Плата балансировки литиевых аккумуляторов: назначение и схема
При последовательном подключении батарей наблюдается разброс параметров изделий, что не позволяет поддерживать требуемое выходное напряжение. Проблема возникает из-за неравномерной зарядки элементов. Для устранения дефекта используется плата балансировки литиевых аккумуляторов, обеспечивающая равномерный заряд изделий и предотвращающая перезаряд элементов аккумуляторной банки.
Узнайте о назначении платы балансировки литиевых аккумуляторов.
Балансировочная плата для литиевых аккумуляторов
При соединении нескольких источников постоянного тока в общую банку по последовательной методике обеспечивается суммирование напряжений. При этом емкость аккумулятора будет определяться элементом с минимальным значением параметра.
Для зарядки устройства используется две методики — последовательная и параллельная. При первом способе осуществляется подача питания от единого источника, напряжение соответствует значению параметра на полностью заряженном аккумуляторе.
Параллельный метод предусматривает независимую зарядку каждого изделия, входящего в аккумуляторную банку. В конструкцию зарядного блока входят не связанные между собой источники питания. Для контроля параметров электрического тока применяются индивидуальные устройства. Зарядные блоки подобной конструкции встречаются редко, для восполнения емкости литиевых аккумуляторов применяется последовательная схема зарядки.
При совместной зарядке необходимо не допустить повышения напряжения на клеммах элементов, составляющих аккумуляторную банку, выше допустимого предела (зависит от модели батареи).
Из-за различных характеристик элементов пороговое значение достигается в разное время.
Пользователь вынужден прекратить зарядку после фиксации допустимого напряжения на первом источнике, при этом остальные компоненты АКБ остаются недозаряженными, что негативно влияет на конечную емкость батареи.
При эксплуатации элемента питания происходит неравномерное снижение напряжения на выводах элементов. Разрядка прекращается в момент фиксации минимально допустимого порога на секции, не получившей необходимого заряда.
Для исключения возможности возникновения ситуации в цепь питания батареи вводится балансировочный блок, который контролирует параметры на каждой секции. При достижении запрограммированного значения происходит параллельная коммутация балластного резистора, отсекающего подачу питания на клеммы секции.
Балластное сопротивление отключает питание в случае превышения силы тока, идущего через резистор, над параметром в цепи питания секции аккумулятора. Остальные компоненты аккумуляторной банки продолжают заряжаться.
По мере фиксации максимального напряжения происходит последовательное отключение цепей питания. После подключения всех имеющихся балластных сопротивлений зарядка прекращается. Напряжение всех секций будет равняться значению параметра, на который отрегулирован балансир.
Плата защиты литиевого аккумулятора
Защитные платы для Li-ion или Li-pol аккумуляторов дополнительно защищают изделия от взрыва или воспламенения, происходящего из-за избытка газов при перезарядке. Следует учитывать, что регулярная эксплуатация недозаряженных элементов приводит к деградации катода и анода, что сокращает срок службы изделия.
Часть аккумуляторных банок оснащается платой защиты в заводских условиях. Для самодельных устройств и некоторых аккумуляторов потребуется монтаж дополнительного узла фабричного изготовления или собранного своими руками.
Схема платы балансировки литиевых аккумуляторов.
В конструкции всех литий-ионных или литий-полимерных банок предусмотрена защитная плата PCB или PCM. Устройство обеспечивает разрыв цепи при возникновении аварийной ситуации (например, короткого замыкания).
Защитный блок не оснащен регуляторами напряжения или силы тока, допускается разрядка элементов до 2,5 В и ниже (зависит от качества контроллера), что негативно влияет на рабочие характеристики аккумуляторов. Плата балансировки MBS устанавливается вместо защитного устройства, узел обеспечивает защиту от замыканий и равномерную зарядку элементов.
Схемы плат защиты литиевого аккумулятора
На рынке представлены следующие балансировочные платы фабричного изготовления:
- Устройство на базе стабилизатора LM317 обеспечивает подачу на батареи напряжения 4,2 В.
