Li ion защита от переразряда схема: Простейшие схемы ограничения разряда Li-ion аккумуляторов (контроллеры защиты литиевых батарей от переразряда)

Содержание

cxema.org — Плата защиты LI-ION аккумуляторов

На сегодняшний день литий ионные аккумуляторы являются самыми эффективными аккумуляторами. Они компактные, имеют большую энергоемкость, лишены эффекта памяти. При всех достоинствах у них имеется один существенный недостаток, их работу и процесс заряда нужно тщательно контролировать. Если аккумулятор разрядится ниже некоторого предела или перезарядить, он быстро теряет свои свойства, вздуться и даже взорваться. Тоже самое и в случае перегрузки и коротких замыканиях — нагрев, образование газов и в итоге взрыв.

Некоторые литий ионных аккумуляторы снабжены предохранительным клапаном, который не даст аккумулятору взорваться, но большая часть мощных полимерных аккумуляторов таких клапанов не имеют. 

Другими словами, при эксплуатации литий ионных аккумуляторов требуется система их защиты. 

Многие наверняка заметили маленькие платы в аккумуляторах мобильных телефонов, вот как раз эта плата и является защитой.

 Защищает она от глубкого разряда, от перезаряда и от коротких замыканий или перегрузок по току.   

Схема этой защиты очень простая, на плате находиться пара микросхем с мелочевкой.

За всеми процессами следит микросхема DW01. Вторая микросхема — это сборка из двух полевых транзисторов. Первый транзистор контролирует процесс разряда, второй отвечает за заряд батареи.

Во время разряда микросхема следит за падением напряжения на переходах полевых ключей, если оно доходит до критической величины (150-200мВ), микросхема закрывает транзисторы, отключая батарею от нагрузки. Работа схемы восстанавливается менее чем за секунду после того, после снятия нагрузки.

Падение напряжение на переходах транзисторов микросхема отслеживает через второй вывод. 

В зависимости от емкости аккумулятора эти контроллеры могут кардинально отличаться внешним видом, током короткого замыкания и топологией схемы, но функция у них всегда одинаковая — защищать аккумулятор от перезаряда, глубокого разряда и перегрузки по току.  Многие контроллеры также обеспечивают защиту от перегрева банки, контроль температуры осуществляется термодатчиком. 

У меня скопилось очень много плат защиты от аккумуляторов мобильных телефонов и как раз для одного моего проекта в котором задействован литий ионный аккумулятор понадобилась система защиты. Проблема в том, что эти платы рассчитаны на максимальный ток в 1Ампер, а мне нужна была плата с током минимум 6-7 Ампер. Платы с нужным для моих целей током стоят меньше пол доллара, но ждать месяц-другой я не мог. Осмотрев китайские платы на алиэкспресс я понял, что они не многим отличаются от моих. Схематика та же, только ток защиты побольше за счёт параллельного включения силовых транзисторов.  

При параллельном соединении полевых транзисторов, сопротивление их каналов будет значительно меньше, поэтому падение напряжения на них будет меньше, а ток срабатывания защиты будет больше. Параллельное соединение ключей даст возможность коммутировать большие токи, чем больше ключей , тем больше общий ток коммутации.

 

В схеме применены стандартные сборки из двух полевиков в одном корпусе. Их часто применяют на платах защиты аккумуляторов смартфонов и не только.

Сборки 8205А имеют очень много аналогов, как и микросхемы контроля DW01. 

После сборки платы я протестировал её. Получилось именно то, что мне нужно для проекта:

  • Плата заряжает аккумулятор до напряжения 4,2В и отключает его от зарядного устройства;
  • При разряде аккумулятора ниже 2,5В аккумулятор отключился от нагрузки;
  • При токах выше 12-13 Ампер аккумулятор отключается.

Литий ионные аккумуляторы имеют малый саморазряд, но аккумулятор дополненный такой платой будет разряжаться быстрее, чем аккумулятор без защиты. Ток потребления схемы защиты мизерный, и составляет около 2,5 МИКРОампер. 

Подробнее о работе платы защиты

{youtube}lXKELGFo79o{/youtube}

Собираем мощную плату контроля

{youtube}_w-AUCG4k_0{/youtube}  

Плата защиты для одной банки LI-ION http://ali. pub/28463y

Плата защиты для двух банок http://ali.pub/284681

Для трех банок http://ali.pub/28464x

Иные платы защиты http://ali.pub/2846eg

Платы защиты с функцией балансировки банок http://ali.pub/28463d

Контроллер DW01 http://ali.pub/284627

Купить электронную нагрузку http://ali.pub/28ncwt

Печатная платы 

С уважением — АКА КАСЬЯН

Контроллер разряда Li-ion аккумулятора

Прежде чем начать

Прежде чем читать эту статью, рекомендуем вам ознакомится со следующей теорией:

Зачем нужен этот прибор?

Li-ion аккумуляторы очень часто используются в качестве источника питания переносных приборов. Например, приборы — велокомпьютер, кухонный таймер и другие, работают на компактных литиевых аккумуляторах. Данные аккумуляторы имеют очень хорошие параметры, но они легко могут выйти из строя. Если аккумулятор разрядить ниже 2.7В и оставить на долгое время в таком состоянии, то он безвозвратно испортится. В таком состоянии происходят необратимые химические изменения в структуре основного носителя. Именно для того, чтобы не допустить данной ситуации, и необходим данная мини плата.

На рынке существуют специальные микросхемы для защиты аккумулятора от переразряда и перезаряда, однако их сложно купить, так как в основном они нужны производителям аккумуляторов (обычно схемы защиты встраиваются сразу в сам аккумулятор). Поэтому в розницу они или не продаются, или дорого стоят. Защищать от перезаряда аккумулятор нет необходимости, если вы заряжаете его нормальными зарядными устройствами, а вот от разряда — есть. Даже если ваш прибор в спящем режиме будет потреблять всего лишь 30 мкА, то за месяц он может вывести из строя аккумулятор небольшой ёмкости. Итак, разберёмся как же можно самостоятельно сделать прибор защиты Li-ion аккумулятора от разряда.

Постановка задачи, требования к прибору

Основные требования к нашему прибору

  • Небольшой размер

  • Ток нагрузки 2А

  • Микропотребление тока

  • Низкая стоимость

  • Доступность компонентов

Подбор компонентов

Для того чтобы защитить аккумулятор, необходима какая-то схема, которая будет контролировать напряжение на аккумуляторе и в случае необходимости отключать с помощью электронного ключа (транзистора) потребитель от аккумулятора.

Для контроля напряжения можно использовать различные элементы — компараторы, стабилитроны, но все они потребляют довольно большой ток и далеко не компактны. Мы будем использовать специальную микросхему — монитор схемы сброса микроконтроллера. Ну а для отключения потребителя, правильнее всего использовать MOSFET транзистор. Так как его сопротивление в ключевом режиме очень мало, то он сможет коммутировать большие токи, даже если сам он очень маленький.

Монитор схемы сброса микроконтроллера

Данный класс микросхем наблюдает за напряжением питания микроконтроллера, и в случае сбоя в питании, который может привести к некорректной работе МК, формирует сигнал сброса (RESET). Микросхемы имеют очень простое подключение — достаточно только подключить питание VDD и GND, и на третьем выводе формируется сигнал RESET.

Различные микросхемы могут формировать как прямой сигнал сброса — логическая единица, так и обратный — логический ноль. Нам нужен такой монитор на напряжение около 3В с очень низким собственным потреблением тока и обратным сигналом RESET. На эту роль отлично подходит микросхема MAX809 в корпусе SOT-23. Вот её упрощённая схема:


На выходе она имеет PUSH-PULL каскад, который в случае напряжения на входе больше 2.9В выдаёт логическую единицу, а в случае если оно меньше 2.9В — то логический ноль. Собственное потребление тока составляет всего 500 nA.

Допустим, что у нас аккумулятор LIR2032 ёмкостью 40мА. Когда его напряжение падает ниже 2.9В, то остаётся около 5% ёмкости, то есть около 2мА. При таком микро потреблении, этого хватит более чем 150 дней. Конечно, как вы видите, даже используя такую схему, аккумулятор все равно необходимо проверять и постоянно заряжать. Поэтому, если вы решили долго не пользоваться прибором, то лучше зарядить аккумулятор до напряжения хранения (около 3.8 В) и отключить совсем от прибора (можно оставить подключённым к схеме контроля).

Подбираем ключевой транзистор — MOSFET

Нам надо коммутировать токи около 2А. Лучше всего использовать N-канальный MOSFET, он будет дешевле при тех же параметрах. Так же, так как у нас напряжение управления будет от 2 до 4 вольт, то нужен логический MOSFET.

Транзистор IRLML6244TRPbF в корпусе SOT-23 отлично справится с этой задачей. Его сопротивление в открытом состоянии составляет максимум 27 мОм.

