye på oppladbare litiumbatterier, og de fant da ut at opplading medførte forandringer i litiumelektroden. Dette gjorde at batteriet ble ustabilt, og temperaturen i cellen steg raskt til smeltepunktet til litium. Temperaturøkningen førte igjen til en reaksjon de kalte Ventilering med flamme. Det vil si at batteriet åpnet seg og flammer stod ut. I 1991 ble et stort parti oppladbare litiumbatterier trukket tilbake fra det japanske markedet etter at et mobilbatteri hadde blitt ustabilt og påført en mann brannskader i ansiktet. Ettersom det er litiummetallet som blir ustabilt, ble dette byttet ut med litium ioner. Energitettheten sank noe med den nye teknologien, men sikkerheten steg betraktelig. I slutten av 1991 introduserte Sony det første LiIon (Litium Ion) batteriet. Elektriske egenskaper Men en nominell cellespenning på 3.7v erstatter én enkelt LiIoncelle to eller tre nikkelbaserte celler. Utladningskurven til de nyeste LiIonbatteriene går fra 3.7v til 3.0v, noe som gjør at det er enkelt å utnytte hele kapasiteten. Mange produkter, blant annet fotoapparater og mobiltelefoner bruker kun én LiIoncelle. LiIon har over dobbel så høy energitetthet som NiCd, 160Wh/kg. Med ytterlige forbedringer forventer forskerne å komme opp i 200Wh/kg. Alle LiIonbatterier har en beskyttelseskrets i batteripakka. Denne skal sørge for at ikke spenningen på batteriet blir høyere enn 4.2v, lavere enn 2.9v eller at opp/utladingsstrømmen blir høyere enn spesifikasjonen tilsier. Temperaturen blir også overvåket. Hvis noen av parametrene blir overskredet er det vanligvis en FET-switch som kutter strømmen til eller fra batteriet. Opp/utladingsstrømmen til et LiIon er betrakteligere lavere enn for tilsvarende spenning og kapasitet hos NiCd/NiMH. Utladingsstrømmen til LiIon er vanligvis på 4C 10C, over dette vil beskyttelseskretsene kutte strømmen. Til sammenligning kan et NiCd lett gi 100C i korte perioder, uten at dette er å anbefale, da det vil forkorte levetiden. Selvutladingen er på ca. halvparten til NiCd, det vil si ca. 5% i måneden. Den mekaniske oppbygningen av batteriet er nærmest identisk til NiCd/NiMH. Kjemisk reaksjon LiIon er under stadig utvikling, det finnes mange forskjellige typer som går inn under samlebetegnelsen LiIon. Elektrodene består av en legering av en rekke stoffer, men hovedkomponentene i dag litium kobolt og karbon. LiCoO 2 + C Li 1-x CoO 2 + CL ix [4] 18

19 Hovedprosjektrapport 2005 Reaksjonen går mot høyre ved utlading, og mot venstre ved opplading. Elektrolytten inngår ikke i den kjemiske reaksjonen, og blir derfor ikke brukt opp. Kobolt har lenge vært brukt litiumbatterier, men nå begynner det å bli en knapp ressurs. Kun 0.001% av jordskorpa består av kobolt og det finnes ikke fritt i naturen, kun i mineraler. Inntil slutten av 1800-tallet var Norge en av verdens største produsenter av kobolt, nå har land som Zaire, Russland og Sør Afrika tatt over. Leveransene av kobolt fra disse landene er varierende, mye på grunn av ustabile politiske forhold. Det forskes derfor mye på alternativer til kobolt. Til nå har det mest vellykkede vært magnesium aluminium oksid (MgAl 2 O 4 ). Dette materialet er billigere enn kobolt, mer tolerang for overlading og krever mindre av beskyttelseskretsene. Det har noe lavere energitetthet enn kobolt. Litium ion polymer Litium ion Polymer (LiPo) batteriet bruker en fast elektrolytt istedenfor den flytende til LiIon. Det gjør ventilering tilnærmet umulig, samt at batteriene kan lages svært tynne, ned i 1mm. Batteriene kan også formes etter eget ønske, så designerne står fritt til å velge form på produktet. Elektrisk sett er LiPo veldig likt LiIon, men har noe lavere energitetthet og noe kortere levetid Blybatteriet Historie Blybatteriet er det eldste batteriet i moderne tid. Det ble oppfunnet av franskmannen Raymond Gaston Planté i Det består av en positiv elektrode av blyoksid (PbO 2 ), og en negativ elektrode av bly (Pb), begge omsluttet av elektrolytten svovelsyre (H 2 SO 4 ). Dagens bilbatteri er en nesten uforandret versjon av 1859 modellen. 19

