Design of wireless real time monitoring lithium ion battery charger using constant current constant voltage method

• Autorzy: Suryoatmojo Heri , Alvian A. B. , Anam S. , Pamudji F.A. , Mardiyanto Ronny

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2021.10.12

Warianty tytułu

PL

Projekt bezprzewodowego monitorowania w czasie rzeczywistym ładowarki do akumulatorów litowo-jonowych przy użyciu metody stałego prądu I stałego napięcia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Li-Ion battery is the main power source for portable devices and electric vehicles because of their excellent characteristics. After being used to supply energy, Li-Ion batteries will reduce their energy capacity and need to be charged so that the battery returns to its maximum capacity. There are several methods for charging a battery, one of the methods is Constant Current Constant Voltage (CC-CV). This method provides a a constant current first and continuing with constant voltage under certain conditions. This method is suitable for Li-Ion battery because the age of LiIon battery is greatly affected by overcharging conditions so that using this method can extend battery life. In this research, Li-Ion battery charger will be designed using the Buck Boost converter topology with the CC-CV method. Real time monitoring system during the battery charging process will also be proposed. In the implementation, the Buck Boost converter has an average efficiency of 88.2% at 10% to 100% load condition. The CC-CV method has high reliability in maintaining constant charging voltage and current and can produce a constant current of 1.3 A and a constant voltage of 12.6 V. In the Li-Ion battery charging test, it was found that the entire charging process took 89 minutes with 56 minutes in Constant Current mode and 33 minutes in the Constant Voltage mode with a cut-off current of 180 mA. The parameters of the Li-Ion battery such as charging voltage and current, the voltage between cells and the State of Charge will be updated every second so that it is monitored in real time wireless.

Akumulatory litowo-jonowe są głównym źródłem zasilania urządzeń przenośnych i pojazdów elektrycznych ze względu na ich doskonałe właściwości. Akumulatory litowo-jonowe po wykorzystaniu do dostarczania energii zmniejszają swoją pojemność energetyczną i wymagają ładowania, aby akumulatory powróciły do swojej maksymalnej pojemności. Istnieje kilka metod ładowania akumulatora, jedną z nich jest stały prąd o stałym napięciu (CC-CV), mianowicie najpierw dostarczanie stałego prądu i kontynuowanie stałego napięcia w określonych warunkach. Ta metoda jest odpowiednia dla akumulatorów litowo-jonowych, ponieważ na wiek akumulatorów litowo-jonowych duży wpływ mają warunki przeładowania, co może wydłużyć żywotność baterii. W badaniach ładowarka akumulatorów Li-Ion zostanie zaprojektowana z wykorzystaniem topologii konwertera Buck Boost z metodą CC-CV. Zaproponowany zostanie również system monitorowania w czasie rzeczywistym podczas procesu ładowania baterii. W swojej realizacji konwerter Buck Boost ma średnią sprawność 88,2% przy obciążeniu od 10% do 100%. Metoda CCCV zapewnia wysoką niezawodność w utrzymywaniu stałego napięcia i prądu ładowania i może wytwarzać stały prąd o wartości 1,3 A i stałe napięcie o wartości 12,6 V. W teście ładowania akumulatora Li-Ion stwierdzono, że cały proces ładowania trwał 89 minut z 56 minutami w trybie stałego prądu i 33 minuty w trybie stałego napięcia z prądem odcięcia 180 mA. Parametry akumulatora Li-Ion, takie jak napięcie i prąd ładowania, napięcie między ogniwami oraz stan naładowania będą aktualizowane co sekundę, dzięki czemu są monitorowane w czasie rzeczywistym bezprzewodowo.

Słowa kluczowe

EN

buck boost; CC-CV; real time; monitoring; lithium ion battery

PL

buck boost; akumulator litowo-jonowy; CC-CV; monitorowanie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 97, nr 10
• Strony: 58--64
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Suryoatmojo Heri

• Department of Electrical Engineering, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Indonesia

• https://orcid.org/0001-8855-9869

autor

Alvian A. B.

• Department of Electrical Engineering, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Indonesia

• https://orcid.org/0000-0003-1994-8937

autor

Anam S.

