Плата контроля заряда Li-Ion аккумулятора: переделка модуля для фонарика без батареек

Какими бывают литиевые аккумуляторы

В зависимости от того, из какого материала изготовлен положительный электрод литиевой батареи, различают их несколько разновидностей:

• с катодом из кобальтата лития;
• с катодом на основе литированного фосфата железа;
• на основе никель-кобальт-алюминий;
• на основе никель-кобальт-марганца.

Все эти аккумуляторы имеют свои особенности, но поскольку эти нюансы не имеют принципиального значения для обычного потребителя, в данной статье они рассматриваться не будут.

Кроме того, все литий-ионные аккумуляторы выпускаются различных размеров и форм-факторов. Они могут быть в коробчатом исполнении (например, популярные сегодня аккумуляторы 18650) или в ламинированном или призматическом исполнении (гелевые полимерные аккумуляторы). Последние представляют собой герметичные пакеты из специальной пленки, в которых находятся электроды и электродная масса.

Наиболее распространенные размеры литий-ионных аккумуляторов показаны в следующей таблице (все они имеют номинальное напряжение 3,7 вольта):

Обозначение Размер Аналогичный размер

ХХYY0, где ХХ — диаметр в мм, YY — значение длины в мм, 0 — отражает исполнение в виде цилиндра	10180	2/5 ААА
10220	1/2 AAA (Ø соответствует AAA, но вдвое меньше длины)
10280
10430	ААА
10440	ААА
14250	1/2 АА
14270	Ø AA, длина CR2
14430	Ø 14 мм (как AA), но короче
14500	АА
14670
15266, 15270	CR2
16340	CR123
17500	150С/300С
17670	2xCR123 (или 168S/600S)
18350
18490
18500	2xCR123 (или 150А/300П)
18650	2xCR123 (или 168А/600П)
18700
22650
25500
26500	С УЧАСТИЕМ
26650
32650
33600	Д
42120

Внутренние электрохимические процессы протекают одинаково и не зависят от форм-фактора и производительности батареи, поэтому все сказанное ниже в равной степени относится ко всем литиевым батареям.

Как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы

Самый правильный способ зарядить литиевые аккумуляторы — делать это в два этапа. Именно этот метод использует Sony во всех своих зарядных устройствах. Несмотря на более сложный контроллер заряда, он обеспечивает более полный заряд литий-ионных аккумуляторов без сокращения срока их службы.

Здесь речь идет о двухступенчатом профиле заряда литиевых аккумуляторов, сокращенно CC/CV (постоянный ток, постоянное напряжение). Также существуют варианты с импульсным и ступенчатым током, но в данной статье они не рассматриваются. Подробнее о зарядке импульсным током можно прочитать здесь.

Итак, рассмотрим оба этапа зарядки подробнее.

1. На первом этапе должен быть обеспечен постоянный зарядный ток. Текущее значение 0,2-0,5С. Для ускоренного заряда допускается увеличение тока до 0,5-1,0 С (где С — емкость аккумулятора).

Например, для аккумулятора емкостью 3000мАч номинальный зарядный ток на первом этапе составляет 600-1500мА, а ток быстрой зарядки может быть в пределах 1,5-3А.

Для обеспечения постоянного зарядного тока заданной величины схема зарядного устройства (ЗУ) должна иметь возможность повышать напряжение на клеммах аккумулятора. По сути, на первом этапе память работает как классический стабилизатор тока.

Важно: Если вы планируете заряжать аккумуляторы со встроенной платой защиты (печатной платой), при проектировании схемы зарядного устройства необходимо следить за тем, чтобы напряжение холостого хода цепи никогда не превышало 6-7 вольт. В противном случае плата защиты может выйти из строя.

К моменту повышения напряжения батареи до значения 4,2 вольта батарея наберет примерно 70-80% своей емкости (конкретное значение емкости будет зависеть от зарядного тока: при ускоренной зарядке будет немного меньше, при номинальная плата — чуть больше). Этот момент является окончанием первого этапа зарядки и служит сигналом для перехода ко второму (и последнему) этапу.