Рассчитаем какой максимальный ток он сможет коммутировать. Тепловой коэффициент данного корпуса при минимальной площади пайки составляет около 300 градус на Ватт (обратите внимание, что в datasheet указано 100 градусов, при пайке корпуса на 1 кв. дюйме площади меди, а у нас такой площади нет).


Максимально транзистор может нагреться до 150 градусов (при этом его сопротивление будет 27 мОм * 1.5 = 40 мОм). Если принять рабочую температуру прибора до 40 градусов, то значит нагрев надо рассчитывать исходя из 110 градусов (150-40). Таким образом, при выбранном корпусе имеем около 360 мВт мощности (просто делим наши градусы на тепловой коэффициент). При нашем сопротивлении 40 мОм получаем ток 3 А (исходя из формулы P = I*I * R). При реальном расчёте, лучше брать запас мощности около 30% — получается 2.1А.

{product id=37}

Составляем схему

Итак, компоненты мы выбрали. Схема получается совсем простая.


Резистор R1 необходим для ограничения скорости открытия транзистора и снижения нагрузки на управляющий каскад микросхемы. Резистор R2 необходим для защиты базы транзистора, а также для его надёжного закрытия при запуске схемы. Отметим, что резистор R2 даёт лишние 50 мкА потребления тока (при питании от 5 вольт), поэтому слаботочных схемах, когда прибор большую часть времени проводит в спящем режиме его лучше исключить!

Печатная плата используется односторонняя и имеет размер всего 10х6 мм. Ширина силовых дорожек составляет 0.5мм, что вполне достаточно для тока 2А.

Как изготовить данный прибор самостоятельно

Делаем плату и все запаиваем

  1. Подготовить или приобрести необходимые инструменты: все для пайки

  2. Внимательно прочитать статьи из раздела Обязательная теория.

  3. Скачать необходимые файлы по данному прибору с github.

  4. Изготовить плату для прибора самостоятельно (это совсем несложно, в нашей инструкции все подробно описано).

  5. Приобрести все необходимые комплектующие.

  6. Запаять все компоненты на плату, смотри наше видео.

  7. Плата готова!

Разъёмы здесь не используются, плата припаивается проводами. По окончанию лучше запаять готовую плату в термоусадку нужного размера. По необходимости вы можете переделать плату под свой размер (например, для аккумулятора 18650, которые дешевле купить без платы защиты).

Дополнительные проверки и тесты

Проверить плату очень легко, достаточно подключить потребитель к аккумулятору (например прибор или светодиод) и дождаться когда он сядет. После этого проверить напряжение на нем, оно должно быть около 2.9В.

Приобретённые навыки

Пайка: пайка корпуса SOT-23

Схемотехника: схема защиты Liion аккумулятора от разряда

Защита от глубокого разряда батареи аккумуляторов

электроника для дома

Представленная схема защищает аккумулятор от глубокого разряда (разряд ниже минимально допустимого напряжения) или отключает нагрузку от источника при понижении напряжения. После разряда батареи до минимального напряжения питания устройство отключает нагрузку от батареи. Подходит для защиты батарей, таких как свинцово-кислотных (Pb), NiCd, NiMH, Li-Ion и Li-Pol аккумуляторов.

 

Пороговое напряжение определяется суммой напряжений на стабилитроне ZD1, б-э- переходе транзистора Т1 и на резисторе R1. Для запуска схемы необходимо нажать кнопку TL1. Пока напряжение на аккумуляторе достаточно велико, T1 и T2 открыты. При уменьшении напряжения, ток прекращает течь через стабилитрон, транзисторы T1 и T2 закрываются. Т2 работает в ключевом режиме, таким образом, нет медленным постепенным закрытия транзистора.

На рис. 2 вы можете увидеть модифицированную схему, где кнопка TL1 позволяет включения и выключения нагрузки. Устройство, таким образом, служит не только в качестве защиты, но также в качестве выключателя питания.

Максимальное входное напряжение зависит от максимального напряжения VGS транзистора Т2. Минимальное входное напряжение зависит от напряжения, при котором Т2 открывается еще надежно. Обычно, для MOSFETов -это примерно 5В, низкое напряжение логические MOSFETы могут работать при более низких напряжениях. Это позволяет применить схему для работы с Li-Ion / Li-Pol , которых имеет мин. напряжение приблизительно 3,4 В. При небольшом напряжении стабилитрон ZD1 может быть заменен комбинацией последовательно соединенных диодов.

Я тестировал схему с IRF3205 и IPB06N03LA в зависимости от Т2. Примечание: желательно последовательно с батареей подключить предохранитель, в противном случае существует риск возгорания в случае неудачи.

Рис. 1 — Принципиальная схема защиты аккумулятора от глубокого разряда (пониженного).

Рис. 2 — Принципиальная схема защиты аккумулятора от глубокого разряда (пониженного). TL1 служит переключателем (ON-OFF).

Тестирование схемы по рис. 1

Тестирование схемы по рис. 2

Смотрите также:
Электроника для авто

 


Защита литий-ионных аккумуляторов (контроллер защиты Li-ion)

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 (даташит тут):

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 (даташит тут):

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 (даташит тут). 

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. 

© Zlodey, г.Вельск, Октябрь 2013 г.

Схема защиты литиевых батарей 4 s. Схемы защиты Li-ion аккумуляторов от переразряда (контроллеры разряда)

Это устройство ранее уже было кратко описано, попробую написать подробнее и применить на практике.

Прислали хорошо замотав пупыркой


Платы ещё не были разделены, но разделяются хорошо

Размер платы 27х17х4мм
Подключение к зарядке через стандартный разъём microUSB или через дублирующие контакты + и —
Аккумулятор подключается к контактам B+ и B-
Нагрузка подключается к контактам OUT+ и OUT-

Все чипы хорошо известны и проверены

Реальная схема устройства


Отсутствует ограничивающий резистор на входе TP4056 — видимо кабель подключения выполняет эту функцию.
Реальный ток заряда 0,93А.
Зарядка отключается при напряжении на аккумуляторе 4,19В
Потребляемый ток от аккумулятора всего 3мкА, что значительно меньше саморазряда любого аккумулятора.
Описание некоторых элементов
TP4056 — чип контроллера заряда лития на 1А

Подробно описывал тут

DW01A — чип защиты лития

FS8205A — электронный ключ 25мОм 4А

R3 (1,2кОм) — установка тока зарядки аккумулятора

Изменяя его номинал, можно уменьшить зарядный ток


R5 C2 — фильтр цепи питания DW01A. Через него также осуществляется контроль напряжения на аккумуляторе.
R6 — нужен для защиты от переполюсовки зарядки. Через него также измеряется падение напряжения на ключах для нормальной работы защиты.
Красный светодиод — индикация процесса заряда аккумулятора
Синий светодиод — индикация окончания заряда аккумулятора

Переполюсовку аккумулятора плата выдерживает лишь кратковременно — быстро перегревается ключ FS8205A. Сами по себе FS8205A и DW01A переполюсовки аккумулятора не боятся из-за наличия токоограничивающих резисторов, но из-за подключения TP4056 ток переполюсовки начинает течь через него.

При напряжении аккумулятора 4,0V, измеренное полное сопротивление ключа 0,052 Ом
При напряжении аккумулятора 3,0V, измеренное полное сопротивление ключа 0,055 Ом

Защита от токовой перегрузки — двухступенчатая и срабатывает, если:
— ток нагрузки превышает 27А в течение 3мкс
— ток нагрузки превышает 3А в течение 10мс
Информация рассчитана по формулам из спецификации, реально это не проверить.
Длительный максимальный ток отдачи получился около 2,5А, при этом ключ заметно нагревается, т.к. на нём теряется 0,32Вт.

Защита от переразряда аккумулятора срабатывает при напряжении 2,39В — маловато будет, не всякий аккумулятор можно безопасно разряжать до такого низкого напряжения.

Попробовал приспособить эту платку в старую маленькую простейшую детскую радиоуправляемую машинку вместе со старыми аккумуляторами 18500 из ноутбука в сборке 1S2P

Машинка питалась от 3-х батареек АА, т.к. аккумуляторы 18500 значительно толще их, крышку батарейного отсека пришлось снять, перегородки выкусить, а аккумуляторы приклеить. По толщине они получились заподлицо с днищем.


Платку приклеил герметиком к крыше, под разъём сделал вырез.


Теперь аккумуляторы можно заряжать так


Красный индикатор зарядки хорошо просвечивает через красную крышу.


Синий индикатор окончания зарядки через крышу почти не виден — его видно только со стороны разъёма подключения.


Машинка снизу выглядит как с газовыми баллонами:)


На этих баллонах машинка катается минут 25. Не слишком много, ну да ладно, наиграться хватает. Заряжается машинка около часа.

Вывод: маленькое и очень полезное для творчества устройство — можно брать. Буду заказывать ещё.

Планирую купить +227 Добавить в избранное Обзор понравился +103 +259

Защищенные и незащищенные литий ионные аккумуляторы — в чем их разница? Чем отличается устройство литий ионного аккумулятора с защитой? Можно ли использовать незащищенные аккумуляторы? На эти и другие вопросы Вы найдете ответы в нашей статье.