• Department of Electrical Engineering, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Indonesia

• https://orcid.org/0000-0003-0736-6884

autor

Pamudji F.A.

• Department of Electrical Engineering, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Indonesia

• https://orcid.org/0000-0002-0603-9761

autor

Mardiyanto Ronny

• Department of Electrical Engineering, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Indonesia

• https://orcid.org/0000-0003-0694-1891

Bibliografia

• [1] L.-R. Dung, C.-E. Chen, and H.-F. Yuan, A robust, intelligent CC-CV fast charger for aging lithium batteries, IEEE 25th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), Santa Clara, CA, USA, Jun. 2016, pp. 268–273.
• [2] N. K. Raghavendra and K. Padmavathi, Solar Charge Controller for Lithium-Ion Battery, IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES), Chennai, India, Dec. 2018, pp. 1–5.
• [3] A. L. Eshkevari and M. Zare, Quasi-resonant switch-mode isolated lithium-ion battery charger with CC-CV modes of operations using secondary side controller, Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE), Tehran, Iran, May 2017.
• [4] Chia-Hsiang Lin, Chun-Yu Hsieh, and Ke-Horng Chen, A Li-Ion Battery Charger With Smooth Control Circuit and Built-In Resistance Compensator for Achieving Stable and Fast Charging, IEEE Trans. Circuits Syst. I, vol. 57, no. 2, pp. 506– 517, Feb. 2010.
• [5] S.-Y. Tseng, T.-C. Shih, S.-Y. Fan, and G.-K. Chang, Design and implementation of lithium-ion/lithium-polymer battery charger with impedance compensation, International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS), Taipei, Nov. 2009, pp. 866–870.
• [6] P. P. Surya, D. Irawan, and M. Zuhri, Review and comparison Of DC-DC converters for maximum power point tracking system in standalone photovoltaic (PV) module, International Conference on Advanced Mechatronics, Intelligent Manufacture, and Industrial Automation (ICAMIMIA), Surabaya, Oct. 2017.
• [7] M. Thowil Afif and I. Ayu Putri Pratiwi, Analisis Perbandingan Baterai Lithium-Ion, Lithium-Polymer, Lead Acid dan Nickel- Metal Hydride pada Penggunaan Mobil Listrik - Review, JRM, vol. 6, no. 2, pp. 95–99, Aug. 2015.
• [8] Junjun Deng, Siqi Li, Sideng Hu, C. C. Mi, and Ruiqing Ma, Design Methodology of LLC Resonant Converters for Electric Vehicle Battery Chargers, IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 63, no. 4, pp. 1581–1592, May 2014.
• [9] V. L. Teofilo, L. V. Merritt, and P. Hollandsworth, Advanced lithium-ion battery charger, Annual battery conference on applications and advances, Long Beach, CA (United States), 14-17 Jan 1997.
• [10] M. H. Rashid, Ed., Power electronics handbook: devices, circuits, and applications, 3rd ed. Amsterdam: Elsevier/BH, Butterworth-Heinemann, 2011.
• [11] M. Ashari, Desain Rangkaian Elektronika Daya, Bandung: Informatika, 2017.
• [12] A. Komarudin, Desain dan Analisis Proporsional Kontrol Buck- Boost Converter pada Sistem Photovoltaik, Jurnal ELTEK, Vol 12 No 02, Oktober 2014.
• [13] M. Mustar, Implementasi Sistem Monitoring Deteksi Hujan dan Suhu Berbasis Sensor Secara Real Time, Jurnal Ilmiah Semesta TEKNIKA, vol. 20, no. 1, pp. 20–28, Mei 2017.
• [14] A. A. Hussein, A. A. Fardoun, and S. S. Stephen, An on-line tracking algorithm for Li-ion batteries’ optimal charging frequency, IEEE Power & Energy Society General Meeting, Denver, CO, USA, Jul. 2015.
• [15] A. B. Khan and W. Choi, Optimal Charge Pattern for the High- Performance Multistage Constant Current Charge Method for the Li-Ion Batteries, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 33, no. 3, pp. 1132–1140, Sep. 2018.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).