Per poter rendere il processo di ricarica sicuro e mantenere la batteria in buono stato, il progettista deve far particolare attenzione alle specifiche di utilizzo e di ricarica. Questi includono:
- La fonte di alimentazione di ricarica
- Percentuale di ricarica a corrente continua e affidabilità
- Affidabilità di regolazione della tensione in uscita
- Metodo di interruzione di ricarica
- Monitoraggio della temperatura della cella
Se una batteria non è caricata in modo appropriato, il ciclo vitale della batteria è messo a repentaglio e ancor peggio la batteria potrebbe diventare anche pericolosa e rompersi o addirittura esplodere. Un corretto progetto di ricarica della batteria massimizzerà le aspettative della durata della vita delle batterie ed assicurerà agli utenti finali l’affidabilità del dispositivo. Le batterie al Li-ion rappresentano una soluzione chimica comunemente usata per batterie ricaricabili. Queste batterie al Li-ion dovrebbero essere ricaricate in quattro fasi:
- Carica di compensazione
- Corrente continua
- Tensione continua
- Terminazione
Prima di tutto si ha la carica di compensazione. Una batteria che è stata esaurita fino in fondo deve essere pre-ricaricata con corrente più bassa prima di poter essere ricaricata rapidamente con una corrente più alta. La carica di compensazione ripristina lentamente la tensione della batteria a una soglia che possa permettere una ricarica rapida e sicura.
Il secondo stadio è la carica a corrente continua che porta la tensione della batteria vicino al suo livello massimo. Bisognerebbe evitare di ricaricare la batteria oltre la sua corrente di ricarica specifica e ciò non ridurrà realmente il tempo di ricarica totale. Quando si ricarica con una corrente più alta il tempo di ricarica nella fase a corrente continua sarà ridotto, nonostante ciò il tempo di ricarica nella fase a corrente continua sarà aumentato alla stessa durata, così in generale nulla ne viene guadagnato, correndo il rischio di danneggiare la batteria.
La fase seguente è la carica di tensione continua che applica una tensione continua alla batteria che dovrebbe essere all'interno dell’1% di affidabilità.
L’ultima fase è la fine della carica. Il voltaggio costante di ricarica termina in uno dei due seguenti modi: o dopo che si avverte una minima corrente di carica o dopo un certo periodo di tempo. La fine della ricarica si complica quando il sistema è ancora in carica e allo stesso tempo v iene utilizzato. Un sistema che sta attraendo corrente al dispositivo mentre si sta ricaricando può confondere la fase di terminazione pensando che la minima corrente di carica non è stata raggiunta, e perciò la batteria potrebbe cominciare a sovraccaricarsi. È importante non far sovraccaricare troppo la batteria perché ciò fa diminuire il ciclo vitale di ricarica di una batteria e può essere pericolosa e addirittura provocare un'esplosione. Inoltre un sistema che è in uso e allo stesso tempo caricato può andare incontro a un rischio di sovraccaricamento dal momento che la corrente di ricarica aggiunta alla corrente del sistema potrebbe eccedere il rapporto di potenza di alimentazione.
Ci sono alcune opzioni per poter controllare la ricarica delle batterie al Li-Ion. Alcuni chip integrati estremamente di qualità provengono da società come Linear Technologies, Intersil e National Semiconductors. Preferisco usare sempre questo tipo di soluzioni perché sono facili da perfezionare senza spendere troppo in tempo di progettazione o denaro, comunque è possibile aggiungere il proprio circuito di ricarica e usare il microcontrollore incorporato nel proprio dispositivo per controllare il ciclo di ricarica.
Ci sono due tipi principali di controllo di ricarica, con regolazione lineare e con regolazione in modalità di commutazione (switch-mode). L’utilità dei regolatori lineari sta nel fatto che sono tipicamente di basso costo e di dimensioni ridotte, comunque sono estremamente inefficienti e non possono supportare correnti di carica più alte di 1A. Il più delle volte questi regolatori includono anche la caratteristica della gestione dinamica della potenza, la quale commuta la potenza tra il sistema e la sua batteria, ad esempio le fonti multiple quali USB ed adattatori a muro. I regolatori in modalità di commutazione (switch-mode) sono molto migliori per batterie con capacità più alte, da quando possono supportare correnti di ricarica più alte di 1A. Questi regolatori offrono l'efficienza di conversione di potenza più alta rispetto a tutti i regolatori DC/DC. Sono anche più affidabili per lavorare da un punto di vista termodinamico. Poichè hanno un'efficienza più elevata, non si surriscaldano molto confrontandoli con i regolatori lineari, il che vuol dire che la gestione termica è più semplice ed in alcuni casi non necessaria.
Quando si ricarica da una fonte USB è importante ricordare che le porte USB standard forniscono non più di 500mA di corrente. Se il circuito di ricarica preleva più di 500mA il circuito di protezione del limite di corrente spegnerà le porte USB e la ricarica verrà arrestata. Ci sono molti circuiti integrati di ricarica che gestiscono questo problema. Questi hanno una caratteristica di controllo della riduzione di ricarica da USB che automaticamente regola il livello di carica a corrente continua in un modo lineare quando il sistema richiede più potenza. Quando la tensione USB inizia a diminuire, il circuito integrato riduce la corrente di ricarica per evitare di attivare il circuito di protezione del limite di corrente della porta. Questo lascia spazio per la maggior corrente possibile per la batteria e soddisfa gli standard USB.
In apparecchiature che possono essere ricaricate attraverso adattatori a muro così come tramite le porte USB preferisco usare una soluzione della Linear Technologies. L’LTC4097 accetta un ingresso duale, uno da una fonte DC come un adattatore a muro e l'altro da una porta USB. Il circuito integrato si prende cura della maggior parte delle considerazioni precedenti, e può caricare in maniera sicura la singola cella di batteria Li-ion. Inoltre se volete aggiungere la gestione della potenza del dispositivo, il più avanzato LTC4098 include un diodo ideale che scambia senza altre modifiche tra i sistemi di alimentazione e distribuisce la potenza verso il dispositivo e la batteria. Queste soluzioni riducono molto il tempo di progettazione necessario per perfezionare un sistema di gestione di potenza per dispositivi embedded. Anche se la maggior parte di queste caratteristiche può essere perfezionata con un microprocessore ed un circuito esterno, è molto più efficiente usare uno di questi integrati specialmente per il fatto che sono relativamente convenienti.
È importante ricordare che anche se ci sono molti integrati avanzati disponibili per la gestione della batteria, i quali a prima vista sembrano fare tutto ciò che desiderate, è necessario comprendere il processo esatto di ricarica della vostra batteria. Le case produttrici di batterie usano tecniche industriali diverse che rendono batterie con proprietà leggermente diverse, alcune batterie sono molto più adatte per un tipo specifico di integrato di ricarica piuttosto che con un altro. Il tempo dovrebbe essere investito nel capire il datasheet delle batterie ed essere capaci di confrontarlo con il circuito integrato di ricarica adatto. Se un sistema di ricarica è progettato correttamente, l'utente finale godrà di un dispositivo esente da problemi, senza interruzioni di corrente, e massimizzerà la durata della pila. La batteria sarà ricaricata in modo tale da ottenere pieno vantaggio dai cicli di ricarica e durerà molto più a lungo prima di doverla sostituire.