Уже давно известно, что для надежной и долгосрочной работы аккумуляторным батареям нужна защита. Обеспечить ее можно двумя способами — либо внутри самого аккумулятора, либо с помощью устройств, которые с аккумуляторами работают (в нашем случае — это светодиодные фонари и зарядные устройства). И по вполне понятным причинам — поскольку сделать защиту для аккумулятора существенно проще, чем «научить» фонарь работать с незащищенным аккумулятором — многие производители пошли по пути наименьшего сопротивления и переложили бремя дополнительной стоимости защиты аккумулятора на кошелек покупателя. Но не все компании выбрали этот путь — и в данный момент на рынке уже появились новые высокотехнологичные фонари со встроенной защитой аккумуляторов. А это значит, у нас появилась возможность безопасно использовать и незащищенные батареи. Какие преимущества это нам дает? Давайте попробуем ответить на этот вопрос.

Зачем аккумуляторам вообще нужна защита?

Всем известно, что литий-ионные аккумуляторы нужно беречь от полной разрядки и чрезмерной зарядки. Делается это для того, чтобы не допустить возникновения внутри аккумулятора химической реакции, которая может привести к очень неприятным последствиям. Проще говоря, если аккумуляторные батареи часто «высаживать в ноль» или чрезмерно заряжать, — это их убьет: емкость сильно снизится, а в некоторых случаях химические реакции могут привести и к воспламенению. Поэтому на рынке элементов питания уже давно появились «защищенные» аккумуляторы, в которых установлена специальная плата, отключающая их от устройства в следующих ситуациях:

  • если аккумуляторная батарея чрезмерно разряжена (менее 2,8-3В) или, наоборот, заряжена (более 4,2-4,3В)
  • если на него подается слишком высокий ток (более 1-8А)
  • если литий-ионные аккумуляторы неправильно установлены
  • в случае короткого замыкания.

Устройство литий-ионного аккумулятора

Тут следует оговориться — часто полоса защиты, которая предохраняет от КЗ, выполнена не очень качественно и со временем стирается, а это значит, что и защита теряется. Поэтому и полной гарантии, что таким аккумуляторам короткое замыкание не грозит, нет. На следующей фотографии отчетливо видно, что полоса защиты со временем потемнела, и на батарее появилось черное пятно — это подтверждает тот факт, что при перетирании полосы может произойти короткое замыкание.

И все же, преимущества защищенных аккумуляторов существенно облегчили задачу производителям фонарей и избавили их от необходимости модернизировать свою продукцию. Защищенные аккумуляторы затмили своих незащищенных «братьев» и отодвинули их на задний план. Они стали и остаются до сих пор лучшим вариантом питания для фонарей, не имеющих схем защиты.

Но современные качественные фонари производства наиболее продвинутых и ответственных брендов способны обеспечить защиту и обычным незащищенным аккумуляторам. А это дает нам возможность выбора, что само по себе не может не радовать.

Зачем нам возможность использования незащищенных аккумуляторов?

В фонаре со встроенной системой защиты аккумуляторов мы можем использовать как защищенные, так и незащищенные элементы питания. Чтобы получить полное представление о двух типах литий-ионных аккумуляторов, давайте сравним их по следующим основным параметрам:

  • безопасность
  • удобство

1. Безопасность

Плата защиты предохраняет литий-ионные аккумуляторы от чрезмерного заряда и разрядки. Что, соответственно, обеспечивает их безопасную эксплуатацию и продлевает срок службы. Именно поэтому с момента появления в продаже данного типа литий-ионных аккумуляторов, производители стали выдвигать их на первый план и расписывать их преимущества. Ведь гораздо проще давать рекомендации — с какими батареями их фонари будут работать лучше, — чем увеличить затраты на производство и гарантировать одинаковую эффективность работы со всеми доступными видами питания.

Но сейчас ситуация немного изменилась. С одной стороны, современные зарядные устройства для литий-ионных батарей снабжены собственной защитой от перезаряда и коротких замыканий. С другой, новые высокотехнологичные светодиодные фонари имеют встроенную защиту от переразряда. Когда заряд падает до 2,5-2,8В система сигнализирует об этом (обычно миганием), яркость падает, и через некоторое время фонарь отключается. Такая защита дает нам возможность с полной уверенностью использовать для их питания и незащищенные аккумуляторы. А это значит, что все те преимущества, которыми изначально обладали защищенные аккумуляторы, уже не имеют такого большого значения. Ведь защита теперь обеспечивается «извне», микросхемами устройств, для которых тип питания уже не имеет никакого значения.

2. Цена

Тоже немаловажный фактор при сравнении любых аккумуляторных батарей. Здесь все просто — цена на защищенные литиевые батареи выше (электронная плата тоже стоит денег). К тому же, использование защитной платы несколько уменьшает заявленную емкость. По сути, за одну и ту же сумму мы можем купить либо незащищенный аккумулятор высокой емкости, либо защищенный, но с емкостью чувствительно ниже. Тут уже каждый выбирает сам, что ему важнее. Конечно, если фонарь и зарядное устройство у Вас старого образца, и Вы боитесь «проморгать» опасный момент, лучше все же обезопаситься и выбрать защищенные аккумуляторы. Но если Вы давно уже обзавелись новыми «игрушками», которые сами защитят ваши батареи, разницы в безопасности для Вас нет. Поэтому, перефразируя известный слоган, можно сказать — «А если нет разницы — зачем платить больше и терять емкость?»

3. Удобство

Здесь, в первую очередь, хотелось бы упомянуть о чисто технологической стороне. А именно — о размере. О размерах можно судить по номенклатуре, например 18650 — это значит, что его диаметр — 18 мм, длина — 65 мм. Последняя цифра (0) указывает на то, что аккумулятор цилиндрический. По этим цифрам можно понять, что защищенные аккумуляторы длиннее обычных на 2-3 мм — из-за размера платы, а иногда еще и чуть шире — в зависимости от толщины полосы защиты.


Литиевый аккумулятор — плата защиты

Об этом упоминается во всех источниках, причем обычно с припиской «но такая разница обычно не мешает». Но, если почитать форумы и обсуждения товаров, можно увидеть, что все-таки мешает, притом сильно. После популяризации защищенных аккумуляторов от первых пользователей сразу же посыпались жалобы на то, что к их фонарю они не подходят — у кого-то слишком длинные, у кого-то шире обычных. Наученные горьким опытом своих предшественников, остальные покупатели сначала пытались узнать, подойдут ли аккумуляторные батареи именно к их фонарю, а потом уже решали — брать или не брать. Не слишком удобно, согласитесь? «Порадовало» и предлагаемое решение проблемы — «в крайнем случае, защиту можно отломать» (советуют, например, ). Т.е., если уж совсем не влезает — ломай и получай обычный. Только вот по цене защищенного…Что тоже очень радует.

А теперь о наиболее важном — об эксплуатации. Есть ли какие-то преимущества в использовании фонаря с незащищенными аккумуляторами? Давайте представим самую простую ситуацию — батарейки разрядились. Что происходит, если в фонаре установлены защищенные батареи? Защита сработает, и фонарь сразу выключится, причем, как зачастую бывает, произойти это может в самый неудобный момент. А если в этот момент вы находитесь в какой-либо экстремальной или опасной ситуации? Такое резкое выключение может оказаться критическим. К тому же, Вы уже не сможете использовать свои аккумуляторы до того, как хотя бы ненадолго не поставите их в зарядное — плата сработала и больше не «даст» Вам воспользоваться аккумуляторами, так как это для них опасно. Зато если Вы пользуетесь фонарем со встроенной защитой и обычными аккумуляторами, Вы заранее будете предупреждены о том, что питание заканчивается. Фонарь не выключится сразу, а переключится в слабый режим. Это даст Вам время «подготовиться» или заменить аккумуляторы. В крайнем случае, когда возможности заменить питание нет, Вы сможете дать незащищенным аккумуляторам «отдохнуть» — часть заряда восстановится, и Вы сможете использовать их еще какое-то время. К тому же, Ваш фонарь проработает без перезарядки дольше — поскольку нет защиты, на которой теряется дополнительная емкость. Конечно, время работы не увеличится намного, но в экстремальных ситуациях даже несколько минут могут сыграть решающую роль.

И что же в итоге?

А в итоге мы имеем следующую ситуацию. Если мы приобретаем фонарь, оборудованный системой защиты аккумуляторов, мы получаем возможность использовать для питания незащищенные литиевые батареи. А это дает нам определенные преимущества:

Экономия денег на элементах питания

Более продолжительное время работы

Возможность заранее узнать о скором выключении фонаря

Использование аккумуляторов стандартного размера, которые подойдут к любому фонарю и зарядному устройству

И при всех этих преимуществах, наши аккумуляторы полностью защищены и безопасны в использовании. Т.е., разница между «внутренней» и «внешней» защитой аккумуляторов все-таки не так уж и мала. И, видимо, не зря производители светодиодных фонарей предоставили нам возможность выбирать способ защиты самостоятельно.