В конструкции предусмотрены регулировочные сопротивления, в процессе зарядки работает контрольный светодиод красного цвета. Для подключения устройства используется внешний блок питания, коммутация к портам USB не предусмотрена конструкцией. - Китайские производители массово выпускают балансировочные платы на основе стабилизатора ТР4056, которые дополнительно оснащены защитой от переполюсовки аккумуляторов. Устройство предназначено для подключения к портам USB, предусмотрен регулятор параметров зарядки.
Оборудование контролирует процесс зарядки в автоматическом режиме, при достижении заданной емкости производится плавное снижение силы зарядного тока. В конструкции предусмотрен штекер для установки дополнительного температурного сенсора. - Устройство на основе чипа NCP1835 отличается уменьшенными габаритами и универсальностью, допускается коммутация аккумуляторов с различными параметрами. Балансир обеспечивает зарядку сильно разряженных элементов путем подачи тока малой силы, предусмотрена защита от установки батареек (со звуковой индикацией). В конструкции модуля предусмотрен регулятор времени зарядки.
- Узел на базе контроллера зарядки S8254AA, оснащенный дополнительной балансировкой для аккумуляторов 18650. Оборудование поддерживает защиту от переразрядки и перезарядки, имеется контроль над коротким замыканием.
Платы на основе контроллера S8254AA не оснащаются лампами, отображающими статус зарядки. Поставщики выпускают аналогичный блок без балансира, изделие отличается применением гетинакса красного цвета. Детали с балансиром изготовлены на основе гетинакса темно-синего цвета.
Базовая схема балансира самодельного типа включает в себя стабилитрон TL431A (с повышенной точностью управления) и транзистор BD140 (относится к типу изделий с прямой проводимостью).
В цепь включаются сопротивления, которые допускается заменить диодами 1N4007. При использовании диодов учитывается нагрев элементов при работе, при изготовлении монтажной платы принимают во внимание необходимость охлаждения узлов.
Для регулировки требуется подать постоянное напряжение 5 В на входы устройства. В цепи предусмотрен резистор, изменяя значение сопротивления, необходимо добиться напряжения 4,2 В на колодках, предназначенных для установки литий-ионных аккумуляторов.
Для подачи питания в рабочем режиме используется трансформатор, напряжение равно суммарному значению подключенных аккумуляторов. На каждый элемент подается запас напряжения в пределах 0,15 В. Например, для зарядки 3 элементов требуется подвести напряжение 3*4,2+3*0,15=13,05 В.
Устройство обеспечивает зарядку батарей до момента достижения напряжения 4,2 В. После фиксации параметра включается стабилитрон, который активирует подачу питания через транзистор к балластным резисторам, имеющим сопротивление 4 Ом. В цепи предусматриваются контрольные светодиоды, которые включаются при подаче питания в балластную цепь.
Упрощенный блок на основе стабилитрона TL431A строится с использованием полупроводникового транзистора, удовлетворяющего параметрам зарядки. Поскольку элемент при работе нагревается, то необходимо предусмотреть охлаждение. В основе выбора типа радиатора лежит расчет по мощности.
Например, при напряжении 4,2 В и силе тока 0,5 А расчетная мощность составит 2,1 Вт. При увеличении параметров зарядки мощность возрастает, что вызывает сложности с теплоотводом. В конструкции используется 2 сопротивления, регулирующих пороговое значение напряжения.
После подбора сопротивлений и транзистора изготавливается требуемое количество балансировочных блоков, которые ставятся на аккумуляторы во время зарядки.
Небольшие габариты устройств позволяют закрепить узлы на общей пластине. При монтаже нескольких балансиров требуется обеспечить изоляцию корпусов транзисторов (из-за подачи отрицательного питания от батареи).
3batareiki.ru
Что такое защищенный Li-Ion аккумулятор, и как лишить его защиты
Что такое защищенный Li-Ion аккумулятор, и как лишить его защиты
Наиболее часто в мобильных устройствах (ноутбуки, мобильные телефоны, портативное освещение) применяют литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Это связано с их преимуществами по сравнению с широко использовавшимися ранее никель-металлгидридными (Ni-MH) и никель-кадмиевыми (Ni-Cd) аккумуляторами. У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры..
