Схема зарядка литий ионных аккумуляторов: Схемы самодельных зарядок для литий-ионных аккумуляторов (18650, 14500 li-ion), как правильно заряжать литий-полимерные АКБ

Содержание

Схема литий-ионного зарядного устройства – простейший вариант и гибридная схема



Статья обновлена: 2020-08-24


Сегодня мы рассмотрим схему зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов. На первый взгляд кажется, что простейшую версию такой схемы можно построить на микросхеме lm317. Но тогда питать зарядное устройство придется от напряжения выше 5 В, т.к. разница между напряжениями на входе и выходе этой микросхемы должна составлять минимум 2 В. Напряжение Li-ion элемента с полным зарядом – порядка 4,2 В. Поэтому разница напряжений не достигает даже 1 В, и от варианта с микросхемой lm317 придется отказаться.
Собрать зарядник для литий-ионных элементов можно с использованием специализированной платы TP4056 1A. Ее можно приобрести и несложно сделать самостоятельно. Простейшая схема зарядки литиевых аккумуляторов представлена на рисунке.

Ниже приведена гибридная схема, в которой напряжение стабилизируется, и ограничивается ток заряда.

 

Принцип работы литий-ионного зарядного устройства

Напряжение стабилизируется при помощи микросхемы стабилитрона tl431. Она используется во многих блоках питания импульсного типа, в т. ч. в компьютерном. Усилителем будет транзистор – произвольный вариант обратной проводимости и достаточно высокой мощности: КТ805, 815, 817, 819 и их аналоги. Ток заряда, задаваемый резистором R1, зависит от особенностей подзаряжаемого элемента питания. Резистор R1 рекомендуется брать мощностью 1 Вт, а оставшиеся – 0,25 или 0,125 Вт. Напряжение «банки» типа Li-ion в заряженном состоянии – порядка 4,2 В. Это значение напряжения и нужно поставить на выходе. К этому и сводится настроечный процесс – достаточно подбирать R2, R3 и фиксировать на выходе напряжение 4,2 В. Рассчитать напряжение стабилизации микросхемы tl431 позволяют многие интернет-программы. Чтобы выполнить точную настройку Uвых в нашей схеме контроля зарядки Li-ion аккумуляторов, стоит вместо резистора R2 воспользоваться многооборотным сопротивлением 10 кОм.

Функции индикатора заряда успешно выполнит светодиод.

Актуальность схемы и рекомендации по ее проверке

Предложенная схема может применяться для подзарядки одного литиевого аккумулятора (элемента питания, «банки») популярного типоразмера 18650. Подходит она и для Li-ion аккумуляторов других стандартов, но в таком случае следует установить на выходе из зарядного устройства другое значение напряжения. Если собранная вами схема не работает, убедитесь в наличии напряжения более 2,5 В на управляющем выводе микросхемы. Рабочее напряжение 2,5 В – минимум для наружного источника. Иногда минимум рабочего напряжения берется равным 3 В. Для контроля работоспособности схемы перед пайкой стоит создать простой тестовый стенд. После сборки необходимо досконально проконтролировать монтаж. На практике рекомендуется всегда использовать самостоятельно собранные зарядные устройства и схемы на Li-ion аккумуляторах с BMS платой. Плата защиты не допустит выхода напряжения за допустимые границы, убережет элемент питания от поломки и преждевременного износа.

В фирменных зарядных устройствах для защиты Li-ion аккумуляторов от высокого напряжения используются специальные микросхемы с функциями контроля. Подробнее о том, как правильно заряжать Li-ion аккумулятор стандарта 18650, читайте здесь.

Перейти в раздел зарядные устройства для АКБ

Схема зарядного устройства для Li-Ion аккумуляторов

Таймер 555

Как известно, литий-ионный аккумулятор необходимо заряжать в контролируемых условиях, если его заряжать обычным зарядным, то это может привести к повреждению или даже взрыву батареи.

Кроме того литий-ионные аккумуляторы не любят излишек заряда, после того, как напряжение достигает верхнего порога, напряжение заряда должно быть снято.

Рассматриемая здесь схема зарядного устройства отвечает вышеуказанным условиям, и подключенный аккумулятор никогда не будет перезаряжен.

В данной схеме таймер 555 используется в качестве компаратора, при соответствующих настройках его контакты 2 и 6 являются входами для контроля нижнего и верхнего порога напряжения.

Рис.1 Схема зарядного устройства для Li-Ion аккумуляторов

Вход 2 контролирует порог напряжения низкого уровня заряда, а также инициирует высокой уровень сигнала на выводе 3 микросхемы в случае, если уровень напряжения падает ниже установленного предела.

Вход 6 контролирует верхний порог напряжения и устанавливает на выходе 3 низкий уровень сигнала, если уровень контролируемого напряжения станет выше установленного предела .

Рассмотрим работу схемы: предположим, что полностью разряженный литий-ионный аккумулятор (на уровне около 3.0V) подключен ко входу зарядного устройства. Если предположить, что порог отключения установлен на уровне 3.

2 В, то на выводе 3 появится высокий уровень напряжения, транзистор откроется и аккумулятор начнет заряжаться.

Как только батарея достигает полного заряда 4.2 В (на это значение настроен вход 6 микросхемы), на выходе 3 появится напряжение низкого уровня, батарея будет отключена от цепи заряда.

Наличие транзисторного каскада обеспечивает возможность зарядки большим током.

Трансформатор должен быть выбран с напряжением не более 6 В и расчитан на ток не менее 1/5 емкости аккумулятора.

Настройка

. Для настройки вместо аккумулятора подключают регулируемый источник постоянного напряжения. Переменный резистор R5 настраиваем отключения зарядного устройства. С помощью него следует установить порог отключения лог.»1″ на выходе DA1 равным 4,2 В. Аналогичным образом регулируют сопротивление переменного резистора R2, в зависимости от которого включается режим зарядки. Порог включения зарядки должен быть примерно 3 В. Ток заряда настраивается подбором резистором R.

Смотрите также: Универсальное мобильное зарядное устройство

 


Как правильно заряжать литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы сейчас чрезвычайно популярны.

Больше 80% всех бытовых аккумуляторов являются литий-ионными. И для того, чтобы эти аккумуляторы служили верой и правдой долгое время, очень важно правильно с ними обращаться и правильно заряжать.

Как правило, литий-ионный аккумулятор представляет собой дуэт – собственно, саму аккумуляторную банку и присоединенную к ней плату защиты. Плата защиты предохраняет аккумулятор от перезарядки или чрезмерной разрядки. Также она ограничивает максимальный ток аккумулятора – следит, чтобы не было короткого замыкания. Все это очень важно, поскольку литий-ионный аккумулятор может очень драматично реагировать на перезарядку или чрезмерный ток (а еще на перегрев) – банально взрываться, нанося совершенно небанальные повреждения.

Тем не менее, вполне могут поставляться аккумуляторы без защиты – только банки. В этом случае подразумевается, что контроль степени заряда и тока будет осуществляться дополнительной электроникой, о которой должен позаботиться сам потребитель.

Литий-ионные аккумуляторы с защитой и без нее

Необходимо всегда обращать внимание на наличие защитной электроники при использовании литий-ионных аккумуляторов. Без схем защиты ни заряжать, ни использовать эти аккумуляторы нельзя! Поскольку в нештатных ситуациях химические процессы в аккумуляторах могут начать протекать чрезмерно бурно. Это может привести к разрыву аккумуляторной банки, воспламенению выделяющихся газов, электролита и, в итоге, к нехилому взрыву с пламенем и разбрасыванием вокруг горящих частей аккумулятора.

Сам процесс правильного заряда аккумулятора – это контролируемый и управляемый процесс. Вначале разряженный аккумулятор заряжается постоянным током 0.2 – 1 С (С – это емкость аккумулятора в ампер/часах). При достижении напряжения 4.0-4.1В (в зависимости от рекомендаций производителя) зарядка продолжается при постоянном напряжении до достижения 4.2В на элемент. Допустимое отклонение напряжения составляет всего +-0.05В. Для соблюдения этих режимов, безусловно, необходима соответствующая электроника. Как правило, это схемы, собранные на специализированных микросхемах. Хороший выбор – для заряда аккумуляторов использовать специализированные зарядные устройства.

Также можно собрать зарядное устройство самостоятельно.

Литий-полимерные аккумуляторы заряжаются также, как и литий-ионные, поскольку по природе своей они очень похожи. В чем их основное различие — читайте в статье «Литий-полимерный аккумулятор — отличие от литий-ионного».

Лучший вариант – заряжать каждый аккумулятор отдельно. Кроме зарядных устройств, можно приобрести готовые платы-контроллеры для зарядки отдельных аккумуляторов. Например, на базе популярной микросхемы TP4056.

Зарядка одного литий-ионного аккумулятора

Миниатюрная плата (около 20х30 мм) позволяет заряжать литий-ионный аккумулятор от источника постоянного напряжения до 8В. Подойдет, в том числе, компьютерный USB. Два индикатора отображают ход заряда. Плата сама остановит зарядку при достижении напряжения 4.2В – с ее помощью можно заряжать и аккумуляторы без платы защиты.

Если используется несколько аккумуляторов одновременно, то возможны варианты. Для увеличения емкости при том же выходном напряжении батареи соединяют параллельно – плюс к плюсу, минус к минусу. Например, если взять два аккумулятора емкостью 2500 мАh и соединить их параллельно, то получится батарея емкостью 5000 mAh с выходным напряжением 4.2В. Заряжать такую батарею нужно также, как и отдельный аккумулятор, только это займет в 2 раза больше времени.

Если нужно повысить напряжение при сохранении емкости, аккумуляторы соединяют последовательно. Те же две банки из предыдущего примера, соединенные последовательно, дадут батарею с напряжением 8.4В и емкостью 2500mAh.

Ток зарядки последовательно соединенных аккумуляторов должен быть такой же, как и при зарядке одного аккумулятора, а напряжение соответствовать напряжению всей батареи – 4.2В умножить на количество последовательно соединенных элементов.

Когда аккумуляторы используются в связке, очень важно подбирать совершенно одинаковые банки – одного производителя и модели, одной степени свежести. В идеале – из одной партии. Дело в том, что разные аккумуляторы могут иметь немного отличающиеся емкости, напряжение и другие параметры. Соответственно, работать они будут неравномерно и быстрее выйдут из строя.

Правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы, соединенные последовательно, необходимо устройствами, которые имеют систему балансировки заряда каждого элемента. Строго говоря, и разряжаться такие батареи должны через аналогичные системы балансировки. Суть ее работы состоит в том, чтобы следить за параметрами каждого аккумулятора и останавливать зарядку всей батареи, если один из аккумуляторов будет уже заряжен полностью. Аналогично при разряде: если один из аккумуляторов полностью разрядился – отключается вся батарея. Это позволит избежать перезаряда/переразряда аккумуляторов и продлит срок их службы.