Иногда в процессе эксплуатации литиевого аккумулятора мы можем заметить, что он вздулся. Почему это происходит? Одной из причин такого поведения может быть нарушение режима эксплуатации аккумулятора. Литиевые аккумуляторы чувствительны к превышению токов заряда, разряда, температуре и пороговых напряжений при заряде-разряде.

В эксплуатации литиевого аккумулятора важно не допустить уход указанных параметров за пределы допустимых значений. Это можно сделать с помощью специализированных микросхем непосредственно в самом устройстве или использовать аккумулятор с уже установленной платой защиты и контроля (PCM).

Крайне важно обеспечить контроль параметров если используется аккумуляторная батарея состоящая из нескольких ячеек. В этом случае обязательным условием является не только идентичность используемых ячеек по ёмкости и внутреннему сопротивлению, но и контроль указанных величин на каждой ячейке индивидуально.

Для демонстрации работы платы защиты и выполняемых функций мы провели её тестирование, а что из этого получилось можно увидеть на видео.

Литий-ионные аккумуляторы вошли в нашу жизнь вместе с сотовыми телефонами и мобильными устройствами. В быту для других автономных устройств до последнего времени литий-ионные аккумуляторы практически не использовались, основной источник питания таких устройств – никель-металлгидридные аккумуляторы привычных для нас размеров ААА, АА, С, D.

Сейчас их постепенно стали вытеснять аккумуляторы на основе лития, так как их преимущества в работе стали неоспоримы.

  • Очень низкий саморазряд. Потери энергии минимальны при правильной эксплуатации.
  • Высокая плотность энергии, соответственно более большая энергоемкость без увеличения размеров по сравнению с аналогичными никелевыми аккумуляторами.
  • Более высокое напряжение на выходе. В сравнении, минимальное для литиевых 3,6 Вольт при стандартном никелеевом 1,2 Вольт по тому же типоразмеру.
  • Уменьшении массы аккумулятора при сохранении габаритов.
  • Увеличенное количество циклов разряда-заряда при сохранении работоспособности.
  • Незначительное уменьшение работоспособности при потере энергоемкости после многочисленных циклов разряда-заряда.

Учитывая эти преимущества, все большее число профессиональных пользователей переводит свои автономные приборы на цилиндрические литий-ионные аккумуляторы и сборки из них. При этом не все знают, как правильно пользоваться, обслуживать, хранить новые источники питания. А также подобрать их по размеру и токовым параметрам.

Обозначение размеров цилиндрических литий-ионных аккумуляторов отличается от привычных для всех никелевых – он цифровой, например, 14500 или 18650. Такое кодирование непривычно, но при этом удобно для подбора необходимого аккумулятора по размеру слота электронного устройства. Первые две цифры кода обозначают диаметр аккумулятора в миллиметрах, вторые – его высоту. Например, типоразмер 18650: 18мм диаметр, 65мм высота.


Правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов и сборок

Литий-ионные аккумуляторы одновременно надежны и капризны, что на первый взгляд кажется парадоксом. Они прихотливы в хранении, обслуживании и эксплуатации. При нарушении условий использования очень быстро выходят из строя. Но при соблюдении всех правил служат долго с высокой производительностью.

Основные ограничения:

  • Минимальное напряжение для литий-ионных аккумуляторов не должно быть меньше 2,2-2,5 Вольт.
  • Максимальное напряжение для литий-ионных аккумуляторов не должно быть больше 4,25-4,35 Вольт.
  • Литий-ионные аккумуляторы неплохо работают при минусовой температуре, но при этом заряжать их на холоде нельзя, тем более если температура ниже нуля градусов.
  • Ток заряда литий-ионных аккумуляторов должен быть не выше половины их емкости. Например, для аккумулятора 2000мАч максимальный ток заряда должен быть 900-1000 мА.
  • Ток разряда (рабочий) не должен быть выше 2-кратного значения емкости аккумулятора. Например, для аккумулятора емкостью 2000мАч максимальный ток разряда 4000мА.
  • Исключения составляют высокомощные литий-ионные аккумуляторы, ток разряда которых может превышать их энергоемкость в 5-10 раз. Такие аккумуляторы маркируются соответствующей надписью.

Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы часто используются для больших батарейных сборок. Аккумуляторные сборки обладают более высокой мощностью и длительным сроком одного цикла работы. Такие аккумуляторные сборки используются в высокомощных устройствах. Вот так выглядит литий-ионная аккумуляторная батарея мощного шуруповерта или дрели.

При самостоятельной сборке аккумуляторной батареи следует помнить, что литий-ионные аккумуляторы не терпят перегрева, поэтому ПАЯТЬ их НЕЛЬЗЯ! Такая аккумуляторная сборка работать не будет, так как с уверенностью можно сказать, что пайка контактов вывела аккумуляторы из строя.

При сборке аккумуляторной батареи применяется специальная сварочная лента и контактная сварка .

Для безопасной работы батареи необходим контроллер заряда-разряда .

При сборке аккумуляторных батарей используются только незащищенные литий-ионные аккумуляторы ! Используя их можно собрать большой очень энергоемкий аккумулятор (аккумуляторную батарею), которая может использоваться в мощных электроприборах, служить дополнительным источник питания.

Такие батареи стоят в электродрелях, шуруповертах, прожекторах, фото- и видеотехнике, ноутбуках, мониторах и т.д. с обязательным дополнением защиты от перенапряжения, перегрева и короткого замыкания в виде платы контроллера.


Защищенные или незащищенные литий-ионные аккумуляторы

В чем отличия и какой выбрать? – главный вопрос волнующий обычного пользователя. Ответ находится в названии: защищенные имеют собственную плату защиты от перегрева и перенапряжения и не нуждаются в дополнительном контроллере заряда-разряда.

Если вы хотите собрать собственную батарею из литий-ионных аккумуляторов или заменить аккумулятор в готовой батарее электроустройства (например, шуруповерта), вам необходим незащищенный литий-ионный аккумулятор.

В остальных случаях — при замене оригинальных аккумуляторов приборов или переводе их с никель-металлгидридных на литиевые – необходимо купить защищенный литий-ионный аккумулятор .

Если вскрыть оболочку защищенного литий-ионного аккумулятора, то под ней найдем обычный незащищенный с теми же параметрами, что указаны на внешней оболочке.

Главное отличие защищенного аккумулятора от незащищенного – приваренная к одному из контактов электронная плата защиты.

Плата защиты при помощи сварочной ленты приваривается к одному из контактов не защищенного литий-ионного аккумулятора.

Затем все упаковывается в пленку с маркировкой производителя защищенных аккумуляторов. Добросовестные производители, указывают на внешней упаковке производителя используемого незащищенного аккумулятора и параметры в соответствии с маркировкой незащищенного аккумулятора.

При выборе защищенного аккумулятора для своего устройства следует учитывать один очень важный момент. Из-за приваренной платы защиты и упаковки в пленку размер аккумулятора становится чуть больше заявленного, изначального размера незащищенного аккумулятора.

Высота увеличивается на 3-5мм.

Диаметр становится больше примерно на 0,5 мм.

При выборе защищенного аккумулятора необходимо поинтересоваться изготовителем незащищенного. К сожалению, не все производители указывают его на упаковке, хотя нередко используют незащищенные аккумуляторы не собственного производства. К примеру, приваривают защиту и упаковывают незащищенные аккумуляторы известных брендов Panasonic, Sony, Samsung и других. Не следует покупать защищенные аккумуляторы, если на них не указаны все параметры «начинки»: энергоемкость, напряжение, плата защиты. Стоит проверить защищенные аккумуляторы на ощупь – не смещается ли при нажатии плата защиты на плюсовом контакте, она обязательно должна быть приварена.

Заряжать цилиндрические литий-ионные аккумуляторы можно только специальными зарядными устройствами. В связи с популяризацией литий-ионных аккумуляторов ассортимент зарядных устройств для Li-Ion растет . При выборе зарядного устройства необходимо обратить внимание на его параметры заряда-разряда, размер слотов и соотнести их с используемыми литий-ионными аккумуляторами для правильной эксплуатации и сохранения работоспособности.

Всем радиолюбителям отлично знакомы платы заряда для одной банки li-ion аккумуляторов. Она пользуется большим спросом из за малой цены и неплохих выходных параметров.


Применяется для зарядки ранее указанных аккумуляторов от напряжения 5 Вольт. Подобные платки находят широкое применение в самодельных конструкциях с автономным источником питания в лице литий-ионных аккумуляторов.


Выпускают эти контроллеры в двух вариантах — с защитой и без. Те, что с защитой стоят чуток дорого.

Защита выполняет несколько функций

1) Отключает аккумулятор при глубоком разряде, перезаряде, перегрузке и к.з.