2. Второй этап зарядки — это зарядка аккумулятора постоянным напряжением, но постепенно уменьшающимся (падающим) током.

На этом этапе зарядное устройство поддерживает на аккумуляторе напряжение 4,15-4,25 вольта и контролирует значение тока.

По мере увеличения емкости зарядный ток будет уменьшаться. Как только его значение снизится до 0,05-0,01С, процесс зарядки считается завершенным.

Важным нюансом правильной работы зарядного устройства является его полное отключение от аккумулятора после завершения зарядки. Это связано с тем, что литиевым батареям крайне нежелательно длительное время находиться под высоким напряжением, которое обычно обеспечивает зарядное устройство (т.е. 4,18-4,24 вольта). Это приводит к ускоренной деградации химического состава аккумулятора и, как следствие, к снижению его емкости. Длительное пребывание означает десятки часов и более.

На втором этапе заряда батарея успевает набрать еще примерно 0,1-0,15 своей емкости. Общий заряд батареи при этом достигает 90-95%, что является отличным показателем.

Мы рассмотрели два основных этапа зарядки. Однако освещение темы зарядки литиевых аккумуляторов было бы неполным, если бы не был упомянут еще один этап зарядки: так называемый предварительный заряд

Стадия предварительной зарядки (pre-charge): эта стадия используется только для глубоко разряженных аккумуляторов (ниже 2,5 В) для приведения их в нормальный рабочий режим.

На этом этапе зарядка обеспечивается малым постоянным током до тех пор, пока напряжение батареи не достигнет 2,8 В.

Предварительный этап необходим во избежание вздутия и разгерметизации (а то и взрыва с возгоранием) поврежденных аккумуляторов, например, имеющих внутреннее короткое замыкание между электродами. Если через такую ​​батарею сразу пройдет большой зарядный ток, это неминуемо приведет к ее нагреву, и то какое счастье.

Еще одним преимуществом предварительной зарядки является предварительный прогрев аккумулятора, что важно при зарядке в условиях низких температур окружающей среды (в неотапливаемом помещении в холодное время года).

Умная зарядка должна уметь следить за напряжением аккумулятора на предварительном этапе зарядки и, если напряжение не увеличивается длительное время, делать вывод, что аккумулятор неисправен.

Все этапы зарядки литий-ионного аккумулятора (включая этап предварительной зарядки) схематично показаны на этом рисунке:

Превышение номинального зарядного напряжения на 0,15 В может сократить срок службы батареи вдвое. Снижение зарядного напряжения на 0,1 вольта снижает емкость заряженного аккумулятора примерно на 10%, но значительно продлевает срок его службы. Напряжение полностью заряженного аккумулятора после извлечения из зарядного устройства составляет от 4,1 до 4,15 вольт.

Подводя итог вышеизложенному, выделим основные тезисы:

1. Каким током заряжать литий ионный аккумулятор (например 18650 или любой другой)?

Ток будет зависеть от того, как быстро вы хотите его зарядить, и может варьироваться от 0,2C до 1C.

Например, для аккумулятора 18650 емкостью 3400 мАч минимальный зарядный ток равен 680 мА, а максимальный — 3400 мА.

2. Сколько времени занимает зарядка например тех же аккумуляторов 18650?

Время заряда напрямую зависит от зарядного тока и рассчитывается по формуле:

Т = С/Изар.

Например, время зарядки нашего аккумулятора емкостью 3400 мАч током 1А будет около 3,5 часов.

3. Как правильно заряжать литий-полимерный аккумулятор?

Все литиевые батареи заряжаются одинаково. Неважно, литий-полимерный или литий-ионный. Для нас, потребителей, нет никакой разницы.

Опасность перезаряда и полного разряда, чем грозит

Если речь идет о львиных батареях, нельзя допускать их полной разрядки или перезарядки. Например, никель-кадмиевые аккумуляторы обладают эффектом памяти. Это означает, что неправильная нагрузка приводит к потере емкостных характеристик. Неправильно при зарядке не полностью вставленного аккумулятора. Если вы начнете заряжать его не от нуля, вы можете потерять свои емкостные характеристики.

