Литий ионные аккумуляторы: как их защитить? Контроллер разряда Li-Ion на дискретных элементах Схема защиты li ion аккумулятора от разряда
Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) всё чаще приходят литиевые аккумуляторы.
При сравнимом весе одного элемента, литий имеет большую ёмкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше - 3,6 V на элемент, вместо 1,2 V.
Стоимость литиевых аккумуляторов стала приближаться к обычным щелочным батареям, вес и размер намного меньше, да к тому же их можно и нужно заряжать. Производитель говорит, 300-600 циклов выдерживают.
Размеры есть разные и подобрать нужный не составляет труда.
Саморазряд настолько низкий, что лежат годами и остаются заряженными, т.е. устройство остается рабочим когда оно нужно.
«С» значит Capacity
Часто встречается обозначение вида «xC». Это просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора с долях его ёмкости. Образовано от английского слова «Capacity» (вместимость, ёмкость).Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2 × емкость аккумулятора)/h или (0.1 × емкость аккумулятора)/h соответственно.
Например, аккумулятор емкостью 720 mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5 × 720mAh/h = 360 мА, это относится и к разряду.
А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.
Схема простого зарядного устройства на LM317
Рис. 5.
Схема с применением обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения, которое устанавливается потенциометром R2.
Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно стабилизировать ток с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN-транзистора (VT1).
Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx.
Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax.
Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.
Надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжения.
Входное напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.
Схема простого зарядного устройства на LTC4054
Рис. 6.
Можно выпаять контролер заряда LTC4054 из старого сотового телефона, к примеру, Samsung (C100, С110, Х100, E700, E800, E820, P100, P510).
Рис. 7. У этого мелкого 5-ногого чипа маркировка «LTH7» или «LTADY»
Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности.
Ток заряда до 800 мА.
Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 Вольт.
Индикация заряда.
Защита от КЗ на выходе.
Защита от перегрева (снижение тока заряда при температуре больше 120°).
Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.
Ток заряда задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле
I=1000/R,
где I - ток заряда в Амперах, R - сопротивление резистора в Омах.
Индикатор разрядки литиевого аккумулятора
Вот простая схема, которая зажигает светодиод, когда батарея разряжена и её остаточное напряжение близко к критическому.
Рис. 8.
Транзисторы любые маломощные. Напряжение зажигания светодиода подбирается делителем из резисторов R2 и R3. Схему лучше подключать после блока защиты, чтоб светодиод не разрядил аккумулятор совсем.
Нюанс долговечности
Производитель обычно заявляет 300 циклов, но если заряжать литий всего на 0,1 Вольта меньше, до 4.10 В, то количество циклов возрастает до 600 и даже более.Эксплуатация и меры предосторожности
Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случаются неприятности.1. Не доспускается заряд до напряжения, превышающего 4.20 Вольт на банку.
2. Не доспускается короткое замыкание аккумулятора.
3. Не доспускается разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С. 4. Вреден разряд ниже напряжения 3.00 Вольта на банку.
5. Вреден нагрев аккумулятора выше 60°С. 6. Вредна разгерметизация аккумулятора.
7. Вредно хранение в разряженном состоянии.
Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, остальных - к полной или частичной потере ёмкости.
Из практики многолетнего использования могу сказать, что ёмкость аккумуляторов изменяется мало, но увеличивается внутреннее сопротивление и аккумулятор начинает работать меньше по времени при больших токах потребления - создаётся впечатление, что ёмкость упала.
По этому я обычно ставлю ёмкость побольше, какую позволяют габариты устройства, и даже старые банки, которым лет по десять, работают вполне прилично.
Для не очень больших токов подходят старые аккумуляторы от сотовых.
Из старой ноутбучной батареи можно вытащить много вполне рабочих аккумуляторов формата 18650.
Где я применяю литиевые батареи
Давно переделал шуруповерт и электроотвертку на литий. Пользуюсь этими инструментами нерегулярно. Теперь даже через год неиспользования они работают без подзарядки!Маленькие батареи ставлю в детские игрушки, часы и т.д., где с завода стояли 2-3 «таблеточных» элемента. Там где нужно ровно 3V добавляю один диод последовательно и получается как раз.