Сегодня мы очень детально проверим эту платку и поймем соответствуют ли обещанные производителем параметры реальным, а также устроим иные тесты, погнали.
Параметры платы приведены ниже

А это схемы, верхняя с защитой, нижняя — без

Под микроскопом заметно, что плата весьма неплохого качества. Двухсторонний стеклотекстолит, никаких «сополей», присутствует шелкография, все входы и выходы промаркированы, перепутать подключение не реально, если быть внимательным.



Микросхема может обеспечить максимальный ток заряда в районе 1 Ампера, этот ток можно изменить подбором резистора Rх (выделено красным).

А это табличка выходного тока в зависимости от сопротивления ранее указанного резистора.


Микросхема задает конечное напряжение зарядки (около 4,2Вольт) и ограничивает ток заряда. На плате имеется два светодиода, красный и синий (цвета могут быть иными) Первый горит в процессе заряда, второй когда аккумулятор полностью заряжен.

Имеется Micro USB разъем, куда подается напряжение 5 вольт.

Первый тест.
Проверим выходное напряжение, до которого будет заряжаться аккумулятор, оно должно быть в от 4,1 до 4,2В


Все верно, претензий нет.

Второй тест
Проверим выходной ток, на этих платах по умолчанию выставлен максимальный ток, а это около 1А.
Будем нагружать выход платы до тех пор, пока не сработает защита, этим имитируя большое потребление на входе или разряженный аккумулятор.

Максимальный ток близок к заявленному, идем дальше.

Тест 3
На место аккумулятора подключен лабораторный блок питания на котором заранее выставлено напряжение в районе 4-х вольт. Снижаем напряжение до тех пор пока защита не отключит аккумулятор, мультиметр отображает выходное напряжение.


Как видим, при 2,4-2,5 вольтах напряжение на выходе пропало, т.е защита свое отрабатывает. Но это напряжение ниже критического, думаю 2,8 Вольт было бы самое оно, в общем не советую разряжать аккумулятор до такой степени, чтобы сработала защита.

Тест 4
Проверка тока срабатывания защиты.
Для этих целей была использована электронная нагрузка, плавно увеличиваем ток.

Защита срабатывает на токах около 3,5 Ампер (отчетливо видно в ролике)

Из недостатков замечу только то, что микросхема безбожно нагревается и не спасает даже теплоемкая плата, к стати — сама микросхема имеет подложку для эффективной теплоотдачи и эта подложка припаяна к плате, последняя играет роль теплоотвода.


Добавить думаю нечего, все прекрасно видели, плата является отличным бюджетным вариантом, когда речь идет о контроллере заряда для одной банки Li-Ion аккумулятора небольшой емкости.
Думаю это одна из самых удачных разработок китайских инженеров, которая доступна всем из-за ничтожной цены.
Счастливо оставаться!

BMS платы — полный обзор контроллеров для защиты аккумуляторов

В наш современный век всеобщей популяризации литиевых батарей любой, даже простой пользователь бытовых устройств, должен хотя-бы примерно представлять их функционирование и факторы риска при их эксплуатации. Среди произошедших несчастных случаев с аккумуляторами (например, электронных сигарет) лишь небольшой процент обязан производственному браку, чаще всего неисправности возникают в результате неправильной эксплуатации.

В нашей статье мы рассмотрим новейшие технологии, которые призваны защитить литиевые аккумуляторы, а также расскажем, почему они так важны.

Из теории литиевых аккумуляторов можно узнать, что им противопоказан перезаряд, переразряд или разряд слишком большими токами, а также короткие замыкания. При переразряде, в аккумуляторе образуются металлические связи между катодом и анодом, которые приводят к короткому замыканию при зарядке аккумулятора, что может привести к порче не только элементов питания, но и зарядного устройства. Перезаряд же (набор аккумулятором напряжения больше разрешенного) почти сразу ведёт к возгоранию, а зачастую даже к взрыву.

Для горения литиевых аккумуляторов не нужен кислород – оно происходит анаэробно, поэтому стандартные методы тушения не подходят; также, при реакции лития с водой выделяется еще и горючий газ водород, который только ухудшает ситуацию. Разряд высокими токами приводит к вздутию аккумулятора, а если нарушается целостность оболочки – происходит реакция лития с водяными парами в воздухе, что само по себе способно спровоцировать возгорание.

Всё это отнюдь не перечёркивает явные преимущества аккумуляторов, среди них:

  • большая плотность энергии на единицу массы
  • низкий процент саморазряда
  • практически полное отсутствие эффекта памяти (когда заряд неполностью разряженного элемента приводит к снижению ёмкости)
  • большой температурный диапазон работы

Незначительное снижение напряжения в процессе разряда накладывает некоторые обязанности на пользователя. Нельзя допустить превышения максимального напряжения (4.25 В), снижение напряжения ниже минимального (2.75 В), а также превышения рабочего тока, который отличается для каждой модели. И в этом хитром деле нам помогут специальные устройства – BMS-контроллеры!

В переводе с английского, BMS (Battery Management System) – система управления батареей. Понятие слишком широкое, поэтому оно описывает почти все устройства, так или иначе обеспечивающие корректную работу аккумуляторов в данном устройстве, начиная с простых плат защиты или балансировки, заканчивая сложными микроконтроллерными устройствами, подсчитывающими ток разряда и количество циклов заряда (например, как в батареях ноутбуков). Мы не будем рассматривать сложные устройства – как правило, они специфичны и не предназначаются для рядового радиолюбителя, а выпускаются только под заказ для крупных производителей устройств.

То, что продаётся повсеместно, условно можно разделить на четыре категории:

  • балансиры
  • защиты (по току, напряжению)
  • платы, обеспечивающие заряд (да, они тоже считаются устройствами BMS)
  • те или иные комбинации вышеперечисленных вариантов, вплоть до объединения всего в одно устройство

Чем функциональней и разветвлённей защита – тем больше ресурс работы вашего аккумулятора.

Давайте посмотрим, по какому принципу BMS системы выполняют своё предназначение.

Структурно на плате можно выделить:

  • микросхема защиты
  • аналоговая обвязка (для определения тока/балансировки аккумуляторов)
  • силовые транзисторы (для отключения нагрузки)

Рассмотри подробнее работу каждой из защит.

Существует множество вариантов узнать, какой ток течёт по линии. Самый распространённый – шунт (измерение падения напряжения на резисторе с низким сопротивлением и большой мощностью), но он требует большой точности измерений и весьма громоздкий. Метод с измерением на основе эффекта Холла лишён этих недостатков, но стоит дороже, поэтому самый распространённый метод определения КЗ на линии – измерение напряжения, которое проседает практически до нуля в режиме КЗ.

Современные контроллеры позволяют сделать это в очень короткий промежуток времени, за который ущерб не нанесётся ни подключенному устройству, ни самому аккумулятору. Но защита по току может функционировать и на шунте – ведь в случае BMS тут не нужно точное измерение, важен лишь переход падения напряжения через определённый порог. Как только событие наступает, контроллер сразу же отключает нагрузку при помощи транзисторов.

С этой защитой разобраться попроще, так как измерение напряжения легко можно сделать, используя аналогово-цифровой преобразователь. Но и тут есть некая специфика – стоит отметить, что если контроллер защищает большую сборку из последовательно соединённых аккумуляторов, то обычно он меряет напряжение каждой банки персонально, так как ввиду мельчайших различий в элементах они имеют мельчайшие же различия по ёмкости, что выливается в неравномерный разряд и возможность высадить «в ноль» отдельный элемент.

Некоторые системы не подключают нагрузку, не дождавшись дозаряда аккумулятора до определённого напряжения после срабатывания триггера по переразряду, то есть недостаточно подзарядить элемент пару минут, чтобы он поработал ещё хоть малое время – обычно необходимо зарядить до номинального напряжения (3.6 – 4.2В, в зависимости от типа аккумулятора).

Редко встречается в современных устройствах, но не зря большинство аккумуляторов для телефонов оборудовано третьим контактом – это и есть вывод терморезистора (резистора, имеющего чёткую зависимость сопротивления от окружающей температуры). Обычно перегрев не наступает сам собой и раньше успевают сработать другие виды защиты – например, перегрев может быть вызван коротким замыканием.

Зарядка литиевых аккумуляторов происходит в 2 этапа: CC (constant current, постоянный ток) и CV (constantvoltage, постоянное напряжение). В течение первого этапа зарядное устройство постепенно поднимает напряжение таким образом, чтобы заряжаемый элемент брал заданный ток (обычное рекомендованное значение равно 1 ёмкости аккумулятора). Когда напряжение достигает 4В, зарядка переходит на второй этап и поддерживает напряжение 4.2В на батарее.

Когда элемент практически перестанет брать ток, он считается заряженным. На практике, алгоритм можно реализовать и при помощи обычного лабораторного блока питания, но зачем, если есть специализированные микросхемы, заранее «заточенные» под выполнение этой последовательности действий, например, самая известная из них – TP4056, способна заряжать током до 1А.

Напоследок мы оставили самую интересную функцию BMS – функцию балансировки элементов многобаночного аккумулятора.