Зарядные устройства для таких аккумуляторов создаются со специальными режимами работы, которые в первую очередь полностью разряжают аккумулятор, а затем начинают наполнять его энергией. Литиевые аккумуляторы не требуют такого внимания. У них нет эффекта памяти, но они не выдерживают полной разрядки.

Поэтому их нужно сразу наполнять энергией, не дожидаясь нуля. Но и перезарядка тоже не лучший вариант. Это относится только к незащищенным батареям. Если в батареях есть контроллер заряда, он сам будет управлять процессами.

Классификация

Аккумуляторы комплектуются различным вспомогательным оборудованием, влияющим на принцип зарядки. При желании вы можете собрать контроллер самостоятельно, но по производительности он будет уступать покупной модели.

Типы контроллеров:

• устройства, работающие по принципу вкл/выкл. Самые простые и доступные устройства, отключающие питание при достижении предела напряжения аккумулятора. Это необходимо для защиты блока питания от перегрева и перегрузки. Но есть один момент: защита срабатывает на пике напряжения, когда емкость аккумулятора восстанавливается до 70 – 85%. Для того, чтобы батарея заряжалась дальше, требуется уменьшение тока, чего не происходит из-за особенностей контроллера. В результате происходит постоянный недозаряд, что негативно сказывается на сроке службы аккумулятора и его энергоемкости;
• ШИМ. Неполная зарядка, характерная для моделей On/Off, не имеет места. В результате были созданы блоки управления, работающие по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) тока нагрузки. Функция такого контроллера заключается в снижении зарядного тока, когда напряжение достигает предела. При таком подходе батарея заряжается почти на 100%. Существуют устройства с ШИМ, которые регулируют ток в зависимости от температуры, что снижает нагрев и обеспечивает лучший прием заряда. Регулировка автоматическая. По цене эти контроллеры дороже первой разновидности, но с ними вы получаете увеличенное время автономной работы;
• MPPT. Это совершенные устройства, которые регулируют процесс зарядки аккумулятора. Контроллер MPPT автоматически отслеживает значения тока и напряжения в системе. Учитывая эти данные, микропроцессор выбирает оптимальные параметры для достижения максимальной мощности. По статистике такие контроллеры на 35% эффективнее ШИМ и могут лучше распределять питание, поступающее от внешнего аккумулятора. Устройство дорогое и часто используется для автоматизации «солнечных ферм»;
• гибридные драйверы. Эти устройства сочетают в себе функции устройств PWM и MPPT. Они служат для распределения энергии, получаемой от ветряков в сочетании с солнечными панелями. По сравнению с обычными моделями гибриды характеризуются вольт-амперными параметрами. Функция гибридной защиты заключается в том, чтобы «уравнять» полученную энергию и равномерно распределить ее между батареями.

ШИМ контроллер заряда.

При наличии небольшой маломощной установки (ветряки, солнечные батареи) можно сэкономить, смонтировав самодельный контроллер. Конечно, он будет не таким эффективным и функциональным, как заводской образец, да и знания в электротехнике потребуются, но с задачей справится.

Контроллер заряда li-ion аккумулятора 18650

Контроллер заряда — это электронная схема защиты в аккумуляторе, которая предотвращает его сильный разряд или перезаряд, следит за силой тока и температурным режимом, устанавливает время окончания заряда. Как работает контроллер заряда литий-ионного аккумулятора 18650, для чего он нужен?

Контроллер контролирует процесс зарядки и разрядки аккумуляторов. При снижении напряжения до 3 В защита отключает сосуд потребителя тока — устройство отключается. Другая схема защиты помогает предотвратить короткое замыкание. Некоторые разновидности плат защиты имеют термистор, предотвращающий перегрев компонентов батареи.

Все платы контролируют:

• повторно скачивать и скачивать;
• зарядный ток;
• температура и оптимизация.

Важно! Зарядка аккумулятора без контроллера заряда или при его выходе из строя может привести к неприятным последствиям в виде разрушения корпуса, закипания или деградации аккумулятора.