Первичные элементы («батарейки») с литиевым анодом появились в начале 70-х годов 20 века и быстро нашли применение благодаря большой удельной энергии и другим достоинствам. Таким образом, было осуществлено давнее стремление создать химический источник тока с наиболее активным восстановителем – щелочным металлом, что позволило резко повысить как рабочее напряжение аккумулятора, так и его удельную энергию. Если разработка первичных элементов с литиевым анодом увенчалась сравнительно быстрым успехом и такие элементы прочно заняли свое место как источники питания портативной аппаратуры, то создание литиевых аккумуляторов натолкнулось на принципиальные трудности, преодоление которых потребовало более 20 лет.
Характеристики Li-ion аккумуляторов
Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение – 3,5-3,7 В.
Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2 С, мощные – до 10-20С. Интервал рабочих температур: от -20 до +60 °С. Однако многие производители уже разработали аккумуляторы, работоспособные при -40 °С. Возможно расширение температурного интервала в область более высоких температур.
Все литиевые аккумуляторы характеризуются достаточно хорошей сохранностью. Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет 4-6 % за первый месяц, затем – существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С. Ресурс-500-1000 циклов.
Li-ion аккумуляторы заряжаются в комбинированном режиме: вначале при постоянном токе (в диапазоне от 0,2 С до 1 С) до напряжения 4,1-4,2 В (в зависимости от рекомендаций производителя), далее при постоянном напряжении. Первая стадия заряда может длиться около 40 мин, вторая стадия дольше. Более быстрый заряд может быть достигнут при импульсном режиме.
Li-ion аккумуляторные батареи имеют повышенный срок службы при небольших размерах, малом весе и более высокую по сравнению с батареями других типов энергетическую плотность, что ставит Li-ion батареи вне конкуренции.
К недостаткам Li-ion аккумуляторов следует отнести чувствительность к перезарядам и переразрядам, из-за этого они должны иметь ограничители заряда и разряда.
Устройства защиты Li-ion аккумуляторных батарей
Li-ion аккумуляторные батареи коммерческого назначения имеют наиболее совершенную защиту среди всех типов батарей. Как правило в схеме защиты Li-ion батарей используется ключ на полевом транзисторе, который при достижении на элементе батареи напряжения 4,30 В открывается и тем самым прерывает процесс заряда. Кроме того, имеющийся термопредохранитель при нагреве батареи до 90 °С отсоединяет цепь ее нагрузки, обеспечивая таким образом ее термальную защиту. Есть и схема защиты от глубокого разряда, которая следит за напряжением аккумуляторной батареи и разрывает цепь нагрузки, если напряжение снизится до уровня 2,5 В на элемент.
Защита в типичном цилиндрическом аккумуляторе типоразмера 18650 призвана защитить от перезаряда свыше 4,2В, переразряда ниже 2,75 и короткого замыкания. Эта защита реализована на небольшой плате, расположенной в нижней части батареи, на ее катоде. Иногда эта плата по тем или иным причинам выходит из строя, что не позволяет нормально использовать аккумулятор. В этом случае можно просто удалить ее, превратив аккумулятор в незащищенный.
Проведем «вскрытие»
Под оболочкой мы видим проводник, ведущий от «плюса» к плате защиты
А уже она соединена с «минусом». Таким образом, в случае срабатывания защита разрывает цепь аккумулятора
Отделяем плату защиты. Она подсоединена точечной сваркой:
Обрезаем снизу «лишние» пару миллиметров внутренней оболочки:
Иногда «голый» аккумулятор после полного удаления защитного контура выглядит вот так:
Теперь возьмем пленку «Oracal». Можно использовать хоть скотч, но пленка должна быть тонкой, износостойкой и неэлектропроводной. Да, и еще желательно красивой 🙂 как например красная:
Вырезаем нужный кусок и аккуратно оборачиваем аккумулятор пленкой:
Получившийся аккумулятор на долю миллиметра меньше стандартной длины…
…и вполне пригоден к эксплуатации, хотя до «обрезания» напряжение было «0»
Так можно дать неисправному аккумулятору вторую жизнь.
