Контроль заряда аккумулятора микроконтроллер

Модули защиты и контроллеры заряд/разряд для Li-ion аккумуляторов

Для начала нужно определиться с терминологией.

Как таковых контроллеров разряда-заряда не существует. Это нонсенс. Нет никакого смысла управлять разрядом. Ток разряда зависит от нагрузки — сколько ей надо, столько она и возьмет. Единственное, что нужно делать при разряде — это следить за напряжением на аккумуляторе, чтобы не допустить его переразряда. Для этого применяют защиту от глубокого разряда.

При этом, отдельно контроллеры заряда не только существуют, но и совершенно необходимы для осуществления процесса зарядки li-ion аккумуляторов. Именно они задают нужный ток, определяют момент окончания заряда, следят за температурой и т.п. Контроллер заряда является неотъемлемой частью любого зарядного устройства для литиевого аккумулятора.

Другими словами, когда говорят о контроллере заряда/разряда, речь идет о встроенной почти во все литий-ионные аккумуляторы защите (PCB- или PCM-модулях). Вот она:

И вот тоже они:

Очевидно, что платы защиты представлены в различных форм-факторах и собраны с применением различных электронных компонентов. В этой статье мы как раз и рассмотрим варианты схем защиты Li-ion аккумуляторов (или, если хотите, контроллеров разряда/заряда).

Контроллеры заряда-разряда

Раз уж это название так хорошо укрепилось в обществе, мы тоже будем его использовать. Начнем, пожалуй, с наиболее распространенного варианта на микросхеме DW01 (Plus).

DW01-Plus

Такая защитная плата для аккумуляторов li-ion встречается в каждом втором аккумуляторе от мобильника. Чтобы до нее добраться, достаточно просто оторвать самоклейку с надписями, которой обклеен аккумулятор.

Сама микросхема DW01 — шестиногая, а два полевых транзистора конструктивно выполнены в одном корпусе в виде 8-ногой сборки.

Вывод 1 и 3 — это управление ключами защиты от разряда (FET1) и перезаряда (FET2) соответственно. Пороговые напряжения: 2.4 и 4.25 Вольта. Вывод 2 — датчик, измеряющий падение напряжения на полевых транзисторах, благодаря чему реализована защита от перегрузки по току. Переходное сопротивление транзисторов выступает в роли измерительного шунта, поэтому порог срабатывания имеет очень большой разброс от изделия к изделию.

Паразитные диоды, встроенные в полевики, позволяют осуществлять заряд аккумулятора, даже если сработала защита от глубокого разряда. И, наоборот, через них идет ток разряда, даже в случае закрытого при перезаряде транзистора FET2.

Вся схема выглядит примерно вот так:

Правая микросхема с маркировкой 8205А — это и есть полевые транзисторы, выполняющие в схеме роль ключей.

S-8241 Series

Фирма SEIKO разработала специализированные микросхемы для защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов от переразряда/перезаряда. Для защиты одной банки применяются интегральные схемы серии S-8241.

Ключи защиты от переразряда и перезаряда срабатывают соответственно при 2.3В и 4.35В. Защита по току включается при падении напряжения на FET1-FET2 равном 200 мВ.

AAT8660 Series

Решение от Advanced Analog Technology — AAT8660 Series.

Пороговые напряжения составляют 2.5 и 4.32 Вольта. Потребление в заблокированном состоянии не превышает 100 нА. Микросхема выпускается в корпусе SOT26 (3х2 мм, 6 выводов).

FS326 Series

Очередная микросхема, используемая в платах защиты одной банки литий-ионного и полимерного аккумулятора — FS326.

В зависимости от буквенного индекса напряжение включения защиты от переразряда составляет от 2.3 до 2.5 Вольт. А верхнее пороговое напряжение, соответственно, — от 4.3 до 4.35В. Подробности смотрите в даташите.

LV51140T

Аналогичная схема протекции литиевых однобаночных аккумуляторов с защитой от переразряда, перезаряда, превышения токов заряда и разряда. Реализована с применением микросхемы LV51140T.

Пороговые напряжения: 2.5 и 4.25 Вольта. Вторая ножка микросхемы — вход детектора перегрузки по току (предельные значения: 0.2В при разряде и -0.7В при зарядке). Вывод 4 не задействован.

R5421N Series

Схемотехническое решение аналогично предыдущим. В рабочем режиме микросхема потребляет около 3 мкА, в режиме блокировки — порядка 0.3 мкА (буква С в обозначении) и 1 мкА (буква F в обозначении).