Особенности контроллера для зарядки li-ion аккумулятора

Контроллер заряда литий-ионного аккумулятора расположен в верхней части корпуса, что увеличивает срок службы аккумулятора. Плата обращена к отрицательной клеммной колодке, защищая аккумулятор от перезарядки/переразрядки. Страна-производитель контроллеров заряда литиевых аккумуляторов — Китай.
После монтажа контроллера (модуля) корпусная часть перемещается на термоусаживаемой пленке. За счет дополнительной защиты коробка становится больше по размеру.

Устройство и принцип работы защитного контроллера Li-ion/polymer аккумулятора

Если вы откроете аккумулятор любого сотового телефона, то обнаружите, что к клеммам аккумулятора припаяна небольшая печатная плата. Это называется схемой защиты или защитной ИС.

В силу своих характеристик литиевые аккумуляторы требуют постоянного контроля. Рассмотрим подробнее, как устроена схема защиты и из каких элементов она состоит.

Распространенная схема контроллера заряда литиевых аккумуляторов представляет собой небольшую плату, на которой смонтирована электронная схема из SMD-компонентов. Схема контроллера 1 ячейки («банки») на 3,7 В, как правило, состоит из двух микросхем. Одна микросхема управляющая, а другая исполнительная: набор из двух MOSFET-транзисторов.

На фото показана плата контроллера заряда аккумулятора 3,7В.

Микросхема с маркировкой DW01-P в небольшом корпусе по сути является «мозгом» контроллера. Вот типичная схема подключения этой микросхемы. На схеме G1 — это полимерный или литий-ионный аккумулятор. FET1, FET2 — МОП-транзисторы.

Цоколёвка, внешний вид и назначение выводов микросхемы DW01-P.

Транзисторы MOSFET не входят в состав микросхемы DW01-P и изготавливаются в виде отдельной сборки микросхемы MOSFET N-типа из 2 транзисторов.Обычно используется сборка с маркировкой 8205 и корпус может быть 6-выводным (SOT-23-6) или 8-контактный (ЦСОП-8). Сборка может иметь маркировку TXY8205A, SSF8205, S8205A и т д. Вы также можете найти сборки с маркировкой 8814 и т.п.

Вот распиновка и состав микросхемы С8205А в корпусе ЦСОП-8.

Два полевых транзистора используются для раздельного управления разрядкой и зарядкой аккумуляторной батареи. Для удобства они выполнены в футляре.

Транзистор (FET1), подключенный к выводу OD (переразряд) микросхемы DW01-P, управляет разрядкой аккумулятора: подключает/отключает нагрузку. И (FET2), который подключен к контакту OC (перегрузка), подключает/отключает источник питания (зарядное устройство). Таким образом, открывая или закрывая соответствующий транзистор, можно, например, отключить нагрузку (потребителя) или прекратить зарядку аккумуляторной ячейки.

Посмотрим на логику микросхемы управления и всей схемы защиты в целом.

Защита от перезаряда (Overcharge Protection).

Как известно, перезаряд литиевой батареи более 4,2 — 4,3 В приводит к перегреву и даже взрыву.

Если напряжение элемента достигает 4,2 — 4,3 В (напряжение защиты от перезаряда — VOCP), то управляющая микросхема закрывает транзистор FET2, предотвращая тем самым дальнейший заряд аккумулятора. Аккумулятор будет отключен от источника питания до тех пор, пока напряжение элемента не упадет ниже 4–4,1 В (отключение перегрузки по напряжению — VOCR) из-за саморазряда. Это только если к аккумулятору не подключена нагрузка, например он снят с сотового телефона.

Если батарея подключена к нагрузке, транзистор FET2 снова открывается, когда напряжение элемента падает ниже 4,2 В.

Защита от переразряда (Overdischarge Protection).

Если напряжение батареи падает ниже 2,3 — 2,5В (защита от перенапряжения — VODP), то контроллер отключает разряд MOSFET FET1 — он подключен к выводу DO.

