Схемы защиты литий ионных аккумуляторов. Полный обзор платы заряда li-ion аккумуляторов - электроника - обзоры - качественные обзоры товаров из китая. Защита от перезаряда

Не секрет, что Li-ion аккумуляторы не любят глубокого разряда. От этого они хиреют и чахнут, а также увеличивают внутреннее сопротивление и теряют емкость. Некоторые экземпляры (те, которые с защитой) могут даже погрузиться в глубокую спячку, откуда их довольно проблематично вытаскивать. Поэтому при использовании литиевых аккумуляторов необходимо как-то ограничить их максимальный разряд.

Для этого применяют специальные схемы, отключающие батарею от нагрузки в нужный момент. Иногда такие схемы называют контроллерами разряда.

Т.к. контроллер разряда не управляет величиной тока разряда, он, строго говоря, никаким контроллером не является. На самом деле это устоявшееся, но некорректное название схем защиты от глубокого разряда.

Вопреки распространенному мнению, встроенные в аккумуляторы (PCB-платы или PCM-модули) не предназначены ни для ограничения тока заряда/разряда, ни для своевременного отключения нагрузки при полном разряде, ни для корректного определения момента окончания заряда.

Во-первых, платы защиты в принципе не способны ограничивать ток заряда или разряда. Этим должно заниматься ЗУ. Максимум, на что они способны - это вырубить аккумулятор при коротком замыкании в нагрузке или при его перегреве.

Во-вторых, большинство модулей защиты отключают li-ion батарею при напряжении 2.5 Вольта или даже меньше. А для подавляющего большинства аккумуляторов - это ооооочень сильный разряд, такого вообще нельзя допускать.

В-третьих, китайцы клепают эти модули миллионами... Вы правда верите, что в них используются качественные прецизионные компоненты? Или что их кто-то там тестирует и настраивает перед установкой в аккумуляторы? Разумеется, это не так. При производстве китайских плат неукоснительно соблюдается лишь один принцип: чем дешевле - тем лучше. Поэтому если защита будет отключать АКБ от зарядного устройства точно при 4.2 ± 0.05 В, то это, скорее, счастливая случайность, чем закономерность.

Хорошо, если вам достался PCB-модуль, который будет срабатывать чуть раньше (например, при 4.1В). Тогда аккумулятор просто не доберет с десяток процентов емкости и все. Гораздо хуже, если аккумулятор будет постоянно перезаряжаться, например, до 4.3В. Тогда и срок службы сокращается и емкость падает и, вообще, может вспухнуть.

Использовать встроенные в литий-ионный аккумуляторы платы защиты в качестве ограничителей разряда НЕЛЬЗЯ! И в качестве ограничителей заряда - тоже. Эти платы предназначены только для аварийного отключения аккумулятора при возникновении нештатных ситуаций.

Поэтому нужны отдельные схемы ограничения заряда и/или защиты от слишком глубокого разряда.

Простые зарядные устройства на дискретных компонентах и специализированных интегральных схемах мы рассматривали в . А сегодня поговорим о существующих на сегодняшний день решениях, позволяющих оградить литиевый аккумулятор от слишком большого разряда.

Для начала предлагаю простую и надежную схему защиты Li-ion от переразряда, состоящую всего из 6 элементов.

Указанные на схеме номиналы дадут приведут к отключению аккумуляторов от нагрузки при снижении напряжения до ~10 Вольт (я делал защиту для 3х последовательно включенных аккумуляторов 18650, стоящих в моем металлоискателе). Вы можете задать свой собственный порог отключения путем подбора резистора R3.

К слову сказать, напряжение полного разряда Li-ion аккумулятора составляет 3.0 В и никак не меньше.

Полевик (такой как в схеме или ему подобный) можно выколупать из старой материнской платы от компа, обычно их там сразу несколько штук стоит. ТЛ-ку, кстати, тоже можно взять оттуда же.

Конденсатор С1 нужен для первоначального запуска схемы при включении выключателя (он кратковременно подтягивает затвор Т1 к минусу, что открывает транзистор и запитывает делитель напряжения R3,R2). Далее, после заряда С1, нужное для отпирания транзистора напряжение поддерживается микросхемой TL431.

Внимание! Указанный на схеме транзистор IRF4905 отлично будет защищать три последовательно включенных литий-ионных аккумулятора, но совершенно не подойдет для защиты одной банки напряжением 3.7 Вольта. О том, как самому определить подходит полевой транзистор или нет, говорится .

Минус данной схемы: в случае КЗ в нагрузке (или слишком большого потребляемого тока), полевой транзистор закроется далеко не сразу. Время реакции будет зависеть от емкости конденсатора С1. И вполне возможно, что за это время что-нибудь успеет как следует выгореть. Схема, мгновенно реагирующая на коротыш в нагрузке, представлена ниже:

Выключатель SA1 нужен для "перезапуска" схемы после срабатывания защиты. Если конструкция вашего прибора предусматривает извлечение аккумулятора для его зарядки (в отдельном ЗУ), то этот выключатель не нужен.