P.S. При отрывании плоского проводника, идущего вдоль аккумулятора, от «+» контакта аккумулятора и от платы защиты, важно ни в коем случае не замкнуть полюса аккумулятора, т.к. находятся они очень близко. В случае КЗ токи достигают десятков ампер, аккумулятор может взорваться или запросто приварить кусачки к корпусу. Пальцы обжечь тоже очень просто.
Поделитесь на страничкеtech.wikireading.ru
Все, что вы хотели знать о Li-Ion аккумуляторах, но боялись спросить.
Сейчас на рынке представлено огромное разнообразие Li-Ion аккумуляторов различных марок, как с защитой, так и без. Взрывной рост их популярности пришелся на 2008-2010гг., когда на рынке появились большое количество мощных светодиодных фонарей в зарубежных интернет-магазинах.
Но, стоит признать, что, до сих пор, для большинства пользователей, этот тип элементов питания является достаточно новым и незнакомым. Чтобы не запутаться во всем этом многообразии мы хотим вам дать несколько советов, чтобы помочь определиться, какой именно литиевый аккумулятор вам необходим (защищенный-незащищенный) и как не купить откровенно некачественный товар.
Что нужно знать при использовании Li-Ion аккумуляторов.
В силу технологии Li-Ion аккумуляторы имеют ряд ограничений, которые необходимо соблюдать в процессе эксплуатации.
Это:
• максимальное напряжение (напряжение перезаряда) не должно превышать 4,25-4,35В
• минимальное напряжение (напряжение переразряда) не должно быть ниже 2,2-2,5В
• ток разряда не должен превышать 2ух-кратное значение емкости (2С): т.е. для аккумулятора с емкостью 2200мАч максимальный ток разряда не должен быть выше 4400мА, а обладателя емкости в 3100мАч можно смело разряжать током до 6200мА. Есть особые типы высокомощных Li-Ion аккумуляторов, которые предназначены для работы с большими разрядными токами, превышающими величину их емкости в 5-10 раз.
-
- • ток заряда не должен быть выше половины значения емкости аккумулятора (0,5С).
- По аналогии с током разряда для аккумулятора с емкостью 2200мАч максимальный ток заряда не должен быть выше 1100мА, а аккумулятор с емкостью 3100мАч можно зарядить током в 1550мА.
- • Li-Ion аккумулятор НЕ ЗАРЯЖАЕТСЯ при минусовой температуре, но достаточно спокойно относится к работе на морозе с небольшой потерей емкости. Т.е. зарядили аккумулятор дома, пошли,- поработали на улице, потом, опять, принесли заряжать аккумулятор домой. Это утверждение вы можете проверить в действии на вашем смартфоне или фотоаппарате/видеокамере,- там стоит такой же литиевый аккумулятор, только в другом типоразмере.
- • Незащищенные аккумуляторы нельзя паять. Если вы хотите собрать из отдельных аккумуляторов большую батарею,
- то следует учитывать, что Li-Ion аккумуляторы очень не любят перегрева, а при попытке припаять провод к контакту аккумулятора вы, скорее всего, его перегреете.
Вот так делать не надо
Поэтому собирают аккумуляторные батареи с помощью контактной сварки и специальной ленты.
Качественная сварка Li-Ion аккумуляторной батареи
Опять же, для обслуживания такой батареи вам понадобится контроллер,
Li-Ion аккумуляторная батарея с контроллером заряда-разряда
который будет следить за процессами заряда-разряда аккумуляторов.
Но, перейдем от теории к практике и попробуем дать ответы на самые распространенные вопросы, которые возникают у покупателей при выборе Li-Ion аккумулятора.
1. Защищенный или нет.
Как мы уже говорили, Li-Ion аккумуляторы должны работать в диапазоне напряжений 4,2-2,5В. Для того, чтобы в процессе работы напряжение на АКБ не выходило за пределы этого диапазона на минусовой контакт незащищенного Li-Ion АКБ (их еще называют «ячейка») ставят небольшую электронную плату защиты (зачастую, она именуется просто «защита»).
