Quello dei dispositivi per la ricarica delle batterie è ormai un settore molto ampio anche perché esistono numerose varianti dal punto di vista della chimica (Piombo, ioni di Litio e così via) che della capacità. Questa varietà incide sulla progettazione dei sistemi per la ricarica in modo rilevante, anche per problemi legati a efficienza e sicurezza. Per esempio, realizzare un caricabatteria per dispositivi a singola cella è decisamente diverso rispetto alla progettazione di device per batterie a tre o più celle.
Fig. 1 – LTC4079 è un caricabatterie multi-chemistry da 60V, 250mA a corrente costante/tensione costante sviluppato da Linear Technology
Questo si riflette sulla complessità del design e sulla scelta dei componenti dato che si possono utilizzare, per esempio, degli integrati dedicati espressamente a questo scopo oppure dei microcontrollori programmabili low cost visto che il controllo della ricarica è un processo relativamente lento (spesso i tempi di intervento sono nell’ordine delle centinaia di millisecondi).
Questi componenti spesso integrano anche gli ADC e i moduli PWM per controllare direttamente i circuiti di conversione del caricabatterie. È inoltre possibile utilizzare il microcontrollore per la comunicazione e il sistema di interazione, come per esempio display dello stato di carica e altre funzionalità che aumentano la flessibilità del prodotto. In generale la scelta dei componenti dipende principalmente dal tipo di applicazione, dalla chimica delle batterie e dai costi.
Le esigenze legate alla chimica
Molte delle batterie attualmente utilizzate sono a base di Litio e stanno sostituendo velocemente quelle a base di Nichel che comunque sono ancora utilizzate. Batterie come quelle agli ioni di Litio, Litio-polimeri e Litio-Ferro-fosfati offrono infatti migliori performance dal punto di vista della densità di energia ottenibile rispetto ad altre tecnologie.
In generale, gli accumulatori ricaricabili basati su Litio richiedono sistemi di controllo sia per la corrente di carica che per la tensione della batteria. La carica inizia incomincia con modalità a corrente costante fino a quando la cella non raggiunte una tensione “float”. Una volta raggiunta questa tensione, quella di carica generata dal caricabatterie resta in modalità a tensione costante fino a quando la corrente di carica scende e un valore prefissato. Una volta che la batteria raggiunge questo livello di corrente il caricabatteria si spegne. Contrariamente ad altre tecnologie, come per esempio al Nichel, le batterie al Litio si possono anche danneggiare se si applica una piccola corrente di mantenimento dopo che sono state completamente caricate.
Anche se il minimo indispensabile per caricare le batterie con chimica al Litio consiste in un sistema di controllo della corrente nella batteria e uno per controllare la tensione ai morsetti, in realtà servono diversi altri componenti per avere una ricarica corretta e sicura. Per esempio un caricabatterie di questo tipo, solitamente, deve poter disattivare la ricarica se la temperatura della batteria dovesse risultate troppo alta oppure troppo bassa. Un altro elemento da considerare, inoltre, è il collegamento in serie e in parallelo delle diverse celle.
Fig.2 – Siglato bq25100, questo caricabatteria di TI è destinato a componenti con alimentazione a a ioni di Litio a singola cella
Sul mercato ci sono numerosi componenti che integrano le funzionalità necessarie per implementare rapidamente un caricabatteria. Produttori come per esempio Linear Technologies, Texas Instruments, Maxim e Intersil offrono un’ampia varietà di chip dedicati, ma non sono i soli.
Molti di questi integrati implementano soluzioni con convertitori di tipo buck dove la tensione i ingresso è maggiore di quella massima della batteria, mentre altri supportano convertitori di tipo buck-boost. Le due principali topologie per gli integrati da utilizzare nei caricabatteria comprendono i convertitori lineari e quelli di tipo switching. I primi, più economici, solitamente offrono correnti nell’ordine di 1A, o meno, per la ricarica e funzionano con tensioni di ingresso e uscita simili, in modo da contenere le perdite di potenza che devono essere smaltite sotto forma di calore. I convertitori switching, invece, sono molto più flessibili, ma più complessi da progettare e realizzare e, solitamente, più costosi. Di fatto si possono trovare facilmente integrati che offrono tutte le funzionalità specifiche per le varie applicazioni, anche per quelle molto verticali.
Alcuni esempi
Per quanto riguarda i prodotti commerciali per realizzare rapidamente un caricabatteria, gli esempi non mancano. Linear Technology ha recentemente introdotto LTC4079, un caricabatterie multi-chemistry da 60V, 250 mA a corrente costante/tensione costante. La topologia è quella lineare a bassa corrente di riposo, senza induttori, e il dispositivo accetta una gamma di tensioni di ingresso che va da 2,7V a 60V. Questo componente è idoneo l’impiego con diversi tipi di batterie, incluse quelle agli ioni di Litio (Li-Ion), al Nichel e al Piombo. La corrente di carica è regolabile da 10 mA a 250 mA tramite una resistenza esterna. Una funzione di regolazione termica dell’LTC4079 garantisce la massima corrente di carica fino al limite specificato senza il rischio di surriscaldamento.
Un altro componente interessante di Linear è LTC4121, un caricatore corrente-costante/tensione-costante da 400mA per batterie agli ioni di Litio, LiFePO4 e al Piombo-acido. La topologia step-down sincrona e ad alta efficienza dell’LTC4121 accetta valori in ingresso compresi tra 4,4V e 40V. La tensione di carica della batteria programmabile è compresa tra 3,5V e 18V.
Texas Instruments, invece, ha presentato un caricabatterie estremamente compatto, studiato per estendere l’autonomia delle batterie di dispositivi indossabili, come smart watch, o per sensori remoti. Siglato bq25100 questo caricabatteria è destinato componenti agli ioni di Litio a singola cella.Il dispositivo supporta tensioni di ingresso fino a 30 V e offre correnti da 10 a 250 mA.
Esistono anche componenti estremamente specializzati. Per esempio, Intersil ha recentemente annunciato ISL78692, un caricabatteria a 4,1 V per per batteria a cella singola progettato per estendere la vita dei componenti agli ioni di Litio dei sistemi di emergenza automotive eCall. La bassissima dissipazione permette alla batteria di restare caricata per lungo tempo. L’ISL78692 richiede soltanto cinque componenti esterni per programmare al corrente di carica e dispone di sistemi di protezione per evitare il surriscaldamento.
Un altro esempio è costituito dai componenti per la ricarica wireless. Toshiba America Electronic Components, ha presentato un chipset per la ricarica veloce wireless.Il chipset è composto dal trasmettitore TB6865FG e dal ricevitore TC7763WBG e supportano una potenza di 5 W mentre la compatibilità è quella verso le specifiche 1.1 dello standard Qi Low Power.