Сопротивление резистора R1 должно быть таким, чтобы стабилизатор TL431 выходил на рабочий режим при минимальном напряжении аккумулятора - его подбирают таким образом, чтобы ток анод-катод был не меньше 0.4 мА. Это порождает еще один недостаток данной схемы - после срабатывания защиты схема продолжает потреблять энергию от батареи. Ток хоть и небольшой, но его вполне достаточно, чтобы полностью высосать небольшой аккумулятор за какие-то пару-тройку месяцев.

Приведенная ниже схема самодельного контроля разряда литиевых аккумуляторов лишена указанного недостатка. При срабатывании защиты потребляемый устройством ток настолько мал, что мой тестер его даже не обнаруживает.

Ниже представлен более современный вариант ограничителя разряда литиевого аккумулятора с применением стабилизатора TL431. Это, во-первых, позволяет легко и просто выставить нужный порог срабатывания, а во-вторых, схема имеет высокую температурную стабильность и четкость отключения. Хлоп и все!

Достать ТЛ-ку сегодня вообще не проблема, они продаются по 5 копеек за пучок. Резистор R1 устанавливать не нужно (в некоторых случаях он даже вреден). Подстроечник R6, задающий напряжение срабатывания, можно заменить цепочкой из постоянных резисторов, с подобранными сопротивлениями.

Для выхода из режима блокировки, нужно зарядить аккумулятор выше порога срабатывания защиты, после чего нажать кнопку S1 "Сброс".

Неудобство всех вышеприведенных схем заключается в том, что для возобновления работы схем после ухода в защиту, требуется вмешательство оператора (включить-выключить SA1 или нажать кнопочку). Это плата за простоту и низкое потребление энергии в режиме блокировки.

Простейшая схема защиты li-ion от переразряда, лишенная всех недостатков (ну почти всех) показана ниже:

Принцип действия этой схемки очень похож на первые две (в самом начале статьи), но здесь нет микросхемы TL431, а поэтому собственный ток потребления можно уменьшить до очень небольших значений - порядка десяти микроампер. Выключатель или кнопка сброса также не нужны, схема автоматически подключит аккумулятор к нагрузке как только напряжение на нем превысит заданное пороговое значение.

Конденсатор С1 подавляет ложные срабатывание при работе на импульсную нагрузку. Диоды подойдут любые маломощные, именно их характеристики и количество определяют напряжение срабатывания схемы (придется подобрать по месту).

Полевой транзистор можно использовать любой подходящий n-канальный. Главное, чтобы он не напрягаясь выдерживал ток нагрузки и умел открываться при низком напряжении затвор-исток. Например, P60N03LDG, IRLML6401 или аналогичные (см. ).

Вышеприведенная схема всем хороша, но имеется один неприятный момент - плавное закрытие полевого транзистора. Это происходит из-за пологости начального участка вольт-амперной характеристики диодов.

Устранить этот недостаток можно с помощью современной элементной базы, а именно - с помощью микромощных детекторов напряжения (мониторов питания с экстремально низким энергопотреблением). Очередная схема защиты лития от глубокого разряда представлена ниже:

Микросхемы MCP100 выпускается как в DIP-корпусе, так и в планарном исполнении. Для наших нужд подойдет 3-вольтовый вариант - MCP100T-300i/TT . Типовой потребляемый ток в режиме блокировки - 45 мкА. Стоимость мелким оптом порядка 16 руб/шт .

Еще лучше вместо MCP100 применить монитор BD4730 , т.к. у него выход прямой и, следовательно, нужно будет исключить из схемы транзистор Q1 (выход микросхемы соединить напрямую с затвором Q2 и резистором R2, при этом R2 увеличить до 47 кОм).

В схеме применяется микроомный p-канальный MOSFET IRF7210 , без проблем коммутирующий токи в 10-12 А. Полевик полностью открывается уже при напряжении на затворе около 1.5 В, в открытом состоянии имеет ничтожное сопротивление (менее 0.01 Ом)! Короче, очень крутой транзистор. А, главное, не слишком дорогой.

По-моему, последняя схема наиболее близка к идеалу. Если бы у меня был неограниченный доступ к радиодеталям, я бы выбрал именно ее.

Небольшое изменение схемы позволяет применить и N-канальный транзистор (тогда он включается в минусовую цепь нагрузки):

Мониторы (супервизоры, детекторы) питания BD47xx - это целая линейка микросхем с напряжением срабатывания от 1.9 до 4.6 В с шагом 100 мВ, так что можно всегда подобрать под ваши цели.

