Управление зарядкой литиевого аккумулятора

Контроллер заряда и балансир li-ion аккумулятора 18650

Контроллер заряда – встроенная схема защиты в аккумуляторе, которая предотвращает его сильную разрядку или перезарядку, контролирует силу тока и температуру, задает время окончания заряда. Как работает контроллер заряда в li-ion аккумуляторе, для чего он нужен?

Устройство li-ion аккумулятора 18650

Контроллер зарядки литий-ионного аккумулятора производят корпорации: Sony, LG, Sanyo, Panasonic, Samsung, ATL, HYB. Остальные производители перекупают элементы и выдают за собственный продукт.

Максимальная емкость ионных аккумуляторов 18650 – 3600 мА-ч.; они, в отличие от батарей, могут многократно перезаряжаться. Цифра 18650 – форм-фактор, указывающий на длину аккумулятора (65 мм) и его диаметр (18 мм).

Основные характеристики литий-ионного аккумулятора 18650:

• максимально допустимое напряжение – 4,2 В (небольшие перезарядки губительно сказываются на сроке службы);
• минимально допустимое напряжение – 2,75 В (при понижении до 2 В заряд не подлежит восстановлению);
• минимально допустимая температура –20 °C 0 С (зарядить на морозе невозможно);
• максимально допустимая температура +60 °C 0 С (при превышении показателей возможны взрыв и возгорание);
• измерение емкости в ампер-часах – полная зарядка выдает 1 А тока в течение 60 минут, 2 А тока – 30 минут, 15 А тока – 4 минуты.

Литий-ионный АКБ преобразовывает химическую энергию в электрическую, поэтому возникает ток, приводящий в действие то или иное устройство. Такие батарейки оснащаются специальной защитной схемой, которая контролирует уровень ее нагрева и циклы работы. При перегреве и спаде напряжения до 2,7 В – контроллер автоматически прекращает работу АКБ.

Предназначение контроллера зарядки

Контроллер регулирует процесс заряда и разрядки аккумулятора. Если напряжение падает ниже 3 В, защита отключает банку от потребителя тока: устройство выключается. Также защитная схема предотвращает короткие замыкания. Некоторые виды защитных плат имеют терморезистор, который защищает элементы АКБ от перегрева.

Все платы осуществляют контроль за:

• переразрядом батарейки;
• перезарядом;
• током нагрузки;
• температурой.

Имея под рукой защитную плату, можно переделать старые АКБ шуруповерта, дрели на литиевые батареи, отличающиеся долгим сроком службы.

Особенности контроллера для зарядки li-ion аккумулятора 18650

Контроллер для литиевых аккумуляторов 18650 расположен сверху корпуса, чем удлиняет само устройство. Плата расположена впереди отрицательной клеммы, защищая АКБ от перезарядки/переразрядки. Основная страна-производитель – Китай.

Как только защита будет установлена, корпус помещают в специальную пленку с термоусадкой. Из-за дополнительной защитной конструкции корпус удлиняется и утолщается, в редких случаях – не помещается в гнездо. В случае применения аккумулятора 18650 для создания тока в 12 В с общим контроллером заряда прерыватели не устанавливаются.

Виды контроллеров

Контроллеры для li-ion аккумуляторов отличаются ценой, производителем и внутренними элементами.

1. HX-3S-A02 (цена – 150 рублей). Производитель – Китай, внутри чип S-8254AA, который защищает литий-ионные элементы от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. К нему можно подключить три АКБ типа 18650 (максимальный ток – 10 А). Размер защиты – 50х16 мм.
2. FDC-2S-2 (цена – 50 рублей). Производитель – Китай, чип – HY2120, предотвращает сильный заряд/разряд, короткие замыкания. Возможно подключение двух АКБ типа 18650 (максимальный ток – 3А). Параметры защиты – 36х6х1 мм.
3. HX-2S-01 (цена – 70 рублей). Производство – Китай, чип – HY2120, уберегает от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. Подключаются две АКБ типа 18650 (максимальный ток – 3 А). Размер защиты – 36х6х1 мм.
4. HX-3S-D01(цена – 220 рублей). Производство – Китай, чип S-8254AA, контролирует сильный заряд/разряд, короткое замыкание. К нему можно подсоединить три АКБ типа 18650 (максимальный ток – 20 А). Размер защитной платы – 51х23 мм.
5. HX-3S-D02 (цена – 200 рублей). Производитель – Китай, внутри чип S-8254AA, защищает от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. К нему подключаются три АКБ типа 18650 (максимальный ток – 10 А). Размер схемы – 50х16 мм.
6. HX-4S-A01 (цена – 250 рублей). Производитель – Китай, внутри чип S-8254AA, защищает от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. Можно подсоединить четыре АКБ типа 18650 (максимальный ток – 6 А). Размер микросхемы – 67х16мм.

