Simulation modeling of the LTC4020 charging controller for lithium-ion batteries
DOI:
https://doi.org/10.30977/VEIT.2024.26.0.3Keywords:
Li-ion batteries, charger, LTC4020 controller, simulation, energy efficiency, charging safetyAbstract
Problem. Modern lithium-ion batteries are widely used in electric vehicles, medical devices, photovoltaic systems, and other fields due to their high energy density and efficiency. However, they require complex charging management to ensure safety, prevent degradation, and extend lifespan. Existing charging devices often have limitations in supporting a wide range of voltages and currents, as well as versatility in working with different types of batteries. Goal. To analyze and simulate the operation of the combined LTC4020 controller to optimize the charging process for lithium-ion batteries while ensuring high efficiency and safety. Methodology. The research utilized LTSpice software for the simulation of the LTC4020 controller. A lithium-ion battery model based on the Thevenin equivalent circuit was developed to balance accuracy and model complexity. The study focused on the controller’s operation in the constant current-constant voltage (CC-CV) charging mode. Results. Simulations confirmed the effectiveness of the LTC4020 controller in providing precise regulation of current and voltage. The device demonstrated efficient charging of lithium-ion batteries across a wide range of input voltages (4.5 V–55 V), achieving energy efficiency of 90–97%. It was shown that maintaining the voltage range of 2.8–4.2 V is critical to preventing battery degradation. Originality. The study proposed an optimized charging process based on the simulation of the LTC4020 controller using the Thevenin model for lithium-ion batteries. This research highlights the impact of charging device parameters on battery performance and durability, which has not been thoroughly addressed in previous studies. Practical value. The obtained results can be applied to the development of modern charging devices that provide high efficiency, versatility, and safety. This will promote the adoption of energy-efficient technologies in electric transportation, renewable energy, and portable electronics sectors.
References
Гнатов, А. В., Аргун, Щ. В., & Ул'янець, О. А. (2017). Електромобілі–майбутнє, яке вже настало. Автомобіль і електроніка. Сучасні технології, (11), 24-28. Hnatov, A. V., Arhun, Sh. V., & Ulyanets, O. A. (2017). Elektromobili–maibutnie, yake vzhe nastalo. [Electric cars are the future that has already arrived.] Avtomobil i elektronika. Suchasni tekhnolohii, (11), 24-28. http://nbuv.gov.ua/UJRN/veit_2017_11_6 [Ukrainian].
Гнатов, А. В., Аргун, Щ. В., & Ульянец, О. А. (2016). Енергозберігаючі технології на транспорті. Наукові нотатки, (55), 80-86. Hnatov, A. V., Arhun, Sh. V., & Ulyanets, O. A. (2016). Enerhozberihaiuchi tekhnolohii na transporti. [Energy-saving technologies in transport.] Naukovi notatky, (55), 80-86. http://nbuv.gov.ua/UJRN/Nn_2016_55_17 [Ukrainian].
Багач, Р.В., & Кальченко, О.О. (2023). Перспективи та розвиток літієвих акумуляторів в Україні. Світові тенденції ресурсозбереження на електричному транспорті: матеріали Все-укр. наук.-практ. конф., Харків, 25–27 жовт. 2023 р. (с. 31–34). Харків: ХНУМГ ім. О. М. Бекетова. Bahach, R. V., & Kalchenko, O. O. (2023). Perspektyvy ta rozvytok litiievykh akumuliatoriv v Ukraini. [Prospects and devel-opment of lithium batteries in Ukraine.] Svitovi tendentsii resursozberezhennia na elektrychnomu transporti: materialy Vseukr. nauk.-prakt. konf., Kharkiv, 25–27 zhovt. 2023 r. (pp. 31–34). Kharkiv: KhNUMH im. O. M. Beketova [Ukrain-ian].