Итак, что же такое балансировка? Сам процесс её подразумевает выравнивание напряжений на элементах батареи, соединённых последовательно для повышения общего напряжения сборки. Из-за небольших отличиях в ёмкости батарей они заряжаются за немного разное время, и когда одна банка может уже достигнуть апогея зарядки, остальные могут ещё недобрать заряд.

При разряде такой сборки большими токами наиболее заряженные элементы по закону Ома возьмут на себя больший ток (при равном сопротивлении ток будет зависеть от напряжения, которое находится в знаменателе формулы), что вызовет их ускоренный износ и может вывести элемент из строя. Для того, чтобы избежать этой проблемы, применяют аккумуляторные балансиры – специальные устройства, выравнивающие напряжения на банках до одного уровня.

Активные балансиры производят балансировку уже при зарядке – зарядив одну банку сборки, они отключают её от питания, продолжая заряжать вторую. Как яркий пример такого устройства – популярное среди моделистов ЗУ Imax B6, в режиме Balance оно сразу проверяет напряжения индивидуально на каждой банке и справляется с этим на отлично.

Пассивные балансиры наоборот, разряжают элементы до одного значения малыми токами через резисторы. Их основной плюс – они не требуют внешнего питания, а также являются более точными за счёт применения аналоговых комплектующих (и более дешёвыми, так как не содержат сложных микросхем).

Рассмотрим некоторые примеры готовых плат BMS:

Итак, в завершение хочется сказать, что под каждую задачу на современном рынке можно найти такую плату менеджмента заряда аккумуляторов, которая удовлетворит Ваши потребности и надёжно защитит устройство и сами аккумуляторы.

Не стоит недооценивать важность техники безопасности, и если в небольших устройствах с низкими токами потребления защита является правилом хорошего тона, то для высокотоковых проектов она практически панацея, способная спасти даже жизнь в непредвиденной ситуации.

Творите, а магазин Вольтик.ру всегда предоставит возможность выбрать и купить нужные Вам компоненты!

Как я пытался победить TP4056 / Хабр

Приветствую!

Несколько слов о популярном модуле для зарядки литиевых аккумуляторов на базе контроллера TP4056.

Некоторое время назад китайские собратья начали выпускать модули для зарядки li-on элементов на основе микросхемы TP4056. Сначала это были просто модули заряда, причем первые варианты выпускались с разъемом MiniUSB. Потом стали устанавливать MicroUSB. Последние варианты этого модуля идут со встроенной защитой аккумулятора на базе DW01 (защита от КЗ, от переразряда).

Так вот.

Это небольшие модули для встраивания в различную аппаратуру, в основном для самоделок (DIY) и ремонта. Крайне удобно для замены практически любых соляных и щелочных элементов питания: батареек типа АА, ААА, D, «Кроны» и так далее, главное требования, чтобы аккумулятор «вытягивал» требуемые параметры. Как правило, литиевые элементы на порядок мощнее, чем те же соляные АА батарейки.

Внешний вид модуля зарядки на TP4056

К подобным «апгрейдам» обычно приходят либо от безысходности (нет элементов в продаже, устаревшая конструкция аппаратуры, а использовать надо), либо при повышенном расходе батареек. Например, в детских игрушках используются либо Ni-Cd элементы питания (4-5 элементов по 1.2В), либо АА батарейки, 5-6 штук. Как было бы удобно, если бы все эти игрушки, мультиметры и прочая аппаратура при работе питалась бы не от батареек, а заряжалась бы от распространенного USB.

Ниже на картинке представлены: первый вариант платы (c MiniUSB), с обозначением основных функциональных узлов, второй вариант платы (c MicroUSB и защитой). Обратите внимание на Rprog/R3. С помощью этого резистора можно задавать ток зарядки аккумуляторов. Справа показана таблица выбора значения этого резистора.

Я пробовал «дорабатывать» схему, модифицируя модуль для параллельного подключения модулей, добавляя в цепь диоды для развязки питающих цепей, комбинировал дорожки и т.п. Попытка подобных доработок привела к тому, что вроде как можно подключить 2-3 модуля вместе, для зарядки 2S (или 3S) аккумулятора, но при срабатывании защиты на одном из них, ток, протекающий через другие элементы увеличивается и может привести к выходу из строя остальных модулей.

Так что, я делаю вывод, что подобные модули не подходят для комбинирования и параллельного подключения типа 2S-3S. Есть другой выход. Этот модуль может неплохо работать с 1S2P (1S3P…) батареями элементов, например, 18650. А для получения на выходе нужного напряжения лучше использовать Step-Up DC-DC модуль нужной мощности.

Просто подключаем к выходу модуля на TP4056 Step-Up DC-DC (они бывают на фиксированный выход, и с регулируемым выходом). Подобный модуль на фото имеет выход до 2А и регулируемое напряжение.

На фото модуль со Step-Up и аккумулятором 08570 от электронной сигареты.

Подобную сборку планирую установить в мультиметр, для замены батарейки «Крона» 9В. Минус — придется «запилить» наружу коннектор MicroUSB для зарядки устройства.

Для замены 5 элементов Ni-Cd на преобразователе можно установить 6.0В. Подобные сборки используются в старых р/у игрушках и не только.

А вот для замены трех АА или ААА батареек устанавливаем 4.5В. Это самые распространенные кейсы применения подобного модуля.

Модуль контроллера заряда TP4056 + защита для аккумуляторов BW01 (5 шт. в лоте) брал с купоном DIY3M, цена что-то там около $2. Пока все платы разошлись по устройствам, а вот для 2S…3S вариантов лучше поискать специализированные модули BMS с балансировкой и защитой.

Защита литий-ионных элементов

14.12.2015 | Автор: Дэйв Найт,

Литиевые батареи

обладают преимуществом высокой плотности энергии. Однако они требуют осторожного обращения. В этой статье обсуждаются важные соображения безопасности и защиты при использовании литиевой батареи, вводятся некоторые распространенные ИС защиты батареи и кратко описывается выбор важных компонентов в схемах защиты батареи.

Переплата

Литиевые батареи

можно безопасно заряжать до 4.1 В или 4,2 В / элемент, но не выше. Чрезмерная зарядка вызывает повреждение аккумулятора и создает угрозу безопасности, в том числе опасность возгорания. Для предотвращения этого следует использовать схему защиты аккумулятора.

Перегрузка

Литиевые батареи

полностью разряжены при разряде до 2,5 В на элемент. Такой низкий разряд литиевого элемента вызывает стресс для элемента и сокращает срок его службы. Хорошая схема защиты аккумулятора также обеспечит защиту от чрезмерной разрядки.

Слишком быстрая разрядка

Литиевые батареи не следует разряжать слишком быстро.Литиевые батареи имеют максимальный номинальный ток разряда. Схема защиты батареи выведет батарею из цепи, если ток нагрузки будет слишком высоким.

Как работают схемы защиты аккумуляторных батарей

ИС защиты батареи обычно используют полевые МОП-транзисторы для включения и выключения литиевых элементов. Литиевые элементы того же возраста и номера детали можно подключать параллельно и использовать одну схему защиты.

На рис. 1 представлена ​​типовая схема приложения для Texas Instruments BQ29700.На нем показан BQ29700, подключенный к двум полевым МОП-транзисторам, помеченным как CHG и DSG, и клеммам ячеек. CHG MOSFET выключится, если напряжение на клеммах элемента будет слишком высоким. Элемент может разряжаться через внутренний диод CHG и через DSG, пока включен DSG. Если элемент разряжается слишком быстро или напряжение элемента становится слишком низким, DSG отключается, предотвращая дальнейшую разрядку. Ячейка все еще может заряжаться через внутренний диод DSG и CHG MOSFET, пока CHG включен.

ИС для защиты аккумулятора доступны от многих производителей. На рисунке 2 показана схема применения микросхем Seiko серии S-8200A для защиты литиевых элементов. Seiko предлагает несколько семейств ИС для защиты литиевых элементов. На рисунке 3 показана схема применения другой ИС защиты литиевых элементов, DW01-P. Обратите внимание, что схемы приложений для всех трех схем очень похожи.

Рисунок 1: Типовая схема применения Texas Instruments BQ29700D

Источник изображения: Texas Instruments

Рисунок 2: Схема типичного применения для микросхем защиты батарей Seiko Instruments серии S-8200A

Источник изображения: SII

Рисунок 3 : Типовая схема применения DW01-P

Источник изображения: SparkFun [IKS1]

Рекомендации по выбору микросхем защиты аккумулятора

Два важных параметра в ИС аккумуляторов — это порог перенапряжения и порог пониженного напряжения.Эти числа представляют собой предельные уровни напряжения; ИС отключит ячейку от цепи, если ячейка перезаряжается или разряжается. Эти значения обычно вводятся в ИС защиты аккумулятора. Эти микросхемы выпускаются с различными пороговыми миксами, что дает инженерам широкий выбор.