Ставлю в светодиодные фонарики.
В тестер вместо дорогой и малоёмкой «Кроны 9V» установил 2 банки и забыл все проблемы и лишние затраты.
Вообще ставлю везде, где получается, вместо батареек.
Где я покупаю литий и полезности по теме
Продаются . По этой же ссылке найдёте модули зарядок и пр. полезности для самодельщиков.На счёт ёмкости китайцы обычно врут и она меньше написанной.
Честные Sanyo 18650
Всем радиолюбителям отлично знакомы платы заряда для одной банки li-ion аккумуляторов. Она пользуется большим спросом из за малой цены и неплохих выходных параметров.
Применяется для зарядки ранее указанных аккумуляторов от напряжения 5 Вольт. Подобные платки находят широкое применение в самодельных конструкциях с автономным источником питания в лице литий-ионных аккумуляторов.
Выпускают эти контроллеры в двух вариантах - с защитой и без. Те, что с защитой стоят чуток дорого.
Защита выполняет несколько функций
1) Отключает аккумулятор при глубоком разряде, перезаряде, перегрузке и к.з.
Сегодня мы очень детально проверим эту платку и поймем соответствуют ли обещанные производителем параметры реальным, а также устроим иные тесты, погнали.
Параметры платы приведены ниже
А это схемы, верхняя с защитой, нижняя - без
Под микроскопом заметно, что плата весьма неплохого качества. Двухсторонний стеклотекстолит, никаких "сополей", присутствует шелкография, все входы и выходы промаркированы, перепутать подключение не реально, если быть внимательным.
Микросхема может обеспечить максимальный ток заряда в районе 1 Ампера, этот ток можно изменить подбором резистора Rх (выделено красным).
А это табличка выходного тока в зависимости от сопротивления ранее указанного резистора.
Микросхема задает конечное напряжение зарядки (около 4,2Вольт) и ограничивает ток заряда. На плате имеется два светодиода, красный и синий (цвета могут быть иными) Первый горит в процессе заряда, второй когда аккумулятор полностью заряжен.
Имеется Micro USB разъем, куда подается напряжение 5 вольт.
Первый тест.
Проверим выходное напряжение, до которого будет заряжаться аккумулятор, оно должно быть в от 4,1 до 4,2В
Все верно, претензий нет.
Второй тест
Проверим выходной ток, на этих платах по умолчанию выставлен максимальный ток, а это около 1А.
Будем нагружать выход платы до тех пор, пока не сработает защита, этим имитируя большое потребление на входе или разряженный аккумулятор.
Максимальный ток близок к заявленному, идем дальше.
Тест 3
На место аккумулятора подключен лабораторный блок питания на котором заранее выставлено напряжение в районе 4-х вольт. Снижаем напряжение до тех пор пока защита не отключит аккумулятор, мультиметр отображает выходное напряжение.
Как видим, при 2,4-2,5 вольтах напряжение на выходе пропало, т.е защита свое отрабатывает. Но это напряжение ниже критического, думаю 2,8 Вольт было бы самое оно, в общем не советую разряжать аккумулятор до такой степени, чтобы сработала защита.
Тест 4
Проверка тока срабатывания защиты.
Для этих целей была использована электронная нагрузка, плавно увеличиваем ток.
Защита срабатывает на токах около 3,5 Ампер (отчетливо видно в ролике)
Из недостатков замечу только то, что микросхема безбожно нагревается и не спасает даже теплоемкая плата, к стати - сама микросхема имеет подложку для эффективной теплоотдачи и эта подложка припаяна к плате, последняя играет роль теплоотвода.
Добавить думаю нечего, все прекрасно видели, плата является отличным бюджетным вариантом, когда речь идет о контроллере заряда для одной банки Li-Ion аккумулятора небольшой емкости.
Думаю это одна из самых удачных разработок китайских инженеров, которая доступна всем из-за ничтожной цены.
Счастливо оставаться!
