Плата защиты аккумулятора от переразряда

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

ПЛАТА ЗАЩИТЫ LI-ION ОТ ГЛУБОКОГО РАЗРЯДА

Всем здравствуйте! Сегодняшняя статья о самых популярных Li-Ion аккумуляторах – это безусловно форм-фактор 18650 , вернее об их защите от глубокого разряда, кстати они еще более чувствительны к переразрядке, чем свинцовые. Данные аккумуляторы имеют номинальное напряжение 3,7 В , напряжение в полностью заряженном состоянии 4,2 В . Большинство производителей не рекомендуют разряд этих аккумуляторов ниже 2,5 В .

Когда литий-ионный аккумулятор разряжается ниже минимально рекомендуемого напряжения элемента, его ожидаемый срок службы резко сокращается. Конечно, большинство современных гаджетов сами отключаются и не допустят сильного разряда аккумулятора, но, если это радиолюбительская конструкция, поможет схема, описанная здесь, и отключит нагрузку от батареи, когда напряжение элемента достигнет установленного уровня.

Принцип работы схемы довольно прост. Делитель напряжения состоящий из стабилитрона VD1 и резисторов R3 , R4 задаёт на прямом входе OУ DA1 величину напряжения отключения. В данном случае при полностью заряженном АКБ оно равно 2,41 В , а если напряжение на аккумуляторе упадёт до 2,6 В – 2,2 В .

Пока напряжение на АКБ не стало меньше чем 2,6 В , выход ОУ имеет низкое значение, поэтому транзистор VT1 открыт и нагрузка подключена. При напряжении на АКБ 2,6 В , значения на прямом и инверсных входах ОУ сравняются ( 2,2 В ), но нагрузка по-прежнему останется подключённой. При дальнейшем падении напряжения на АКБ , ОУ DA1 , работающий в режиме компаратора, перейдет в состояние с высоким выходным напряжением, запирая электронный ключ VТ1 и нагрузка отключится.

Небольшая ПОС через резистор R6 создает « гистерезис » компаратора и тем самым предотвращает в этот момент автогенерацию, т.е. неустойчивое переключение.

Источник

Плата Защиты АКБ от Глубокого Разряда

При эксплуатации аккумуляторных батарей важным аспектом становится не допущение их глубокого разряда. Для этого служат специальные устройства, которые защищают аккумулятор. Основные требования к такому роду приборам является как можно меньшее падение напряжения на них, надёжность в эксплуатации, простота, а в случае если аккумулятор является частью носимого устройства — малые габариты. Все эти требования можно реализовать, изготовив универсальную миниатюрную плату защиты АКБ , схема электрическая принципиальная которой показана на рисунке ниже.

Устройство включается в разрыв между АКБ и потребителем. В качестве электронного ключа здесь использован mosfet -транзистор VT1 IRF5210 , управляет которым компаратор напряжения на параллельном стабилизаторе VD1 TL431 . Конденсатор C1 служит для запуска схемы в работу. При нажатии на кнопку SB1 « RUN », транзистор VT1 отпирается и остаётся в таком состоянии при условии, если напряжение на клеммах АКБ выше определённого значения, т.е. если батарея заряжена.

Падение напряжения на электронном ключе — транзисторе VT1 в этой схеме определяется сопротивлением канала данного типа прибора и составляет при 12 В и 5 А всего 230 мВ .

По мере разрядки напряжение на аккумуляторной батарее уменьшается, и когда оно станет меньше установленного значения (батарея разряжена), напряжение на VD1 начнет увеличиваться, а на участке затвор-исток транзистора VT1 — уменьшаться. Поэтому транзистор закрывается, напряжение на нагрузке уменьшается, что, в свою очередь, приведет к дальнейшему увеличению напряжения на VD1 и, соответственно, закрыванию транзистора VT1 . Таким образом, плата отключит нагрузку от аккумуляторной батареи. Ток, потребляемый устройством в этом режиме, составляет доли миллиампер. Напряжение отключения устанавливают подстроечным резистором R4 .

После размыкания кнопки SB1 конденсатор С1 разряжается, и через некоторое время плата готова к запуску. Если запуск в работу отдельной кнопкой не требуется, то его можно исключить. Для этого вместо кнопки SB1 устанавливается перемычка, а резистор R2 не запаивается.

Напряжение затвор-исток, при котором открывается VT1 , превышает 4. 4,5 В , минимальное напряжение на VD1 — 2,5 В . Поэтому входное напряжение устройства должно быть не менее 7 В и не более 20 В (предельное значение для VT1 ).

Вариант печатной платы для схемы, рассчитанной на установку элементов поверхностного монтажа показан на рисунке ниже.

Источник