Порог защиты от перенапряжения

Литиевые батареи

имеют больший заряд во время каждого цикла зарядки, если они заряжены до 4,2 В. Однако у них больше срока службы, если они заряжены до 4.1В. Инженер-проектировщик должен найти баланс между зарядом на элемент и сроком службы при выборе порога перенапряжения.

Порог защиты от чрезмерного разряда

Порог защиты от чрезмерной разрядки также влияет на емкость / заряд и срок службы элемента. Батарея будет иметь больше емкости на одну зарядку, если она полностью разряжена. Однако это вызывает нагрузку на аккумулятор и сокращает срок его службы.

Выбор MOSFET

Ключевым элементом схемы защиты батареи являются полевые МОП-транзисторы, используемые для включения и выключения элемента в цепи.Для достижения высокой эффективности следует использовать полевые МОП-транзисторы с низким RDS (ON). Используйте полевые МОП-транзисторы с низким напряжением питания, потому что микросхема защиты аккумулятора может иметь только 2–3 В для управления затвором.

Выводы

В этом блоге мы рассмотрели основные аспекты защиты литиевых элементов и выбора микросхемы защиты аккумулятора, рассмотрели некоторые распространенные микросхемы защиты аккумулятора от различных производителей и кратко обсудили выбор MOSFET.

Схема защиты литий-ионной батареи 4,5 мкА

На рис. 1 показана прецизионная схема блокировки при пониженном напряжении со сверхнизким энергопотреблением.Схема контролирует напряжение литий-ионной батареи и отключает нагрузку, чтобы защитить батарею от глубокого разряда, когда напряжение батареи падает ниже порога блокировки. Хранение продукта с батарейным питанием в разряженном состоянии подвергает батарею риску полной разрядки. В разряженном состоянии ток в схеме защиты непрерывно разряжает аккумулятор. Если батарея разряжается ниже рекомендуемого напряжения в конце разряда, общая производительность батареи снижается, срок службы сокращается, и батарея может выйти из строя преждевременно.Напротив, если напряжение блокировки установлено слишком высоким, максимальная емкость батареи не достигается.

Рисунок 1. Схема блокировки пониженного напряжения

Режим работы с низким уровнем заряда батареи отображается, когда, например, сотовый телефон автоматически отключается после того, как индикатор разряда батареи мигает в течение некоторого времени. Если телефон в таком состоянии окажется потерянным и найден через несколько месяцев, схема защиты, показанная на рисунке 1, не приведет к чрезмерному разряду и повреждению аккумулятора, поскольку схема защиты занимает менее 4-х секунд.5 мкА тока. При таком низком токе время, необходимое литий-ионной батарее для достижения конечного напряжения разряда, значительно увеличивается. Для других схем защиты, которые обычно требуют более высокого тока, скорость разряда выше, что позволяет напряжению батареи упасть ниже безопасного предела за более короткое время. Обратите внимание, что если позволить батарее разрядиться ниже безопасного предела, произойдет безвозвратная потеря емкости.

LT1389 — это не просто еще один источник опорного напряжения. Его очень низкое потребление тока делает его идеальным выбором для приложений, требующих максимального времени автономной работы и высокой точности.Он требует тока всего 800 нА и обеспечивает точность начального напряжения 0,05% и максимальный температурный дрейф 20 ppm / ° C, что соответствует абсолютной точности 0,19% в промышленном температурном диапазоне и 0,3% в промышленном диапазоне температур. LT1389 работает на уровне одной пятнадцатой от тока, требуемого для стандартных эталонов, с сопоставимой точностью. Это самый низкий источник эталонного напряжения, доступный сегодня. Прецизионный шунтирующий источник опорного напряжения LT1389 доступен в четырех версиях с фиксированным напряжением: 1,25 В, 2.5 В, 4,096 В и 5,0 В. Он доступен в корпусе SO с 8 выводами, в коммерческом и промышленном температурных классах.

Низкое энергопотребление (I S <1,5 мкА) и прецизионные характеристики делают операционный усилитель ввода-вывода LT1495 Rail-to-Rail идеальным компаньоном для LT1389. Чрезвычайно низкий ток питания сочетается с превосходными характеристиками усилителя: входное напряжение смещения составляет максимум 375 мкВ с типичным дрейфом всего 0,4 мкВ / ° C, входной ток смещения составляет максимум 100 пА, а входной ток смещения составляет максимум 1 нА.Характеристики устройства мало меняются в диапазоне питания от 2,2 В до ± 15 В. Низкие токи смещения и ток смещения усилителя позволяют использовать резисторы источника мегаомного уровня без внесения значительных ошибок. LT1495 выпускается в пластиковых 8-контактных корпусах PDIP и SO-8 со стандартной распиновкой для двух операционных усилителей.

Практически не потребляя тока, LT1389 и LT1495 являются идеальным выбором для схемы UVLO и многих других аккумуляторных приложений.

Схема настроена для одноэлементной литий-ионной батареи, где напряжение блокировки — напряжение, когда схема защиты отключает нагрузку от батареи — равно 3.0V. Это напряжение, установленное соотношением R1 и R2, воспринимается в узле A. Когда напряжение батареи падает ниже 3,0 В, узел A падает ниже порогового значения в узле B, которое определяется как:

Затем выходной сигнал U1 будет иметь высокий уровень, выключая SW1 и отсоединяя нагрузку от батареи. Однако, как только нагрузка снимается, напряжение батареи восстанавливается и заставляет узел A подниматься выше опорного напряжения. Затем выход U1 переключится на низкий уровень, снова подключив нагрузку к батарее, и напряжение батареи упадет ниже 3.Опять 0В. Цикл повторяется, и возникает колебание.

Чтобы избежать этого условия, добавлен R5, чтобы обеспечить некоторый гистерезис вокруг точки срабатывания. Когда выходной сигнал U1 достигает высокого уровня для отключения SW1, узел B поднимается на 42 мВ выше узла A, предотвращая колебания вокруг точки срабатывания. Используя приведенную ниже формулу, величина гистерезиса для цепи рассчитывается как 92 мВ. Следовательно, V BATT должен снова подняться выше 3,092 В, прежде чем батарея будет подключена.

Проконсультируйтесь с производителем аккумулятора относительно максимального значения ESR при максимальном рекомендуемом токе разряда.Умножьте два значения, чтобы получить минимальный требуемый гистерезис.

Наихудший случай погрешности монитора напряжения лучше 0,4%. Интересно, что долговечность и емкость аккумулятора напрямую связаны с глубиной разряда. Больше циклов можно получить, частично, а не полностью разрядив литий-ионную батарею, и, наоборот, большее время использования можно получить, полностью разрядив литий-ионную батарею. Отключение нагрузки при идеальном напряжении в конце разряда в идеале приведет к наилучшему из обоих случаев.Для выполнения этой задачи требуется точная общая система. Например, если оптимальное напряжение блокировки должно быть установлено на уровне 3,1 В, система с общей точностью 5% выдаст ± 155 мВ с отключением при 2,945 В или 3,255 В. При напряжении блокировки 3,255 В максимальная емкость не достигается. Кроме того, сокращается рабочий диапазон, при полностью заряженном аккумуляторе напряжение составляет 4,1 В. Для системы с общей точностью 0,4% напряжение блокировки будет на уровне 3,088 В или 3,112 В, что более чем в двенадцать раз превышает точность и оптимально обеспечивает максимальную пропускную способность.Кроме того, нагрузка остается отключенной с током всего 4,5 мкА на схему защиты. Таким образом, схема защиты работает, предотвращая глубокую разрядку аккумулятора.

Рисунок 2. V BATT и V A с гистерезисом

Нет необходимости выбирать между производительностью и потребляемым током. Прецизионный шунтирующий источник опорного напряжения LT1389 наномощный и прецизионный операционный усилитель ввода / вывода LT1495 1,5 мкА обеспечивают высочайшую производительность при практически нулевом потреблении тока.

Защитить литий-ионные батареи не так уж сложно.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275e5f6d5f267ee20be1a» data-embed-element = «aside» data-embed-alt = «Insidepenton Com Электронный дизайн Adobe Pdf Logo Tiny «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2013/01/insidepenton_com_electronic_design_adobe_pdf_logo_tiny.png?auto=format&fit=max&w=1440 «data-embed «»]}% Загрузите эту статью в формате.Формат PDF
Этот тип файла включает графику и схемы с высоким разрешением, если применимо.

Литий-ионные и литий-полимерные батареи все чаще используются в портативных и мобильных устройствах. Эти высокоэффективные аккумуляторные технологии позволяют аккумулировать больше энергии при меньшем размере, чем почти любой другой тип аккумуляторов.

Однако такая энергоэффективность имеет свою цену — литиевые батареи могут перегреваться, загораться или взрываться, если они перезаряжены, закорочены, перегреты или неправильно используются.В целях безопасности при проектировании литиевых батарей в продукт должны быть включены некоторые схемы защиты. В этой статье рассматривается один из подходов к защите аккумулятора.

