Зарядка для lifepo4 аккумуляторов схема

Зарядное устройство для батарей LiFePO4 с индивидуальным контролем заряда каждой банки

Top Power ASIC TP5000

Михаил Гурович, США

В последние несколько лет, став доступными и популярными, получили широкое распространение литий-ионные (Li-Ion) и литий-железо-фосфатные (LiFePO₄) аккумуляторы. Эти аккумуляторы, выпускаемые в различных форм-факторах и с разной емкостью, имеют замечательные электрические характеристики: высокую удельную емкость, низкое внутреннее сопротивление, постоянство напряжения во время разряда, очень низкий саморазряд, большое максимальное количество циклов заряд-разряд, высокую термостабильность и очень большой срок службы.

Но наряду со всеми этими достоинствами у LiFePO₄ батарей есть и один серьезный недостаток – они очень капризны к режиму заряда и разряда. Эти батареи не любят превышения максимально допустимого для данного типа батареи напряжения в процессе зарядки и падения напряжения на батарее ниже минимально допустимого уровня при разряде на нагрузку. Нарушение этих требований обычно приводит к резкому снижению емкости батареи и уменьшению ее срока службы (максимального количества циклов заряд-разряд), а в ряде случаев и к воспламенению батареи (особенно это относится к Li-Ion батареям).

Чтобы обеспечить батарее оптимальные условия при заряде и разряде, используют специальные электронные устройства, объединенные под названием BMS (Battery Management System , т.е. система управления батареей), которые сегодня являются неотъемлемой частью любого устройства с батарейным питанием при использовании батарей с химией типа Li-Ion или LiFePO₄. Назначение этих устройств состоит именно в обеспечении безопасного режима заряда и разряда батареи. BMS может быть построена различными способами, в зависимости от конструкции батареи, способа соединения и количества банок, может быть встроена в корпус батареи или быть частью зарядного устройства. Одна из характерных особенностей систем BMS – это обеспечение индивидуального контроля каждой банки в составе батареи, т.е. напряжение каждой банки находится под постоянным контролем, и система в любой момент времени точно знает, в каком состоянии находится каждая банка, и может перераспределить зарядный ток между банками, если обнаруживается разбаланс из-за того, что банки немного отличаются друг от друга и заряжаются разными темпами. Кроме того, BMS следит за напряжением каждой банки во время разряда и сигнализирует и/или отключает нагрузку, если напряжение на банке падает ниже минимально допустимого уровня. Вопросы контроля напряжения банок в процессе разряда выходят за рамки данной статьи и далее не рассматриваются.

Все эти особенности и требование надежности в работе делают системы BMS достаточно сложными устройствами.

В статье рассказывается о зарядном устройстве для батареи, составленной из четырех последовательно соединенных банок LiFePO₄ (конфигурация типа 4S1P). Каждая такая банка имеет номинальное напряжение 3.2 В и, соответственно, номинальное выходное напряжение всей батареи равно 12.8 В, что делает ее идеально подходящей для замены обычных кислотных 12-вольтовых аккумуляторов.

Описываемое зарядное устройство использует индивидуальный подход к заряду каждой банки и не требует сложной схемы балансировки зарядных токов.

Зарядное устройство рассчитано на зарядку батареи, которая является съемной, т.е. в процессе эксплуатации подключается и вставляется в устройство для работы и отключается и извлекается из него, и подключается к зарядному устройству для заряда. Такие батареи используются в шуруповертах, электродрелях, электрогайковертах, в пылесосах с батарейным питанием и других подобных устройствах.

В зарядном устройстве использованы модули TP5000, которые специально разработаны для зарядки одной банки типа LiFePO₄ постоянным током до 2 А (ток заряда можно изменять подбором величины токоизмерительного резистора на плате модуля) и отключением заряда при достижении напряжения на банке, равного 3.60 — 3.65 В. Cразу отметим, что модуль TP5000 может работать и с батареями типа Li-Ion; для этого на самом модуле надо установить перемычку. При этом максимальное напряжения заряда поднимается до 4.2 В, а максимальный ток заряда не изменяется.