Именно эта плата обеспечивает работу ячейки в допустимом диапазоне напряжений, предохраняет от перегрузки по току и от короткого замыкания.
Плата защиты приваривается стальной лентой к контактам аккумулятора
и весь этот «бутерброд», упаковывается в термо-пленку с обозначение бренда и емкости (как реальной так и совершенно бредовой, в некоторых случаях).
на синем аккумуляторе (слева) заявленная емкость не соответствует действительности
Из-за платы защищенные аккумуляторы на пару миллиметров длиннее своих незащищенных сородичей и на 0,5 мм толще.
А, так как, качественная Li-Ion ячейка имеет длину 65мм, то защищенный Li-Ion АКБ вырастает в длине до 68-70мм. Такие аккумуляторы могут обозначаться типоразмером 18700 (где первые две цифры это диаметр в мм., а вторые две- длина). Это надо учитывать при выборе аккумулятора,- сможет ли такой аккумулятор влезть, к примеру, в ваш фонарь или зарядное устройство.
PS. На некоторых зарядных устройствах для Li-Ion аккумуляторах производители заранее указывают, что их продукт может заряжать аккумуляторы типоразмера вплоть до 18700.
зарядные устройства XTAR позволяют заряжать Li-Ion аккумуляторы вплоть до типоразмера 18700
Защищенные аккумуляторы можно применять в любых устройствах, которые расчитаны на работу с Li-Ion источниками питания и не имеют встроенного контроллера заряда-разряда. В настоящее время основными потребителями защищенных АКБ являются светодиодные фонари, так как именно такие аккумуляторы способны обеспечить питанием мощные светодиоды в течении продолжительного времени.
Так же, защищенные аккумуляторы находят все большее распространение в разнообразной маломощной бытовой электронике, которая работает от одного-двух АКБ.
При необходимости собрать более серьезный источник питания прибегают к изготовлению аккумуляторных батарей. Тут уже в ход идут только незащищенные аккумуляторы.
батарея из Li-ion аккумуляторов SANYO
Такие батареи стоят в большинстве современных ноутбуках, в электроинструменте, фото-видео технике, электровелосипедах и т.д. Управляет такими батареями специальный контроллер, который следит за напряжением на каждом отдельном аккумуляторе в батарее и необходимости в индивидуальных платах защиты нет.
контроллер батареи из Li-ion аккумуляторов
Подитог: если у вас светодиодный фонарь, с вероятностью 99% вам необходим защищенный аккумулятор. Если вы хотите отремонтировать батарею в ноутбуке или в шуруповерте или просто вам нужна БАТАРЕЯ из LI-Ion аккумуляторов, то вам необходимы именно незащищенные АКБ.
2. Емкость аккумулятора
Емкость аккумулятора указывается в мАч (милли-ампер-часах).
На момент написания статьи наиболее распространенными значениями емкости являются 2600-3500мАч (для Li-Ion АКБ типоразмера 18650). Емкость влияет только на время работы аккумулятора. Т.е. при прочих одинаковых условиях Li-Ion аккумулятор с емкостью 3400мАч будет работать примерно в 2 раза дольше чем аккумулятор емкостью 1700мАч.
ФАКТ: на настоящее время Li-Ion аккумуляторов типоразмера 18650 емкостью свыше 3500мАч НЕ СУЩЕСТВУЕТ. Все Li-Ion аккумуляторы типоразмера 18650 (а это наиболее распространенный типоразмер), имеющие обозначение 3800-5000мАч ФОТО изначально продукты сомнительного качества от покупки которых следует отказаться.
Обычно, реальная емкость таких АКБ составляет, в лучшем случае, 1500-2200мАч ссылка. А о «достоинствах» плат защит этих АКБ стоит только догадываться… Бывали случаи когда под упаковкой защищенных АКб типоразмера 18650 с обещанием огромной емкости около 4000мАч скрывался неизвестный представитель гораздо меньшего типоразмера, а остальное пространство было забито материалом похожим на обычный песок.
3. Производитель аккумулятора.