Тогда микросхема управления DW01-P перейдет в спящий режим (отключение питания) и будет потреблять ток всего 0,1 мкА. (при напряжении питания 2В).

Здесь есть очень интересное условие. Пока напряжение на аккумуляторной ячейке не превысит 2,9 — 3,1В (Voltage Over Discharge Release — VODR), нагрузка будет полностью отключена. На клеммах контроллера будет 0В. Те, кто не знаком с логикой схемы защиты, могут принять такое положение дел за «смерть» аккумулятора. Вот лишь небольшой пример.

Миниатюрная литий-полимерная батарея на 3,7 В от MP3-плеера. Состав: драйвер управления — Г2НК (серия С-8261), сборка полевых транзисторов — КС3Ж1.

Аккумулятор разряжен ниже 2,5 В. Цепь управления отключила его от нагрузки. На выходе контроллера 0В.

При этом, если измерить напряжение на ячейке аккумулятора, то после отключения нагрузки оно немного выросло и достигло уровня 2,7В.

Для того, чтобы контроллер снова подключил аккумулятор к «внешнему миру», т.е к нагрузке, напряжение на аккумуляторной ячейке должно быть 2,9 — 3,1 В (VODR).

Возникает вполне резонный вопрос.

На схеме видно, что стоковые выводы транзисторов FET1, FET2 соединены друг с другом и никуда не подключены. Как протекает ток по такой цепи при срабатывании защиты от переразряда? Как нам снова зарядить аккумуляторную «банку», чтобы контроллер снова включил разрядный транзистор — FET1?

Дело в том, что внутри полевых транзисторов находятся так называемые паразитные диоды: они являются результатом технологического процесса изготовления MOSFET-транзисторов. Именно через такой паразитный (внутренний) диод транзистора FET1 и будет протекать ток нагрузки, так как он будет включаться в прямом направлении.

Если посмотреть даташиты микросхем защиты Li-ion/Polymer (включая DW01-P, G2NK), то можно обнаружить, что после срабатывания защиты от глубокого разряда срабатывает схема определения заряда аккумулятора. То есть, когда зарядное устройство подключено, схема определит, что зарядное устройство подключено, и разрешит процесс зарядки.

Зарядка до уровня 3,1 В после глубокого разряда литиевого элемента может занять длительное время, несколько часов.

Для восстановления литий-ионного/полимерного аккумулятора можно использовать специальные приспособления, например, универсальное зарядное устройство Turnigy Accucell 6. О том, как это сделать, я уже рассказывал здесь.

Именно таким методом мне удалось восстановить литий-полимерный аккумулятор 3,7 В от MP3-плеера. Зарядка с 2,7 В до 4,2 В заняла 554 минуты и 52 секунды, более 9 часов! Именно столько может длиться «восстановительный» заряд.

Помимо прочего, в функционал микросхем защиты литиевых аккумуляторов входит защита от перегрузки по току (Overcurrent Protection) и короткого замыкания. Защита от перегрузки по току срабатывает в случае внезапного падения напряжения на определенную величину. После этого микросхема ограничивает зарядный ток. В случае короткого замыкания (КЗ) в нагрузке контроллер отключает ее полностью до устранения короткого замыкания.

Схема подключения

Схема контроллера DW01-Plus.

Контроллер заряда — плата в источнике питания, работающая в автоматическом режиме. Контролируйте напряжение, температуру и время завершения зарядки. Защитные пластины бывают разные, и самая популярная, которая встречается на аккумуляторах смартфонов, — DW01-Plus.

Шестивыводная схема, где пара полевых транзисторов выполнена в едином корпусе в виде 8-выводной матрицы.

1 и 3 — выводы, через которые управляются ключи защиты от разряда (FET1) и перегрузки (FET2). Пределы напряжения: 2,4 и 4,25 В. Контакт 2 — датчик, отвечающий за измерение падения напряжения на полевых транзисторах. Обеспечивает защиту от перегрузки по току. Опорой измерения является переходное сопротивление транзисторов. В этом смысле порог срабатывания в зависимости от продукта разный.