Небольшое отступление

Любую из вышеприведенных схем можно подключить к батарее из нескольких аккумуляторов (после некоторой подстройки, конечно). Однако, если банки будут иметь отличающуюся емкость, то самый слабый из аккумуляторов будет постоянно уходить в глубокий разряд задолго до того, как схема будет срабатывать. Поэтому в таких случаях всегда рекомендуется использовать батареи не только одинаковой емкости, но и желательно из одной партии.

И хотя в моем металлодетекторе такая защита работает без нареканий уже года два, все же гораздо правильнее было бы следить за напряжением на каждом аккумуляторе персонально.

Всегда используйте свой персональный контроллер разряда Li-ion аккумулятора на каждую банку. Тогда любая ваша батарея будет служить долго и счастливо.

О том, как подобрать подходящий полевой транзистор

Во всех вышеприведенных схемах защиты литий-ионных аккумуляторов от глубокого разряда применяются MOSFETы, работающие в ключевом режиме. Такие же транзисторы обычно используются и в схемах защиты от перезаряда, защиты от КЗ и в других случаях, когда требуется управление нагрузкой.

Разумеется, для того, чтобы схема работала как надо, полевой транзистор должен удовлетворять определенным требованиям. Сначала мы определимся с этими требованиями, а затем возьмем парочку транзисторов и по их даташитам (по техническим характеристикам) определим, подходят они нам или нет.

Внимание! Мы не будем рассматривать динамические характеристики полевых транзисторов, такие как скорость переключения, емкость затвора и максимальный импульсный ток стока. Указанные параметры становятся критично важными при работе транзистора на высоких частотах (инверторы, генераторы, шим-модуляторы и т.п.), однако обсуждение этой темы выходит за рамки данной статьи.

Итак, мы должны сразу же определиться со схемой, которую хотим собрать. Отсюда первое требование к полевому транзистору - он должен быть подходящего типа (либо N- либо P-канальный). Это первое.

Предположим, что максимальный ток (ток нагрузки или ток заряда - не важно) не будет превышать 3А. Отсюда вытекает второе требование - полевик должен длительное время выдерживать такой ток .

Третье. Допустим наша схема будет обеспечивать защиту аккумулятора 18650 от глубокого разряда (одной банки). Следовательно мы можем сразу же определиться с рабочими напряжениями: от 3.0 до 4.3 Вольта. Значит, максимальное допустимое напряжение сток-исток U ds должно быть больше, чем 4.3 Вольта.

Однако последнее утверждение верно только в случае использования только одной банки литиевого аккумулятора (или нескольких включенных параллельно). Если же для питания вашей нагрузки будет задействована батарея из нескольких последовательно включенных аккумуляторов, то максимальное напряжение сток-исток транзистора должно превышать суммарное напряжение всей батареи .

Вот рисунок, поясняющий этот момент:

Как видно из схемы, для батареи из 3х последовательно включенных аккумуляторов 18650 в схемах защиты каждой банки необходимо применять полевики с напряжением сток-исток U ds > 12.6В (на практике нужно брать с некоторым запасом, например, в 10%).

В то же время, это означает, что полевой транзистор должен уметь полностью (или хотя бы достаточно сильно) открываться уже при напряжении затвор-исток U gs менее 3 Вольт. На самом деле, лучше ориентироваться на более низкое напряжение, например, на 2.5 Вольта, чтобы с запасом.

Для грубой (первоначальной) прикидки можно глянуть в даташите на показатель "Напряжение отсечки" (Gate Threshold Voltage ) - это напряжение, при котором транзистор находится на пороге открытия. Это напряжение, как правило, измеряется в момент, когда ток стока достигает 250 мкА.

Понятно, что эксплуатировать транзистор в этом режиме нельзя, т.к. его выходное сопротивление еще слишком велико, и он просто сгорит из-за превышения мощности. Поэтому напряжение отсечки транзистора должно быть меньше рабочего напряжения схемы защиты . И чем оно будет меньше, тем лучше.

На практике для защиты одной банки литий-ионного аккумулятора следует подбирать полевой транзистор с напряжением отсечки не более 1.5 - 2 Вольт.

Таким образом, главные требования к полевым транзисторам следующие:

• тип транзистора (p- или n-channel);
• максимально допустимый ток стока;
• максимально допустимое напряжение сток-исток U ds (вспоминаем, как будут включены наши аккумуляторы - последовательно или параллельно);
• низкое выходное сопротивление при определенном напряжение затвор-исток U gs (для защиты одной банки Li-ion следует ориентироваться на 2.5 Вольта);
• максимально допустимая мощность рассеивания.

Теперь давайте на конкретных примерах. Вот, например, в нашем распоряжении имеются транзисторы IRF4905, IRL2505 и IRLMS2002. Взглянем на них поближе.

Пример 1 - IRF4905

Открываем даташит и видим, что это транзистор с каналом p-типа (p-channel). Если нас это устраивает, смотрим дальше.

Максимальный ток стока - 74А. С избытком, конечно, но подходит.