В настоящее время существует не так уж и много производителей Li аккумуляторов. Технология их изготовления не тривиальна и качественное масштабное производство возможно только на больших высокотехнологичных предприятиях. Среди самых известных и отлично-зарекомендовавших себя производителей можно выделить такие компании как: Sanyo, Sony, Panasonic, LG Chem, Samsung SDI, Skme, Moli, BAK, Lishen, ATL, HYB.
Сразу надо отметить: это фирмы которые непосредственно производят Li-Ion ячейки (незащищенные аккумуляторы). Заводы таких компаний зачастую располагаются в Японии, Тайване или Южной Корее.
ФАКТ: крупные производители Li-Ion аккумуляторов НЕ ВЫПУСКАЮТ ЗАЩИЩЕННЫХ АКБ. Они производят только НЕЗАЩИЩЕННЫЕ аккумуляторы. В природе не существует защищенных Li-Ion аккумуляторов Panasonic или SAMSUNG, которые были бы выпущены непосредственно «панасоником прямо в Японии» или «самсунгом» а все, кто утверждает обратное, по какой-то причине пытаются ввести вас в заблуждение.
Защищенные аккумуляторы СОБИРАЮТСЯ из незащищенного Li-Ion аккумулятора (ячейки) и платы защиты.
И собираются они тоже по-разному: сборка защищенных АКБ, в основном, происходит на заводах в Китае. Но Китай — Китаю рознь. Есть как откровенное барахло (с емкостями 3800мАч и выше) так и очень качественные продукты.
Защищенные аккумуляторы выпускаются под совершенно различными брендами, не имеющими отношения к производителю ячеек.
Наименование защищенному аккумулятору дает уже тот производитель, который собрал и упаковал этот аккумулятор. Зачастую, внешняя термоплёнка с нанесенным обозначение бренда скрывает реального производителя Li-Ion ячейки. Хотя, в последнее время наблюдается тенденция к вытеснению откровенно некачественных товаров аккумуляторами, изготовленными на основе качественных Li-Ion ячеек и плат защиты, производителями которых являются общепризнанные лидеры, такие как SANYO, Panasonic, SAMSUNG, SEIKO…
Ниже, мы приведем основные составляющие «качественного» защищенного Li-Ion аккумулятора:
1. Упаковка.
На упаковке явно указано из каких составляющих состоит аккумулятор. К качеству упаковки претензий быть не должно. Наличие «бренда» является хорошим знаком,-аккумуляторы без опознавательных знаков, по-умолчанию, доверия не вызывают.
2. Плюсовой контакт
(выступающий бугорок) должен быть жестко зафиксирован на аккумуляторе.
Проще говоря, он должен быть приварен, а не просто прижат картонной шайбой с термоусадкой. Иногда, плюсовой колпачок приваривают к стальной ленте а уже эту ленту приваривают к плюсовому контакту Li-Ioт ячейки.
Ключевое слово везде: «ПРИВАРИВАЮТ»
3. Плата защиты
должна быть от известного производителя и содержать 2-3 МОСФЕТа обеспечивая высокий разрядный ток.
4. Почитайте отзывы
о интересующем вас аккумуляторе на авторитетных интернет- ресурсах, посвященных этой тематике. Зачастую, там можно найти подробнейшие тесты и многочисленные отзывы от конечных пользователей.
скриншот страницы с большим тестом аккумуляторов 18650 с форума cpf.com
Среди самых известных русскоязычных форумов стоит выделить:
http://forum.fonarevka.ru/
Из англоязычных:
http://www.candlepowerforums.com/vb/forum.php
http://lygte-info.dk/
Будем надеяться, что данная статья смогла дать ответы на большинство вопросов, которые могли возникнуть у вас при покупке и использовании Li-ion аккумуляторов и уберечь вас от разочарования приобретения некачественных продуктов.
Если же мы упустили какие-либо моменты, которые вы считаете важными,- оставляйте свои комментарии,- мы обязательно ответим и, по возможности, внесем коррективы в текст статьи.
С уважением, коллектив Запас Мощности
www.zapas-m.ru