В случае ШИМ-контроллера рядом с клеммами есть символы, чтобы упростить задачу. Последовательность такова:

1. Подсоедините аккумулятор.
2. Включите предохранители на плате (возле «+»).
3. Вставьте контакты.
4. Подключить контрольную лампу с напряжением 12 или 24 В.

При выборе контроллера отталкиваются от напряжения блока питания, его химического состава и самой цели использования устройства. Если бюджет ограничен — ШИМ, для «солнечных ферм» в основном используются модели MPPT. Контроллер батареи служит защитой от перегрева, перезарядки или недостаточной зарядки. При этом есть встроенная и внешняя «защита». Последнее актуально в связке с солнечными панелями или ветряками.

Что понадобиться для самодельного ЗУ

В первую очередь вам нужно будет выбрать схему зарядки для ячеек 18650. Она выбирается по необходимым параметрам, а также наличию деталей. Во-вторых, умение читать схемы, делать печатные платы дома (или хотя бы заказывать из Китая, что сейчас не так дорого), паять микросхемы и другие элементы, находить ошибки и неисправности. Если это не так, не стоит читать то, что понадобится:

• радиоэлементы по схеме;
• паяльник с набором расходных материалов;
• доска или заготовка для него и комплектующие собственного производства.

Также понадобится кейс для установки аккумуляторов для зарядки (с ним удобнее подключать аккумулятор к зарядному устройству).

Пластиковая коробка для подключения аккумулятора 18650.

Навыки лучше развивать отдельно, а потом браться за изготовление этих приспособлений. Они не очень сложны, но требуют осознанного подхода.

Общий принцип сборки для любого зарядного для 18650

В первую очередь нужно сделать доску. Его можно разработать самостоятельно (в программах типа Sprint LayOut), готовый к использованию можно найти в Интернете. Итак, есть два пути:

1. Изготовить плату методом ЛУТ или другой самодельной технологией.
2. Спросите столик в Китае.

Во втором варианте заведомо плита будет качественнее, но и стоить будет дороже и ждать придется больше суток.

При сборке зарядных устройств для аккумуляторов 18650 на специализированных микросхемах следует учитывать, что их корпуса зачастую субминиатюрны, и для пайки таких элементов необходимы специальные навыки.

Тест устройства

При первом включении нужно измерить напряжение на выходе зарядного устройства. Оно не должно превышать 4,2 вольта. Если в схеме есть элемент регулировки, следует установить выходной уровень на это значение. При зарядке в первый раз очень удобно контролировать ток. Оно должно совпадать со значением, определенным для этой схемы на каждом этапе.

Для ясности видео.

Рекомендации по зарядке литиевых аккумуляторов 18650

Прежде всего, нельзя допускать глубокого разряда литий-ионных аккумуляторов. В большей степени это относится к незащищенным батареям, но и батареи с защитной пластиной радикально от этой проблемы не защищены. Да, схема отключит элемент при достижении нижнего порога, но не отменит саморазряд. Поэтому при хранении неиспользуемых аккумуляторов лучше всего периодически их подзаряжать. Если глубокого разряда избежать не удалось, можно попробовать довести аккумулятор до напряжения 2,4 вольта небольшим зарядным током (0,1…0,2 от емкости). Если он работает, вы можете загрузить его обычным способом; в противном случае вы должны отказаться от предмета.

Вы также должны следить за проблемами перезарядки. Элементы с пометкой Protected будут отключены при достижении верхнего предела, но банки без защитной пластины продолжат заряжаться. И гашение светодиода зарядного устройства не решает проблему; в большинстве случаев это просто указание на то, что номинальное напряжение достигнуто, и зарядное устройство не отключится. Учитывая риск возгорания от литий-ионных аккумуляторов и проблемы с их отключением, следует самостоятельно следить за окончанием процесса и вовремя отключать зарядное устройство от сети.

Самодельные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов работают так же хорошо, как и промышленные. Но только в том случае, если его собирает и настраивает грамотный пользователь, разбирающийся в процессах, происходящих при силовой подзарядке.