Контроллер заряда/разряда двух последовательно соединенных аккумуляторов может выглядеть так:

Зарядка двух последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Контакты P+ и P- платы служат как для подачи напряжения при зарядке, так и при снятии тока при разрядке батареи. Плата может использоваться с аккумуляторами без плат защиты.

Для зарядки трех последовательно соединенных аккумуляторов может подойти такая схема:

Зарядка трех последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Так же как и в предыдущем варианте, контакты Р+ и Р- используются как для подачи напряжения зарядки, так и для снятия питания при работе от аккумуляторов. Плата имеет систему балансировки, защиту от перезаряда/разряда и защиту от короткого замыкания. И также может использоваться с незащищенными аккумуляторами.

Похожая плата зарядки/разрядки имеется и для четырех последовательно соединенных аккумуляторов.

Зарядка четырех последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Большее количество последовательно соединенных аккумуляторов встречается достаточно редко. Чаще для увеличения мощности используют последовательно соединенные пары параллельно соединенных аккумуляторов. Например, батареи ноутбуков могут содержать три или четыре пары аккумуляторов.

Правильная зарядка аккумуляторов – совершенно необходимое условие для того, чтобы использование литий-ионных аккумуляторов было долговременным и эффективным. Уделите этому достойное внимание и аккумуляторы будут служить вам верой и правдой.

Зарядное устройство для li-ion аккумуляторов. Схема и описание

Зарядное устройство для li ion аккумуляторов, схема которого приведенная в данной статье, было разработано на основе опыта конструирования подобных зарядников, усилиях по ликвидации ошибок и достижения максимальной простоты. Зарядное устройство отличается высокой стабильностью выходного напряжения.

Паяльный фен YIHUA 8858

Обновленная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/час…

Описание зарядки для литий ионных аккумуляторов

Основным элементом конструкции является TL431 (IO1) — источник опорного напряжения. Его стабильность значительно лучше, чем допустим LM317, а, как известно для литий-ионных аккумуляторов это является очень важной характеристикой при зарядке.

Элемент TL431 используется в данной схеме в качестве стабилизатора тока в работе транзисторов Т1 и Т2. Зарядный ток протекает через резистор R1. Если падение напряжения на этом резисторе превышает примерно 0,6 вольт, происходит ограничение тока проходящего через транзисторы Т1 и Т2. Значение резистора R1 эквивалентно току зарядки.

Выходное напряжение управляется вышеупомянутым элементом TL431. Значение определяется делителем выходного напряжения (R5, R7, P1).

Компоненты R4, С1 для подавления помех. Очень удобным является индикация величины зарядного тока, при помощи светодиода LED1. Свечение показывает какой ток протекает в базовой цепи транзистора T2, который пропорционален выходному току. По мере зарядки литий-ионного аккумулятора, яркость светодиода постепенно снижается.

Диод D1 предназначен для предотвращения разряда литий-ионного аккумулятора при отсутствии напряжения на входе зарядного устройства. Схема зарядки аккумулятора не нуждается в защите от неправильного подключения полярности li-ion аккумулятора.

Все компоненты размещены на односторонней печатной плате.

Датчик тока — резистор R1 состоит из нескольких резисторов соединенных параллельно. Транзистор Т2 необходимо разместить на теплоотводе. Его размер зависит от тока зарядки и разности напряжений между входом и выходом зарядного устройства.

Схема зарядного устройства литий-ионного аккумулятора настолько проста, что при правильном монтаже радиодеталей должна заработать с первого раза. Единственно, что может потребоваться, так это установка выходного напряжения. Для литий-ионного аккумулятора это примерно 4,2 вольт. При холостом ходе транзистор Т2 не должен быть горячим. Входное напряжение должно быть хотя бы на 2 вольт выше, чем необходимое напряжение на выходе.

Схема предназначена для зарядного тока до 1 ампер. Если нужно повысить ток заряда  li-ion аккумулятора, то необходимо уменьшить сопротивление резистора R6 и выходной транзистор Т2 должен быть повышенной мощности.

В конце процесса зарядки светодиод все же немного светится, что бы это устранить, можно просто подключить параллельно со светодиодом резистор сопротивлением 10…56 кОм. Так при снижении тока заряда ниже 10 мА светодиод перестанет светиться.

http://web.quick.cz/PetrLBC/zajic.htm

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

BMS платы — полный обзор контроллеров для защиты аккумуляторов

В наш современный век всеобщей популяризации литиевых батарей любой, даже простой пользователь бытовых устройств, должен хотя-бы примерно представлять их функционирование и факторы риска при их эксплуатации. Среди произошедших несчастных случаев с аккумуляторами (например, электронных сигарет) лишь небольшой процент обязан производственному браку, чаще всего неисправности возникают в результате неправильной эксплуатации.

В нашей статье мы рассмотрим новейшие технологии, которые призваны защитить литиевые аккумуляторы, а также расскажем, почему они так важны.

Из теории литиевых аккумуляторов можно узнать, что им противопоказан перезаряд, переразряд или разряд слишком большими токами, а также короткие замыкания. При переразряде, в аккумуляторе образуются металлические связи между катодом и анодом, которые приводят к короткому замыканию при зарядке аккумулятора, что может привести к порче не только элементов питания, но и зарядного устройства. Перезаряд же (набор аккумулятором напряжения больше разрешенного) почти сразу ведёт к возгоранию, а зачастую даже к взрыву.

Для горения литиевых аккумуляторов не нужен кислород – оно происходит анаэробно, поэтому стандартные методы тушения не подходят; также, при реакции лития с водой выделяется еще и горючий газ водород, который только ухудшает ситуацию. Разряд высокими токами приводит к вздутию аккумулятора, а если нарушается целостность оболочки – происходит реакция лития с водяными парами в воздухе, что само по себе способно спровоцировать возгорание.

Всё это отнюдь не перечёркивает явные преимущества аккумуляторов, среди них:

  • большая плотность энергии на единицу массы
  • низкий процент саморазряда
  • практически полное отсутствие эффекта памяти (когда заряд неполностью разряженного элемента приводит к снижению ёмкости)
  • большой температурный диапазон работы

Незначительное снижение напряжения в процессе разряда накладывает некоторые обязанности на пользователя. Нельзя допустить превышения максимального напряжения (4.25 В), снижение напряжения ниже минимального (2.75 В), а также превышения рабочего тока, который отличается для каждой модели. И в этом хитром деле нам помогут специальные устройства – BMS-контроллеры!

В переводе с английского, BMS (Battery Management System) – система управления батареей. Понятие слишком широкое, поэтому оно описывает почти все устройства, так или иначе обеспечивающие корректную работу аккумуляторов в данном устройстве, начиная с простых плат защиты или балансировки, заканчивая сложными микроконтроллерными устройствами, подсчитывающими ток разряда и количество циклов заряда (например, как в батареях ноутбуков). Мы не будем рассматривать сложные устройства – как правило, они специфичны и не предназначаются для рядового радиолюбителя, а выпускаются только под заказ для крупных производителей устройств.

То, что продаётся повсеместно, условно можно разделить на четыре категории:

  • балансиры
  • защиты (по току, напряжению)
  • платы, обеспечивающие заряд (да, они тоже считаются устройствами BMS)
  • те или иные комбинации вышеперечисленных вариантов, вплоть до объединения всего в одно устройство

Чем функциональней и разветвлённей защита – тем больше ресурс работы вашего аккумулятора.

Давайте посмотрим, по какому принципу BMS системы выполняют своё предназначение.

Структурно на плате можно выделить:

  • микросхема защиты
  • аналоговая обвязка (для определения тока/балансировки аккумуляторов)
  • силовые транзисторы (для отключения нагрузки)

Рассмотри подробнее работу каждой из защит.

Существует множество вариантов узнать, какой ток течёт по линии. Самый распространённый – шунт (измерение падения напряжения на резисторе с низким сопротивлением и большой мощностью), но он требует большой точности измерений и весьма громоздкий. Метод с измерением на основе эффекта Холла лишён этих недостатков, но стоит дороже, поэтому самый распространённый метод определения КЗ на линии – измерение напряжения, которое проседает практически до нуля в режиме КЗ.

Современные контроллеры позволяют сделать это в очень короткий промежуток времени, за который ущерб не нанесётся ни подключенному устройству, ни самому аккумулятору. Но защита по току может функционировать и на шунте – ведь в случае BMS тут не нужно точное измерение, важен лишь переход падения напряжения через определённый порог. Как только событие наступает, контроллер сразу же отключает нагрузку при помощи транзисторов.

С этой защитой разобраться попроще, так как измерение напряжения легко можно сделать, используя аналогово-цифровой преобразователь. Но и тут есть некая специфика – стоит отметить, что если контроллер защищает большую сборку из последовательно соединённых аккумуляторов, то обычно он меряет напряжение каждой банки персонально, так как ввиду мельчайших различий в элементах они имеют мельчайшие же различия по ёмкости, что выливается в неравномерный разряд и возможность высадить «в ноль» отдельный элемент.

Некоторые системы не подключают нагрузку, не дождавшись дозаряда аккумулятора до определённого напряжения после срабатывания триггера по переразряду, то есть недостаточно подзарядить элемент пару минут, чтобы он поработал ещё хоть малое время – обычно необходимо зарядить до номинального напряжения (3. 6 – 4.2В, в зависимости от типа аккумулятора).

Редко встречается в современных устройствах, но не зря большинство аккумуляторов для телефонов оборудовано третьим контактом – это и есть вывод терморезистора (резистора, имеющего чёткую зависимость сопротивления от окружающей температуры). Обычно перегрев не наступает сам собой и раньше успевают сработать другие виды защиты – например, перегрев может быть вызван коротким замыканием.

Зарядка литиевых аккумуляторов происходит в 2 этапа: CC (constant current, постоянный ток) и CV (constantvoltage, постоянное напряжение). В течение первого этапа зарядное устройство постепенно поднимает напряжение таким образом, чтобы заряжаемый элемент брал заданный ток (обычное рекомендованное значение равно 1 ёмкости аккумулятора). Когда напряжение достигает 4В, зарядка переходит на второй этап и поддерживает напряжение 4.2В на батарее.

Когда элемент практически перестанет брать ток, он считается заряженным. На практике, алгоритм можно реализовать и при помощи обычного лабораторного блока питания, но зачем, если есть специализированные микросхемы, заранее «заточенные» под выполнение этой последовательности действий, например, самая известная из них – TP4056, способна заряжать током до 1А.

Напоследок мы оставили самую интересную функцию BMS – функцию балансировки элементов многобаночного аккумулятора.

Итак, что же такое балансировка? Сам процесс её подразумевает выравнивание напряжений на элементах батареи, соединённых последовательно для повышения общего напряжения сборки. Из-за небольших отличиях в ёмкости батарей они заряжаются за немного разное время, и когда одна банка может уже достигнуть апогея зарядки, остальные могут ещё недобрать заряд.