Много раз на mySKU описывались модули зарядки литий-ионных аккумуляторов на базе контроллера TP4056. Применений множество - от переделки игрушек до бытовых поделок. Народный модуль TP4056 со встроенной защитой на базе DW01A прекрасен всем, только нижний порог срабатывания защиты по напряжению 2,5±0,1 В, т.е. 2,4 В в худшем случае. Для большинства современных аккумуляторов это подходит, т.к. у них порог 2,5 В. А что делать, если у вас мешок аккумуляторов с нижним порогом 2,75 В? Можно плюнуть и использовать их с таким модулем. Просто увеличивается риск того, что после разряда аккумулятор выйдет из строя. А можно использовать дополнительную плату защиты, нижний порог напряжения у которой соответствует аккумуляторам. Именно о такой плате я сегодня расскажу.
Понимаю, что большинству эта тема не интересна, но пусть будет для истории, т.к. иногда вопрос поднимается.
Если вы используете аккумуляторы со встроенной защитой, то эта плата вам не нужна, вы можете спокойно использовать «народный» модуль на базе TP4056 без защиты. Если вы используете аккумуляторы без защиты с минимальным напряжением 2,5 В, то вы можете спокойно использоваться «народный» модуль на базе TP4056 с защитой.
Модулей на базе TP4056 с порогом 2,75 В я в продаже не нашёл. Начал искал отдельные модули защиты - выбор большой, есть очень дешёвые, но большинство из них сделаны на том же контроллере DW01A. Модуль из обзора - это самое дешёвое, что я смог найти. 275 рублей за 5 штук.
Модуль крошечный, 39,5 x 4,5 x 2 мм.
Контактные площадки стандартные для защиты одной ячейки: B+, B- для подключения аккумулятора и P+, P- для подключения ЗУ и нагрузки.
Официальные технические характеристики:
Модуль сделана на базе контроллера . Версия BM112-LFEA. Техническим характеристикам соответствует. В роли транзистора выступает двойной N-канальный MOSFET транзистор .
Схема подключения простая:
Для активации модуля защиты достаточно подать питание на P+, P-. Конечно, TP4056 подключать не обязательно, аккумулятор с модулем защиты может спокойно жить своей жизнью (как обычный аккумулятор с защитой).
Практический тест
Это не лабораторный тест, погрешности могут быть большими, но общую картину продемонстрирует.Я буду использовать преобразователь в качестве регулируемого БП, тестер EBD-USB и боевой аккумулятор TrustFire для проверки защиты от КЗ.
Минимальное напряжение:
Уменьшаю напряжение с помощью потенциометра. Защита срабатывает при напряжении 2,7 В. Это не заявленные 2,88 В, но, учитывая возможную погрешность, для аккумуляторов с нижним порогом напряжения 2,75 В подходит.
Максимальная рабочая сила тока:
Максимальная рабочая сила тока составляет 3,6 А. При превышении срабатывает защита. Время срабатывания зависит от нагрева транзистора. Если он горячий, то срабатывает сразу при установке 3,7 А. Если холодный, то через 30 секунд. При токе 4 А защита срабатывает практически сразу в любом случае. Т.е. заявленных 4 А нет, но 3,6 А тоже хорошо.
Температура модуля:
За 5 минут работы при максимальной силе тока транзистор нагрелся до 60 ºC, т.е. лучше не примыкать модуль вплотную к аккумулятору (без прокладки) при монтаже.
Сброс защиты происходит через некоторое время или можно подать напряжение с ЗУ для принудительного сброса.
Защита от КЗ есть… одноразовая:). Подключил свой боевой TrustFire к модулю защиты и замкнул контакты P+, P- через мультиметр. На мультиметре успел мелькнуть ток 14 А, «пшик» произошёл сразу. Сгорел транзистор на плате защиты. При этом плата защиты ток потребителю больше не пропускала, но и не работала по сути больше.
Первым делом встроил один модуль в кейс для установки аккумуляторов 18650 (USB коннектор там просто для удобства, без преобразователя). Обычно я и дети используем его для поделок с помощью мини-дрели.
Заключение
Модули защиты отличные. Заявленные характеристики почти соответствуют реальным. Огорчает только цена, но дешевле для аккумуляторов с порогом 2,75 В я не нашёл. Планирую купить +77 Добавить в избранное Обзор понравился +49 +103На сегодняшний день литий ионные аккумуляторы являются самыми эффективными аккумуляторами. Они компактные, имеют большую энергоемкость, лишены эффекта памяти.
