Li-ion и Li-polymer аккумуляторы в наших конструкциях. Защита автомобильных аккумуляторов от перезарядки Поддержка схемы защиты аккумулятора от перезарядки

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

Есть две вещи, которые очень не любят аккумуляторы: перезарядка и переразрядка. И если первую проблему успешно решают современные зарядные устройства (кроме простейших выпрямителей), то с разрядом ниже критического уровня дела обстоят хуже - почти никогда питаемые от батарей устройства не обеспечивают предохранение от сверхразрядки. Не исключается и случайный разряд - когда просто забыли отключить прибор и он разряжается, разряжается... Для решения этой проблемы предлагается к самостоятельной сборке простой низковольтный модуль отключения цепи. Такая схема довольно проста и применима к любой литиевой или свинцово-кислотной аккумуляторной батарее. Естественно порог отключения можно настроить соответственно АКБ.

Схема блока защиты АКБ

Как это работает. Когда кнопка сброса нажата, положительное напряжение поступает на затвор N-канального MOSFET силового транзистора.

Если напряжение на выходе стабилитрона U1 выше 2.5 вольт, а это определяется делителем напряжения, состоящим из R4, R5 и R6, катод U1 оказывается подключен к его аноду, что делает его отрицательным по отношению к его эмиттеру, R2 ограничивает базовый ток до безопасного значения и обеспечивает достаточный ток для работы U1. И транзистор Q1 будет удерживать схему открытой, даже когда вы отпустите кнопку сброса.

Если напряжение на U1, падает ниже 2,5 вольт, стабилитрон отключается и подтягивает положительное напряжение эмиттера R1, выключив его. Резистор R8 также выключает полевой транзистор, приводя к отключению нагрузки. Причём нагрузка не будет включена снова до нажатия кнопки сброс.

Большинство малогабаритных полевых транзисторов рассчитаны только для +/- 20 вольт на затворе - источник напряжения, а это означает, что схема блока подходит для не более чем 12 вольтовых устройств: если требуется рабочее напряжение выше, необходимо будет добавить дополнительные элементы схемы, чтобы сохранить безопасность работы полевика. Пример использования такой схемы: простой контроллер заряда солнечных батарей показанный на фото.

В схему можно поставить практически любой кремниевый PNP транзистор с номиналом не менее 30 вольт и любой N-канальный MOSFET с номинальным напряжением не менее 30 вольт и током более чем в 3 раза от того, что вы собираетесь коммутировать. Проходное сопротивление доли Ома. Для прототипа использовался F15N05 - 15 ампер, 50 вольт. Для высоких токов подойдут транзисторы IRFZ44 (50 А Макс.) и PSMN2R7-30PL (100 А Макс.). Также можно параллельно соединить несколько однотипных полевых транзисторов по мере необходимости.

Это устройство не должно оставаться подключенным к АКБ долговременно, так как потребляет само несколько миллиампер из-за светодиода и тока потребления U1. В выключенном состоянии его ток потребления ничтожно мал.

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

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.