Напряжение сток-исток - 55V. У нас по условию задачи всего одна банка лития, так что напряжение даже больше, чем требуется.

Далее нас интересует вопрос, каким будет сопротивление сток-исток, при открывающем напряжении на затворе 2.5V. Смотрим в даташит и так сходу не видим этой информации. Зато мы видим, что напряжение отсечки U gs(th) лежит в диапазоне 2...4 Вольта. Нас это категорически не устраивает.

Последнее требование не выполняется, поэтому транзистор забраковываем .

Пример 2 - IRL2505

Вот его даташит . Смотрим и сразу же видим, что это очень мощный N-канальный полевик. Ток стока - 104А, напряжение сток-исток - 55В. Пока все устраивает.

Проверяем напряжение V gs(th) - максимум 2.0 В. Отлично!

Но давайте посмотрим, каким сопротивлением будет обладать транзистор при напряжении затвор-исток = 2.5 вольта. Смотрим график:

Получается, что при напряжении на затворе 2.5В и токе через транзистор в 3А, на нем будет падать напряжение в 3В. В соответствии с законом Ома, его сопротивление в этот момент будет составлять 3В/3А=1Ом.

Таким образом, при напряжении на банке аккумулятора около 3 Вольт, он просто не сможет отдать в нагрузку 3А, так как для этого общее сопротивление нагрузки вместе с сопротивлением сток-исток транзистора должно составлять 1 Ом. А у нас только один транзистор уже имеет сопротивление 1 Ом.

К тому же при таком внутреннем сопротивлении и заданном токе, на транзисторе будет выделяться мощность (3 А) 2 * 3 Ом = 9 Вт. Поэтому потребуется установка радиатора (корпус ТО-220 без радиатора сможет рассеивать где-то 0.5...1 Вт).

Дополнительным тревожным звоночком должен стать тот факт, что минимальное напряжение затвора для которого производитель указал выходное сопротивление транзистора равно 4В.

Это как бы намекает на то, что эксплуатация полевика при напряжении U gs менее 4В не предусматривалась.

Учитывая все вышесказанное, транзистор забраковываем .

Пример 3 - IRLMS2002

Итак, достаем из коробочки нашего третьего кандидата. И сразу смотрим его ТТХ .

Канал N-типа, допустим с этим все в порядке.

Ток стока максимальный - 6.5 А. Подходит.

Максимально допустимое напряжение сток-исток V dss = 20V. Отлично.

Напряжение отсечки - макс. 1.2 Вольта. Пока нормально.

Чтобы узнать выходное сопротивление этого транзистора нам даже не придется смотреть графики (как мы это делали в предыдущем случае) - искомое сопротивление сразу приведено в таблице как раз для нашего напряжения на затворе.

Прислал:

Самодельная схема защиты для литиевого аккумулятора, плюс, небольшие комментарии.

Опыт использования Li-Ion аккумуляторов

Всем известны преимущества литиевых аккумуляторов – в первую очередь это высокая энергетическая плотность, малый вес и отсутствие "эффекта памяти". Также стоит отметить, что потенциал одного литиевого аккумулятора (3,6В) в три раза больше одного никель-кадмиевого или никель-металлогидридного аккумулятора (1,2В).

Однако, литиевые аккумуляторы имеют ряд особенностей, которые не позволяют безопасно использовать их без специальных систем контроля. Эти системы называют контроллерами заряда и разряда. В современной промышленности существуют готовые высокоинтегрированные микросхемы для выполнения этих функций. Но, как оказалось, они не доступны для массового использования. Их не продают в магазинах радиодеталей поштучно. Их нужно заказывать в компаниях, специализирующихся на поставке электронных компонентов для предприятий и ремонтных мастерских. А минимальная партия в таком случае составляет от 10шт (это в лучшем случае).

Все это подвигло нас на разработку своего контроллера на дискретных элементах, доступных в любом провинциальном магазине радиотоваров.

При разряде Li-аккумулятора нужно контролировать его напряжение и силу тока в цепи.

Напряжение на заряженном литиевом аккумумуляторе составляет 4,2В, а не 3,6В, как на нем написано. До 3,6В оно падает под нагрузкой, близкой к ёмкости аккумулятора. Контроль напряжения заключается в том, чтобы не дать аккумулятору разрядиться ниже 3В. Этот порог варьируется в пределах 0,5В в зависимости от химического состава и геометрической формы аккумулятора. Разряд аккумулятора ниже 3В (обычно, примерно, до 2.2В. Прим.ред. ), приводит к необратимым химическим процессам внутри аккумулятора, что делает его непригодным для дальнейшего использования.