При разряде такой сборки большими токами наиболее заряженные элементы по закону Ома возьмут на себя больший ток (при равном сопротивлении ток будет зависеть от напряжения, которое находится в знаменателе формулы), что вызовет их ускоренный износ и может вывести элемент из строя. Для того, чтобы избежать этой проблемы, применяют аккумуляторные балансиры – специальные устройства, выравнивающие напряжения на банках до одного уровня.

Активные балансиры производят балансировку уже при зарядке – зарядив одну банку сборки, они отключают её от питания, продолжая заряжать вторую. Как яркий пример такого устройства – популярное среди моделистов ЗУ Imax B6, в режиме Balance оно сразу проверяет напряжения индивидуально на каждой банке и справляется с этим на отлично.

Пассивные балансиры наоборот, разряжают элементы до одного значения малыми токами через резисторы. Их основной плюс – они не требуют внешнего питания, а также являются более точными за счёт применения аналоговых комплектующих (и более дешёвыми, так как не содержат сложных микросхем).

Рассмотрим некоторые примеры готовых плат BMS:

Итак, в завершение хочется сказать, что под каждую задачу на современном рынке можно найти такую плату менеджмента заряда аккумуляторов, которая удовлетворит Ваши потребности и надёжно защитит устройство и сами аккумуляторы.

Не стоит недооценивать важность техники безопасности, и если в небольших устройствах с низкими токами потребления защита является правилом хорошего тона, то для высокотоковых проектов она практически панацея, способная спасти даже жизнь в непредвиденной ситуации.

Творите, а магазин Вольтик.ру всегда предоставит возможность выбрать и купить нужные Вам компоненты!

Зарядка литий-ионных аккумуляторов

требует точного измерения напряжения

Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы

набирают популярность в портативных системах из-за их увеличенной емкости при тех же размерах и весе, что и у более старых никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов. Например, портативный компьютер с литий-ионным аккумулятором может работать дольше, чем аналогичный компьютер с никель-металлгидридным аккумулятором. Однако разработка системы для литий-ионных аккумуляторов требует особого внимания к схеме зарядки, чтобы обеспечить быструю, безопасную и полную зарядку аккумулятора.

Новая микросхема для зарядки аккумуляторов, ADP3810, разработана специально для управления зарядом литий-ионных аккумуляторов с 1-4 элементами. Доступны четыре высокоточных фиксированных варианта конечного напряжения батареи (4,2 В, 8,4 В, 12,6 В и 16,8 В); они гарантируют конечное напряжение батареи ± 1%, что так важно при зарядке литий-ионных батарей. Сопутствующее устройство, ADP3811, похоже на ADP3810, но его конечное напряжение батареи программируется пользователем для работы с другими типами батарей.Обе микросхемы точно контролируют зарядный ток, чтобы обеспечить быструю зарядку при токах 1 ампер и более. Кроме того, оба они имеют прецизионный источник опорного напряжения 2,0 В и прямой выход привода оптопары для изолированных приложений.

Li-Ion Charging: Li-Ion аккумуляторы обычно требуют алгоритма зарядки с постоянным током и постоянным напряжением (CCCV). Другими словами, литий-ионная батарея должна заряжаться при заданном уровне тока (обычно от 1 до 1,5 ампер) до достижения конечного напряжения.На этом этапе схема зарядного устройства должна переключиться в режим постоянного напряжения и обеспечивать ток, необходимый для удержания батареи при этом конечном напряжении (обычно 4,2 В на элемент). Таким образом, зарядное устройство должно обеспечивать стабильные контуры управления для поддержания постоянное значение тока или напряжения, в зависимости от состояния батареи.

Основная задача при зарядке литий-ионного аккумулятора — реализовать полную емкость аккумулятора без его перезарядки, что может привести к катастрофическому отказу.Возможна небольшая погрешность, всего ± 1%. Избыточная зарядка более чем на 1% может привести к выходу батареи из строя, а недостаточная зарядка более чем на 1% приводит к снижению емкости. Например, недозаряд литий-ионного аккумулятора всего на 100 мВ (-2,4% для литий-ионного элемента на 4,2 В) приводит к потере емкости примерно на 10%. Поскольку место для ошибки очень мало, требуется высокая точность схемы управления зарядкой. Для достижения этой точности контроллер должен иметь прецизионный источник опорного напряжения, усилитель обратной связи с высоким коэффициентом усиления и малым смещением, а также точно согласованный резистивный делитель. .Суммарные погрешности всех этих компонентов должны приводить к общей погрешности менее ± 1%. ADP3810, объединяющий эти элементы, гарантирует общую точность ± 1%, что делает его отличным выбором для зарядки литий-ионных аккумуляторов.

ADP3810 и ADP3811: На рисунке 1 показана функциональная схема ADP3810 / 3811 в упрощенной схеме зарядного устройства CCCV. Два усилителя « г, м, , » (вход напряжения, выход тока) являются ключевыми для работы ИС. GM1 определяет и управляет током заряда через шунтирующее сопротивление, R CS , а GM2 определяет и управляет конечным напряжением аккумуляторной батареи .Их выходы соединены в аналоговой конфигурации «ИЛИ», и оба спроектированы таким образом, что их выходы могут подключаться только к общему узлу COMP. Таким образом, либо усилитель тока, либо усилитель напряжения контролирует контур зарядки в любой момент времени. . Узел COMP буферизирован выходным каскадом « г м » (GM3), выходной ток которого напрямую управляет входом управления преобразователем постоянного тока (через оптопару в изолированных приложениях).

Рис. 1. Блок-схема ADP3810 / 3811 в упрощенной схеме зарядки аккумулятора.

ADP3810 включает прецизионные тонкопленочные резисторы для точного деления напряжения батареи и сравнения его с внутренним опорным напряжением 2,0 В. ADP3811 не включает эти резисторы, поэтому разработчик может запрограммировать любое конечное напряжение батареи с помощью пары внешних резисторов в соответствии с приведенной ниже формулой. Буферный усилитель обеспечивает вход с высоким импедансом для программирования зарядного тока с использованием входа VCTRL, а схема блокировки при пониженном напряжении (UVLO) обеспечивает плавный запуск.

Чтобы понять конфигурацию «ИЛИ», предположим, что полностью разряженный аккумулятор вставлен в зарядное устройство.Напряжение аккумулятора значительно ниже конечного напряжения заряда, поэтому на входе VSENSE GM2 (подключенного к аккумулятору) положительный вход GM2 значительно ниже внутреннего опорного напряжения 2,0 В. В этом случае GM2 хочет вывести узел COMP на низкий уровень, но он может только подтянуть, поэтому он не оказывает никакого влияния на узел COMP. Поскольку батарея разряжена, зарядное устройство начинает увеличивать ток заряда, и токовая петля берет на себя управление. Ток заряда создает отрицательное напряжение на резисторе токового шунта (RCS) с сопротивлением 0,25 Ом.Это напряжение измеряется GM1 через резистор 20 кОм (R3). В состоянии равновесия ( I CHARGE R CS ) / R 3 = -V CTRL /80 кОм. Таким образом, ток заряда поддерживается на уровне

.

Если ток заряда имеет тенденцию превышать запрограммированный уровень, вход V CS GM1 принудительно отрицательный, что приводит к высокому уровню на выходе GM1. Это, в свою очередь, подтягивает узел COMP, увеличивая ток с выходного каскада, уменьшая привод блока преобразователя постоянного / постоянного тока (который может быть реализован с различными топологиями, такими как возвратный, понижающий или линейный каскад), и, наконец, уменьшение зарядного тока.Эта отрицательная обратная связь завершает контур управления зарядным током.

Когда батарея приближается к своему конечному напряжению, входы GM2 приходят в равновесие. Теперь GM2 подтягивает узел COMP к высокому уровню, и выходной ток увеличивается, в результате чего ток заряда уменьшается, поддерживая равными В SENSE и В REF . Управление зарядным контуром изменено с GM1 на GM2. Поскольку коэффициент усиления двух усилителей очень высок, переходная область от регулирования тока к напряжению очень резкая, как показано на Рисунке 2.Эти данные были измерены на 10-вольтовой версии автономного зарядного устройства, показанной на Рисунке 3.

Рис. 2. Изменение тока / напряжения зарядного устройства ADP3810 CCCV

Полное автономное литий-ионное зарядное устройство: На рис. 3 показана полная система зарядки с использованием ADP3810 / 3811. В этом автономном зарядном устройстве используется классическая архитектура с обратным ходом для создания компактной и недорогой конструкции. Три основных участка этой схемы — это контроллер первичной стороны, силовой полевой транзистор и трансформатор обратного хода, а также контроллер вторичной стороны. В этой конструкции используется ADP3810, напрямую подключенный к батарее, для зарядки 2-элементной литий-ионной батареи до 8,4 В при программируемом токе заряда от 0,1 до 1 А. Диапазон входных значений от 70 до 220 В переменного тока — для универсальной работы. .Используемый здесь широтно-импульсный модулятор первичной стороны — это промышленный стандарт 3845, но могут использоваться и другие компоненты ШИМ. Фактические выходные характеристики зарядного устройства контролируются ADP3810 / 3811, что гарантирует конечное напряжение в пределах ± 1%.

Рисунок 3. Полное автономное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов

Токовый привод управляющего выхода ADP3810 / 3811 напрямую подключается к фотодиоду оптопары без дополнительных схем.Его выходной ток 4 мА может управлять различными оптопарами — здесь используется MOC8103. Ток фототранзистора протекает через R F , устанавливая напряжение на выводе COMP 3845 и, таким образом, управляя рабочим циклом ШИМ. Контролируемый импульсный стабилизатор спроектирован таким образом, что повышенный ток светодиода от оптопары снижает рабочий цикл преобразователя.

В то время как сигнал от ADP3810 / 3811 управляет средним током заряда , первичная сторона должна иметь циклическое ограничение тока переключения.Этот предел тока должен быть спроектирован таким образом, чтобы при отказе или неисправности вторичной цепи или оптопары или во время запуска компоненты первичной силовой цепи (полевой транзистор и трансформатор) не подвергались перенапряжению. Когда напряжение вторичной обмотки V CC превышает 2,7 В, ADP3810 / 3811 берет на себя управление средним током. Предел тока первичной стороны устанавливается резистором считывания тока 1,6 Ом, подключенным между силовым транзистором NMOS, IRFBC30 и землей.

ADP3810 / 3811, ядро ​​вторичной стороны, устанавливает общую точность зарядного устройства.Для выпрямления требуется только один диод (MURD320), и никакой катушки индуктивности фильтра не требуется. Диод также предотвращает обратное движение батареи к зарядному устройству при отключении входного питания. Конденсатор емкостью 1000 мкФ (CF1) поддерживает стабильность при отсутствии батареи . RCS определяет средний ток (см. Выше), и ADP3810 подключается напрямую (или ADP3811 через делитель) к батарее, чтобы определять и контролировать ее напряжение.

