Модули защиты и контроллеры заряд/разряд для Li-ion аккумуляторов
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 защиту от глубокого разряда.
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 зарядного устройства для литиевого аккумулятора.
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.
Паразитные диоды, встроенные в полевики, позволяют осуществлять заряд аккумулятора, даже если сработала защита от глубокого разряда. И, наоборот, через них идет ток разряда, даже в случае закрытого при перезаряде транзистора FET2.
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
Решение от Advanced Analog Technology — AAT8660 Series.
Пороговые напряжения составляют 2.5 и 4.32 Вольта. Потребление в заблокированном состоянии не превышает 100 нА. Микросхема выпускается в корпусе SOT26 (3х2 мм, 6 выводов).
FS326 Series
Очередная микросхема, используемая в платах защиты одной банки литий-ионного и полимерного аккумулятора — FS326.
В зависимости от буквенного индекса напряжение включения защиты от переразряда составляет от 2.3 до 2.5 Вольт. А верхнее пороговое напряжение, соответственно, — от 4.3 до 4.35В. Подробности смотрите в даташите.
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:
| Обозначение | Порог отключения по перезаряду, В | Гистерезис порога перезаряда, мВ | Порог отключения по переразряду, В | Порог включения перегрузки по току, мВ |
|---|---|---|---|---|
| R5421N111C | 4.250±0.025 | 200 | 2.50±0.013 | 200±30 |
| R5421N112C | 4.350±0.025 | |||
| R5421N151F | 4.250±0.025 | |||
| R5421N152F | 4.350±0.025 |
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:
| Обозначение | Порог отключения по перезаряду, В | Гистерезис порога перезаряда, мВ | Порог отключения по переразряду, В | Порог включения перегрузки по току, мВ |
|---|---|---|---|---|
| SA57608Y | 4.350±0.050 | 180 | 2.30±0.070 | 150±30 |
| SA57608B | 4.280±0.025 | 180 | 2.30±0.058 | 75±30 |
| SA57608C | 4.295±0.025 | 150 | 2.30±0.058 | 200±30 |
| SA57608D | 4.350±0.050 | 180 | 2.30±0.070 | 200±30 |
| SA57608E | 4.275±0.025 | 200 | 2.30±0.058 | 100±30 |
| SA57608G | 4.280±0.025 | 200 | 2.30±0.058 | 100±30 |
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 2.6×4.0, 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.
Источник
Защита аккумулятора от глубокого разряда
Многие автомобилисты из личного опыта знают, что кислотные и гелевые аккумуляторы быстро выходят из строя от глубокого разряда до напряжения менее 10 вольт, причиной тому не выключенные своевременно магнитолы, усилители и другие автомобильные гаджеты являющиеся потребителями электрической энергии. Чтобы не допускать глубокого разряда аккумуляторной батареи, предлагаю собрать простое и надежное устройство которое не позволит разрядить гелевый или кислотный аккумулятор ниже 10 вольт.
Где же это устройство можно применить?
В современном мире существует очень много полезных автомобильных девайсов подключаемых к бортовой сети автомобиля через гнездо прикуривателя, позабыв отключить которые есть риск полностью разрядить аккумулятор. Тем более в советских автомобилях в отличии от иномарок прикуриватель не отключается поворотом замка зажигания.
Многие автолюбители на иномарки специально устанавливают дополнительный прикуриватель работающий без зажигания, чтобы заряжать телефон или ноутбук во время стоянки автомобиля с заглушенным двигателем. Защиту можно установить например на мощную аудио систему и тогда у настоящего меломана всегда в аккумуляторной батарее останется немного заряда для запуска двигателя. Вообщем вариантов применения данного устройства много надеюсь на вашу смекалку. Ну а пока вы будете размышлять, я расскажу, как это устройство защиты аккумулятора от глубокого разряда работает.
На этом рисунке изображена схема защиты аккумулятора от глубокого разряда.
Схема защиты аккумулятора от глубокого разряда
На этом рисунке изображена печатная плата устройства защиты аккумулятора от глубокого разряда.
Печатная плата устройства защиты аккумулятора от глубокого разряда
Данная схема очень надежная и не содержит дорогостоящих компонентов, собрать её под силу даже начинающему радиолюбителю с минимальным уровнем познаний в электронике. В состоянии покоя контакты реле Rel1 находятся в разомкнутом состоянии и лампочка La1 выполняющая роль нагрузки не горит. Чтобы включить нагрузку, надо кратковременно нажать кнопку S1 «Старт», минус питания подается на реле Rel1. Контакты реле замыкаются, включается нагрузка La1, ток через делитель напряжения построенный на постоянном резисторе R1 и подстроечном резисторе P1 поступает на базу транзистора T1 выполняющего роль ключа. Транзистор открывается и ток поступает на обмотку реле. Подстроечным резистором P1 подбирается минимальное напряжение при котором контакты реле будут находится в замкнутом состоянии.
Как только аккумуляторная батарея разрядится и напряжение на делителе упадет, транзистор T1 закроется, контакты реле Rel1 разомкнуться и нагрузка La1 автоматически отключится. Кнопка S2 «Стоп» служит для отключения нагрузки в ручном режиме. При нажатии контакты кнопки соединяют резистор R1 с минусом в обход подстроечного резистора P1, напряжение на базе T1 пропадает и транзистор закрывается, контакты реле Rel1 размыкаются, нагрузка отключается. Настройка устройства заключается лишь в подстройке напряжения удержания реле. Для настройки устройства удобно использовать регулируемый блок питания, который при необходимости можно собрать своими руками.
Давайте рассмотрим настройку устройства поэтапно. Подстроечный резистор P1 вращаем по часовой стрелке до упора, то есть в правое положение. На блоке питания выставляем напряжение не менее 12В и нажимаем кнопку «Старт» . Если устройство не включилось, покрутите подстроечный резистор в разные стороны до упора и попробуйте запустить. Нажмите кнопку «Стоп» устройство будет выключено.
Включите устройство снова. Установите желаемое напряжение на блоке питания при котором вы хотите автоматически отключать нагрузку La1, например 10 вольт.
Медленно вращайте переменный резистор P1 против часовой стрелки до автоматического срабатывания защиты. На этом настройка устройства защиты от глубокого разряда для гелевых и кислотных аккумуляторов окончена.
Для четкой и надежной работы устройства не рекомендую заменять транзистор BD139 на советский аналог КТ815 потому что, после замены резко упадет чувствительность устройства. Данную схему можно переделать практически под любой аккумулятор достаточно заменить реле Rel1 и при необходимости подобрать сопротивление резистора R1.
Радиодетали для сборки устройства защиты аккумулятора от глубокого разряда
- Транзистор Т1 BD139, советские КТ815 не ставить, они очень грубые
- Реле Rel1 SRD-12VDS-SL-C или аналогичное соответствующее напряжению вашего аккумулятора
- Резистор R1 10 кОм 0.25 Вт
- Резистор подстроечный Р1 10 кОм
- Кнопки S1, S2 с нормально разомкнутыми контактами, любые маломощные, какие вам понравятся, нагрузки на них нет ни какой.
Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!
Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как сделать устройство защиты аккумулятора от глубокого разряда
Источник