При всех достоинствах у них имеется один существенный недостаток, их работу и процесс заряда нужно тщательно контролировать. Если аккумулятор разрядится ниже некоторого предела или перезарядить, он быстро теряет свои свойства, вздуться и даже взорваться. Тоже самое и в случае перегрузки и коротких замыканиях - нагрев, образование газов и в итоге взрыв.Некоторые литий ионных аккумуляторы снабжены предохранительным клапаном, который не даст аккумулятору взорваться, но большая часть мощных полимерных аккумуляторов таких клапанов не имеют.
Другими словами, при эксплуатации литий ионных аккумуляторов требуется система их защиты.
Многие наверняка заметили маленькие платы в аккумуляторах мобильных телефонов, вот как раз эта плата и является защитой. Защищает она от глубкого разряда, от перезаряда и от коротких замыканий или перегрузок по току.
Схема этой защиты очень простая, на плате находиться пара микросхем с мелочевкой.
За всеми процессами следит микросхема DW01. Вторая микросхема - это сборка из двух полевых транзисторов.
Первый транзистор контролирует процесс разряда, второй отвечает за заряд батареи.Во время разряда микросхема следит за падением напряжения на переходах полевых ключей, если оно доходит до критической величины (150-200мВ), микросхема закрывает транзисторы, отключая батарею от нагрузки. Работа схемы восстанавливается менее чем за секунду после того, после снятия нагрузки.
Падение напряжение на переходах транзисторов микросхема отслеживает через второй вывод.
В зависимости от емкости аккумулятора эти контроллеры могут кардинально отличаться внешним видом, током короткого замыкания и топологией схемы, но функция у них всегда одинаковая - защищать аккумулятор от перезаряда, глубокого разряда и перегрузки по току. Многие контроллеры также обеспечивают защиту от перегрева банки, контроль температуры осуществляется термодатчиком.
У меня скопилось очень много плат защиты от аккумуляторов мобильных телефонов и как раз для одного моего проекта в котором задействован литий ионный аккумулятор понадобилась система защиты. Проблема в том, что эти платы рассчитаны на максимальный ток в 1Ампер, а мне нужна была плата с током минимум 6-7 Ампер. Платы с нужным для моих целей током стоят меньше пол доллара, но ждать месяц-другой я не мог. Осмотрев китайские платы на алиэкспресс я понял, что они не многим отличаются от моих. Схематика та же, только ток защиты побольше за счёт параллельного включения силовых транзисторов.
При параллельном соединении полевых транзисторов, сопротивление их каналов будет значительно меньше, поэтому падение напряжения на них будет меньше, а ток срабатывания защиты будет больше. Параллельное соединение ключей даст возможность коммутировать большие токи, чем больше ключей, тем больше общий ток коммутации.
В схеме применены стандартные сборки из двух полевиков в одном корпусе. Их часто применяют на платах защиты аккумуляторов смартфонов и не только.
Контроллеры сами по себе устройства полезные. И чтобы лучше разобрать эту тему, необходимо работать с определённым примером. Поэтому мы и рассмотрим контролер заряда аккумулятора. Что он собой представляет? Как устроен? Какие особенности работы существуют?
Чем занимается контроллер заряда аккумулятора
Он служит для того, чтобы следить за восстановлением энергетических потерь и тратами. Сначала он занимается отслеживанием превращения электрической энергии в химическую, чтобы в последующем при наличии надобности было снабжение требуемых схем или приборов. Сделать контроллер заряда аккумулятора своими руками не сложно. Но его также можно извлечь из источников питания, которые вышли из строя.
Как устроен контроллер
Конечно, универсальной схемы не существует. Но многие в своей работе используют два посдтроечных резистора, которые регулируют верхний и нижний предел напряжения. Когда оно выходит за заданные рамки, то начинается взаимодействие с обмотками реле, и оно включается. Пока оно работает, напряжение не опустится ниже определённого, технически заранее предусмотренного уровня. Тут следует поговорить о том, что существует различный диапазон границ. Так, для аккумулятора может быть установлено и три, и пять, и двенадцать, и пятнадцать вольт. Теоретически всё упирается в аппаратную реализацию. Давайте рассмотрим, как работает контроллер заряда аккумулятора в разных случаях.