С этой схемой реализовано полностью автономное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов.Топология обратного хода объединяет преобразователь переменного тока в постоянный со схемой зарядного устройства, что дает компактный и недорогой дизайн. Точность этой системы зависит от контроллера вторичной стороны, ADP3810 / 3811. Архитектура устройства также хорошо работает в других схемах зарядки аккумуляторов. Например, стандартное зарядное устройство постоянного тока понижающего типа может быть легко сконструировано путем объединения ADP3810 и ADP1148. Простое линейное зарядное устройство также может быть разработано с использованием только ADP3810 и внешнего транзистора. Во всех случаях присущая ADP3810 точность контролирует зарядное устройство и гарантирует конечное напряжение батареи ± 1%, необходимое для зарядки литий-ионных аккумуляторов.

Схема зарядного устройства литий-ионной батареи

с использованием LM317

Цепь зарядного устройства для литий-ионной батареи с использованием LM317 заряжает батарею в двух разных режимах, то есть в режиме постоянного тока и режиме постоянного напряжения.

Литий-полимерные или литий-ионные батареи очень склонны к перезарядке или зарядке высоким напряжением или большим током. Таким образом, при разработке схемы зарядного устройства для Li-ion или Li-Po мы должны учитывать несколько вещей, например, напряжение зарядки и / или ток зарядки.Представленная здесь схема разработана с использованием одного из популярных регуляторов переменного напряжения IC LM317. Эта схема заряжает аккумулятор в двух режимах: режиме постоянного тока и режиме постоянного напряжения. В режиме постоянного тока аккумулятор заряжается постоянным током до тех пор, пока напряжение аккумулятора не приблизится к желаемому уровню. В режиме постоянного напряжения аккумулятор заряжается постоянным напряжением, при этом ток заряжается и приближается к нулю.

Литий-ионные или литий-полимерные батареи

чувствительны к перезарядке, глубокой разрядке и высокой температуре.Если любое из вышеперечисленных условий соответствует, это может показать необычные диаграммы, такие как взрыв, образование дыма и т. Д. Одноэлементный литий-ионный аккумулятор составляет 3,7 В. Эту ячейку можно заряжать до 4,2 В, т. Е. Напряжение полной зарядки будет 4,2 В. Также рекомендуется не разряжать 3,4В. Когда мы заряжаем литий-ионный / липо аккумулятор до 4,2 В, срок его службы сокращается вдвое. Итак, мы настраиваем схему зарядного устройства, чтобы зарядить аккумулятор до 4,1 В. При зарядке аккумулятора до 4,1 В его емкость уменьшится на 10%, но срок службы увеличится вдвое.

Описание схемы зарядного устройства литий-ионной батареи

Схема зарядного устройства литий-ионной батареи показана на рисунке 1. Она состоит из регулятора переменного напряжения IC317, резистора ограничителя тока, переключающего транзистора и нескольких других электронных компонентов. Здесь используется NPN-транзистор с диодом и шунтирующим резистором (R2) для стабилизации выходного тока.

Где переменный резистор с резистором R1 отвечает за выход напряжения.Выходное напряжение этой цепи. Величина резистора R2 очень мала в пределах нескольких Ом. Таким образом, вклад Iadj в выходное напряжение незначителен. Но величина зарядного тока зависит от резистора R2 и может быть рассчитана с помощью математической формулы.

Для Imax 200mA, номинал резистора

Значение 0,95 — это падение напряжения на выводе эмиттера базы транзистора и диоде вместе взятых.

Список компонентов цепи зарядного устройства литий-ионной батареи

Резистор (полностью ¼-ватт, ± 5% углерода)
R1 = 330 Ом

RV1 = 1 кОм

R2 * = 2,2 Ом, ½ Вт

Конденсаторы
C1 = 1000 мкФ, 25 В

C2 = 100 нФ

Полупроводники
U1 = LM317 (Регулятор переменного положительного напряжения)

Q1 = BC547 (NPN-транзистор общего назначения)

D1 = 1N4007 (выпрямительный диод)

Разное
Две клеммные колодки

Работа цепи зарядного устройства литий-ионной батареи

Эта схема зарядного устройства работает как источник постоянного тока, пока напряжение аккумулятора не достигнет Vo. Первоначально (когда батарея разряжена) батарея будет пытаться потреблять ток, насколько это возможно. Но резистор R2 этого не позволяет. Когда максимальный ток ( Imax ) начинает проходить через шунтирующий резистор, транзистор начинает проводить, и в результате напряжение при настройке, вывод уменьшается, и выходной ток становится постоянным, т.е.

Роль шунтирующего резистора состоит в том, чтобы определять значение зарядного тока, таким образом, не влияя на напряжение зарядки аккумулятора.Транзистор не проводит полностью из-за напряжения шунта, поскольку максимальное падение напряжения на нем не превышает 0,95 В. Таким образом, контур транзистора гарантирует, что зарядный ток будет постоянным. Во время зарядки аккумулятора постоянным током напряжение аккумулятора будет медленно увеличиваться. Когда напряжение батареи становится равным выходному напряжению схемы (V0), ток приближается к нулю, а напряжение становится постоянным.

Дизайн печатной платы

Печатная плата «Схема зарядного устройства литий-ионной батареи с использованием LM317» разработана с использованием разработчика Altium. Сторона пайки, сторона компонента и трехмерная конструкция показаны на рисунке 2. Загрузите печатную плату с фактическим размером пайки и со стороны компонентов в формате PDF по приведенной ниже ссылке.

Нажмите здесь, чтобы загрузить печатную плату

Рисунок 2: Автор прототипа схемы зарядного устройства

Калибровка:

Шаг 1. Отсоедините аккумулятор для зарядки

Шаг 2: Подключите источник питания постоянного тока ко входу.

Шаг 3: Отрегулируйте переменный резистор до получения полного напряжения заряда на выходной клемме.(Для Li-ion 3,7 В выходное напряжение будет 4,2 В, но здесь мы установим его на 4,1 В, чтобы продлить срок службы батареи).

Шаг 4: Подключите аккумулятор.

Примечание. Используйте соответствующий радиатор для LM317.

Зарядка литиевых элементов

Зарядка литиевых элементов
Elliott Sound Products Зарядка литиевых элементов

Авторские права © 2016 — Род Эллиотт (ESP)
Страница создана в ноябре 2016 г. , опубликована в феврале 2017 г.,
Последнее обновление в октябре 2018 г.

верхний
Основной индекс Указатель статей
Содержание
Введение
1 — Система управления батареями (BMS)
2 — Профиль зарядки
3 — Источники питания постоянного напряжения и постоянного тока (зарядные устройства)
4 — Цепь зарядки одной ячейки IC
5 — Зарядка нескольких элементов
6 — Защита батареи
7 — Мониторинг состояния заряда (SOC)
8 — Проекты с батарейным питанием
Выводы
Ссылки

Введение

Зарядка литиевых батарей или элементов (теоретически) проста, но может быть сопряжена с трудностями, о чем свидетельствуют многочисленные серьезные отказы в коммерческих продуктах.К ним относятся портативные компьютеры, мобильные («сотовые») телефоны, так называемые «ховерборды» (также известные как балансировочные доски) и даже самолеты. Балансировочные щиты вызвали ряд пожаров в домах и разрушили или повредили многие объекты недвижимости по всему миру. Если элементы не заряжены должным образом, существует высокий риск вентиляции (выброса газов под высоким давлением), что часто сопровождается возгоранием.

Литий — самый легкий из всех металлических элементов, он плавает в воде. Он очень мягкий, но быстро окисляется на воздухе.Воздействия водяного пара и кислорода часто бывает достаточно, чтобы вызвать возгорание, особенно если присутствует тепло (например, из-за перезарядки литиевого элемента). Воздействие влажного / влажного воздуха вызывает образование газообразного водорода (из водяного пара), который, конечно, легко воспламеняется. Литий плавится при 180 ° C. Большинство авиакомпаний настаивают на том, чтобы литиевые элементы и батареи заряжались не более чем на 30% при транспортировке из-за вполне реального риска катастрофического пожара. Несмотря на ограничения, литиевые батареи теперь используются почти во всем новом оборудовании из-за очень высокой плотности энергии и небольшого веса.

Аккумуляторы имеют скорость заряда и разряда, обозначенную буквой «C» — емкость аккумулятора или элемента в Ач или мАч (ампер или миллиампер-час). Таким образом, аккумулятор емкостью 1,8 Ач (1800 мАч) имеет рейтинг «C» 1,8 А. Это означает, что (по крайней мере, теоретически) аккумулятор может обеспечивать ток 180 мА в течение 10 часов (0,1 ° C), 1,8 A в течение 1 часа или 18 A в течение 6 минут (0,1 час или 10 ° C). В зависимости от конструкции литиевые батареи могут обеспечивать ток до 30 ° C и более, поэтому наша гипотетическая батарея емкостью 1800 мАч теоретически может обеспечивать ток 54A в течение 2 минут.Емкость также может быть указана в Втч (ватт-часах), хотя эта цифра обычно не используется, кроме как в рекламных брошюрах.

В США и некоторых других странах оценка Wh требуется транспортным компаниям, чтобы они могли определить необходимый стандарт упаковки. Один аккумулятор 1,8 Ач имеет накопленную энергию 6,7 Втч [4] . В качестве альтернативы может потребоваться указать содержание лития. В справочнике также показано, как это можно рассчитать, хотя любой сделанный расчет будет только приблизительным, если производитель батарей специально не укажет содержание лития. Причиной этого является риск возгорания — перевозчики не любят, когда грузы загораются, а содержание лития может определять способ доставки товаров. Если батареи поставляются отдельно (не встроены в оборудование), они должны быть заряжены не более чем на 30% емкости.

В отличие от некоторых более старых аккумуляторных технологий, литиевые батареи нельзя (и не следует) оставлять на плавающем заряде, хотя может быть возможно, если напряжение поддерживается ниже максимального напряжения заряда. Для большинства используемых ячеек максимальное напряжение ячейки равно 4.2 В, называемое напряжением «заряда насыщения». Напряжение заряда должно поддерживаться на этом уровне только достаточно долго, чтобы ток заряда упал до 10% от начального значения или 1С. Однако это может быть интерпретировано, потому что начальный ток заряда может иметь широкий диапазон, в зависимости от батареи и зарядного устройства.

К сожалению, несмотря на то, что существует бесчисленное количество статей о зарядке литиевых батарей, существует почти столько же различных предложений, рекомендаций и мнений, сколько и статей. Одна из основных вещей, которая важна при зарядке литиевой батареи, — это обеспечить, чтобы напряжение на каждой ячейке никогда не превышало максимально допустимое, а это означает, что необходимо контролировать каждую ячейку в батарее. Существует множество доступных ИС, которые были специально разработаны для балансной зарядки литиевых батарей, при этом некоторые системы довольно сложны, но чрезвычайно универсальны с точки зрения обеспечения оптимальной производительности.