Для контроля силы тока в цепи нужно предусмотреть механизм отключения, аналогичный автомату, который стоит в электрощите в каждой квартире. Т.е. он должен защищать от короткого замыкания и отключаться при превышении определенного тока в цепи. В общем случае максимальный ток разряда, который может выдать аккумулятор (приблизительно, т.к. есть аккумуляторы, в которых разрядный ток может составлять до 10...15 С. Прим.ред. ) равен его ёмкости. Например, аккумулятор ёмкостью 2А ч может безопасно выдавать ток в 2А. Работа аккумулятора на токах, превышающих его ёмкость, возможна в кратковременных режимах, или в нормальном режиме, если это указано в документации производителем аккумуляторов. При коротком замыкании литиевый аккумулятор может взорваться! Будьте осторожны!

Подробнее о химических процессах, режимах заряда и разряда литиевых аккумуляторов можно прочитать здесь Panasonic Lithium Ion Handbook (на английском языке).

Батарея от ноутбука

Всё началось с того, что в моём ноутбуке отключилась аккумуляторная батарея. Ноутбуку было два года, от аккумулятора он почти не работал – все время был включен в сеть. Как потом мне сказали, это и могло быть причиной поломки аккумулятора. Т.е. это было не медленное умирание аккумулятора с понижением емкости, наоборот, ноутбук работал от него часов пять, просто в один прекрасный день, он не включился от батареи и всё. Батарея перестала определяться в Windows, и я сделал вывод, что сгорел встроенный контроллер аккумуляторной батареи. Разобрав батарею, мы увидели 6 элементов, объединённые по 2 в 3 ячейки с последовательно-параллельным соединением.

Измерив напряжение на каждой ячейке, мы убедились, что они заряжены. Это еще раз подтвердило версию поломки контроллера. При внешнем осмотре контроллера никаких видимых повреждений найдено не было. Идею ремонта контроллера я отверг, как трудновыполнимую (на форумах народ писал о перепайке и программировании процессора контроллера). И вообще, сложность этого контроллера произвела сильное впечатление. Кто знает, что действительно там выгорело?

Поэтому я заказал новую батарею, а этой решил заняться позже. А зря!

Занялся я им месяца через два. Выдрал элементы из корпуса, отключил от контроллера, измерил на них напряжение и сильно удивился - 4 элемента были полностью разряжены! А на остальных двух напряжение было около 1В. Видимо испорченный контроллер полностью разрядил через себя 2 ячейки.

По инструкции, аккумулятор разряженные ниже 3В, следовало заряжать током 0,1 от емкости. Эти 4 элемента зарядить не удалось. Никакие танцы с бубном, замораживание и оттаивание, постукивание и т.д. не помогли. Пришлось их выкинуть. Вот это и есть глубокий переразряд, который убивает литиевые аккумуляторы. Оставшиеся два элемента зарядить удалось.

На элементах была маркировка Sanyo UR18650FM 2,6AH. Сразу понятно, что емкость элемента 2,6А ч и производит его японская корпорация Sanyo. Поиски по сайту этой корпорации привели нас к документу с названием UR18650F . Только буквы М в конце нет. Документ оказался очень интересным. В нём были технические характеристики аккумулятора с ёмкостью 2,5А ч, габариты совпадали с нашим (этот габарит 18650, т.е. 18 мм диаметром и 65 мм длинной является стандартным и выпускается многими фирмами. Прим.ред. ).

Решив использовать этот документ в качестве руководства к действию, мы приступили к проектированию своего контроллера разряда.

Из графика “Discharge rate characteristics” (характеристики динамики разряда) стало ясно, что элемент допускает разряд до 2,7В и силу тока 2С, т.е. равным удвоенной ёмкости. Соответственно наш элемент с емкостью 2,6А ч может выдавать 5,2А.

Контроллер разряда

Всесторонне проанализировав этот документ и другую справочную литературу, Скворцов Владимир Николаевич (не путать со Старлингом) создал контроллер для работы с одним или двумя литиевыми элементами. Контроллер защищает элементы от короткого замыкания и переразряда.

Схема контроллера, представленного на рисунке, обеспечивает отключение нагрузки при падении напряжения на аккумуляторах до 6В (3В на каждом элементе). Коротким замыканием считается сила тока выше 4А.

Для использования контроллера с одним элементом (отключение на 3В) нужно подобрать (увеличить) резистор R1 – он отвечает за порог срабатывания при падении напряжения. Также нужно учитывать индивидуальные особенности транзистора VT1 (допуск % отклонения).

Для контроля силы тока подбирают резистор R7. Чем меньше его номинал, тем больший ток пропускает контроллер.

В качестве транзистора VT3 можно использовать любой мощный полевой транзистор с запасом по току в 3 раза больше ёмкости аккумуляторов, например 15N03. (Одно из требований к этому транзистору, минимальное сопротивление в открытом состоянии для снижения потерь на нём. Прим.ред. )

Принцип и режимы работы контроллера

Включение, нормальный режим

При подключении батареи из двух заряженных аккумуляторов (8,4В) открывается транзистор VT4. За счет базового тока через R4 напряжение на эмиттере VT4 становится около 0,7В. Также резистор R4 удерживает VT2 в закрытом состоянии.