Схемы контроллеров

Ошибочно думать, что контроллеры заряда-разряда существуют: разрядом управлять не нужно, ток находится в прямой зависимости от нагрузки. Главное – это контроль за напряжением и температурой, временем завершения заряда. Под таким контроллером подразумевают плату, защищающую АКБ от глубокой зарядки/разрядки.

Микросхемы состоят из различных электронных элементов, поэтому имеют вариации:

1. DW01-Plus. Самая популярная и простая микросхема, находится под самоклейкой с надписями, которой обернут аккумулятор. Плата шестиногая, полевые транзисторы соединены в один корпус восьминогой сборкой. Сопротивление транзисторов создает измерительный шунт: возникает большой порог срабатывания от одного устройства к другому. В полевики встроены паразитные светодиоды, благодаря которым АКБ заряжается даже при срабатывании защиты от глубокой разрядки.
2. S-8241 Series. Разработчик микросхемы – фирма SEIKO, специализирующаяся на литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторах. Защитные ключи срабатывают при 2,3 и 4,35 вольтах и при спаде напряжения на FET1-FET2 до 200 мВ.
3. LV5114OT. Защитная плата срабатывает при 2,5 и 4,25 вольтах, что предотвращает переразряд/перезаряд.
4. R5421N Series. Среднее потребление энергии в рабочем состоянии – 3 мкА, в состоянии покоя – 0,3 мкА. Данная микросхема имеет ряд модификаций, которые разнятся величиной напряжения срабатывания при перезаряде.

Причины блокировки контроллером li-ion аккумулятора 18650

Главная причина – возникновение короткого замыкания из-за превышения предельно допустимого напряжения тока внутри АКБ. Микросхема разрывает электрическую цепь. Для разблокировки батареи достаточно зарядить ее.

Вторая причина – глубокий разряд аккумулятора. При глубоком некритичном разряде батарейку можно разблокировать с помощью зарядного устройства.

При разряжении до критичного состояния устройство не включится: внутренние химические процессы приводят к образованию металлических литиевых кристаллов, которые создают опасный контакт между положительным и отрицательным полюсами, приводящий к взрыву.

Балансировочная плата для li-ion аккумулятора 18650

Какую функцию выполняет балансир в литийных аккумуляторах? Если последовательно соединять несколько банок, их напряжение складывается в общую сумму, а емкость батареи равняется самой низкой из всех элементов.

Чтобы предотвратить перезаряд самой «ленивой» части, ее отключают от питания, что позволяет оставшимся частям продолжать заряжаться. Балансир контролирует равномерно распределяющийся заряд, поэтому его включают в цепи с последовательным соединением элементов. При параллельном соединении в балансировке нет необходимости: здесь равномерное распределение заряда. Балансировочная плата обычно входит в общий защитный корпус MBS и носит название «балансировочный шлейф».

Лучшие аккумуляторы 18650 на «Алиэкспресс»

На ресурсе «Алиэкспресс» можно купить разные li-ion АКБ, отличающиеся ценой и производителем. Из-за большого спроса на товар велико число подделок. Качественная модель отличается от подделки рядом признаков. Так, продукция высокого качества имеет емкость в 3600 А/ч и стоит гораздо дороже, среднего качества – 3000–3200 А/ч и стоит в несколько раз дешевле.