В то время как традиционные литий-ионные (Li-Ion) или литий-полимерные (Li-Po) имеют номинальное напряжение ячейки 3.70 В, Li-железо-фосфат (LiFePO 4 , он же LFP — феррофосфат лития) составляет исключение с номинальным напряжением элемента 3,20 В и зарядкой до 3,65 В. Многие коммерческие батареи LiFePO 4 имеют встроенные схемы балансировки и защиты, и их нужно только подключить к соответствующему зарядному устройству. Относительно новым дополнением является литий-титанат (LTO) с номинальным напряжением ячейки 2,40 В и зарядкой до 2,85 В.

Зарядные устройства для этих альтернативных литиевых ячеек несовместимы с обычными 3.70-вольтовый Li-Ion. Необходимо предусмотреть возможность идентификации систем и обеспечения правильного зарядного напряжения. Литиевая батарея на 3,70 В в зарядном устройстве, разработанном для LiFePO 4 , не получит достаточного заряда; LiFePO 4 в обычном зарядном устройстве может вызвать перезарядку. В отличие от многих других химических элементов, литий-ионные элементы не могут поглощать перезаряд, поэтому необходимо знать конкретный химический состав аккумулятора и адаптировать условия зарядки.

Литий-ионные элементы

безопасно работают в пределах указанных рабочих напряжений, но аккумулятор (или элемент в аккумуляторе) становится нестабильным, если случайно зарядить его до напряжения выше указанного.При длительной зарядке выше 4,30 В литий-ионного элемента, рассчитанного на 4,20 В, на аноде будет металлический литий. Катодный материал становится окислителем, теряет стабильность и выделяет углекислый газ (CO2). Давление в ячейке повышается, и если заряду позволяют продолжить, устройство прерывания тока, отвечающее за безопасность ячейки, отключается при 1000–1380 кПа (145–200 фунтов на квадратный дюйм). При дальнейшем повышении давления защитная мембрана на некоторых литий-ионных элементах разрывается при давлении около 3450 кПа (500 фунтов на квадратный дюйм), и в конечном итоге ячейка может выйти из строя — с пламенем!

Не все ячейки рассчитаны на то, чтобы выдерживать высокое внутреннее давление, и будут иметь видимые выпуклости задолго до того, как давление достигнет значений, близких к указанным.Это верный признак того, что элемент (или аккумулятор) поврежден, и его нельзя использовать снова. К сожалению, во многих статьях, которые вы найдете в Интернете, обсуждая платы баланса (в частности), говорится о качестве элементов (или их отсутствии) и / или качестве зарядного устройства (то же самое), но не упоминается обсуждаемая система управления батареями (BMS). следующий.

Это один из наиболее важных элементов зарядного устройства для литиевых батарей, но редко упоминается в большинстве статей, посвященных возгоранию батарей. В общем, предполагается (или неизвестно автору), что аккумуляторная батарея включает — или , если включает — схему защиты, чтобы гарантировать, что каждая ячейка контролируется и защищена от перезарядки. Вероятно, что дешевые (или поддельные) аккумуляторные блоки вообще не включают схему защиты, и любой аккумулятор без этой важной схемы, как правило, следует избегать, если у вас нет надлежащего внешнего балансного зарядного устройства с многополюсным разъемом. Проблема в том, что продавцы редко раскрывают (или даже знают), есть ли у аккумулятора защита или нет.


1 — Система управления батареями (BMS)

Это не особенно полезно, но многие продавцы аккумуляторов и зарядных устройств не проводят различия между мониторингом аккумулятора и защитой аккумулятора . Это две отдельные функции, и, как правило, они представляют собой отдельные части схемы. К сожалению, термин «BMS» может означать либо мониторинг, либо защиту, в значительной степени в зависимости от определения, используемого продавцом, и / или понимания того, что на самом деле продается.

Я буду использовать термин «балансировка» применительно к управлению процессом зарядки, а для аккумуляторов (в отличие от одиночных ячеек) это процесс балансировки, который гарантирует, что каждая ячейка тщательно контролируется во время зарядки для поддержания правильного максимального значения ячейки. Напряжение. Защита Цепи обычно подключены к аккумулятору постоянно и часто интегрируются в аккумуляторный блок. Они описаны ниже. В некоторых случаях защита и балансировка могут быть предоставлены как комплексное решение, и в этом случае оно действительно заслуживает названия «BMS» или «система управления батареями».

Для правильного управления процессом зарядки более чем с одной ячейкой, система баланса батареи абсолютно необходима . Цепи баланса отвечают за обеспечение того, чтобы напряжение на любой ячейке никогда не превышало максимально допустимое, и часто интегрируются с зарядным устройством. Некоторые из них имеют дополнительные возможности, например, контроль температуры ячейки. В больших установках отдельные контроллеры ячеек взаимодействуют с центральным «главным» контроллером, который обеспечивает сигнализацию устройству, на которое подается питание, с указанием состояния заряда (поскольку этот параметр может быть определен — это меньше, чем точная наука), наряду с любыми другими данные, которые можно считать важными.

Для сравнительно простых батарей с количеством ячеек от 2 до 5, дающих номинальное напряжение от 7,4 В до 18,5 В соответственно, баланс ячеек не представляет особой сложности. Это действительно становится проблемой, когда возможно, 110 ячеек соединены последовательно, что дает выход около 400 В (как, например, в электромобиле). Ячейки также могут быть соединены параллельно, чаще всего как последовательно-параллельная сеть. В общей терминологии (особенно для «любительских» батарей для моделей самолетов и т.п.) батарея будет обозначаться как 5S (5 ячеек серии) или 4S2P (4 ячейки серии, каждая из которых состоит из 2 ячеек параллельно).

Параллельная работа ячеек не является проблемой, и возможно (хотя обычно не рекомендуется), что они могут иметь разную емкость. Конечно, они должны использовать ту же химию. При последовательном запуске ячейки должны быть как можно ближе к идентичности. Конечно, по мере того, как звонки стареют, они будут делать это с разной скоростью — одни клетки всегда будут портиться быстрее, чем другие. Именно здесь система балансировки становится важной, потому что элемент (-ы) с наименьшей емкостью будет заряжаться (и разряжаться) быстрее, чем другие в упаковке.Большинство балансных зарядных устройств используют регулятор на каждой ячейке, что гарантирует, что напряжение заряда каждой отдельной ячейки никогда не превышает максимально допустимое.

В простейшей форме это можно сделать с помощью цепочки прецизионных стабилитронов, что на самом деле довольно близко к обычно используемым системам. Напряжение должно быть очень точным и в идеале должно находиться в пределах 50 мВ от желаемого максимального напряжения заряда. Хотя напряжение заряда насыщения обычно составляет 4,2 В на элемент, срок службы батареи можно продлить, ограничив напряжение заряда до 4.1 вольт. Естественно, это приводит к немного меньшему накоплению энергии.

Два основных компонента BMS будут рассмотрены отдельно ниже. Их можно дополнить мониторингом производительности (состояние заряда, оставшаяся емкость и т. Д.), Но в этой статье основное внимание уделяется важным моментам — тем, которые максимизируют как безопасность, так и время автономной работы. Так называемые «топливомеры» — это отдельная тема, и здесь они рассматриваются лишь вскользь.


2 — Профиль зарядки

На графике показаны основные элементы процесса зарядки.Первоначально зарядное устройство работает в режиме постоянного тока (ограничение тока) с максимальным током в идеале не более 1С (1,8 А для элемента или аккумулятора 1,8 Ач). Часто будет меньше, а иногда и намного меньше. При зарядке при 0,1C (180 мА) время зарядки составит 30 часов, если применяется заряд полного насыщения. Однако, когда используется сравнительно медленная зарядка (обычно менее 0,2 ° C), можно прекратить зарядку, как только элемент (-ы) достигнет 4,2 В, и заряд насыщения не нужен.Например, на основе «нового» алгоритма зарядки элементу, показанному на рисунке 1, может потребоваться от 12 до 15 часов для зарядки при 0,1 ° C, и цикл зарядки завершается, как только напряжение достигает 4,2 вольт. Это несколько мягче по сравнению с литий-ионным аккумулятором, и напряжение минимизировано.


Рисунок 1 — Профиль заряда литий-ионных аккумуляторов (1 элемент)

Как ясно видно на графике, быстрая зарядка означает, что емкость отстает от напряжения заряда, а 1С — довольно быстрая — особенно для аккумуляторов, предназначенных для устройств с низким потреблением энергии.Примерно через 35 минут напряжение (почти) достигло максимума 4,2 В, и ток заряда начинает падать, но элемент заряжен только примерно до 65%. Более низкая скорость заряда означает, что уровень заряда более точно соответствует напряжению. Как и все батареи, вы никогда не извлекаете столько, сколько вставляете, и обычно вам нужно вложить примерно на 10-20% больше ампер-часов (или миллиампер-часов), чем вы получите обратно во время разряда.

Некоторые зарядные устройства обеспечивают предварительный заряд, если напряжение элемента меньше 2.5 вольт. Обычно это постоянный ток, равный 1/10 от номинального полного заряда постоянного тока. Например, если ток заряда установлен на 180 мА, элемент будет заряжаться до 18 мА до тех пор, пока напряжение элемента не поднимется примерно до 3 В (это зависит от конструкции зарядного устройства). Однако большинству систем никогда не потребуется предварительное кондиционирование, потому что электроника будет (или должна!) Отключиться до того, как элемент достигнет потенциально опасного уровня разряда.

При использовании литий-ионные батареи следует хранить в прохладном месте.Нормальная комнатная температура (от 20 ° до 25 ° C) является идеальной. Не рекомендуется оставлять заряженные литиевые батареи в автомобилях на солнце, как и в любом другом месте, где температура может быть выше 30 ° C. Это вдвойне важно, когда аккумулятор заряжается. В разряженном состоянии требуются некоторые средства отключения, чтобы гарантировать, что напряжение элемента (любого элемента в батарее) не упадет ниже 2,5 вольт.

Обычно лучше не заряжать литиевые батареи полностью и не допускать их глубокого разряда.Срок службы батареи может быть увеличен за счет зарядки примерно до 80-90%, а не до 100%, поскольку это почти устраняет «напряжение напряжения», возникающее, когда напряжение элемента достигает полных 4,2 вольт. Если аккумулятор будет храниться, рекомендуется зарядка 30-40%, а не полная. Есть много рекомендаций, и большинство из них игнорируются. Однако это не вина пользователей — производители телефонов, планшетов и фотоаппаратов могут предложить вариант с пониженной оплатой — для этого достаточно вычислительной мощности.Это особенно важно для предметов, которые не имеют заменяемой пользователем батареи, потому что это часто означает, что в остальном совершенно хорошее оборудование выбраковано только потому, что батарея устала. Учитывая распространение вредоносных программ практически для каждой операционной системы, важно убедиться, что параметры заряда аккумулятора никогда не могут быть установлены таким образом, чтобы это могло вызвать повреждение.