При открытии VT4, через делитель R1-R2 начинает протекать ток, который создает падение напряжения на R1, и VT1 открывается. Напряжение на его стоке становится близким к напряжению на аккумуляторной батарее. Через резистор R3 оно подается на затвор VT3 и он открывается. При этом «-» батареи через R7 и открытый VT3 подключается к выходной клемме «-». Контроллер включился.

Защита от переразряда

Когда напряжение на аккумуляторной батарее достигает 6В (3В на каждом элементе), напряжение на делителе R1-R2 уменьшается, напряжение на затворе VT1 тоже уменьшается до порога закрытия, VT1 закрывается. Затвор VT3 оказывается подключенным через R6 к «-» аккумуляторной батареи, поэтому VT3 тоже закрывается. Нагрузка отключается. Для приведения контроллера в исходное состояние нужно отсоединить нагрузку и зарядить батарею.

При тестировании собранной схемы к ней нужно подключать хоть какую-нибудь минимальную нагрузку, например светодиоды. Механизм защиты работает только с подключенной нагрузкой, к тому же светодиоды будут наглядно индицировать отключение нагрузки.

Защита от короткого замыкания

Ток короткого замыкания задает R7. Чем меньше его номинал, тем больший ток пропускает контроллер. В схеме на рис.1 используется резистор 0,1 Ома. С таким резистором контроллер допускает ток до 4А, больший ток считается коротким замыканием. При работе на больших токах резистор R7 должен быть достаточной мощности – не менее 1Вт.

При превышении допустимого тока, падение напряжения на R7 + падение напряжения на исток – сток VT3 увеличивается до уровня открытия VT2. Открытый VT2 подключает затвор VT3 к «-» батареи, VT3 закрывается. Сток VT3 а также база VT4 и затвор VT2 через нагрузку подключаются к «+» батареи. VT4 закрывается, на делителе R1-R2 напряжение около 0, VT1 тоже закрывается. Нагрузка отключается. Для приведения контроллера в исходное состояние нужно отсоединить нагрузку.

(Что не шибко хорошо в данной схеме.
1. Необходимость подбирать номиналы резисторов для настройки на порог срабатывания транзистора. Т.е. подходит только для единичного, домашнего изготовления.
2. Большие номиналы резисторов. Это ведёт к тому, что их нужно очень тщательно изолировать от влаги, иначе будет очень большая нестабильность порогов срабатывания.
3. Отключение выхода при превышении тока без автоматического восстановления ведёт к тому, что запитать ёмкостную нагрузку может быть проблематично, т.к. при подключении нагрузки будет большой импульсный ток, что может вызвать срабатывание защиты.
Прим.ред.)

Печатная плата

Печатную плату в формате Sprint-Layout 4 можно .

Если у Вас нет этой программы, ее можно .

Габариты устройства (30 х 16мм) были выбраны для возможности его установки в торец аккумуляторной батареи.

Фотографии устройства

Обратите внимание, что база транзистора VT4 (КТ3107) и затвор VT2 (2SK583) являются проводниками на обратную сторону печатной платы.

Подготовка аккумуляторов

Не используйте в одном устройстве аккумуляторы разных типов, ёмкостей и производителей. Лучше и безопаснее найти одинаковые элементы.

При использовании двух элементов нужно уравновесить их начальный потенциал – т.е. у них должно быть одинаковое напряжение. Для этого соединяют их отрицательные полюса (минусы) напрямую, а положительные через резистор 30 Ом. Мощность резистора 1 или 2 ватта. Потом нужно измерить напряжение на выводах резистора. Если оно больше 10 милливольт – нужно ждать. Ждать нужно около суток. Получается, что более заряженный аккумулятор медленно через резистор разряжается на менее заряженный. Т.о. напряжение на них выравнивается. Уравновешенные элементы можно соединять напрямую без резистора – последовательно или параллельно.

(На самом деле, достаточно резистора в 1 Ом и даже менее, это при полностью разряженной одной батарее и полностью заряженной другой. Через некоторое время эти аккумуляторы можно соединить напрямую, без резисторов. В этом случае, их роль будет выполнять внутреннее сопротивление аккумуляторов. И процесс барансировки будет гораздо быстрее. Прим.ред. )

Небольшое уточнение по поводу последовательного соединения. Заводские интегральные контроллеры разряда следят за напряжением на каждом из последовательно соединенных элементов. Наш контроллер контролирует только общее напряжение на выходе. Измерения показали, что при использовании уравновешенных элементов, разность напряжения на элементах составляет 5 – 8 милливольт. Это вполне допустимо. Поэтому нет надобности в установке отдельного контроллера на каждом элементе.

