Контроллер напряжения Li-Ion защита от переразряда. Что такое контроллер заряда аккумулятора
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
В данном обзоре будет бегло рассмотрена высокотоковая плата защиты Li-Ion аккумуляторов, нестандартное применение USB тестера, понижающего преобразователя с ограничением по току, доработка штатного зарядного устройства Makita.
Менять шурик желания нет, он меня устраивает. Цена нового оригинального аккума PA 12 достигает 2-2,5т.р. По этому решил заморочиться с переделкой. Но не абы как, а с умом.
Если интересно, смотрим далее.
Герои повести:
1. Шуруповёрт Makita 6271D. Который верой и правдой мне служит уже более 7 лет.
Естественно родные аккумы подохли, да и всегда у меня к ним претензия была.
О недостатках Ni-Cd АКБ знаю думаю почти все кто с ними работал. Требует бережного отношения «заряд-разряд», высокий саморазряд, вес.
2. Плата защиты 3S 30A BMS PCM li-ion.
Цена покупки: 684р. 
1) Over-charge protection voltage with single cell:4.25V±0.025V
2) Over-discharge protection voltage with single cell:2.50±0.1V
3)Max continuous working current:30A
4) Over-current protection:40A
5) Suggest charge current: 1A-2A
6) Functions: Over-charge protection ,over-discharge protection,
over-current protection ,short circuit protection .High temperature detecting protection
6) Size:43*37mm
Предостережение продавца:
3.Use 12.6V li-ion charger, don"t use too high voltage charger OR high current charger to charge it.
Цены указары в рублях, почему?
Живу в России, данный ресурс находится в Российской зоне, зарабатываю в рубля, на карте в рублях, оплачиваю товар в рублях. Не вижу смысла пересчитывать в другую валюту. У продавца цены могут изменится, могут быть акции и т.п. Специально указал ссылки на магазин, переходите туда и ставьте цену хоть в тубриках, магазин сам пересчитает. DEL
Общие расходы переделки составили(АКБ+ЗУ) ~ 2"700р.
Основные параметры которые определил для себя:
1. Хорошая плата минимум на 30А с балансировкой, по габаритам должна помещаться в размеры штатного аккума.
2. Высокотоковые аккумы минимум 20А, ёмкостью минимум 2Ач.
3. Контроль заряда, вольты-амперы. Учитывая размеры и функционал, конкурентов у JUWEI J7-t просто нет. Ток до 5А, напряжение до 30В, датчик температуры на борту. Если в стоке он мало функционален, то в моём случае он очень востребован.
Самые большие проблемы возникли с платой. Все платы которые мне понравились не укладывались в размеры, максимум 35*65мм. Изначально смотрел на 4 банковые.
Принял решение купить на 3 банки и отдельно плату балансировки.
Переделка аккумулятора.
Самое простое было переделать сам аккум. Делается просто, резиновым молотком простукиваем периметр шва и он разделяется на две половинки. Никаких повреждений и танцев с ножом.
Выкидываем мёртвые банки, тут нужно немного повозится. Сборка залита клеем ко дну аккума.
На всякий случай я оставил штатную термопару, хотя смысла в ней теперь нет. И перебросил защитный предохранитель с минусового контакта аккума на зарядный вход платы.
Если разобраться, то зарядка штатного аккума осуществляется посредством отдельного контакта, помимо контакта нагрузки.
Плата в размере:
Точечная сварка отсутствует, планирую сделать в ближайшее время, пока детали в пути…
Взял 100 ваттный паяльник и быстрым движением припаял провода, термическое воздействие минимально. 
Знаю, что это не правильно и так делать нельзя. Но я далёкий от науки человек и положил нефритовый стержень на данную сложность.
Далее согласно инструкции соединил все провода.
Приклеил термо предохранители к аккумам на теплопроводный клей Kafuter K-5204K
Балансировочная плата ещё не приехала, подключу позже, как описано в примере на странице товара:
Приехала, допилил:
Вот собственно и всё, «халява».
P.S. «халява» - в смысле сложности переделки, а не цены.
Как результат, существенное снижение в весе. Оригинальный вес 668 грамм, на Li-Ion ~250 грамм. Ёмкость 2,5Ач против 1,3Ач у оригинала. В общем все показатели улучшились в два раза.
Цена вопроса ~1840р.(только АКБ) ниже оригинала оригинала.