3 — Источники питания постоянного напряжения и постоянного тока (зарядные устройства)

Во время начальной части цикла зарядки источник питания зарядного устройства должен быть постоянным.Текущее регулирование не обязательно должно быть совершенным, но оно должно быть в разумных пределах. Нас не очень волнует, действительно ли источник питания 1 А дает 1,1 А или 0,9 А, или он немного меняется в зависимости от напряжения на регуляторе. Мы, очевидно, должны быть очень обеспокоены, если выяснится, что максимальный ток составляет 10 А, но этого просто не произойдет даже с довольно грубым регулятором.

Для чисто аналоговой конструкции LM317 хорошо подходит для задачи регулирования тока, а также идеально подходит для регулирования основного напряжения.Это сокращает общую BOM (спецификацию материалов), поскольку не требуется несколько различных деталей. Конечно, это оба линейных устройства, поэтому эффективность низкая, и для них требуется напряжение питания, превышающее общее напряжение батареи как минимум на 5 вольт, а желательно несколько больше.

В качестве альтернативы использованию двух микросхем LM317 вы можете добавить пару транзисторов и резисторов для создания ограничителя тока. Однако это работает не так хорошо, площадь печатной платы будет больше, чем у версии, показанной здесь, и экономия средств минимальна.В приведенной ниже схеме не предусмотрена возможность «предварительного кондиционирования» или «пробуждения» перед подачей полного тока. Это не важно, если аккумулятор никогда не может разряжаться ниже 3 В, и может даже не понадобиться при минимальном напряжении 2,5 В. Если напряжение разряженного элемента меньше 2,5 В, потребуется предварительный заряд C / 10. Если вы когда-либо заряжаете только по тарифу C / 10, более низкий тариф не требуется.


Рисунок 2 — Цепь заряда постоянным током / постоянным напряжением

Показанная схема ограничивает ток до значения, определяемого R1.При 12 Ом ток составляет 100 мА (достаточно близко — на самом деле 104 мА), который задается сопротивлением и внутренним опорным напряжением 1,25 В. Для 1 А используйте 1,2 Ом (рекомендуется 5 Вт), и значение можно определить для любого необходимого тока вплоть до максимального 1,5 А, который может обеспечить LM317. При более высоком токе стабилизатору потребуется радиатор, особенно на начальном этапе заряда, когда на U1 будет значительное напряжение. Диоды предотвращают обратную полярность батареи к регулятору (U2), если батарея подключена до включения источника постоянного тока.D1 должен быть рассчитан как минимум на удвоенный максимальный ток и в идеале должен быть устройством Шоттки, чтобы минимизировать рассеяние и потери напряжения.

Это просто базовое зарядное устройство, которое может быть разработано в соответствии с требованиями, описанными выше. Однако это далеко не полная система, поскольку на данном этапе отсутствуют система управления и балансировочные схемы. Каждая система будет отличаться, но базовая схема достаточно гибкая, чтобы вместить большинство батарейных блоков из 2-4 ячеек. Зарядку можно остановить, подключив вывод «Adj» U1 к земле с помощью транзистора, как показано на рисунке.Когда зарядка завершена, на конец R3 подается напряжение (5 В в порядке), и ограничитель тока отключается. Имейте в виду, что батарея будет разряжена комбинацией цепей баланса и тока, проходящего через R4, R5 и VR1 (последний составляет около 5,7 мА).


4 — Цепь зарядки одноэлементной ИС

Зарядное устройство на одну ячейку (или батареи с параллельными элементами) концептуально довольно просто. Однако при рассмотрении всех требований становится очевидным, что простого регулятора с ограничением тока, показанного выше, может быть недостаточно.Многие производители ИС имеют готовые зарядные устройства для литиевых элементов на микросхеме, при этом большинству не требуется ничего, кроме программирующего резистора, пары байпасных конденсаторов и дополнительного светодиодного индикатора. Один (из многих), который включает в себя все необходимое, — это Microchip MCP73831, показанный ниже. Большинство крупных производителей ИС производят специализированные ИС, и ассортимент огромен. TI (Texas Instruments) производит ряд устройств, предназначенных для полных приложений BMS, от одноэлементных до батарей на 400 В, используемых для электромобилей.Еще одна простая ИС — LM3622, которая доступна в нескольких версиях, в зависимости от напряжения конечной точки. Также доступна версия для двухэлементной батареи, но в ней отсутствует схема балансировки, что делает ее довольно бессмысленной (IMO).


Рисунок 3 — Зарядное устройство для одной ячейки с использованием микросхемы MCP73831 IC

Доступны четыре напряжения оконечной нагрузки — 4,20 В, 4,35 В, 4,40 В и 4,50 В, поэтому важно выбрать правильную версию для того типа аккумулятора, который вы будете заряжать. Режим постоянного тока управляется R2, ​​который используется для «программирования» ИС.Оставление разомкнутой цепи контакта 5 («PROG») запрещает зарядку. ИС автоматически прекращает зарядку, когда напряжение достигает максимума, установленного ИС, и подает «дополнительный» заряд, когда напряжение элемента падает примерно до 3,95 вольт. Дополнительный светодиодный индикатор может использоваться для индикации заряда или окончания заряда, либо того и другого с помощью трехцветного светодиода или отдельных светодиодов. Выход состояния разомкнут, если ИС отключена (например, из-за перегрева) или если батарея отсутствует. После начала зарядки выходной сигнал состояния становится низким, а после завершения цикла зарядки — высоким.Обратите внимание, что эта ИС доступна только в упаковке SMD, а версии со сквозным отверстием недоступны. То же касается и большинства устройств других производителей.

Показанное зарядное устройство представляет собой линейный регулятор, поэтому при зарядке элемента рассеивается мощность. Если напряжение разряженной ячейки составляет 3 В, ИС будет рассеивать только 300 мВт при токе заряда 100 мА. Если увеличить до максимума, который может обеспечить ИС (500 мА), ИС будет рассеивать 1,5 Вт, а это значит, что она сильно нагреется (в конце концов, это небольшое SMD-устройство).Если напряжение элемента будет меньше 3 В (глубокий разряд из-за аварии или длительного хранения), рассеяние будет таким, что ИС почти наверняка отключится, так как у нее есть внутреннее измерение перегрева. Он будет циклически включаться и выключаться, пока напряжение на ячейке не поднимется достаточно сильно, чтобы уменьшить рассеивание и обеспечить непрерывную работу. Зарядные устройства Switchmode намного эффективнее, но они больше, сложнее и дороже в сборке.

Некоторые контроллеры оснащены датчиком температуры или термистором для контроля температуры ячейки.Такие микросхемы, как LTC4050, будут заряжаться только при температуре от 0 ° C до 50 ° C при использовании с указанным термистором NTC (отрицательный температурный коэффициент). Другие могут быть сконструированы так, чтобы их можно было установить так, чтобы ИС сама контролировала температуру. Они предназначены для установки, когда ИС находится в прямом тепловом контакте с ячейкой. Последовательный транзистор должен быть внешним по отношению к ИС, чтобы его рассеяние не влияло на температуру кристалла ИС.

Резистор программирования тока установлен на 10 кОм на приведенном выше рисунке, и это устанавливает ток заряда примерно на 100 мА.В таблице данных для IC есть график, который показывает зависимость тока заряда от программируемого резистора, и, похоже, нет формулы, которую можно было бы применить. Резистор 2 кОм дает максимальный номинальный ток зарядки 500 мА. Как обсуждалось ранее, медленная зарядка, вероятно, является лучшим вариантом для максимального срока службы элемента, если только элемент не предназначен для быстрой зарядки. К сожалению, на ИС задано максимальное напряжение, и его нельзя уменьшить, чтобы ограничить напряжение чуть более низким значением, которое продлит срок службы элемента.R1 допускает около 2,5 мА для светодиода, поэтому может потребоваться тип с высокой яркостью. При желании сопротивление R1 можно уменьшить до 470 Ом.

Для слаботочной зарядки, вероятно, нет причин не использовать источник питания точный 4,2 В и последовательный резистор. Процесс зарядки будет довольно медленным, но если он ограничен примерно 0,1C или 100 мА (в зависимости от того, что меньше), цикл зарядки займет около 15 часов. Резистор должен быть выбран так, чтобы обеспечить требуемый ток 1,2 В на нем (12 Ом для 100 мА).Существует небольшая вероятность того, что слабый ток вызовет какое-либо повреждение элемента, и хотя это довольно грубый способ зарядки, нет причин, по которым он не должен работать идеально. Я пробовала, и никаких «противопоказаний» нет.


5 — Цепи балансировки аккумулятора

Хотя зарядка одной ячейки (или батареи с параллельными ячейками) довольно проста с использованием правильной (-ых) ИС (-ов), становится труднее, когда есть две или более ячейки, соединенные последовательно, для создания батареи с более высоким напряжением.Поскольку напряжение на каждой ячейке необходимо контролировать и ограничивать, вы получаете довольно сложную схему. Опять же, есть множество вариантов от большинства основных производителей ИС, и во многих случаях требуется специальный микроконтроллер для управления схемами мониторинга отдельных ячеек.

Несомненно, существуют продукты, которые не обеспечивают какой-либо формы балансировки заряда, и именно они с наибольшей вероятностью могут вызвать проблемы при использовании, включая возгорание. Использование литиевых батарей без правильно сбалансированного зарядного устройства вызывает проблемы, и этого не следует делать даже с самыми дешевыми продуктами.Вы можете представить себе, что в пакете из 2 ячеек необходимо контролировать только одну ячейку, а другая будет сама заботиться о себе. Однако это не так. Если ячейка, которая не отслеживается, имеет меньшую емкость, она будет заряжаться быстрее, чем другая ячейка. Оно может достичь опасного напряжения до того, как контролируемая ячейка достигнет своего максимума.

Принцип многоканального мониторинга достаточно прост по своей концепции. Только когда вы понимаете, что к каждой ячейке необходимо применять довольно сложные и точные схемы, это становится пугающим.Поскольку все ячейки находятся под разным напряжением, главному контроллеру требуются схемы сдвига уровня для каждого монитора ячейки. Здесь могут использоваться оптоизоляторы или более «обычные» схемы переключения уровня, но последние обычно не подходят для высоковольтных аккумуляторных блоков.


Рисунок 4 — Упрощенные схемы многоячеечной балансировки

Примечание: Показанные схемы являются концептуальными и предназначены для демонстрации основных принципов. Они не предназначены для конструирования, и микросхемы, показанные на «А», не являются каким-либо конкретным устройством, поскольку «настоящие» используемые ИС часто управляются специальным микроконтроллером.Нет смысла отправлять мне электронное письмо с просьбой указать типы устройств, потому что они не существуют как отдельная ИС. Идея состоит только в том, чтобы показать основы — это не проектная статья, она предназначена в первую очередь для освещения проблем, с которыми вы столкнетесь при работе с ячейками серии LiPo.

Существует два класса схем балансировки ячеек — активные и пассивные (оба показаны пассивными). Пассивные системы сравнительно просты и могут работать очень хорошо, но у них низкая энергоэффективность.Маловероятно, что это будет проблемой для небольших батарей (2-5 ячеек серии), заряжаемых по относительно низким ценам (1С или меньше). Тем не менее, это важно для больших пакетов, используемых в электрических велосипедах или автомобилях, потому что они требуют значительных денег для зарядки, поэтому неэффективность BMS приводит к более высокой стоимости одной зарядки и значительным потерям энергии.