Как восстановить Li-ion АКБ

При полном выходе из строя батареи лучшее решение – утилизация, в ситуации крайней необходимости ее можно реанимировать различными способами:

1. Помещение АКБ в морозильник: резкая смена температуры в ряде случаев приводит к его временному запуску. В морозильной камере необходимо держать ее в течение 40–50 минут, после чего извлечь и незамедлительно подключить к зарядному устройству на 5 минут. Подождать разогрева батарейки до комнатной температуры и полностью зарядить.
2. Вскрытие АКБ и отсоединение защитной микросхемы. Процедура проводится крайне осторожно. Для начала необходимо измерить тестером напряжение на контактах (дальнейшие действия возможны только при нулевом показателе), отсоединить защитную плату, замерить показатели напряжения. Дальше подключить зарядное устройство к аккумулятору на 10–15 минут, установив такие показатели: 100 мА, 4,2 В. При перегреве батареи зарядку следует отсоединить. Как только она полностью зарядится, защитная схема возвращается на место.

Итак, контроллер для литий-ионных батарей выполняет важную функцию – не позволяет напряжению вырасти до 4,2 В и понизиться до 2,75 В (оптимальное напряжение для АКБ на литии – 3,7 вольта). Сильная разрядка и повышенная зарядка приводят к выходу устройства из строя.

Источник

Li ion аккумуляторы: правила зарядки и эксплуатации, что нельзя делать с литий-ионными батареями

Основная часть техники работает от Li-ion аккумуляторов, как правильно заряжать и эксплуатировать такие батареи, необходимо знать каждому пользователю. Устройства получили популярность за счет компактности и высокого уровня энергосбережения.

Что представляет собой литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор представляет собой вид элемента питания (АКБ), на основе которого работает электронная техника и электромобили. Литий – самый легкий металл. Его электрохимический потенциал обеспечивает оптимальную характеристику плотности на единицу массы.

В отличие от устройств другого типа, литиевые аккумуляторы содержат отрицательные пластины из металлического лития. За счет этого батареи обладают высоким напряжением на всех элементах. Современные батареи имеют длительный срок службы за счет способности выдерживать множество циклов заряд-разряд и отсутствия «эффекта памяти».

Название «литий-ионный» произошло от основных используемых элементов:

• литий-феррофосфат;
• кобальтат лития;
• литий-марганцевая шпинель.

В качестве переносчика заряда выступают положительные ионы лития, которые свободно перемещаются в кристаллической решетке материала и провоцируют необходимую химическую реакцию.

Идентичными особенностями обладают литий-полимерные аккумуляторы. Главным отличием от Li-ion является отсутствие в составе жидкого электролита, а также высокая стоимость.

Как правильно заряжать Li-ion аккумулятор

При эксплуатации литий-ионных аккумуляторов, необходимо правильно заряжать устройство и контролировать этот процесс. Зарядка осуществляется по специальной схеме, а контроль при помощи дополнительных плат или обычного сопротивления (резистора).

Двухступенчатая схема зарядки

Двухступенчатая схема заряда является оптимальным способом зарядки литиевых аккумуляторов. В этом случае контроллер заряда имеет повышенную нагрузку, однако это не сказывается на сроке службы устройства.

Выполнение первого этапа зависит от того, каким током будет насыщаться устройство. Номинальная величина тока равна 0,2-0,5 С (С – емкость аккумулятора), а мощность 12,6 вольт. Постоянный зарядный ток обеспечивается путем работы зарядного устройства (ЗУ), которое поднимает потенциалы на клеммах аккумулятора. При отметке в 4,2 В батарея набирает 70-80% заряда, и первый этап заканчивается.

Второй этап характеризуется постоянным напряжением и постепенно снижающимся током. Устройство поддерживает потенциал на отметке 4,15-4,25 В и контролирует параметры тока. Чем выше показатель, тем меньше становиться ток. Величина 0.05-0.01 С говорит об окончании процесса.

Как контролируют параметры зарядки

Литиевые аккумуляторы нуждаются в контроле, так как они работают в узком диапазоне изменения напряжения. Оптимальным значением считается 3 – 4,2 В. Контроллер установлен в зарядном устройстве, однако каждая батарея имеет свои прерыватели и модули защиты. В случае нарушения какого-либо параметра защитная функция отключает банку и разрывает цепь.

Контроллер обеспечивает различные функции управления:

• переводит режимы CC/CV;
• контролирует подачу энергии в банках;
• подает ток, компенсирующий саморазряд;
• измеряет температуру, предотвращая порчу батареи;
• отключает зарядку.

Зарядить аккумулятор без контроллера можно, используя резистор, включенный последовательно с устройством. Собрать схему своими руками несложно, если предварительно будут рассчитаны сопротивление, мощность резистора и ток заряда.