Форм-факторы литиевых батарей

Смартфоны и ноутбуки — главные пользователи литиевых батарей, но их диапазон приложений гораздо шире. Другие продукты, использующие литиевые батареи, включают пылесосы, садовые инструменты, электроинструменты, газонокосилки, роботы, дроны и аккумуляторы.Литий-ионные аккумуляторы для тяжелых условий эксплуатации включают некоторые электроинструменты, электронные скутеры, большие дроны и электромобили.

Внешний аккумулятор — это просто переносная вторичная батарея, которая используется для подзарядки вашего смартфона или ноутбука, когда источник переменного тока недоступен. Блок питания обычно заряжается через USB-порт ПК, а стандартный USB-разъем типа A используется для подключения к смартфону или ноутбуку через стандартный кабель для зарядки телефона.

Во всех этих продуктах используются аккумуляторные блоки, модуль, содержащий аккумулятор, некоторые формы мониторинга и измерения состояния заряда и срока службы аккумулятора, а также схемы защиты.Батарейные блоки оцениваются по количеству последовательно соединенных ячеек, составляющих батарею. Одна ячейка — это 1S, две ячейки — 2S, до 15S и выше.

Аккумуляторы

Существует два основных типа защиты аккумуляторного блока: защита по напряжению и защита по току. Защита по напряжению использует компараторы для контроля напряжений отдельных ячеек, чтобы увидеть, как они сравниваются с пороговыми значениями, определяющими состояние перенапряжения (OV) или пониженного напряжения (UV). Что касается защиты по току, резистор последовательного считывания измеряет ток, проходящий через батарею, и сравнивает его с заданными пороговыми значениями максимального или минимального тока.Сюда входят условия короткого замыкания, а также уровни чрезмерного заряда или разряда. В большинстве аккумуляторных блоков используются переключатели MOSFET для управления путями зарядки и разрядки; они также отключают цепи при превышении установленных пороговых значений.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f0f6d5f267ee21175d» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2016 10 11 0117 Ti Li Ion Safety F1 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/01/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2016_10_11_0117_TI_Li_ion_safety_F1.png?auto=format&fit=max&w=1440} ИС сверхмалого энергопотребления для контроля напряжения, тока и температуры для защиты литий-ионных аккумуляторов. В устройстве используется собственная специализированная логика управления, а не микроконтроллер (любезно предоставлено Texas Instruments)

Кроме того, в аккумуляторные блоки обычно входит термистор для измерения температуры, который предупреждает о перегреве.Некоторые многоэлементные аккумуляторные блоки также имеют функцию обнаружения обрыва цепи / провода (OCD), метод контроля напряжения отдельных ячеек и схемы, которая обеспечивает балансировку ячеек для обеспечения равного напряжения и заряда каждой ячейки. Это в конечном итоге увеличивает время автономной работы и производительность.

Указатель уровня топлива — это схема, которая определяет количество энергии, оставшейся в батарее в любой момент времени. Схема измерения контролирует напряжение, ток и температуру батареи; затем он оцифровывает эти значения в одном или нескольких АЦП и отправляет их встроенному микроконтроллеру или выделенному логическому контроллеру.Прошивка в контроллере реализует алгоритм измерения, который определяет состояние аккумулятора.

Реализация функций аккумуляторной батареи

Когда дело доходит до любого типа защиты, мониторинга и / или измерения, решение должно быть простым и недорогим. Решением может быть схема с несколькими микросхемами, хотя одночиповое разрешение доступно в bq77905 от Texas Instruments. Bq77905 — это устройство защиты аккумуляторной батареи с низким энергопотреблением, которое реализует набор средств защиты по напряжению, току и температуре без управления микроконтроллером (MCU).Стекируемый интерфейс устройства обеспечивает простое масштабирование для поддержки приложений с аккумуляторными элементами от 3 до 20 и более. Чип обеспечивает балансировку ячеек, что дает дополнительное время работы и время автономной работы.

Пороги защиты и задержки программируются на заводе и доступны в различных конфигурациях. Для дополнительной гибкости предусмотрены отдельные пороги перегрева и понижения температуры для разряда (OTD и UTD) и заряда (OTC и UTC) (Рис. 1) . Основные характеристики включают:

• Потребление тока в нормальном режиме 6 мкА.

• Мониторинг от трех до пяти ячеек, наращиваемый для размещения большего количества ячеек.

• Точность защиты по напряжению ± 10 мВ:

Диапазон перенапряжения от 3 до 4,575 В

Диапазон пониженного напряжения от 1,2 до 3 В

• Обрыв ячейки, обнаружение обрыва провода.

bq77905 обеспечивает защиту аккумуляторной батареи через интегрированные независимые драйверы NMOS FET нижнего плеча CHG и DSG, которые можно отключить с помощью двух управляющих контактов. Эти управляющие штифты также могут использоваться для создания решений по защите ячеек для более высоких серий (6S и выше).Для этого вы каскадируете выходы CHG и DSG вышестоящего устройства на управляющие выводы нижнего устройства. Для уменьшения количества компонентов при всех сбоях защиты используются внутренние таймеры задержки. На рис. 2 показаны переключатели bq77905 и внешних полевых транзисторов для заряда и разряда. В схеме используется однорядный токовый путь для заряда и разряда.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275f0f6d5f267ee21175f» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Сайты электронного дизайна Electronicdesign com Загрузка файлов 2016 10 11 0117 Ti Li Ion Safety F2 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2017/01/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2016_10_11_0117_TI_Li_ion_safety_F2.png?auto=format&fit=max&w=1440 «full pack data. В схеме bq77905 используются внешние переключатели на полевых транзисторах для управления зарядкой, разрядкой и защитой. Обратите внимание, что можно контролировать и балансировать до пяти ячеек (любезно предоставлено Texas Instruments)

Модуль оценки (EVM) доступен для устройства защиты малой мощности bq77905 3-5S.Он представляет собой полную систему для литий-ионных элементов. Модуль EVM включает в себя одну интегральную схему (IC) bq77905, измерительный резистор, термистор, два полевых транзистора CSD18534Q5A и все другие встроенные компоненты, необходимые для переключения тока заряда и разряда.

Печатный модуль соединяет «аккумуляторный» источник и «пакетную» нагрузку. В дополнение к току и напряжению, приложенным к модулю, пользователь может удалить встроенные перемычки, чтобы имитировать условия перегрева или понижения температуры, чтобы наблюдать за управлением полевым транзистором в различных условиях заряда и разряда.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df273aef6d5f267ee155392» data-embed-element = «aside» data-embed-alt = «Electronicdesign 13840 Sourceesb» data-embed-src = «https : //img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/04/electronicdesign_13840_sourceesb.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

Защита батареи ИС с функцией управления зарядом-разрядом для одноэлементной батареи S-82B1A Series

Название продукта Упаковка Перегрузка
Обнаружение
Напряжение
[VCU]
(В)
Перегрузка
Отпуск
Напряжение
[VCL]
(В)
Обнаружение переразряда 14 В


(В)
Переразряд
Отпуск
Напряжение
[VDU]
(В)
Разряд
Перегрузка по току
Обнаружение
Напряжение 1
[VDIOV1]
(В)
Разряд
Обнаружение перегрузки по току ]
(В)
Нагрузка
Короткое замыкание
Обнаружение
Напряжение
[VSHORT]
(В)
Заряд
Перегрузка по току
Обнаружение
Напряжение
[VCIOV]
(В)
CTL Pin CTL Pin
Внутреннее
Сопротивление
Значение
[RCTL]
(МОм)
0 В
Аккумулятор
Зарядка
Функция
Отключение питания
Функция
Расцепитель
Состояние разряда

Перегрузка по току
Статус
Расцепление
Напряжение разряда

Перегрузка по току
Статус
Перегрузка
Обнаружение
Время задержки
[Время задержки
]
[
Переразряд
Обнаружение
Время задержки
[tDL]
(мс)
Разряд
Перегрузка по току
Обнаружение
Время задержки 1
[tDIOV1]
(мс)
Разряд
Время перегрузки 148148 [Задержка] 2
Задержка 2
Обнаружение tD2 (мс)
Нагрузка
Короткое замыкание
Обнаружение
Время задержки
[tSHORT]
(мкс)
Заряд
Перегрузка по току
Обнаружение
Время задержки
[tCIOV]
(мс)

Запрещение разряда148 Время задержки
[tCTL]
(мс)
Название продукта
S-82B1AAA-I6T1U SNT-6A 4.475 4,275 2,5 2,9 0,06 0,08 0,2 -0,04 Активный «H» Подъем 5 VR Отключаемый VR Отключаемый 1 64 4000 32 280 8 32
S-82B1AAB-I6T1U SNT-6A 4,375 4,175 2.5 2,9 0,05 0,1 -0,05 Активный «H» Подтягивающий 5 Доступный Доступный Отключение нагрузки14 VR146 8 280 8 32
S-82B1AAF-I6T1U SNT-6A 4,275 4,075 2,5 2,9 0.07 0,08 0,2 -0,09 Активный «H» Подтягивающий 5 Недоступно Доступно Отключение нагрузки VRIOV5 1 9014 280 8 32