Багач, Р.В. (2023). Використання зарядних станцій для електромобілів у Харківській області. Сучасні енергетичні установки на транспорті, технології та обладнання для їх обслуговування СЕУТТОО-2023: 14-а Міжнародна науково-практична конференція (с. 323–327). Херсон: Херсонська державна морська академія. Bahach, R. V. (2023). Vykorystannia zaryadnykh stantsii dlia elektromobiliv u Kharkivskii oblasti. [Use of charging stations for electric vehicles in Kharkiv region.] Suchasni enerhetychni ustanovky na transporti, tekhnolohii ta obladnannia dlia yikh obsluhovuvannia SEUTTO-2023: 14-a Mizhnarodna naukovo-praktychna konferentsiia (pp. 323–327). Kherson: Khersonska derzhavna morska akademiia [Ukrainian].
Багач, Р. В. (2024). Підвищення ефективності експлуатації автомобільного електротранспорту з використанням зарядних станцій постійного струму (Докторська дисертація, Харківський національний автомобільно-дорожній університет). Bahach, R. V. (2024). Pidvyshchennia efektyvnosti ekspluatatsii avtomobilnoho elektrotransportu z vykorystanniam zaryadnykh stantsii postijnoho strumu. [Improving the efficiency of electric ve-hicle operation using DC charging stations.] (Doctoral dissertation, Kharkivskyi natsionalnyi avtomobilno-dorozhnii universytet). https://dspace.khadi.kharkov.ua/handle/123456789/20343 [Ukrainian].
Багач, Р.В. (2021). Перспективи подальшого вдосконалення акумуляторних батарей для електромобілів. Міжнародна науково-практична конференція присвячена 90-річчю Харківського автомобільно-дорожнього університету та 90-річчю автомобільного факультету "Новітні технології в автомобілебудуванні, транспорті та при підготовці фахівців" (pp. 346-349). Харків: ХНАДУ. Bahach, R. V. (2021). Perspektyvy podalshoho vdoskonalennia akumuliatornykh batarei dlia elektromobiliv. [Prospects for further improvement of batteries for electric vehicles.] Mizhnarodna naukovo-praktychna konferentsiia, prysviachena 90-richchiu Kharkivskoho avtomobilno-dorozhnoho universytetu ta 90-richchiu avtomobilnoho fakultetu "Novitni tekhnolohii v avtomobiliebuduvanni, transporti ta pry pidhotovtsi fakhivtsiv" (pp. 346–349). Kharkiv: KhNADU [Ukrainian].
Багач, Р.В. (2024) Перспективні технології твердотільних акумуляторів. Збірник тез та доповідей міжнародної конференції "Енергетичні установки та альтернативні джерела енергії". 11–12 березня 2024 року – Харків: ФОП Бровін О.В., 2024. – 424 с. Bahach, R. V. (2024). Perspektyvni tekhnolohii tverdotilnykh akumuliatoriv. [Promising technol-ogies of solid-state batteries.] Zbirnyk tez ta dopovidei mizhnarodnoi konferentsii "Enerhetychni ustanovky ta alternatyvni dzherela enerhii". 11–12 bereznia 2024 roku – Kharkiv: FOP Brovin O. V., 2024. ISBN 978-617-8238-51-3 [Ukrainian].
Латвинський ,В.Д., & Багач, Р.В. (2024). Дослідження літій-іонних батарей для експлуатації електромобілями при різних температурних умовах. ISSN 2074-2630 Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Електротехніка і енергетика» №1(30)’2024. Latvynskyi, V. D., & Bahach, R. V. (2024). Doslidzhennia litii-ionnykh batarei dlia ekspluatatsii elektromobiliamy pry riznykh temperaturnykh umovakh. [Study of lithium-ion batteries for electric vehicle operation under different temperature conditions.] ISSN 2074-2630 Naukovi pratsi DonNTU. Seriia: «Elektrotekhnika i enerhetyka» №1(30)’2024. https://doi.org/10.31474/2074-2630-2024-1-58-64 [Ukrainian].