Какие бывают типы
Следует отметить значительное разнообразие, которым могут похвастаться контроллеры заряда аккумулятора. Если говорить о их видах, давайте сделаем классификацию в зависимости от сферы применения:
- Для возобновляемых источников энергии.
- Для бытовой техники.
- Для мобильных устройств.
Конечно, самих видов значительно больше. Но поскольку мы рассматриваем контроллер заряда аккумулятора с общей точки зрения, то нам хватит и их. Если говорить про те, что применяются для и ветряков, то в них верхний предел напряжения обычно равняется 15 вольтам, тогда как нижний - 12 В. При этом аккумулятор может генерировать в стандартном режиме 12 В. Источник энергии подключают к нему с использованием нормально замкнутых контактов реле. Что будет, когда напряжение аккумулятора превышает установленные 15 В? В таких случаях контроллером осуществляется замыкание контактов реле. В результате источник электроэнергии с аккумулятора переключается на нагрузочный балласт. Следует отметить, что его не особенно любят ставить для солнечных панелей из-за определённых побочных эффектов. А вот для они являются обязательными. Бытовая техника и мобильные устройства имеют свои особенности. Причем контроллер заряда аккумулятора планшета, сенсорного и кнопочного сотового телефонов являются практически идентичными.
Заглянем в литиево-ионный аккумулятор сотового телефона
Если расковырять любую батарею, то можно заметить, что к выводам ячейки припаивается маленькая Она называется схемой защиты. Дело в том, что требуют наличия постоянного контроля. Обычная схема контроллера представляет собой миниатюрную плату, на которой базируется схема, сделанная из SMD-компонентов. Она в свою очередь делится на две микросхемы - одна из них является управляющей, а другая - исполнительной. Давайте поговорим более детально о второй.
Исполнительная схема
Она базируется на Обычно их два. Сама же микросхема может иметь 6 или 8 выводов. Для раздельного контроля заряда и разряда ячейки аккумулятора используют два полевых транзистора, которые находятся в одном корпусе. Так, один из них может подключать или отключать нагрузку. Второй транзистор делает эти же действия, но уже с источником питания (в качестве которого выступает зарядное устройство). Благодаря такой схеме реализации можно без проблем влиять на работу аккумулятора. При желании ею можно воспользоваться и в другом месте. Но следует учитывать, что схема контроллера заряда аккумулятора и он сам может применяться только к устройствам и элементам, что обладают ограниченным диапазоном работы. Более детально о таких особенностях мы сейчас и поговорим.
Защита от перезаряда
Дело в том, что если напряжение превысит 4,2, то может возникнуть перегрев и даже произойти взрыв. Для этого подбираются такие элементы микросхем, которые будут прекращать заряд при достижении данного показателя. И обычно, пока напряжение не достигнет показателя в 4-4,1 В из-за использования или в процессе саморазряда, дальнейшая зарядка будет невозможной. Это важная функция, которая возложена на контроллер заряда литиевых аккумуляторов.
Защита от переразряда
Когда напряжение достигает критически малых значений, которые делают проблемным само функционирование устройства (обычно это диапазон в 2,3-2,5В), то выключается соответствующий MOSFET-транзистор, который отвечает за подачу тока мобильнику. Далее происходит переход в режим сна с минимальным потреблением. И тут имеется довольно интересный аспект работы. Так, пока напряжение ячейки аккумулятора не станет больше 2,9-3,1 В, мобильное устройство не получится включить для работы в обычно режиме. Наверное, такое вы могли замечать, что когда подключаешь телефон, он показывает, что идёт зарядка, но сам включаться и функционировать в обычном режиме не хочет.
Заключение
Как видите, контроллер заряда Li-Ion-аккумулятора играет важную роль в обеспечении длительности работоспособности мобильных устройств и позитивно сказывается на сроке их службы. Благодаря простоте производства их можно найти практически в любом телефоне или планшете. Если будет желание собственными глазами увидеть, а руками потрогать контроллер заряда Li-Ion-аккумулятора и его содержимое, то при разборе следует помнить, что работа ведётся с химическим элементомв, поэтому следует соблюдать определённую осторожность.