Аккумулятор PA12 после многих лет жизни
Отсечку по нижнему напряжению решил проверить с помощью высокоинтеллектуальной разрядки «Светоч» на 55 ватт.
При напряжении 7,6в происходит отключение подачи тока. Всё норм.
Модернизация зарядного устройства.
Вот тут небольшой танец с бубном. Задача полностью сохранить родной функционал. И добавить возможность заряжать переделанные аккумы.
Проблема номер один, место! Его катастрофически не хватает. Компоновка получилась очень плотной. И вызвала проблему номер два, нагрев. Но обо всём по порядку.
Взял два щупа и начал водить по плате в поисках подходящих напряжений. Найдено оно было на выходе трансформатора в 55в~ Далее стоял диод, на выходе которого было уже 27в, то что нужно. Один контакт пустил через кнопку включения. Установил дополнительно диодный мост, через теплопроводный клей посадил на штатный радиатор. Добавил конденсатор 50v 1000uF. И после этого уже подал на понижающий преобразователь. Штатная зарядка идёт на основе минуса, у меня получается на основе плюса. Поставил 3 реле, которые будут коммутировать разные способы заряда. Приклеил рядом со штатными индикаторами белый светодиод, как индикация работы для Li-ion. В режиме заряда Li-ion отбрасывается 3 провода, два подключаются на выход преобразователя.
Между держателем аккумулятора и платами зарядки поставил в разрыв USB тестер.
Отпаял разъёмы для уменьшения размеров, разделил на две половинки. Экран и плата по 90", связано особенностями внутреннего размещения.
Взял ножик и начал вырезать пластик в корпусе.
Перед установкой проверил параметры тестера. Выставил 30 и подключил 55 ваттную лампочку(12в). Полёт нормальный, 30в держит.
И тут случайно задел выходные контакты на КЗ. Как известно, все радиодетали работают на белом дыме. Выходной мосфет AO3415 испустил белый дым и ушёл в другой мир.
Пошёл к местным шаманам, выдали близкий по ТТХ амулет AO3401 потребовав за его душу 43р, взял 2 шт;) Вернувшись пододвинул по ближе ведро и заменил амулетик, всё отлично заработало.
Выставил время работы 2 часа. Пять раз подряд нажимаем кнопку и выставляем нужное значение. Ещё не проверял, но по идее должен начать пищать.
Следующий удар в бубен связан с настройкой самого преобразователя. В холостом ходу получаем ток потребления 0,21А. это 3 реле. Изначально подключил тестер не правильно, сразу после понижающего преобразователя напряжения(далее ППН). А зачем нам считать ещё и энергию затраченную на работу реле, переделал.
Согласно даташиту на аккумы стандартный ток заряда 1,5А вот такой и был выставлен на ППН в режиме СС.
С напряжением пришлось по колдовать. Изначально выставил 14,4в на случай если перепутаю аккумы, чтоб они зарядились в любом случае. Но проведённый тест показал странную картину.
Ток потребления стабильно на максимуме 1,5А Как только на аккумах появляется напряжение в 12,75в(4,25 на 1). зарядка сразу прекращается. В таком режиме переданная ёмкость равна 2200мАч. что-то маловато.
Более правильной зарядки и плавного снижения потребления тока к концу заряда удалось добиться при напряжении в 13,43в на входе в плату защиты. Выключение происходило при токе 0,12А и напряжении 12,76в. на аккумуляторах. Для высокотоковых данный параметр 100-150mA.
Видео процесса заряда 1.5A
Разбито на две части, позвонили на телефон.
Замеры температуры.
Нагрев с открытым корпусом составлял до 70" на транзисторе, дросселе и диодном мосту.
На ППН был поставлен небольшой радиатор, диодный мост приклеил к штатному.
Места внутри корпуса не осталось совершенно. При закрытом корпусе температура будет существенно выше. Собрал, начал тестировать. Через 10 минут прозвучал щелчок и ещё одна душа покинула ЗУ. Открыв корпус увидел трещину в XL4005, о ведёрко рядом. Хорошо, что я почти всё заказываю по две штуки.
Решил установить внешний вентилятор охлаждения.
В ящике Пандоры обнаружил старую видеокарту с подходящим вентилятором, нужно ещё поставить защитную решётку, под рукой не оказалось.