20 Hovedprosjektrapport 2005 Figur 3: Blybatteri fra 1860 [16] På midten av 1970-tallet kom det vedlikeholdsfrie blybatteriet, hvor den flytende svovelsyren var byttet ut med en geleaktig elektrolytt. Det gjorde at batteriet kunne brukes i alle posisjoner og ikke var utsatt for farlige syrelekkasjer. Det vanlige bilbatteriet og det vedlikeholdsfrie lukkede blybatteriet er forholdsvis like, men ettersom sistnevnte er mest aktuelt i denne oppgaven, blir kun det omtalt her. Elektriske egenskaper Sealed Lead Acid (SLA) batteriet har en cellespenning på 2v. Batteriene kommer vanligvis som 6v, 12v eller 24v med henholdsvis 3, 6 og 12 celler. Kapasiteten ligger vanligvis mellom 0.2Ah og 30Ah. Selvutladingen er lav, kun en tredjedel av NiCd. Batteriet liker ikke dype utladinger, er dette nødvendig, så kjøp et større batteri. Energitettheten er lav i forhold til dagens batterityper, kun Wh/kg. Men batteriet er billig og pålitelig, så det er mye brukt som back-up i alarmer og i ups er. Temperaturen er veldig viktig for batteriets levetid. Ved 25 C kan batteriet greit vare i 10 år ved riktig bruk. Stiger temperaturen til 33 C vil levetiden halveres og ved 42 C er levetiden nede i ca. 1 år. Kjemisk reaksjon Pb +PbO 2 + 2HSO 4 + 2H 2PbSO 4 + 2H 2 O [4] Reaksjonen går mot høyre ved utlading, og mot venstre ved opplading. Elektrolytten inngår i reaksjonen, og ved overlading vil hydrogen og oksygen dannes ved elektrodene. I SLA skal imidlertid disse gassene stenges inne og rekombinere for å unngå tap av elektrolytt. På grunn av blyinnholdet og svovelsyra i batteriet må det behandles som spesialavfall Lading av nikkelbaserte batterier NiCd er det enkleste batteriene å lade. Det sier tydelig i fra når det er fullt og tåler litt overlading. Mange overlader batteriet litt ned vilje for å få enda litt mer effekt ut av batteriet. Dette reduserer batteriets levetid, men for mange er det viktigere med maks effekt. NiMH er litt verre, det er ikke så tydelig og tåler ikke så mye overlading. Det vanlige er å lade batteriene med en konstant strøm. Størrelsen på strømmen er avhengig av batteriets kapasitet og ønsket ladetid. e deles inn i tre kategorier etter ladetid. [1] 1. Slow charger: timers lading på ca. 0.1C. Ved denne lave ladestrømmen er effektiviteten nede i ca Det vil si at du må lade i minst 14 timer for å fylle et helt tomt batteri. Disse laderne terminerer vanligvis ladingen ved hjelp av en timer. Batteriet blir vanligvis ikke varmt på grunn av den lave ladestrømmen. Ulempen med å kun bruke timer til termineringen er faren for brukerfeil. Hvis du prøver å lade opp et fulladet eller nesten fulladet batteri i 14 timer ved 0.1C vil det bli varmt. Det vil i beste fall redusere 20