Серия R5421N содержит несколько модификаций, отличающихся величиной напряжения срабатывания при перезарядке. Подробности приведены в таблице:

Обозначение	Порог отключения по перезаряду, В	Гистерезис порога перезаряда, мВ	Порог отключения по переразряду, В	Порог включения перегрузки по току, мВ
R5421N111C	4.250±0.025	200	2.50±0.013	200±30
R5421N112C	4.350±0.025
R5421N151F	4.250±0.025
R5421N152F	4.350±0.025

SA57608

Очередной вариант контроллера заряда/разряда, только уже на микросхеме SA57608.

Напряжения, при которых микросхема отключает банку от внешних цепей, зависят от буквенного индекса. Подробности см. в таблице:

Обозначение	Порог отключения по перезаряду, В	Гистерезис порога перезаряда, мВ	Порог отключения по переразряду, В	Порог включения перегрузки по току, мВ
SA57608Y	4.350±0.050	180	2.30±0.070	150±30
SA57608B	4.280±0.025	180	2.30±0.058	75±30
SA57608C	4.295±0.025	150	2.30±0.058	200±30
SA57608D	4.350±0.050	180	2.30±0.070	200±30
SA57608E	4.275±0.025	200	2.30±0.058	100±30
SA57608G	4.280±0.025	200	2.30±0.058	100±30

SA57608 потребляет достаточно большой ток в спящем режиме — порядка 300 мкА, что отличает ее от вышеперечисленных аналогов в худшую сторону (там потребляемые токи порядка долей микроампера).

LC05111CMT

Ну и напоследок предлагаем интересное решение от одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов On Semiconductor — контроллер заряда-разряда на микросхеме LC05111CMT.

Решение интересно тем, что ключевые MOSFET’ы встроены в саму микросхему, поэтому из навесных элементов остались только пару резисторов да один конденсатор.

Переходное сопротивление встроенных транзисторов составляет

11 миллиом (0.011 Ом). Максимальный ток заряда/разряда — 10А. Максимальное напряжение между выводами S1 и S2 — 24 Вольта (это важно при объединении аккумуляторов в батареи).

Микросхема выпускается в корпусе WDFN6 2.6×4.0, 0.65P, Dual Flag.

Схема, как и ожидалось, обеспечивает защиту от перезаряда/разряда, от превышения тока в нагрузке и от чрезмерного зарядного тока.

Контроллеры заряда и схемы защиты — в чем разница?

Важно понимать, что модуль защиты и контроллеры заряда — это не одно и то же. Да, их функции в некоторой степени пересекаются, но называть встроенный в аккумулятор модуль защиты контроллером заряда было бы ошибкой. Сейчас поясню в чем разница.

Важнейшая роль любого контроллера заряда заключается в реализации правильного профиля заряда (как правило, это CC/CV — постоянный ток/постоянное напряжение). То есть контроллер заряда должен уметь ограничивать ток зарядки на заданном уровне, тем самым контролируя количество «заливаемой» в батарею энергии в единицу времени. Избыток энергии выделяется в виде тепла, поэтому любой контроллер заряда в процессе работы достаточно сильно разогревается.

По этой причине контроллеры заряда никогда не встраивают в аккумулятор (в отличие от плат защиты). Контроллеры просто являются частью правильного зарядного устройства и не более.

Кроме того, ни одна плата защиты (или модуль защиты, называйте как хотите) не способен ограничивать ток заряда. Плата всего лишь контролирует напряжение на самой банке и в случае выхода его за заранее установленные пределы, размыкает выходные ключи, отключая тем самым банку от внешнего мира. Кстати, защита от КЗ тоже работает по такому же принципу — при коротком замыкании напряжение на банке резко просаживается и срабатывает схема защиты от глубокого разряда.

Путаница между схемами защиты литиевых аккумуляторов и контроллеров заряда возникла из-за схожести порога срабатывания (

4.2В). Только в случае с модулем защиты происходит полное отключение банки от внешних клемм, а в случае с контроллером заряда происходит переключение в режим стабилизации напряжения и постепенного снижения зарядного тока.

Источник

ЗАРЯДНОЕ ДЛЯ АВТО НА КОНТРОЛЛЕРЕ

Обычные зарядные устройства к автоаккумуляторам, продающиеся по цене от 2000 рублей, представляют из себя простейший блок питания с диодным мостом и амперметром для контроля тока. Можно ли долго пользоваться таким ЗУ, если цена нового свинцового аккумулятора Bosch достигает 5000 руб? Каждый сам решает для себя. Вот автор и решил немного потратиться и создать зарядку, имеющую все необходимые режимы по быстрому и безопасному восстановлению ёмкости АКБ.