Температура существенно упала, примерно до 32" по всем элементам.
На этом фоне решил поднять ток, по даташиту допускается до 4А, установил 2А.
Видео процесса заряда 2A
Видно как срабатывает защита. Причин может быть несколько, превышение тока в 2А, напряжение на одном из элементов становится больше 4,25в, перегрев.
Не сразу заметил описание товара: 5) Suggest charge current: 1A-2A
Набор 80% емкости, 2.000mAh происходит за час.
Плотность компоновки, размещал с миллиметровой точностью, штатные детали не задеты.
Сравним, до и после переделки.
Выходные отверстия с противоположной стороны и три если случайно поставлю на мягкую поверхность и перекроются основные.
Общая схема подключения:
Тест отсечки по току.
На второй скорости срабатывает быстро.
На первой удержать мне не получилось, проворачивает.
Немного подумав выставил финальные характеристики на ППН из расчёта характеристик на разъёме ЗУ: CC=1,9А CV=13.38v
Записывать видео не стал, слишком много времени это отнимает. И главное, телефон лежит и трогать его нельзя пока запись идёт. Общая картина и так понятна. Отключение должно происходить на 80-110мА. Снизив или убрав сработки по защите. Время зарядки примерно 1:45:00
Подведём итоги.
Всё работает как и задумано.
Явных минусов не вижу, только шумит вентилятор.
-Время полной зарядки около двух часов.
Плюсы:
-Существенное снижение веса.
-Увеличение ёмкости.
-Набор ёмкости в 1"250mAh(50%) происходит за 35 минут, что сопоставимо по времени и ёмкости со штатным аккумом.
-Контроль заряда с подсчётом ёмкости.
-Два режима зарядки аккумуляторов, родные Ni-Cd & Ni-Mh и новые Li-Ion.
-Опыт.
Если где обнаружили ошибки, пишите в личку или в коментах.
Всевозможные рекомендации по улучшению так же приветствуются.
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.
Для начала нужно определиться с терминологией.
Как таковых контроллеров разряда-заряда не существует . Это нонсенс. Нет никакого смысла управлять разрядом. Ток разряда зависит от нагрузки - сколько ей надо, столько она и возьмет. Единственное, что нужно делать при разряде - это следить за напряжением на аккумуляторе, чтобы не допустить его переразряда. Для этого применяют .
При этом, отдельно контроллеры заряда не только существуют, но и совершенно необходимы для осуществления процесса зарядки li-ion аккумуляторов. Именно они задают нужный ток, определяют момент окончания заряда, следят за температурой и т.п. Контроллер заряда является неотъемлемой частью любого .
Исходя из своего опыта могу сказать, что под контроллером заряда/разряда на самом деле понимают схему защиты аккумулятора от слишком глубокого разряда и, наоборот, перезаряда.
Другими словами, когда говорят о контроллере заряда/разряда, речь идет о встроенной почти во все литий-ионные аккумуляторы защите (PCB- или PCM-модулях). Вот она:
И вот тоже они:
Очевидно, что платы защиты представлены в различных форм-факторах и собраны с применением различных электронных компонентов. В этой статье мы как раз и рассмотрим варианты схем защиты Li-ion аккумуляторов (или, если хотите, контроллеров разряда/заряда).
Контроллеры заряда-разряда
Раз уж это название так хорошо укрепилось в обществе, мы тоже будем его использовать. Начнем, пожалуй, с наиболее распространенного варианта на микросхеме DW01 (Plus).
DW01-Plus
Такая защитная плата для аккумуляторов li-ion встречается в каждом втором аккумуляторе от мобильника. Чтобы до нее добраться, достаточно просто оторвать самоклейку с надписями, которой обклеен аккумулятор.
Сама микросхема DW01 - шестиногая, а два полевых транзистора конструктивно выполнены в одном корпусе в виде 8-ногой сборки.
Вывод 1 и 3 - это управление ключами защиты от разряда (FET1) и перезаряда (FET2) соответственно. Пороговые напряжения: 2.4 и 4.25 Вольта. Вывод 2 - датчик, измеряющий падение напряжения на полевых транзисторах, благодаря чему реализована защита от перегрузки по току. Переходное сопротивление транзисторов выступает в роли измерительного шунта, поэтому порог срабатывания имеет очень большой разброс от изделия к изделию.