Кроме того, преимущество модуля TP5000 еще и в том, что по окончании заряда он контролирует напряжение на банке и при необходимости автоматически подзаряжает банку, если напряжение на ней упало. Для нормальной работы модуля TP5000 необходимо постоянное входное напряжение +5 … +9 В и ток 2 А. Сам модуль TP5000 представляет собой преобразователь постоянного входного напряжения в постоянный выходной ток с контролем напряжения на выходе модуля. В зависимости от напряжения на выходе модуля (напряжения на заряжаемой банке), микросхема TP5000 выбирает один из возможных режимов работы устройства: подготовка к заряду, заряд или поддержание.

TP5000 имеет два светодиода для индикации текущего режима работы; один светодиод горит в режимах подготовки к зарядке и зарядки, второй горит в режиме поддержания. Если выход TP5000 не подключен, микросхема TP5000 чувствует отсутствие нагрузки, выходное напряжение равно входному, и светодиоды включаются и выключаются поочередно (мерцают). Кроме того, модуль TP5000 имеет вход для подключения датчика температуры заряжаемой батареи, но в данном проекте он не используется.

Вид модуля TP5000 показан на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Модуль TP5000 – вид сверху.

Основная идея, положенная в основу зарядного устройства, состоит в таком использовании нескольких модулей TP5000, чтобы каждый модуль контролировал одну банку в батарее. Такой подход обеспечивает индивидуальный контроль напряжения заряда и поддержания. Поскольку зарядное устройство рассчитывалось на работу с батареей из четырех последовательно соединенных банок, оно состоит из четырех независимых каналов заряда. В каждом канале есть источник питания AC2DC, преобразующий переменное напряжение сети в постоянное напряжение +5 В с максимальным током в 2 А. Это напряжение подается на вход модуля TP5000. Выходные провода TP5000 подключаются к выводам заряжаемой банки. Для нормальной работы зарядного устройства необходимо, чтобы батарея имела разъем с выводами от каждой банки.

Рисунок 2.	Блок схема зарядного устройства вместе с заряжаемой батареей.

Блок схема зарядного устройства вместе с заряжаемой батареей показана на Рисунке 2. Банки заряжаемой батареи обозначены как Cell_1, Cell_2, Cell_3, Cell_4. Модули TP5000 самого зарядного устройства на Рисунке 2 обозначены как TP_5000_1, TP_5000_2, TP_5000_3, TP_5000_4. Источники питания каждого канала обозначены как AC2DC_1, AC2DC_2, AC2DC_3, AC2DC_4. Цифра в конце обозначения соответствует номеру канала зарядного устройства. Напряжение переменного тока подается на схему через разъем «Вход AC» и предохранитель F1.

Рисунок 3.	Принципиальная схема зарядного устройства.

Теперь перейдем к принципиальной схеме всего зарядного устройства (Рисунок 3) и его компонентов. Назначение блоков TP_5000_1, TP_5000_2, TP_5000_3, TP_5000_4, AC2DC_1, AC2DC_2, AC2DC_3, AC2DC_4 было обсуждено выше. Для подключения к заряжаемой батарее используется разъем «К батарее». В схеме предусмотрен дополнительный разъем «К вольтметру», все контакты которого подключены параллельно контактам разъема «К батарее», и назначение которого – подключение внешнего вольтметра для контроля работы устройства. Монтировать этот разъем не обязательно.

Если зарядное устройство планируется использовать только для зарядки батарей конфигурации 4S, то разъемы «К батарее» и «К вольтметру» должны иметь только 5 контактов. Автор использовал разъемы с 26 контактами, так как планировал дальнейшую модификацию этого зарядного устройства.

Рассмотрим схему блока TP_5000_1 (остальные блоки идентичны первому). Схема блока показана на Рисунке 4. Линии Charger_Plus и Charger_Minus подают напряжение +5 В от источника питания канала на модуль TP5000. Линии Cell_Plus и Cell_Minus идут на разъемы «К батарее» и «К вольтметру», и далее к заряжаемой банке в батарее. Блокировочные конденсаторы C2 , C5 уменьшают возможные ВЧ помехи на линиях. Светодиоды LED_CHARGE_ON_1 и LED_IDLE_1 показывают текущее состояние модуля TP5000.