Описание зарядного устройства

1. Измерение напряжения аккумулятора.
2. Измерение тока заряда и разряда. Ток измеряется датчиком тока на ОУ.
3. Стабилизация зарядного тока на выбранном уровне. Алгоритм регулятора – пошаговый, управление током – ШИМ (Установка тока ведется из основного окна прибора.). 3.1 Выбор режима заряда – постоянным током или пульсирующем (десульфатация).
4. Отключение заряда если напряжение достигло заданного уровня выбранном в меню.
5. Стабилизация тока разряда на выбранном уровне в режиме разряда. Алгоритм регулятора – пошаговый, управление током – ШИМ.
6. Подсчет Ампер*часов при разряде АБ. Разряд производится только после полной зарядки АБ. (При выборе режима разряд, если АБ не дозаряжен, автоматически производится дозаряд, а затем уже разряд с подсчетом Ампер*часов.)
7. Включение подсветки дисплея (LIGHT). Выбор в меню. Параметр Подсветка вкл – подсветка включена всегда. В режиме авто выкл – подсветка включается при подаче питания на 30 сек и при нажатии на кнопки. Через 30 сек от последнего нажатия на кнопки подсветка отключается.
8. При любой остановке программы подается прерывистый сигнал (0,5 Гц) на вывод 4 МК. Отключается сигнал нажатием кнопки старт.
9. Программа отслеживает правильность установки напряжений. Минимальное напряжение (Umin) не может быть установлено выше либо равным максимальному (Umax). И наоборот.
10. В режиме старт нажатие на кнопку PLUS или MINUS выводит на индикатор текущую информацию о состоянии процесса. В верхней строке ток и напряжение. В нижней строке оставшееся время (подробно) и выходная мощность в процентах.

Схема и печатные платы ЗУ

Схема управляющего блока

Схема источника питания

Работа зарядного устройства

1. Программа запускается/останавливается нажатием на кнопку старт из любого окна программы. Если кнопка нажата, когда программа запущена, устройство переходит в режим финиш (окончание работы программы). Следующее нажатие переводит устройство в первоначальное состояние (основное окно индикатора).

2. Если напряжение на аккумуляторе ниже, чем Umax/4, считается, что аккумулятор не подключен или неисправен. На дисплей выводится надпись No Bat. В режиме START название выбранного режима мигает.

Режим Зарядка

Программа контролирует напряжение и ток на АБ. Если напряжение ниже заданного в настройках Umax – работает стабилизатор зарядного тока с заданием Is. Если напряжение достигло Umax – остановка программы. Индикация заряд выкл.

Если напряжение стало выше Umax на 0.2 – остановка программы, индикация ERROR в верхней строке. В нижней строке напряжение, при котором произошло отключение.

Если ток заряда I превысил ток Is на 0.2 на время более 5 сек – остановка программы, индикация ERROR.

Если истекло время заряда (параметр H, часы) – остановка программы, индикация ERROR в верхней строке. В нижней строке надпись Time out.

Режим Разряд

Если при старте программы напряжение на АБ ниже Umax, включается дозаряд АБ с током Is. После достижения напряжения Umax начинается разряд АБ с током Ii. Ведется подсчет емкости АБ.

Когда напряжение на АБ достигнет Umin разряд прекращается, на индикатор выводится индикация разряд выкл и емкость на АБ-. AH Vm 11.0 – минимальное напряжение на АБ.

Если истекло время дозаряда или разряда (для дозаряда и заряда устанавливается время H) – остановка программы, индикация ERROR.

Если ток заряда или разряда превысил установленные на 0.2 – остановка программы, индикация ERROR в верхней строке. В нижней строке ток, при котором произошло отключение.

Режим КТЦ АКБ

При старте программы включается заряд АБ с током Is. Через 1 сек АБ переключается на разряд с током Ii. Еще через 1 сек АБ снова переключается на заряд. Так продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет Umax – программа останавливается. Индикация КТЦ выкл. Если напряжение стало выше Umax на 0.2 – остановка программы, индикация ERROR. Если ток заряда или разряда превысил установленные на 0.2 – остановка программы, индикация ERROR.

Если истекло время заряда (параметр H) – остановка программы, индикация ERROR в верхней строке. В нижней строке надпись Time out.

Выбранный режим после отключения от сети не запоминается. При включении всегда режим зарядка.

Обозначение символов на дисплее

• V -измеренное напряжение на АБ
• Vs(max) -напряжение до какого будет произведен заряд
• Vmin(m) -минимальное напряжение на АБ при котором разряд будет отключен
• I -измеренный ток заряда
• Is -установленный ток заряда
• Id — измеренный ток разряда
• Ii -установленный в меню ток разряда(стабилизация тока разряда)
• Imin -минимальный ток при котором заряд будет окончен
• H -время таймера. Для вех режимов.
• Hi -оставшееся время до отключения по таймеру
• P -емкость АБ-Аh
• LED -подсветка

1.При подключении к сети устройства вывести на дисплей информацию-если АБ подключена

1.1.Напряжение до какого будет произведен заряд. По умолчанию Vs=14.2 (Диапазон выбора в меню 1-30 вольт.)

1.2.Установленный ток заряда. По умолчанию Is=0.5А.( диапазон выбора в меню 0.5 -10А.дискретность 0.5А.)

1.3.Реальное напряжение на АБ. Например-V=13.7

1.4.Режим по умолчанию — зарядка (режим можно изменить в меню. Названия режимов. заряд . разряд. ктц акб.)

РЕЖИМ 1.заряд

Если АБ не подключена-вместо напряжения на АБ вывести надпись — no bat.Все остальное как и при подключённой АБ.

Пример 1.0. батарея не подключена

Vs=14.2 Is=0.5A
? АКБ Заряд

При нажатии кнопки start — запустить установленный режим. При повторном нажатии — остановить. при запущенном режиме — название выбранного режима мигает. при остановленном — горит постоянно.

Пример 1.1. батарея подключена.

Vs=14.2 Is=0.5A
V=13.7 Заряд

При запущенном режиме вместо установленного напряжения до которого будет произведен заряд отображать реальный ток заряда. Пример I = 3.6 A

Пример 1.2. идет заряд.

I=3.6A Is=0.5A
V=13.7 заряд

После окончания заряда (по таймеру или по достижению установленного напряжения на АБ или ток заряда снизится до I=min) отключить заряд и вывести – заряд выкл.

Если ток заряда превышает установленный в меню. А также напряжение на АБ превысило установленное в меню-отключить заряд и вывести надпись — ERROR.

РЕЖИМ 2. разряд

2.При выборе режима- разряд (при запуске этого режима автоматически зарядить АБ до установленного напряжения и затем начать разряд.

Пример 2.0. Индикация в основном окне режима. Если режим не запущен-название режима (разряд) не мигает. При запущенном режиме, название режима используемого в данный момент (заряд или разряд) мигает.

Если режим запущен. АБ не заряжена. Идет автоматический заряд, после которого начнется разряд.

I=0.5A заряд
P=0Ah

2.1 Ток разряда по умолчанию A. Диапазон выбора в меню 0.5-10 А. дискретность 0.5 А.

2.2. Hi — Время оставшееся до конца разряда после истечения которого разряд будет отключен по умолчанию.

2.3. Измеренная емкость батареи P=. Ah (пример Р = 45.4Ah).

Пример 2.1. окно в процессе разряда

Id=0.5A Hi=10
P=45.4Ah разряд

После окончания разряда подать сигнал с паузой 1 секунду. И так пока не будет включен другой режим. Сигнал подать на вывод 4 МК. Светодиод out. На дисплей вывести надпись верху — P=. Ah. Vm=11.0 внизу — разряд OFF.

Пример 2.2. разряд окончен

P=100.3Ah Vm=11.0
Разряд выкл

РЕЖИМ 3. Ктц акб. Десульфатация.

В основном окне режима, если режим запущен, название режима (КТЦ) мигает. Если не запущен — не мигает.

3.1. Ток заряда по умолчанию Is = 5А. Диапазон 0.5-10 А

3.2. Ток разряда Диапазон 0.5-10 А.

3.3. Напряжение на АБ. Частота 1 Гц.

Пример 3.0. идет десульфатация.

I=5.0A Id=0,5A
V=14.2 КТЦ-АКБ

После окончания заряда(по таймеру или при достижении установленного напряжения, режим отключить) вывести надпись — КТЦ ВЫКЛ. И напряжение на АБ.

Пример 3.1.конец работы.

V=14.7
КТЦ ВЫКЛ

Остальные настройки в меню. Все файлы находятся в архиве. За подробностями обращайтесь на форум. Автор: Александрович.

Форум по обсуждению материала ЗАРЯДНОЕ ДЛЯ АВТО НА КОНТРОЛЛЕРЕ

Усилитель мощности звука с двойной термостабилизацией — теория работы схемы и практическое тестирование.

Схема гитарного комбо-усилителя с блоком эффектов на базе микросхем TDA2052, PT2399 и TL072.

Простая транзисторная схема робота следующего по нарисованной линии. Без микроконтроллеров и дорогих деталей.

Источник