Я не собираюсь даже пытаться показать полную схему для многоячеечной балансировки, потому что большинство из них полагаются на очень специализированные ИС, и конечный результат одинаков независимо от того, кто производит микросхемы.Система, показанная на «A», использует управляющий сигнал для зарядного устройства, чтобы уменьшить его ток, когда первая ячейка в батарее достигает максимального напряжения. Резистор, показанный на рисунке, может пропускать максимальный ток 75 мА при 4,2 В, и зарядное устройство не должно обеспечивать больше этого значения, иначе цепь разряда не сможет предотвратить перезаряд. Каждый резистор будет рассеивать только 315 мВт, но это быстро накапливается для очень большой аккумуляторной батареи, и именно здесь активная балансировка становится важной.

Реализация для устройств разных производителей сильно различается и зависит от принятого подхода.Некоторые из них управляются микропроцессорами и предоставляют информацию о состоянии микроконтроллеру для регулировки скорости заряда, в то время как другие являются автономными и часто в основном аналоговыми. Схема, показанная выше (‘B’), упрощена, но также вполне пригодна для использования, как показано. Три потенциометра по 20 кОм отрегулированы так, чтобы на каждый регулятор подавалось ровно 4,2 В. Когда действует балансировка (в конце заряда), доступный ток от зарядного устройства должен быть меньше 50 мА, иначе шунтирующие регуляторы не смогут ограничить напряжение.У этого типа балансировщика есть важное ограничение — если одна ячейка выйдет из строя (низкое напряжение или закорочено), остальные элементы будут серьезно перезаряжены!

Однако (и это важно), как и во многих других решениях, он не может оставаться подключенным, когда аккумулятор не заряжается. На каждой ячейке имеется постоянный сток около 100 мкА, и, если предположить, что ячейки 1,8 Ач, как и раньше, они будут полностью разряжены примерно через 2 года. Хотя это может показаться не проблемой, если оборудование не используется в течение некоторого времени, вполне возможно, что элементы разрядятся ниже точки невозврата.

Довольно много зарядных устройств, которые я тестировал, находятся в таком же положении. Их нельзя оставлять подключенными к батарее, поэтому необходимы некоторые дополнительные схемы, чтобы гарантировать отключение балансных цепей при отсутствии питания от зарядного устройства. Один продукт, который я разработал для клиента, нуждался во внутреннем балансировочном зарядном устройстве, поэтому была добавлена ​​релейная цепь для отключения балансных цепей, если зарядное устройство не было запитано. См. Раздел 8 для получения более подробной информации об этом подходе.

Для любой системы «активных стабилитронов», как показано выше, жизненно важно, чтобы выходное напряжение зарядного устройства было жестко регулируемым и имело тепловое отслеживание, которое соответствует напряжению эмиттер-база транзисторов (Q1 — Q3).Зарядное устройство могло бы легко продолжать обеспечивать свой максимальный выходной ток, но все это рассеивалось бы в цепях байпаса элемента. Это также делает невозможным определение фактического тока батареи, поэтому он, вероятно, не выключится, когда должен.


6 — Схемы защиты аккумулятора

Защита аккумулятора и / или элемента важна для обеспечения того, чтобы ни один элемент не заряжался сверх безопасных пределов, а также для контроля аккумулятора при разряде, чтобы отключить аккумулятор в случае неисправности (например, чрезмерный ток или температура) и включить выключить аккумулятор, если его напряжение упадет ниже допустимого минимума.В идеале каждая ячейка в батарее должна контролироваться, чтобы каждая ячейка была защищена от глубокого разряда. Для литий-ионных элементов они не должны разряжаться ниже 2,5 В, и даже лучше, если минимальное напряжение элемента будет ограничено до 3 вольт. Потеря емкости в результате более высокого напряжения отсечки невелика, потому что напряжение литиевого элемента падает очень быстро, когда оно достигает предела разряда.

Поскольку эти цепи обычно встроены в аккумуляторную батарею и постоянно подключены, важно, чтобы они потребляли минимально возможный ток.Все, что потребляет более нескольких микроампер, разряжает батарею, особенно если ее емкость относительно мала. Элемент (или аккумулятор) на 500 мА / ч будет полностью разряжен за 500 часов (20 дней), если цепь потребляет 1 мА, но это продлится почти до 3 лет, если потребление тока можно уменьшить до 20 мкА.

Цепи защиты

часто включают в себя обнаружение перегрузки по току, а некоторые могут отключать навсегда (например, с помощью внутреннего предохранителя), если батарея сильно разряжена.Многие используют плавкие предохранители с самовозвратом (например, устройства Polyswitch), или перегрузка обнаруживается электронным способом, и батарея отключается только на время существования неисправности. Существует много подходов, но важно знать, что некоторые внешние события (например, статический разряд) могут вывести цепь (и) из строя. С литиевыми батареями следует обращаться осторожно — всегда.


Рисунок 5 — Схема приложения SII S-8253D

На рисунке выше показана схема защиты 3-элементной литиевой батареи.Он не уравновешивает ячейки, но обнаруживает, превышает ли какая-либо ячейка в пакете пороговое значение «перезарядки», и прекращает зарядку. Он также остановит разряд, если напряжение на любой ячейке упадет ниже минимального. Переключение контролируется внешними полевыми МОП-транзисторами, и зарядное устройство должно быть настроено на правильное напряжение (12,6 В для показанной трехэлементной схемы с учетом литий-ионных элементов).

Эти микросхемы (и другие от различных производителей) довольно распространены в азиатских платах BMS. Таблицы данных обычно не очень дружелюбны, и в некоторых случаях предоставляется огромное количество информации, но мало в виде схем приложений.Это кажется обычным для многих из этих микросхем других производителей — предполагается, что пользователь хорошо знаком со схемами балансировки батарей, что не всегда так. Показанный S-8253 имеет типичный ток потребления 14 мкА во время работы, и его можно уменьшить почти до нуля, если использовать CTL (управляющий) вход для отключения ИС, когда батарея не используется или не заряжается. Полевые МОП-транзисторы отключат вход / выход, если элемент заряжен или разряжен сверх пределов, определенных IC.


7 — Мониторинг состояния заряда (SOC)

Аккумуляторные датчики уровня топлива часто являются не более чем уловкой, но новые методы сделали науку несколько менее произвольной, чем это было раньше. Самый простой (и наименее полезный) — контролировать напряжение батареи, потому что литиевые батареи имеют довольно пологую кривую разряда. Это означает, что необходимо обнаруживать очень небольшие изменения напряжения, а напряжение является очень ненадежным индикатором состояния заряда. Контроль напряжения может быть приемлемым для легких нагрузок в ограниченном диапазоне температур.Он отслеживает саморазряд, но общая точность оставляет желать лучшего.

Так называемый «кулоновский счет» измеряет и регистрирует заряд, идущий в батарею , и энергию, потребляемую от батареи , и вычисляет вероятное состояние заряда в любой момент времени. Он не дает точных данных об аккумуляторе, который из-за возраста изнашивается, и не может учитывать саморазряд, кроме как путем моделирования. Системы счета кулонов должны быть инициализированы циклом «обучения», состоящим из полной зарядки и разрядки.Изменения, вызванные температурой, не могут быть надежно определены.

Анализ импеданса — еще один метод, который потенциально является наиболее точным (по крайней мере, согласно Texas Instruments, производящей ИС, выполняющие анализ). Контролируя импеданс элемента (или батареи), можно определить степень заряда независимо от возраста, саморазряда или текущей температуры. TI называет свой метод анализа импеданса «Impedance Track ™» (сокращенно IT) и делает несколько довольно смелых заявлений о его точности.Я не могу комментировать так или иначе, потому что у меня нет батареи, использующей его, и у меня нет средств для запуска тестов, но это кажется многообещающим из информации, которую я видел до сих пор.

Эта статья посвящена надлежащему контролю заряда и разряда, а не контролю состояния заряда. Последнее удобно для конечного пользователя, но не является важной частью процесса зарядки или разрядки. Я не планирую предоставлять дополнительную информацию о «датчиках уровня топлива» в целом, независимо от технологии.


8 — Проекты с батарейным питанием

Ячейка 18650 (диаметр 18 мм и длина 65 мм) стала очень популярной для многих портативных устройств, и теперь они легко доступны по довольно разумным ценам.Конечно, не все они равны, и многие онлайн-продавцы выдвигают довольно диковинные заявления о емкости. Подлинные элементы 18650 имеют типичную емкость от 1500 мА / ч (миллиампер-час) до 3500 мА / ч, но подделки часто сильно преувеличивают оценки. Я видел, как они рекламировались как имеющие мощность до 6000 мА / ч, что просто невозможно. Максимальное значение, которое я видел, составляет 9 900 мА / ч, и это даже на больше, чем на невозможно, но, похоже, никого не волнует, что покупателей вводят в заблуждение.

Ячейка 18650 является опорой для многих аккумуляторных блоков ноутбуков, при этом 6-элементная батарея является довольно распространенной.Они могут быть подключены последовательно / параллельно для обеспечения удвоенной емкости (в мА / ч) при 11,1 вольт. Батарейный отсек содержит схемы балансировки и защиты, и элементы не подлежат замене. Это (ИМО) позор, потому что всегда будет дешевле заменить элементы, а не весь герметичный аккумулятор. Тем не менее, элементы в этих пакетах, как правило, относятся к типу «с выступами», с металлическими выступами, приваренными к элементам, поэтому они не зависят от физического контакта для электрического соединения.Это означает, что сделать их «заменяемыми пользователем» невозможно.

Одним из преимуществ использования отдельных ячеек является то, что многих проблем, поднятых в этой статье, можно избежать, по крайней мере, до некоторой степени. Будучи отдельными элементами, они обычно используются в пластиковом «батарейном блоке», обычно соединенном последовательно. Набор из четырех может обеспечить номинальное напряжение ± 7,4 В (каждая ячейка — 3,7 В), и этого достаточно для работы многих схем операционных усилителей, включая микрофонные предусилители, испытательное оборудование и многие другие.Зарядка проста — извлеките элементы из аккумуляторной батареи и заряжайте их параллельно с помощью специального зарядного устройства Li-Ion. При условии, что зарядное устройство использует правильное напряжение на клеммах (не более 4,2 В, предпочтительно немного меньше) и ограничивает пиковый зарядный ток в соответствии с используемыми элементами, зарядка безопасна и балансировка не требуется.

Как и во всем, есть предостережения. Схема, на которую подается питание, требует дополнительных схем для отключения аккумуляторной батареи при достижении минимального напряжения.Обычно это 2,5 В на элемент, поэтому автомат должен достаточно точно определять это и отключать аккумулятор, когда напряжение достигает минимума. Однако, если вы используете «защищенные» элементы, у них есть небольшая печатная плата внутри корпуса элемента, которая отключит питание, если элемент закорочен, он (обычно) предотвращает перезарядку и (обычно) имеет выключатель пониженного напряжения.

