Схемы контроля заряд разряд для аккумулятора

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

10 схем индикаторов разряда Li-ion аккумуляторов

Статья обновлена: 2020-12-08

Индикатор разряда Li-ion аккумулятора отражает уровень оставшегося заряда и помогает избегать разочарований из-за внезапно разрядившихся элементов питания. Зная, что аккумулятор скоро сядет, можно заблаговременно поставить его на зарядку и избежать простоя в работе приборов. Разработкой схем индикаторов разряда Li-ion аккумуляторов занимались многие радиолюбители. Результатом их труда стало множество схемотехнических решений разной степени сложности.

В этой статье приведены 10 популярных схем, которые относительно просты в реализации. Собранные по ним индикаторы информируют о малом напряжении на ячейке, но не защищают ее от глубокого разряда. Для этой цели используются присоединенные к элементам питания платы защиты или самостоятельное отключение нагрузки пользователем.

Схема 1 – на стабилитроне и транзисторе

При величине напряжения выше 3,25 В стабилитрон пребывает в пробое, транзистор – в закрытом состоянии, и ток полностью идет через зеленый светодиод. При падении напряжения до его значений в диапазоне 3+1,2 В происходит открытие транзистора, и ток распределяется между светодиодами. Между цветами происходит плавный переход. Чем ярче горит красный индикатор, тем сильнее разрядился элемент. При 3 В цветового перехода нет – светится красная лампочка.

При реализации этой схемы могут возникнуть трудности с поиском стабилитронов, обеспечивающих нужный порог срабатывания. Еще один ее недостаток – постоянное энергопотребление около 1 мА.

Схема 2 – на микросхеме TL431 в роли стабилизатора напряжения

Порог срабатывания зависит от делителя R2-R3 и здесь равен 3,2 В. Когда вольтаж достигает этой величины, микросхема прекращает шунтировать светодиод, и он загорается. Это сигнал пользователю о скорой разрядке элемента питания.

Схема 3 – на паре транзисторов

Здесь границы срабатывания определяют транзисторы R2, R3. Вместо старых моделей уместно использовать BC237, BC238 или BC317 взамен КТ3102 и BC556 или BC557 вместо КТ3107.

Схема 4 – на паре полевых транзисторов

В режиме ожидания она потребляет минимальные токи. Транзисторы нужны n-канальные с минимальным напряжением отсечки. При питании нагрузки на затворе транзистора VT1 при участии делителя R1-R2 создается положительное напряжение. Если оно превышает напряжение отсечки транзистора, происходит его открытие, затвор VT2 притягивается на землю и закрывается. По мере снижения напряжения VT1 закрывается, а VT2 – открывается, обеспечивая сияние светодиода. Это знак о необходимости подзарядить элемент питания.

Схема 5 – на 3-х транзисторах

Схема обеспечивает высокую точность – между светящимся и несветящимся светодиодом хватает отличия в 0,01 В. При включенном индикаторе потребляется ток 3 мА, при отключенном – 0,3 мА. Вместо транзисторов BC848 и BC856 подходят ВС546 и ВС556.

Схема 6 – с отключением нагрузки

Она обеспечивает индикацию и отключение нагрузки при критическом падении напряжения, но сама продолжает потреблять ток около 15–20 мА.

Схема 7 – с мониторами напряжения

Мониторы, супервизоры или детекторы напряжения представляют собой микросхемы, созданные для отслеживания напряжения. По этой схеме светодиод начинает светиться при падении напряжения до 3,1 В. BD47xx с открытым выходным коллектором ограничивает выходной ток на границе 12 мА, поэтому светодиод можно подключать напрямую. Главные преимущества этого варианта – простота реализации и малое энергопотребление.

Схема 8 – на инверторе 74HC04

Используются стабилитроны с рабочим вольтажом менее напряжения срабатывания – на 2–2,7 В. Граница срабатывания подстраивается посредством резистора R2. Энергопотребление – порядка 2 мА.

Схема 9 – на контроллере ATMega328

Предусматривает использование микроконтроллера ATMega328 с интегрированным источником опорного напряжения и входом АЦП. Светодиод используется 3-цветный, но синий цвет не задействуется. Контроллер управляет светодиодами через ШИМ и выдает индикацию путем смешения цветов:

1. мигающий зеленый – соответствует напряжению 4,2 В;
2. зеленый – 4,1 В;
3. оба цвета – в промежутке от 3,5 до 4,1 В;
4. мигающий красный – ниже 3,5 В.

Схема 10 – на микросхеме LM3914

Линия из 10 светодиодов информирует пользователя о степени разряда элемента питания. Пороговые напряжения (минимальное DIV_LO и максимальное DIV_HI) определяет делитель R3-R4-R5. Для экономии энергии рекомендуется подключить 9-й вывод на землю. В результате будет светиться не линия светодиодов, а один, который соответствует текущему напряжению. Энергопотребление этой схемы – порядка 2,5 мА и еще по 5 мА на каждый светящийся светодиод.

Источник