Plakhtii, O., Prokhorova, V., Bagach, R., Zhuchenko, O., Yermilova, N., & Perets, K. (2023). Research of Accumulator Blocks of Elec-tric Vehicles and Charging Station Based on Cur-rent Source Rectifier. 2023 IEEE 4th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek) (pp. 1-6). IEEE. doi:10.1109/KhPIWeek61412.2023.10312968
Снєгірєв, В. О. (2018). Пристрій для дослідження впливу заряду асиметричним струмом на ємність акумуляторних батарей (Магістерська дисертація). Київ. Sniehirov, V. O. (2018). Prystrii dlia doslidzhennia vplyvu zaryadu asymetrychnym strumom na yiemnist akumuliatornykh batarei. [Device for studying the impact of asymmetric current charging on the capacity of battery packs.] (Master's thesis). Kyiv [Ukrainian].
Nitta, N., Wu, F., Lee, J. T., & Yushin, G. (2015). Li-ion battery materials: present and future. Materials Today, 18(5), 252-264.
Багач, Р. (2024). Підвищення електромагнітної сумісності і енергоефективності зарядної станції електромобілів. Автомобіль і електроніка. Сучасні технології, (25), 53–62. Bahach, R. (2024). Pidvyshchennia elektromahnitnoi sumisnosti i enerhoefektyvnosti zaryadnoi stantsii elektromobiliv. [Improving electromagnetic compatibility and energy efficiency of electric vehicle charging stations.] Avtomobil i elektronika. Suchasni tekhnolohii, (25), 53–62. https://doi.org/10.30977/VEIT.2024.25.0.6 [Ukrainian].
Adkins, W. S. (2015). Автоматичний контролер PMG для малих додатків (Магістерська робота, Державний університет Райта).
Копецький, М. М. (2023). Універсальний зарядний пристрій з мікроконтролерним керуванням. Kopetskyi, M. M. (2023). Universalnyi zaryadnyi pristrii z mikrokontrolernym keruvanniam. [Universal charging device with microcontroller control.] [Ukrainian].
Храпко, Д. О. (2023). Інтелектуальний зарядний пристрій для акумуляторів (Бакалаврська робота, Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя). Khrapko, D. O. (2023). Intelektualnyi zaryadnyi pristrii dlia akumuliatoriv. [Intelligent battery charging device.] (Bachelor's thesis, Ternopil National Technical University named after Ivan Puluj) [Ukrainian].
Кирилюк, Д. О. (2022). Розробка системи контролю рівня заряду батареї. Kyryliuk, D. O. (2022). Rozrobka systemy kontroliu rivnia zaryadu batarei. [Development of a battery charge level monitoring system.] [Ukrainian].
Ліпко, Д. О. (2020). Прилад для контролю параметрів акумуляторної батареї (Магістерська дисертація, КПІ ім. Ігоря Сікорського). Lipko, D. O. (2020). Prylad dlia kontroliu parametriv akumuliatornoi batarei. [Device for monitoring the parameters of a battery pack.] (Master's thesis, Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute) [Ukrainian].
Gonzalez-Castellanos, A. J., Pozo, D., & Bischi, A. (2019). Non-ideal linear operation model for li-ion batteries. IEEE Transactions on Power Sys-tems, 35(1), 672-682.
Trinasolar. (n.d.). https://www.trinasolar.com/us/product/residential
Amin, N., Lam, Z. Y., & Sopian, K. (2009). Microcontroller based smart charge controller for stand-alone solar photovoltaic power systems. У Проц. IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC).
Battery Space. (n.d.). https://www.batteryspace.com/
Sandeep, M., & Deepika, A. (2019). Charging algorithms of lithium-ion batteries: an overview. У International Conference on Innovative Re-search in Rfi.
Orobchuk, B., Sysak, I., Buniak, O., Babiuk, S., & Koval, V. (2023). Development of the reactive power compensation laboratory bench and its in-tegration into the training simulator of dispatch control system. У The 3rd International Work-shop on Information Technologies: Theoretical and Applied.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