Рисунок 4.	Схема блока TP_5000_1.

Теперь рассмотрим блок AC2DC_1 (остальные блоки абсолютно идентичны первому). Его схема показана на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Схема блока AC2DC_1.

Как видно из схемы, блок предельно прост. Он состоит из источника постоянного тока AC1 типа HAW10-220S05, который подключается к сети переменного тока (линии AC_N_IN и AC_L_IN) и выдает на выход (линии DC_Minus и DC_Plus) постоянное напряжение +5 В с максимальным током 2 А.

Рисунок 6.	Собранное устройство – вид сверху.

Теперь несколько слов о конструкции устройства. Готовое устройство показано на Рисунке 6 (вид сверху), Рисунке 7 (вид снизу) и Рисунке 8.

Рисунок 7.	Собранное устройство – вид снизу.

На Рисунке 8 изображено зарядное устройство в работе с подключенной батарей LiFePO₄ конфигурации 4S1P и вольтметром, подключенным ко второму разъему и показывающим напряжение на каждой банке и общее напряжение на батарее. Видно, что батарея еще не полостью заряжена – напряжение на ней равно 14.3 В, тогда как напряжение на полностью заряженной батарее должно быть в диапазоне 14.4-14.6 В. Видно также, что в каждом из каналов горит светодиод LED_CHARGE_ON, показывающий, что канал находится в режиме зарядки.

Рисунок 8.	Зарядное устройство в работе.

Рекомендации по сборке устройства

Kак видно из принципиальной схемы, ключевой элемент устройства – зарядный модуль TP5000. На рынке представлено несколько вариантов этого модуля. Все они собраны на микросхеме TP5000 и имеют одинаковую принципиальную схему, но расположением выводов и размерами могут отличаться.

Второй по значимости элемент – источник питания AC_1. Автор использовал источник типа HAW10-220S05 с выходными параметрами +5 В/ 2 А. Любой другой источник с аналогичными параметрами подойдет для работы в данном проекте. Такие источники продаются в разных вариантах исполнения с разным расположением выводов и габаритами. Остальные элементы проекта стандартные, и их конкретный выбор – дело вкуса и возможностей.

Учитывая разницу в расположении выводов и габаритах используемых компонентов, при повторении конструкции автор рекомендует, прежде всего, приобрести компоненты, и уже после этого решать, каким образом их скомпоновать.

Зарядное устройство было собрано в двух экземплярах. Оба модуля используются для зарядки батарей конфигурации 4S1P емкостью 2 А·ч и 20 А·ч уже более года без проблем или нареканий.

Источник

Схема зарядного устройства для аккумуляторов LiFePO4 AA (литий-железо-фосфатный)

Это зарядное устройство предназначено для одновременной зарядки четырех аккумуляторов LiFePO4 типа AA (14500). Заявленная производителем емкость – 700 mAh, напряжение – 3.2 v. Производитель рекомендует заряжать эти аккумуляторы до напряжения 3.6 v, начальный ток заряда 300 mA.

Блок питания

Зарядное устройство питается от сети 220 v, блок питания состоит из трансформатора и выпрямителя с конденсаторным фильтром. Трансформатор желательно применить мощностью не менее 30 Вт, вторичная обмотка должна быть рассчитана на ток не менее 3 A. Диодный мост с максимальным током не менее 3 A. Выходное напряжение, без нагрузки составляет 8 вольт. С полной нагрузкой выходное напряжение блока питания не должно проседать ниже 6 вольт.

Стабилизатор напряжения и схема ограничения тока

Схему зарядного устройства условно можно разделить на четыре одинаковых канала, каждый канал заряжает один аккумулятор, состоит из линейного стабилизатора напряжения со схемой ограничения тока и схемой индикации. Стабилизатор напряжения (3.6 v) собран на регулируемом стабилитроне TL431 и составном транзисторе КТ972. Ограничение тока (300mA) – КТ315 и шунт 2 Ом (R4), мощность этого резистора – 1 Вт.