Эксплуатация Li-ion батарей

Первую зарядку батареи после покупки новой техники необходимо выполнять после полного разряда. То есть заряжать его сразу не нужно, необходимо довести прибор до выключения, а потом зарядить полностью.

В первую очередь это касается телефонов и ноутбуков.

При эксплуатации устройств с литий-ионными батареями необходимо следить за местом их нахождения. В холодную и жаркую погоду важно контролировать температуру батареи, не допуская перегрева (переохлаждения). Для этого существуют специальные программы, с помощью которых отслеживаются показатели.

Работа при температуре выше 30°C сказывается на способности батареи держать емкость. Уровень падает с 100% до 80%. Когда устройство полностью зарядилось, следует отключать его от источника тока. В противном случае емкость аккумулятора со временем будет снижаться, и батарея выйдет из строя.

Современные блоки питания способны минимизировать поступающий ток после полного заряда. Однако такая функция не дает гарантии сохранности аккумулятора. Заряжать устройство необходимо при отметке 30-50%. Постоянная полная разрядка сопровождается выделением тепла в большем объеме, это негативно сказывается на состоянии батареи.

Не стоит подключать к питанию устройства, которые работали в стрессовом режиме и получили перегрев. В этом случае необходимо дождаться, пока температура снизится, и только после этого ставить заряжаться.

Чрезвычайно холодную батарею следует вытащить из техники и нагреть в руках, а затем вставить обратно.

Для устройств, которые допускают извлечение батареи, отличным решением является приобретение резервного аккумулятора. В этом случае время работы приспособления возрастает в 2 раза. Когда основной аккумулятор разряжается, в устройство помещается запасной элемент. Удобно решение для техники, которая быстро нагревается, так как сменное устройство дает время основному остыть.

Калибровка

Выделяют 2 метода калибрования:

Калибровка производится по схеме: полный разряд-полный заряд аккумулятора. Необходима процедура для восстановления показателей и корректной работы контроллера.

Второй метод отображает больше информации и позволяет осуществить дополнительные программные манипуляции. В остальном оба способа различий не имеют.

Вначале необходимо в стандартном режиме разрядить технику до выключения. Затем подключить к заряднику. Во время процедуры печатная плата батареи определяет предельные рамки зарядки и разрядки, это необходимо для предотвращения сбоев в дальнейшей работе.

Проводят калибровку 1 раз в 3 месяца.

Заряжают аккумулятор оригинальным прибором, который шел в комплекте с техникой. Отключать от сети устройство можно, когда индикатор заряда покажет 100%. Для достижения максимальной рабочей емкости рекомендуется провести 2-3 повторных цикла «разряд-заряд».

Хранение

Для предотвращения негативных воздействий на литий-ионный аккумулятор со стороны внешних факторов необходимо придерживаться таких правил:

• на время хранения батарею извлекать из устройства;
• перед извлечением рекомендуется зарядить аккумулятор до 50%;
• хранят источник в сухом и прохладном месте.

Норма температуры для содержания батареи +15…+17°С. Такие показатели обеспечивают максимальную сохранность элемента и его емкости.

Литий-ионные устройства имеют низкий показатель саморазряда, поэтому хранить их можно более 2 лет. Однако избежать потери емкости невозможно, даже выполняя правильные условия хранения. Независимо от того, сколько зарядное не будет использоваться, необходимо каждые 3 месяца делать калибровку, а после нее возвращать уровень заряда до 50%.

Чего не нужно делать с литий-ионными аккумуляторами

Предотвращение перегрева является залогом длительной работы батареи. Литий – активный щелочной металл, поэтому при нагреве в аккумуляторе может начаться реакция, приводящая к воспламенению. Запрещается держать литий-ионные батареи вблизи источников солнечных лучей, батарей и открытого огня. Особенно это касается смартфонов и ноутбуков.

Наряду с перегревом нельзя допускать и переохлаждения. Губительных последствий низкие температуры не вызовут, однако снизят емкость батареи.

Запрещено разбирать аккумуляторный элемент. Такая процедура приводит к воспламенению. Нельзя заряжать элемент в обход контроллера. Исключение делают лишь в случае, если аккумулятор необходимо вывести из состояния глубокого разряда.

Источник