(Однако, время от времени необходимо всё же вручную контролировать напряжение на банках, т.к. оно может со временем постепенно всё больше и больше различаться. Например, вследствии различных токов утечки, различных внутренних сопротивлений. Поэтому "ручной" контроль обязателен , даже если при сборке батареи аккумуляторы были "идентичны". Прим.ред. )

Теория заряда

Заводские контроллеры заряда контролируют напряжение, ток и время заряда, выбирают нормальный или щадящий режим. Если напряжение на элементе выше 3В, он заряжается в нормальном режиме. Процесс зарядки в таком случае идет в 2 этапа:
1 этап – зарядка постоянным током (Constant current – CC);
2 этап – зарядка постоянным напряжением (Constant voltage – CV).

Максимальный ток заряда зависит от емкости (С) аккумулятора, как правило это 0,7С или 1,0С. Для наших элементов ток заряда был указан в документе, и равнялся 0,7С. Конечное напряжение заряда 4,2В (для одного элемента).

Блок питания для заряда одного аккумулятора должен иметь напряжение 4,2В и обеспечивать силу тока 0,7С (где С – емкость аккум., в нашем случае 2,6 0,7=1,82А). Если элементы соединены последовательно, то удваивается напряжение заряда – 8,4В. Если параллельно, удваивается сила тока 2 0,7С=1,4С, а напряжение остается 4,2В.

(Это не совсем верно. Если взять блок питания с напряжением 4.2В и ограниченным током и попытаться заряжать от него аккумулятор, то зарядка будет очень долгой. И зарядный ток будет не слишком большим и может составлять десяток или сотню миллиампер (хотя, сам блок питания мог бы выдавать и амперы). Особенно этот ток снижается в конце зарядки из-за того, что разность напряжений между блоком питания и аккумулятором становится всё меньше и меньше и она уже не может "протолкнуть" в аккумулятор большой ток, который ограничивается внутренним сопротивлением.
Поэтому, для того, чтобы сделать "грамотную" зарядку нужно иметь блок питания с напряжением хотя бы на 1В выше, чем зарядное, т.е. более 5В на банку. В этом случае зарядный ток определяется ограничителем тока блока питания, а не аккумулятором. Только по достижению 4.2В блок питания должен начинать снижать ток, чтобы не допускать поднятия напряжения на аккумуляторе выше этого значения.
Более того, заводские зарядники часто ведут зарядку до напряжений 4.25...4.3В измеряемого "под током" , т.к. после отключения зарядного напряжения, напряжение на аккумуляторе снижается и становится меньше примерно на 0.1В, в зависимости от тока зарядки. Последний метод не очень универсальный, т.к. надо заранее знать и величину снижения напряжения на аккумуляторе после снятия тока зарядки. А она зависит от внутреннего сопротивления аккумулятора и индивидуальна. Прим.ред.)

На графике Charge characteristics (характеристики заряда) показаны оба этапа зарядки. На первом этапе через аккумулятор пропускают ток 0,7С. Здесь главное – не дать току подняться выше этого значения (абсолютно не обязательно, можно заряжать и 1А и 0.1А. Прим.ред. ). В то же время, напряжение на элементе постепенно увеличивается с 3 до 4,2В. Этап так и называется – постоянный ток (CC), это значит, что пока напряжение растёт, ток остается постоянным (и задаётся ограничителем блока питания. Прим.ред. ).

Первый этап заканчивается, когда напряжение на элементе достигает 4,2В. Это обозначено красной цифрой 1 на графике. С этого момента начинается второй этап – постоянное напряжение (CV). Это значит, что напряжение остается постоянным 4,2В, а сила тока постепенно снижается до исчезающе малого значения. Момент начала снижения силы тока обозначен на графике красной цифрой 2.

Как видно из графика, 80% набора ёмкости приходится на первый этап.

Заводские контроллеры считают зарядку законченной, когда ток упадет до заданного значения - как правило, это 0,1С. На нашем графике это 50 миллиампер. Также некоторые заводские контроллеры следят за временем зарядки. Если за определенное время аккумулятор не зарядился полностью (ток не упал до нужного значения), контроллер тоже прекращает заряд. Время заряда зависит от ёмкости и тока заряда, и указывается в документации. Для нашего аккумулятора это приблизительно 3 часа при силе тока 0,7С.

Щадящий режим заряда выбирается контроллером в том случае, если напряжение на аккумуляторе было ниже 3В. Такой элемент считается глубоко разряженным, и заряжать его нужно осторожно. В таком случае зарядка начинается с этапа Precharge (предварительный заряд). На этом этапе ток заряда устанавливается 0,1 от емкости (0,1С). Этим током напряжение на элементе медленно поднимают до 3В. А дальше все как обычно.