Индикация заряда

В процессе заряда светится красный светодиод, когда аккумулятор будет заряжен, загорится зеленый светодиод. Светодиодами управляет операционный усилитель, входящий в состав микросхемы LM358. На неинвертирующий вход операционного усилителя подается опорное напряжение, формируемое стабилитроном TL431 и подстроечным резистором R11 , инвертирующий вход измеряет напряжение на шунте.

LM358 имеет в своем составе два операционных усилителя, поэтому на два канала заряда используется одна такая микросхема. Для каждой LM358 используется свой источник опорного напряжения (TL431), но можно изменить схему и использовать один регулируемый стабилитрон TL431 для обеих микросхем.

Сборка и настройка зарядного устройства для аккумуляторов LiFePO4

Полная схема зарядного устройства – кликните на ссылку и схема откроется в новой вкладке браузера.

Блок питания зарядного устройства

Для блока питания я использовал трансформатор ТП-20-14, у него две вторичные обмотки по 9 вольт и 0.7 A. К одной вторичной обмотке подключил диодный мост с конденсаторами и стал отматывать обмотку по несколько витков с последующим контролем напряжения на выходе блока питания. Отматывал, пока напряжение на выходе блока питания не достигло 8.5 вольт.

Аналогично поступил со второй обмоткой, затем соединил обмотки параллельно (соблюдая правильную фазировку). Получился нестабилизированный блок питания с нужным мне током (1.4 A). При манипуляциях с трансформатором обязательно подключайте его к сети 220 v через предохранитель, иначе “дым пойдет”.

Должен заметить, что трансформатор ТП-20-14 ощутимо нагревается во время заряда, поэтому рекомендую применить трансформатор мощнее. Блок питания можно использовать другой, в том числе импульсный.

Сборка и настройка стабилизатора напряжения и схемы ограничения тока

Рассмотрим порядок изготовления одного канала зарядного устройства. Сначала собирается стабилизатор напряжения, на рисунке ниже он обведен красной линией. Транзистор КТ972 нужно установить на радиатор.

К коллектору Т1 (КТ972) подключается плюс блока питания, минус подключается к аноду TL431. Регулировкой подстроечного резистора R2 на эмиттере Т1 устанавливается напряжение 3.6 вольта.

Затем устанавливаются детали схемы ограничения тока, всего три детальки: транзистор КТ315, резистор R3 (180 Om), резистор R4 (2 Om). Шунт R4 лучше поставить помощнее, чтобы не грелся, 1 Вт будет достаточно. Плюс блока питания остается подключенным к коллектору Т1 (КТ972), а минус от анода TL431 нужно отключить и подключить к эмиттеру Т2 (КТ315). Схема ограничения тока заряда на рисунке ниже обведена красной линией.

Схема ограничения тока заряда должна ограничивать ток на уровне 300 – 350 mA, чтобы проверить это, кратковременно подключите к выходу стабилизатора (вместо аккумулятора) мощный резистор сопротивлением от 5 до 6 Om и, последовательно этому резистору, амперметр. Если амперметр показывает ток 300 – 350 mA, то ограничение тока присутствует.

Настройка схемы индикации заряда

Соберите схему индикации заряда. Для настройки понадобятся два резистора любой мощности и сопротивлением 100 Om и 240 Om. С помощью подстроечного резистора R11 нужно добиться, чтобы при подключении вместо аккумулятора резистора 240 Om светился зеленый светодиод, а при подключении вместо аккумулятора резистора 100 Om светился красный светодиод. Более точную настройку нужно производить при заряде реальных аккумуляторов.

Таким же образом собираются и настраиваются остальные каналы зарядного устройства. В начале заряда аккумулятора ток будет максимальным, а напряжение составит примерно два вольта (в зависимости от степени разряженности аккумулятора). Затем, на протяжении периода заряда, ток будет уменьшаться, а напряжение расти. Когда напряжение достигнет 3.6 вольта, а ток будет составлять несколько миллиампер, должен погаснуть красный светодиод, а зеленый загореться, это значит, что аккумулятор заряжен.

Источник