Контроллер напряжения Li-Ion защита от переразряда. Защита литий-ионных аккумуляторов (контроллер защиты Li-ion) Контроллер заряда li ion аккумуляторов 14.8

Защита литий-ионных аккумуляторов (Li-ion). Я думаю, что многие из вас знают, что, например, внутри аккумулятора от мобильного телефона имеется ещё и схема защиты (контроллер защиты), которая следит за тем, чтобы аккумулятор (ячейка, банка, итд…) не был перезаряжен выше напряжения 4.2 В, либо разряжен меньше 2…3 В. Также схема защиты спасает от коротких замыканий, отключая саму банку от потребителя в момент короткого замыкания. Когда аккумулятор исчерпывает свой срок службы, из него можно достать плату контроллера защиты, а сам аккумулятор выбросить. Плата защиты может пригодиться для ремонта другого аккумулятора, для защиты банки (у которой нету схем защиты), либо же просто можно подключить плату к блоку питания, и поэкспериментировать с ней.

У меня имелось много плат защиты от пришедших в негодность аккумуляторов. Но поиск в инете по маркировкам микросхем ничего не давал, словно микросхемы засекречены. В инете находилась документация только на сборки полевых транзисторов, которые имеются в составе плат защиты. Давайте посмотрим на устройство типичной схемы защиты литий-ионного аккумулятора. Ниже представлена плата контроллера защиты, собранная на микросхеме контроллера с обозначением VC87, и транзисторной сборке 8814 ():

На фото мы видим: 1 - контроллер защиты (сердце всей схемы), 2 - сборка из двух полевых транзисторов (о них напишу ниже), 3 - резистор задающий ток срабатывания защиты (например при КЗ), 4 - конденсатор по питанию, 5 - резистор (на питание микросхемы-контроллера), 6 - терморезистор (стоит на некоторых платах, для контроля температуры аккумулятора).

Вот ещё один вариант контроллера (на этой плате терморезистор отсутствует), собран он на микросхеме с обозначением G2JH, и на транзисторной сборке 8205A ():

Два полевых транзистора нужны для того, чтобы можно было отдельно управлять защитой при заряде (Charge) и защитой при разряде (Discharge) аккумулятора. Даташиты на транзисторы находились практически всегда, а вот на микросхемы контроллеров - ни в какую!! И на днях вдруг я наткнулся на один интересный даташит на какой-то контроллер защиты литий-ионного аккумулятора ().

И тут, откуда не возьмись, явилось чудо - сравнив схему из даташита со своими платами защиты, я понял: Схемы совпадают, это одно и то же, микросхемы-клоны! Прочитав даташит, можно применять подобные контроллеры в своих самоделках, а поменяв номинал резистора, можно увеличить допустимый ток, который может отдать контроллер до срабатывания защиты.

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

PCM подходит для Li-Ion / Li-Pol. PCM предназначен для защиты от перезаряда и глубокого разряда 1…4 аккумуляторов.

В большинстве современных портативных устройств, таких как планшетные компьютеры, GPS навигаторы, электронные книги, портативные игровые консоли, устройства накопления солнечной энергии, производители используют бескорпусные литий-полимерные аккумуляторы. Основные преимущества Li-Pol аккумуляторов, это небольшие размеры при приемлемой ёмкости батареи, возможность изготовления под конкретное устройство, не прибегая к установленным стандартам.

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 случается или пожар, или аккумулятор "умирает".

Перечислим их в порядке убывания опасности:
• Заряд до напряжения, превышающего 4,2 В на банку;
• Короткое замыкание аккумулятора;
• Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60 ˚С;
• Разряд ниже напряжения 3 В на банку;
• Нагрев аккумулятора выше 60 ˚С;
• Разгерметизация аккумулятора;
• Хранение в разряженном состоянии.

Невыполнение первых трёх пунктов приводит к пожару, всех остальных – к полной или частичной потере ёмкости.

Поэтому каждый бескорпусный аккумулятор перед установкой, в какой либо гаджет снабжается контроллером, который осуществляет защиту аккумулятора от перезарядки, переразрядки, контролирует зарядные и разрядные токи и напряжения, что значительно продлевает срок службы аккумулятора и помогает в обеспечении безопасности.

Контроллер обеспечивает сбор и обработку информации относящейся к аккумуляторам и с помощью транзисторных ключей отключает аккумуляторы от питания. Резисторы и конденсаторы обеспечивают внешнюю синхронизацию.

При том условии, что напряжения заряда и разряда аккумуляторов соответствуют норме, на аккумуляторе нет короткого замыкания и его ёмкость не достигла максимума транзисторные ключи открыты и аккумуляторы могут свободно заряжаться и разряжаться.

При отклонении одного из указанных параметров от нормы, контроллер подаёт закрывающее напряжение на транзисторные ключи. Напряжение через большое сопротивление закрытых транзисторов не поступает на выводы аккумуляторов, из-за чего зарядка или разряд аккумуляторов прекращается до тех пор, пока все необходимые условия не будут соответствовать норме.

Для исключения разбалансированности аккумуляторов в батарее Li-Pol аккумуляторы заряжают отдельно. Для этого и используется контроллер 4SBLi-7A5021, который имеет 4 отдельных цепи, следовательно может заряжать батарею из четырёх литиевых аккумуляторов.

Схема подключения: