Li ion аккумуляторы даташит

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

В чём разница 18650-аккумуляторов по маркировке и химии?

Это полное руководство с описанием особенностей, маркировки, характеристик, составов, конструкции, химии — всему, чем отличаются аккумуляторы 18650 друг от друга.

Все ли аккумуляторы 18650 одинаковые?

Нет. На первый взгляд они похожи, но фактически имеют много отличий. Тип 18650 объединяет две вещи:

• 1. батареи похожи внешне (имеют изолирующую оболочку, один положительный и один отрицательный разъём);
• 2. обладают одинаковыми габаритными размерами: 18 мм в диаметре и 65 мм в длину (отсюда и название «18650»).

На этом все сходства закончились. Предлагаем подробно узнать, чем отличаются 18650 друг от друга по всем характеристикам и особенностям.

Содержание:

В чем разница 18650 по характеристикам?

Прежде, чем перейти к пониманию различий по маркировке и другим особенностям этого типа аккумуляторов, нужно разобраться, что вообще они собой представляют внутри. Мы даём упрощённую схему с учётом, что в целом вы уже знакомы с принципом работы батареи в принципе.

Состав 18650:

• • Анод (-) — кремний или графит;
• • Сепаратор — пористый полипропилен, который пропитывают электролитом;
• • Электролит — смешан в пропорциях из диметилкарбоната, этилметилкарбоната, этиленкарбоната, пропилацетата, виниленкарбоната;
• • Катод (+) — основное звено, чем отличаются 18650 и маркируются (приобретая уникальные электрохимические свойства).

Теперь предлагаем разобраться, каковы номинальные значения тех или иных приобретённых «свойств» в следствие изменения катода и состава 18650. Их следует различать по напряжению, ёмкости, току разряда, внутреннему сопротивлению (импедансу). Также добавим принципы выбора для оболочки 18650 цвета, а затем остановимся подробно на маркировке по химии.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение 18650 бывает трёх видов:

• • 3,2 В
• • 3,6 В
• • 3,7 В

Номинальное напряжение 3,2 В предназначено исключительно для химического состава LiFePO4 (литий-железо-фосфатный аккумулятор / IFR). Больше всего используются сейчас 3,6 В и 3,7 В.

Ёмкость

Ёмкость обозначает, сколько энергии она может удерживать и как долго расходовать её. Основная характеристика, по которой понимают отличия аккумуляторов 18650.

Ёмкость 18650 измеряется в миллиампер-часах (обозначение мА·ч, на латинице mAh или часто встречается «мАч») или, редко, в ампер-часах (А·ч соответственно).

Почему литий-ионные аккумуляторы в телефонах (и 18650 в частности) имеют обозначение в мА·ч, а не в А·ч, мы рассказывали здесь.

Какой ёмкости бывают 18650: от 1000 мА·ч (1 А·ч) до 3500 мА·ч (3,5 А·ч). Последнюю предлагает, например, LG MJ1.

Встречается выражение ёмкости в качестве «плотности энергии», которая измеряется в ватт-часах (Вт·ч, Wh или «Втч») и бывает трёх видов:

• • простые ватт-часы (основанные на ёмкости в А·ч или мА·ч, умноженной на напряжение и затем деленной на 1000);
• • объёмная плотность энергии (записывается как Вт·ч/л, что даёт показатель ватт-часов на литр активного материала);
• • гравиметрическая плотность энергии (записывается как Вт·ч/кг — то есть мера ватт-часов на кг активного материала).

Ток разряда

Ток разряда (токоотдача, скорость разряда, рейтинг разряда) — это максимальный ток, который батарея может обеспечить непрерывно до нижнего предела напряжения, измеряемого в Амперах.

Как узнать ток разряда 18650? Он всегда указывается в заводском паспорте аккумулятора. Либо попробуйте найти его в интернете самостоятельно для вашей батареи/элемента (ищите именно «discharge rating» в рамках PDF-файла), либо напишите нам запрос, и мы с радостью поделимся этими сведениями.

Внутреннее сопротивление (импеданс)

Внутреннее сопротивление или «импеданс» — это фактор, который определяет, насколько легко или «быстро» батарея может расходовать свою энергию. В англоязычной документации обозначается как «IR» (Internal Resistance).

Внутреннее сопротивление измеряется в Омах (Ом, Ohm, Ω) или миллиомах (мОм, mOhm, mΩ).

Чем выше внутреннее сопротивление 18650, тем медленнее его саморазряд, быстрее падение напряжения под нагрузкой при большом токе и тем больше времени требуется на заряд. Как правило, чем выше ток разряда батареи, тем ниже емкость и тем ниже будет внутреннее сопротивление. На примере аккумулятора 18650 Sanyo NCR18650B (6,7 А) имеет заводское значение импеданса менее 100 мОм, когда как у Sony VTC5A (25 А) в datasheet показан допустимый диапазон 7-15 мОм (измеренный переменный ток 1 кГц).

Выбор цвета

Цвет 18650 не имеет особого значения при выборе аккумулятора. В качестве примера приведём зависимость от выбора производителей (она не всегда работает):

• • зелёный цвет оболочки всегда используют Sony и Murata (на данный момент во всех текущих продуктах);
• • красный — Sanyo;
• • светло-зелёный с чёрными полосками — Panasonic;
• • серый — Molicel;
• • разноцветные — LG и Samsung (раньше компания старалась выбирать цвет в соответствии с ёмкостью, но сейчас это не так).

Как видите, какой-то устоявшейся определённой зависимости оттенков оболочки и характеристик, либо производителя не существует. Производители выбирают цвет 18650 по своему разумению и не руководствуясь некими правилами.

Химический состав

Все элементы 18650 содержат литий (Li) в различных количествах. Возможности аккумулятора с точки зрения ёмкости и тока разрядки определяют все остальные химические компоненты (а также их различные количества и смеси).

На последнем пункте (химический состав) предлагаем остановиться подробнее. Тем более, что в этом плане производители показали себя куда лучше, чем с выбором цвета. Все поставщики аккумуляторов 18650 используют точное разграничение по маркировкам.

Маркировка аккумуляторов 18650: чем отличаются и как выбирать?

Предлагаем вашему вниманию подробное пояснение ко всем маркировкам 18650, которые обозначают тип используемых химических компонентов аккумулятора. Если у вас есть вопросы, то укажите их в комментарии в конце статьи или напишите нам Вконтакте, чтобы мы добавили новый или редкий вид маркировки.

IMR 18650 (литий-марганец)

Химия IMR — это один из самых стабильных и наиболее эффективных химикатов, не требующий продвинутых схем защиты. Такие аккумуляторы 18650 не греются, когда разряжаются при высоком токе. Самая низкая рабочая температура в сопоставимых тестах делает IMR намного безопаснее, чем более старая технология ICR (смотрите ниже).

• • Катод (материал) — LiMn2O4 (LMO);
• • Температура (max) — 250°C;
• • Ток разряда — 10C;
• • Циклы (до снижения ёмкости на 30%) — от 300 до 700;
• • Напряжение (max) — 4,25В;
• • Напряжение (номинал) — 3,6В, либо 3,7В, либо 3,8В;
• • Напряжение (min) — 2,5В (глубокий разряд менее 2,0В).

Интересно, что многие китайские продавцы переупаковывают батареи с нанесением маркировки I M R, когда как на самом деле они I N R (смотрите ниже).

ICR 18650 (литий-кобальт)

Химия ICR — это химикат для достижения высокой плотности энергии с низким уровнем стабильности (даже критически опасным в бытовом применении). Без надёжной PCB-платы защиты (желательно сертифицированной по примеру компании Trustfire) использовать не рекомендуется. Широко распространены в ноутбуках.

• • Катод (материал) — LiCoO2 (LCO);
• • Температура (max) — 150°C;
• • Ток разряда — 1C;
• • Циклы (до снижения ёмкости на 30%) — от 500 до 1000;
• • Напряжение (max) — 4,25В;
• • Напряжение (номинал) — 3,6В, либо 3,7В;
• • Напряжение (min) — 2,5В или 2,75В.

Вы можете купить ICR на Aliexpress или eBay, но на практике они бесполезны для обычных мастеров и любителей собирать электронику в стиле «сделай сам»/DIY.

Приведём пример для вейперов. Аккумулятор 18650 Samsung 26F (чаще всего используется в аккумуляторах ноутбуков) имеет корпус того же цвета, что и Samsung 30Q — их очень легко спутать. 26F представляет собой элемент на 5,2 А (заводские характеристики), который практически не используется в вейпинге. Поместите один из них в вейп-устройство и запустите его на мощности выше 20 Вт, и вам гарантированно будет нехорошо.

INR 18650 (литий-марганец-никель)

Химия INR — это похожая на IMR 18650 основа с добавлением никеля в целях увеличения эффективности. Сочетает в себе безопасность и низкое сопротивление марганца с высокой удельной энергией никеля.

• • Катод (материал) — Li(NiCoMn)O2 (NCM);
• • Температура (max) — 210°C;
• • Ток разряда — 1C или 2C;
• • Циклы (до снижения ёмкости на 30%) — от 1000 до 2000;
• • Напряжение (max) — 4,25В или 4,35В;
• • Напряжение (номинал) — 3,6В или 3,7В;
• • Напряжение (min) — 2,5В.

Обозначение INR для аккумуляторов 18650 говорит об их увеличенной ёмкости, высоком выходном токе и, что особенно важно, «кусачей» стоимости.

Аккумуляторы INR 18650 широко распространены в фонарях, вейпинге, аккумуляторных электроинструментах, мобильных устройствах. Производители прилагают сейчас максимум усилий к этой химии, которая представлена такими известными аккумуляторами, как Samsung 25R, LG HE2, Sony VTC4 и VTC5 (последние две для вейп-устройств не рекомендуются!).

18650 IFR (литий-фосфат)

Химия IFR — придаёт аккумулятору 18650 способность разряжаться с очень высокой скоростью (в 30 раз больше своей ёмкости — ток разряда 30C). Имеет низкое напряжение (3,2В), высокий саморазряд и редко встречается на практике. Популярности не сыскал из-за лучших достижений с другими типами химии.

• • Катод (материал) — LiFePO4 (LCO);
• • Температура (max) — 270°C;
• • Ток разряда — от 25C (длительно) до 40C (на две секунды);
• • Циклы (до снижения ёмкости на 30%) — от 1000 до 2000;
• • Напряжение (max) — 3,65В;
• • Напряжение (номинал) — 3,2В, либо 3,3В;
• • Напряжение (min) — 2,0В.

Ёмкость 18650 IFR составляет в среднем 1200 мАч, но встречаются как на 1500 мАч экземпляры, так и намного меньших значений.

Ячейка IFR с током разрядки 30C может быть разряжена до 30 x 1100 мАч, то есть 33 А! Разве что продлится это недолго. Применяется в солнечных панелях, телекоммуникационном оборудовании, инструментах, электрических транспортных средствах, портативных пуско-зарядных устройствах и так далее.

18650 NCA/NCR (литий-алюминий)

Химия NCA (или NCR) — аккумуляторы с катодом из никелата лития и кобальта сопоставимы по химическому составу с INR, но гораздо менее распространены, так как вместо марганцевого элемента на изоляторе применяется алюминий. Токоотдача меньше, чем у ячейки INR, но взамен обеспечивает намного более длительные время работы от одной подзарядки и срок службы (не менее 500 циклов до потери 30% ёмкости).

• • Катод (материал) — Li(NiCoAl)O2 (NCA);
• • Температура (max) — 150°C;
• • Ток разряда — 1C;
• • Циклы (до снижения ёмкости на 30%) — от 500;
• • Напряжение (max) — 4,25В;
• • Напряжение (номинал) — 3,6В;
• • Напряжение (min) — 2,5В или 2,75В.

Применение 18650 NCA (NCR) обосновано в тех устройствах, где не требуется большой ток, а ёмкость и длительный срок службы востребованы. На данный момент — это отрасль электротранспорта, включая гироскутеры, электросамокаты, электровелосипеды и даже электромобили.

Аккумуляторы 18650 без защиты и с защитой — в чем разница?

Аккумуляторы 18650 без защиты — это в целом безопасные перезаряжаемые элементы питания, если вы сможете самостоятельно контролировать их разряд так, чтобы напряжение не снижалось менее 2,75В (варьируется между 2,5В и 2,8В). Разряд ниже этого уровня нанесёт непоправимый ущерб химическому составу 18650 (вплоть до полного отказа).

Часто производители мелких устройств (фонарики и лазеры, например) не используют какую-либо защиту от чрезмерного разряда, потому что она обычно встроена в схему внешнего зарядного устройства.

Аккумуляторы 18650 с защитой (PCB) — это те же самые перезаряжаемые элементы питания, но уже оснащённые специальной круглой печатной платой (примерно 17 мм в диаметре) в области отрицательной части корпуса (снизу батареи) с протяжкой никелевой полоски (тонкий провод) к положительной части корпуса (вверху батареи). Так вы можете понять, 18650 аккумулятор защищённый или нет.

Цель защиты аккумулятора 18650 — контроль напряжения во время использования (если оно достигнет нижних пороговых значений, то происходит отключение питания, а затем достаточно просто зарядить батарею).

Поэтому у аккумуляторов 18650 отличие с защитой и без сводится к наличию внешних признаков. Так, у аккумуляторов с платой защиты (PCB) ещё и увеличена длина с 65 мм до 66-67 мм (на 1-2 мм).

Внимание! В силу своих электрохимических свойств, аккумуляторы 18650 IMR в защитной плате не нуждаются, когда как 18650 ICR без неё попросту опасно использовать!

Чем у 18650 выпуклый плюс отличается от плоского?

У крупных производителей оригинального оборудования (Samsung, LG, Sony, Panasonic, Sanyo и другие) аккумуляторы 18650 выпуклый плюс не имеют — все они плоские. Это связано с тем, что они создают промышленные элементы, которые никогда не предназначались для использования потребителями в быту.

Выпуклый плюс 18650 говорит о том, что аккумулятор создан для бытовых задач, а плоский — для промышленных целей.

Промышленным применением может быть что угодно — хоть единичная батарея в портативном радио или зубной щётке, хоть ряд из нескольких тысяч ячеек в электромобилях. В последнее время на рынке появляется всё больше и больше устройств, для которых требуется батарея 18650 с «бытовым» выпуклым плюсом. Ярким примером являются чрезвычайно популярные в настоящее время видеодомофоны китайского производства.

Выпуклый плюс 18650 на некоторых китайских экземплярах посажен на самоклеящуюся основу — держитесь подальше от этого!

Да, практически во всех случаях выпуклый плюс 18650 — это доработка (нештатная конструкция). Зачастую он просто приварен к батарее точечной сваркой. Как известно, паять их нельзя, а сварка обеспечивает долговечное, прочное и электрически исправное соединение.

Почему у 18650 разновидностей так много?

Причина в изобилии коммерческих продуктов (от фонариков и вейп-устройств до электромобилей и беспилотных летательных аппаратов), которые функционируют на аккумуляторах типа 18650. Они имеют в корне отличающиеся требования к электрическим характеристикам источника питания.

Небольшие устройства требуют ток менее 1А и как можно более длительное время работы от одной подзарядки (например, видеозвонки). Более мощные и крупные устройства нуждаются в высочайшей токоотдаче для достижения необходимой мощности (например, создания крутящего момента в электромобилях или электроинструменте).

Создать какой-то один универсальный аккумулятор 18650 на все случаи жизни пока невозможно.

Все ограничения определяют законы физики. Их стремится покорить электрохимическая отрасль уже более 30 лет кряду. Пока человечество не найдёт или не изобретёт новые «ингредиенты», которые можно использовать вместо существующих, границы так и не будут расширены.

О текущих достижениях в мире аккумуляторов 18650 и о том, какие из них лучше сейчас покупать читайте в нашем следующем материале по ссылке ниже.

Оставляйте вопросы в комментарии или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.

Источник