Если использовать исправные элементы и не разряжать их ниже 3В, можно вполне обойтись подручными средствами. Для этого понадобится блок питания с напряжением 4,2 или 8,4В и ограничением силы тока. Окончание заряда можно отслеживать по силе тока или не отслеживать вовсе, а отключать блок питания через 2 или 3 часа.
(Недостаток такого способа - слишком долгая зарядка, реально 5...8 и более часов. Причина была дана выше. Прим.ред. )

В ближайшем будущем мы опубликуем способы доработки обычных блоков питания для соответствия выше описанным характеристикам.

Продолжение следует…

Разработка устройства и печатной платы - Скворцов Владимир Николаевич
Постановка задачи, подача и оформление материала - Угренинов Виталий
Тюмень-Космопоиск, 2009

Используемые источники

Контроль напряжения на каждой из ячеек:
При выходе напряжения на какой-либо из ячеек за пороговые значения вся батарея автоматически отключается.
Контроль по току:
При превышении током нагрузки пороговых значений вся батарея автоматически отключается.

Описание выводов:
" B- " - общий минус батареи
" B1 " - +3,7В
" B2 " - +7,4В
" B3 " - +11,1В
" B+ " - общий плюс батареи
" P- " - минус нагрузки (зарядного устройства)
" P+ " - плюс нагрузки (зарядного устройства)
"T " - выход терморезистора NTC 10K

Контроллер: S-8254А
Даташит на S-8254А.

Технические характеристики

Модель: 4S-EBD01-4.
Количество последовательно-соединенных Li-Ion АКБ: 4шт.
Рабочие напряжения: 11,2В... 16,8В.
Напряжение перезаряда ячейки (VCU): 4,275±0,025В.
Напряжение переразряда (VDD): 2,3±0,1В.
Номинальный рабочий ток: 3А - 4А.
Пороговое значение тока (IEC): 4А - 6А.
Защита от перезаряда.
Защита от переразряда.
Защита от КЗ.
Размеры,мм: 15 х 46.1 х 2.62.
Вес: 2 гр.

Гарантия

На 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.

АБСОЛЮТНО НОВОЕ УСТРОЙСТВО В УПАКОВКЕ.
Устройство позволяет визуально контролировать уровень заряда и разряда литиевых батарей (вольтаж), для предотвращения критического уровня разряда.
Визуальный и звуковой контроль составных аккумуляторных батарей.
Устройство, (детектор батарей питания, индикатор, тестер, контроллер, вольтметр, пищалка) имеет восемь контрольных входов для 1-8S, 1 или 8 Lipo/Li-Ion/LiMn/Li-Fe и позволяет подключать элементы с балансировочными контактами.
Данное устройство имеет малый размер и вес, незаменимо в авиамоделировании.

НАЗНАЧЕНИЕ:
Бипер - сигнализатор аварийного состояния батареи, может быть запрограммирован на нужный порог срабатывания.
Устройство информирует о низком напряжении (просадке напряжения) на любой из последовательно подключенной банке в составе аккумулятора.
Устройством удобно проверять уже использованные батареи.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ:
В нормальном состоянии происходит опрос напряжения батареи в целом и каждой банки в отдельности, показания выводятся яркими краснымм цифрами на дисплей. Показания дисплея отлично читаются при ярком солнечном свете.
При достижении запрограммированного уровня напряжения (заряда/разряда) любой банкой аккумулятора устройство издает сильный прерывистый звук (95дБ) двумя динамиками, а показания на дисплее показывают ярким красным цветом текущее напряжение каждого элемента составной батареи.
Уровень аварийного порога напряжения задается программно кнопкой, расположенной между динамиками, диапазон контролируемого напряжения 2,7В - 3,8В на каждый элемент в составе батареи.
Звуковая сигнализация может быть выключена на устройстве и в этом случае о аварийном режиме будет сигнализировать только дисплей.

ВНЕШНИЙ ВИД:
Устройство представляет собой установленные на плате элементы (в том числе: дисплей, бипер, кнопка программирования, гребенка 9ти контактного разъема) обтянутые прозрачной пленкой.

ПАРАМЕТРЫ:
размер: 39x25x11мм.;
вес 9гр.;
точность измерения: 0,01V;
диапазон индикации напряжения батареи: от 0,5V до 36V;
диапазон индикации напряжения ячейки (банки): от 0,5V до 4,5V;
диапазон установки порога аварийного срабатывания устройства: от 2,7V до 3,8V (при достижении заданного уровня в любой из ячеек)

ПОДКЛЮЧЕНИЕ:
Устройство подключается в специальный разъем балансира составной батареи 1-8s Lipo/Li-ion/LiMn/Li-Fe, и контролирует напряжение батареи в целом и каждой банки в составе по отдельности, при этом цепь питания работает независимо и в аварийном режиме размыкание нагрузочной цепи не происходит, а сигнализатор только оповещает пользователя о критическом состоянии батареи.
Устройство не контролирует цепь силовой нагрузки, поэтому нагрузка может работать до полной просадки батареи, независимо от состояния, вошел бипер в аварийный режим или нет.