21 Hovedprosjektrapport 2005 levetiden og i verste fall ødelegge batteriet fullstendig. Slow chargere benyttes fordi de er enkle og billige å produsere. Det er ikke det beste for batteriene. 2. Quick charger: 3 6 timers ladetid på ca. 0.3C. Mye brukt fordi den er forholdsvis enkel og relativ rask. Bruker ofte mer avanserte termineringsmetoder enn slow chargeren. 3. Fast charger: Vanligvis 1 times ladetid på ca. 1C. Ved så store strømmer trer nye fordeler og ulemper i kraft. Timer alene er ikke nok til å terminere ladingen, skillet mellom underlading og overlading blir altfor kort til å stole på en timer. Andre og mer komplekse termineringsmetoder må derfor benyttes. Fast chargere går ofte over i trickle-charge etter at batteriet er fullt. Det er en liten ladestrøm for å motvirke selvutladingen. For NiCd kan denne strømmen være opp mot 0.1C, mens for NiMH bør ikke strømmen være høyere enn 0.025C. Derfor må ikke en NiCd lader brukes på NiMH batterier. Motsatt går bra. Hvis ladingen avbrytes korrekt og trickle-strømmen er korrekt, er fast charging den beste måten å lade nikkelbaserte batterier på. Ved lavere ladestrømmer vil det bygges opp et krystallinsk sjikt på elektrodene som senker batteriets kapasitet over tid. Terminering av ladingen Det er flere måter å terminere ladingen på, og jo høyere ladestrømmen er jo viktigere er det med presis terminering. Det er fordi store ladestrømmer fører til overlading på veldig kort tid. Timer: Bruk av kun timere er tilstrekkelig ved lave ladestrømmer. Ved høyere ladestrømmer brukes det kun som back-up hvis de andre terminerigsmetodene skulle feile. Absolutt temperatur: Temperaturmåling av batteriet hvor ladingen termineres på en forhåndsdefinert temperatur. Brukes vanligvis kun på fast chargere fordi temperaturen stiger raskt mot slutten av ladingen når du lader med store strømmer. Ved lavere ladestrømmer synker temperaturen så seint at batteriet allerede har fått en kraftig overlading innen temperaturen kommer høyt nok. På nikkelbaserte batterier settes temperaturen vanligvis til C. Metoden forutsetter god termisk forbindelse mellom batteri og sensor. Har vært brukt alene på enkelte NiCd ladere, men det anbefales å bruke andre termineringsmetoder I tillegg. dt/dt: Økning I temperatur per tidsenhet. Denne metoden er snillere mot batteriene enn absolutt temperatur fordi den terminerer tidligere. Ca. 1 C per minutt er vanlig innstilling på nikkelbaserte batterier. NDV: Negative Delta Voltage. Dette er den mest brukte termineringsmetoden i dag. Den utnytter et fenomen som inntreffer ved ladestrømmer på minst 0.5C som kalles volt drop. Når et nikkelbasert batteri er ferdig ladet synker spenningen med ca. 10mV/celle og ca. 20mV/celle for henholdsvis NiMH og NiCd. Dette spenningsfallet detekteres og ladingen avsluttes. Spenningsplatå: På figuren under kan en se at spenningsfallet som NDV benytter seg av ikke inntreffer før batteriet har fått en viss overlading. Spenningsplatået terminerer når dv/dt = 0, altså før tidligere enn NDV. Dette er en snillere metode enn NDV og brukes gjerne av NiMH ladere fordi NiMH tåler mindre overlading. 21

22 Hovedprosjektrapport 2005 Figur 4: NiCd/NiMH oppladingskurve [1] Fast chargers bruker som regel flere termineringsmetoder og avslutter ladingen når en av de inntreffer. En kombinasjon av NDV, absolutt temperatur og timer er vanligvis tilstrekkelig Lading av LiIon og SLA Selv om LiIon og SLA er to vidt forskjellige batterier, er ladingen av disse rimelig like. Forskjellen er toleransene, cellespenningen og ladetiden. SLA SLA er det enkleste av de to batteriene å lade. Det tåler en del overlading, men kan ikke hurtiglades. SLA har en nominell cellespenning på 2.0v, men lades vanligvis til 2.3v 2.45v. For å lade SLA brukes gjerne en tre stegs lader. Steg en er lading med konstant strøm til spenningen når for eksempel 2.4v per celle. Det første steget tar normalt 4 5 timer. Batteriet er nå 70% fulladet. De siste 30% tar like lang tid, men nå lades det med konstant spenning på 2.4v per celle. Steg tre er kun for å motvirke selvutladingen, det lades med en konstant spenning på ca. 2.25v. Ved høye omgivelsestemperaturer (over 30 C) bør batteriet lades til en lavere spenning, for eksempel 2.35v i steg en og steg to, og 2.20v i steg tre. En del ladere er utstyrt med temperatursensor som justerer ladespenningen etter temperaturen. 22

23 Hovedprosjektrapport 2005 Figur 5: SLA oppladingskurve [1] LiIon LiIon har en nominell cellespenning på 3.7v og kan lades til 4.20v. Ladingen deles inn i tre steg: 23 Figur 6: LiIon oppladingskurve [1]

24 Hovedprosjektrapport Steg en er konstant strøm til spenningen når 4.2v. Batteriet er nå 70% fulladet. 2. Steg to er konstant spenning til strømmen er nede i 0.03C. 3. Steg tre brukes i praksis ikke, for LiIon skal ikke ha fast vedlikeholdslading. I ladere hvor batteriet sitter i kontinuerlig, brukes steg tre til å toppe batteriet ca. hver 20 dag hvis ikke det har vært i bruk. Steg tre trer vanligvis i kraft når spenningen faller under 4.05v og lader til spenningen igjen er 4.2v. Ved en ladestrøm på 1C er ladetiden ca. 3 timer. Ved å øke ladestrømmen reduseres steg 1, men steg 2 øker tilsvarende. Toleransene på LiIon er små, v per celle. Det vil si at en enkelt celle ikke er fulladet ved 4.15v, og at den er overladet ved 4.25v. Dette stiller store krav til laderne, men mange senker spenningen til 4.0v eller 4.1v for å være på den sikre siden. Dette fører imidlertid til at batteriet ikke blir fulladet. En del hurtigladere bruker bare steg en, det vil si ladetid på ca. én time og 70% kapasitet Den interne beskyttelseskretsen i batteriet er som regel satt til 4.30v og 90 C [1]. Noen produkter har brukt batteriets beskyttelseskrets til å avbryte ladingen. Laderen har da bare bestått i en konstant strømkilde. Ulempen med dette er at de eliminerer batteriet som en ekstra sikkerhet. I tillegg er det ikke uvanlig at forbrukeren overser advarselen om kun å bruke originalt batteri i produktet, men bruker et uorginalt. Hvis beskyttelseskretsen i det uorginale batteriet er dårlig kan batteriet overlades og varmes opp til ødeleggelse. 24