Вся схема выглядит примерно вот так:
Правая микросхема с маркировкой 8205А - это и есть полевые транзисторы, выполняющие в схеме роль ключей.
S-8241 Series
Фирма SEIKO разработала специализированные микросхемы для защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов от переразряда/перезаряда. Для защиты одной банки применяются интегральные схемы серии S-8241 .
Ключи защиты от переразряда и перезаряда срабатывают соответственно при 2.3В и 4.35В. Защита по току включается при падении напряжения на FET1-FET2 равном 200 мВ.
AAT8660 Series
LV51140T
Аналогичная схема протекции литиевых однобаночных аккумуляторов с защитой от переразряда, перезаряда, превышения токов заряда и разряда. Реализована с применением микросхемы LV51140T .
Пороговые напряжения: 2.5 и 4.25 Вольта. Вторая ножка микросхемы - вход детектора перегрузки по току (предельные значения: 0.2В при разряде и -0.7В при зарядке). Вывод 4 не задействован.
R5421N Series
Схемотехническое решение аналогично предыдущим. В рабочем режиме микросхема потребляет около 3 мкА, в режиме блокировки - порядка 0.3 мкА (буква С в обозначении) и 1 мкА (буква F в обозначении).
Серия R5421N содержит несколько модификаций, отличающихся величиной напряжения срабатывания при перезарядке. Подробности приведены в таблице:
SA57608
Очередной вариант контроллера заряда/разряда, только уже на микросхеме SA57608 .
Напряжения, при которых микросхема отключает банку от внешних цепей, зависят от буквенного индекса. Подробности см. в таблице:
SA57608 потребляет достаточно большой ток в спящем режиме - порядка 300 мкА, что отличает ее от вышеперечисленных аналогов в худшую сторону (там потребляемые токи порядка долей микроампера).
LC05111CMT
Ну и напоследок предлагаем интересное решение от одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов On Semiconductor - контроллер заряда-разряда на микросхеме LC05111CMT .
Решение интересно тем, что ключевые MOSFET"ы встроены в саму микросхему, поэтому из навесных элементов остались только пару резисторов да один конденсатор.
Переходное сопротивление встроенных транзисторов составляет ~11 миллиом (0.011 Ом). Максимальный ток заряда/разряда - 10А. Максимальное напряжение между выводами S1 и S2 - 24 Вольта (это важно при объединении аккумуляторов в батареи).
Микросхема выпускается в корпусе WDFN6 2.6x4.0, 0.65P, Dual Flag.
Схема, как и ожидалось, обеспечивает защиту от перезаряда/разряда, от превышения тока в нагрузке и от чрезмерного зарядного тока.
Контроллеры заряда и схемы защиты - в чем разница?
Важно понимать, что модуль защиты и контроллеры заряда - это не одно и то же. Да, их функции в некоторой степени пересекаются, но называть встроенный в аккумулятор модуль защиты контроллером заряда было бы ошибкой. Сейчас поясню в чем разница.
Важнейшая роль любого контроллера заряда заключается в реализации правильного профиля заряда (как правило, это CC/CV - постоянный ток/постоянное напряжение). То есть контроллер заряда должен уметь ограничивать ток зарядки на заданном уровне, тем самым контролируя количество "заливаемой" в батарею энергии в единицу времени. Избыток энергии выделяется в виде тепла, поэтому любой контроллер заряда в процессе работы достаточно сильно разогревается.
По этой причине контроллеры заряда никогда не встраивают в аккумулятор (в отличие от плат защиты). Контроллеры просто являются частью правильного зарядного устройства и не более.
Кроме того, ни одна плата защиты (или модуль защиты, называйте как хотите) не способен ограничивать ток заряда. Плата всего лишь контролирует напряжение на самой банке и в случае выхода его за заранее установленные пределы, размыкает выходные ключи, отключая тем самым банку от внешнего мира. Кстати, защита от КЗ тоже работает по такому же принципу - при коротком замыкании напряжение на банке резко просаживается и срабатывает схема защиты от глубокого разряда.
Путаница между схемами защиты литиевых аккумуляторов и контроллеров заряда возникла из-за схожести порога срабатывания (~4.2В). Только в случае с модулем защиты происходит полное отключение банки от внешних клемм, а в случае с контроллером заряда происходит переключение в режим стабилизации напряжения и постепенного снижения зарядного тока.