25 Hovedprosjektrapport Systemoversikt 8.1. Systemkrav Ifølge kravsspesifikasjonen skal det utvikles et system (batterilader) for å lade opp fire forskjellige batterityper. Det skal kunne lades 1 10 seriekoblede NiCd/NiMH celler. Under lading av NiCd/NiMH kan spenningen per celle komme opp i 1.8v. Det vil si at laderen må kunne levere minst 10 celler * 1.8v = 18v. Den laveste spenningen får vi ved lading av en celle, da kan spenningen komme ned i 1v. NiCd/NiMH skal lades med konstant strøm som i følge spesifikasjonen skal være i området 2A. 1 3 seriekoblede LiIonceller skal kunne lades. Med en maks spenning på 4.2v per celle krever dette 3 celler * 4.2v = 12.6v. Disse krever også en konstant strøm. SLA finnes vanligvis bare i 3, 6 og 12 cellers utgave. I følge spesifikasjonen skal kun 3 og 6 cellers batterier kunne lades. Med en maks spenning på 2.5 volt per celle krever 6 celler * 2.5v = 15v. Skal lades med konstant strøm. Driftsspenningen skal i følge spesifikasjonen være 12v dc, det vil si et standard bilbatteri. Utgangsspenningen blir derfor både høyere og lavere enn inngangsspenningen. I følge spesifikasjonen skal produktet ha et enkelt brukergrensesnitt med et display og knapper. Et display krever en mikrokontroller og programvare for å styre det. Dette gir oss følgende krav: 1. Systemet må kunne levere 2A i spenningsområdet 1v 18v. 2. Utgangsspenningen må kunne transformeres både opp og ned. 3. Systemet må utstyres med en mikrokontroller og dertil egnet programvare. Produktet skal lade batteriene sikkert og hurtig. Det skal være rettet mot R/C markedet. Det vil si at kort ladetid skal prioriteres fremfor lang batterilevetid. Kort ladetid betyr det samme som mer avanserte funksjoner for terminering av ladingen. Dette gir også økt sikkerhet. Temperaturen i batteriene bør overvåkes for maks sikkerhet. For å detektere spenningsfallet som indikerer at batteriet er fulladet i en enkelt NiMH celle kreves en nøyaktighet som er bedre enn 10mV. LiIon har en toleranse på v. Det vil si en nøyaktighet bedre enn 50mv Systemskisse 25

26 Hovedprosjektrapport 2005 Figur 7: Systemskisse 8.3. Kort systemforklaring Displayet ber om tre parametre, batteritype, antall celler og batteriets kapasitet. Dette velger brukeren ved hjelp av tre knapper, opp, ned og ok. De tre parametrene bruker mikrokontrolleren til å sette ladestrøm, maks tillatte spenning, termineringsmetode, maks ladetid og maks tillatte temperatur. Når alle tre parametrene er lagt inn, øker mikrokontrolleren utgangsspenningen til strømforsyningen til strømmen kommer opp i det den skal. Ladestrømmen settes til 1C, så i virkeligheten er det ladestrømmen du velger når du velger batteriets kapasitet. Strømmen fortsetter å gå helt til batteriet er ferdig ladet eller til det skjer en feil. Hvis batteriet fjernes før laderen sier at det er ferdig, vil dette oppfattes som en feil og en feilmelding vises i displayet. I tillegg er det en fjerde knapp som resetter hele systemet. Denne kan brukes ved feil inntasting eller når et batteri er ferdig og et nytt et skal lades. Mikrokontroller Som vi ser av systemskissen er mikrokontrolleren et sentralt element. Den skal stå for det meste av arbeidet, blant annet: Skriving til display Avlesing av knapper Styring av utgangspenningen til den variable strømforsyningen Måling av batteritemperaturen Måling av strømmen gjennom batteriet Måling av spenningen over batteriet 26