Но есть загвоздка! Хотя они по-прежнему используют то же обозначение размера (18650), многие защищенные ячейки немного длиннее. Некоторые из них могут быть длиной до 70 мм и не помещаются в аккумуляторные отсеки, предназначенные для «настоящих» ячеек 18650.Другие имеют правильную длину, но имеют меньшую емкость, потому что сама ячейка немного меньше, поэтому схема защиты подойдет. Эти ячейки также различаются положительным концом окончания — некоторые используют «кнопку» (почти такую ​​же, как у большинства щелочных ячеек), в то время как другие имеют плоскую вершину. Часто они не взаимозаменяемы.

Чтобы запутать ситуацию, есть также литиевые элементы размера AA (диаметр 14500 — 14 мм × длина 50 мм). Поскольку это элементы 3,7 В, это , а не элементов AA, даже если они одинакового размера.Вы также можете купить «фиктивные» элементы AA, которые представляют собой не что иное, как оболочку размера AA (с оберткой, как у «настоящих» элементов), которая обеспечивает короткое замыкание. Они используются вместе с литий-ионными элементами в устройствах, предназначенных для использования двух или четырех элементов. Используются один или два Li-Ion и один или два фиктивных элемента, и большинство устройств вполне довольны результатом. Моя «рабочая лошадка» цифровая камера оснащена парой литий-ионных элементов размера AA и парой манекенов, и обычно ее нужно заряжать только каждые несколько недель (или даже до пары месяцев, если она мало используется).Нет абсолютно никакого сравнения между литий-ионными элементами и NiMh-элементами, которые я использовал ранее.


Существует несколько способов безопасного использования более «традиционных» литий-ионных аккумуляторов. В проекте, над которым я работал некоторое время назад, использовался литий-ионный аккумулятор 3S (три последовательных элемента) с номинальным напряжением 11,1 В. Он был установлен в корпусе вместе с электроникой, поэтому извлекать его для зарядки было нецелесообразно. Вместе с аккумулятором было установлено небольшое балансировочное зарядное устройство, уравновешивающие клеммы которого подключены через реле.Это было необходимо, потому что в противном случае балансировочные цепи разрядили бы аккумулятор. Стоимость зарядного устройства была такой, что было бы неразумно пытаться построить его за те же деньги. Даже получить необходимые детали может быть непросто!

При добавлении реле и балансировочного зарядного устройства в систему необходимо было только подключить внешний источник питания (12 В) к стандартной розетке постоянного тока на задней панели, и это активировало бы реле и зарядило аккумулятор. Реле отключились, как только отключился внешний источник напряжения.Это сделало потенциально утомительную задачу (подключение зарядного устройства и балансировочного разъема) к тому, с чем «средний» пользователь мог бы легко справиться. Те, кто использует устройство, обычно (решительно) нетехнически, и ожидать, что они возятся с неудобными разъемами, было не вариант. Фотография используемого мною аранжировки показана ниже. Обычно используемый аккумулятор был рассчитан на 1500 мА / ч и мог поддерживать непрерывную работу системы регистрации данных в течение 24 часов. Зарядное устройство можно было подключить или вынуть во время работы системы.


Рисунок 6 — Система зарядки литий-ионных аккумуляторов 3S

Балансировочное зарядное устройство разработано специально для аккумуляторов 2S и 3S и стоит менее 10 долларов США у онлайн-поставщика различных аккумуляторов для хобби, зарядных устройств и т.д. питание отключено. Без используемой схемы отключения реле балансные цепи разрядили бы аккумулятор за пару дней. Схема, питаемая от показанной системы, имела встроенный детектор напряжения, который был разработан, чтобы выключить все, когда общее напряжение питания упало примерно до 8 вольт.Плавкий предохранитель (½A) был включен в линию с выходом постоянного тока в качестве окончательной системы защиты, чтобы избежать катастрофического отказа силовой схемы.

На фото вы видите плату зарядного устройства баланса, установленную над платой реле и разъема. Светодиоды были выдвинуты так, чтобы они выглядывали через заднюю панель, а входной разъем постоянного тока находится в крайнем левом углу. Сильноточные выводы от батареи в этом приложении не используются, потому что потребляемый ток намного ниже максимальной скорости разряда.Два реле видны справа, и только три балансных клеммы отключены, когда внешний источник постоянного тока отсутствует. Балансировочное зарядное устройство выглядит очень скудным, но у него есть несколько SMD-микросхем и других деталей на нижней стороне платы.


Рисунок 7 — Схема системы зарядки литий-ионных аккумуляторов 3S

На принципиальной схеме показано, как подключена система. Это легко сделать любому, кто думает об использовании подобного устройства, и небольшой кусок Veroboard легко соединяется с реле и диодами.Диод показан параллельно катушкам реле, и это необходимо для того, чтобы обратная ЭДС не повредила цепь зарядного устройства при отключении входа 12 В. D1 должен выдерживать полный входной ток зарядного устройства, который в данном примере составляет менее 1 А. Вся сложность в зарядном устройстве баланса — все остальное максимально просто. D1 предотвращает обратную передачу напряжения батареи от зарядного устройства, поэтому реле будут активированы только при наличии внешнего источника питания.Предохранитель следует выбирать в соответствии с нагрузкой. Эта схема подходит только для слаботочных нагрузок, поскольку в ней не используются сильноточные выводы батареи.

Это только одно из многих возможных приложений, и, как описано выше, иногда проще использовать стандартное зарядное устройство, чем собрать его с нуля. С другими приложениями у вас может не быть выбора, потому что «лучшие» зарядные устройства могут стать довольно дорогими и могут оказаться непригодными для повторного использования указанным способом. Для единичных или небольших производственных циклов использование того, что вы можете получить, обычно более рентабельно, но это меняется, если должно быть изготовлено большое количество единиц.


Выводы

Литиевые элементы и батареи — это современный «современный уровень техники» в технологиях хранения. За прошедшие годы усовершенствования сделали их намного безопаснее, чем ранние версии, и справедливо сказать, что разработка ИС является одним из основных достижений, поскольку существует ИС (или семейство ИС), предназначенное для мониторинга и контроля процесса зарядки и ограничения напряжения, приложенные к каждой ячейке в батарее. Этот процесс снизил риск повреждения (и / или возгорания), вызванного перезарядкой, и продлил срок службы литиевых батарей.

На самом деле ни один состав батареи не может считаться на 100% безопасным. Ni-Mh и Ni-Cd (никель-металл-гидридные и никель-кадмиевые) элементы не будут гореть, но они могут вызвать сильный ток при коротком замыкании, что вполне способно вызвать возгорание изоляции на проводах, воспламенение печатных плат и т. Д. токсичен, поэтому утилизация регулируется. Свинцово-кислотные батареи могут (и взрываются) взорваться, заливая все вокруг серной кислотой. Они также способны создавать большой выходной ток и выделять взрывоопасную смесь водорода и кислорода при перезарядке.Когда вам нужна высокая плотность энергии, альтернативы литию нет, и при правильном обращении риск на самом деле очень низок. Хорошо сделанные элементы и батареи будут иметь все необходимые гарантии от катастрофического отказа.

Это не означает, что литиевые батареи всегда будут безопасными, что было доказано многочисленными сбоями и отзывами по всему миру. Однако следует учитывать огромное количество используемых литиевых элементов и батарей. Каждый современный мобильный телефон, ноутбук и планшет использует их, и они распространены во многих моделях товаров для хобби и большинстве новых фотоаппаратов — и это лишь небольшой образец.В модельных самолетах используются литиевые батареи, потому что они имеют такую ​​хорошую плотность энергии и малый вес, а многие из последних модных моделей (например, дронов / квадрокоптеров) были бы непригодны для использования без литиевых батарей. Попробуйте оторвать его от земли со свинцово-кислотным аккумулятором на борту!

Обычно рекомендуется избегать дешевых азиатских безымянных литиевых элементов и батарей. Хотя некоторые могут быть совершенно нормальными, у вас нет реального возмещения, если кто-то сожжет ваш дом дотла.Мало надежды на то, что жалоба на веб-сайт онлайн-аукциона приведет к финансовому урегулированию, хотя это в равной степени может относиться к товарам известных брендов, купленным в обычных магазинах. Поскольку в большинстве инструкций (часто непрочитанных и регулярно игнорируемых) говорится, что литиевые батареи нельзя заряжать без присмотра, это трудный аргумент. Однако, если учесть количество используемых литиевых батарей, отказы на самом деле случаются очень редко. К сожалению, когда происходит сбой , происходит сбой , результаты могут быть катастрофическими.Вероятно, не помогает то, что в средствах массовой информации поднимается большой шум каждый раз, когда выясняется, что литиевая батарея имеет потенциальную неисправность — очевидно, это достойно новостей.

Одно можно сказать наверняка — эти батареи должны быть заряжены должным образом, с соблюдением всех необходимых мер предосторожности против перенапряжения (полная балансировка элементов). Убедитесь, что батареи никогда не заряжаются, если температура равна или ниже 0 ° C, а также если она превышает 35-40 ° C. Литий становится нестабильным при 150 ° C, поэтому необходим тщательный контроль температуры элементов, если вы должны заряжать при высоких температурах, и в идеале он должен быть частью зарядного устройства.Избегайте использования литиевых элементов и батарей там, где их корпус может быть поврежден или они могут подвергаться воздействию высоких температур (например, прямого солнечного света), так как это повышает внутреннюю температуру и резко снижает надежность, безопасность и срок службы батареи.

Как должно быть очевидно, один литиевый элемент довольно легко зарядить. Вы можете использовать специальную ИС, но даже гораздо более простая комбинация регулятора 4,2 В и последовательного резистора подойдет для базового (медленного) зарядного устройства. Зарядные устройства с одной ячейкой (или несколькими параллельными ячейками) можно приобрести довольно дешево, а те, которые я использовал, работают хорошо и представляют очень небольшой риск.Даже в этом случае я никогда не выйду из дома, пока заряжается литиевая батарея или элемент. Лично я никогда не сталкивался с . не имел проблем с литий-ионными батареями или элементами, и я использую довольно много из них для различных целей. Это помимо самых распространенных — телефонов, планшетов и ноутбуков. Литий-ионная химия оказалась гораздо более надежным вариантом по сравнению с Ni-Mh (металлогидридом никеля), где мне недавно пришлось утилизировать (как в переработчике, а не в цикле самих элементов) более половины из тех, что у меня были!

Когда вам нужно много энергии в небольшом, легком корпусе с возможностью перезарядки до 500-1000 раз, нет лучшего материала, чем литий.Если к ним относятся с уважением и не злоупотребляют, вы обычно можете рассчитывать на долгие и счастливые отношения со своими элементами и батареями. Они не идеальны, но они определенно превосходят большинство других химикатов с большим отрывом. О LiFePO 4 (широко известных как просто LFP, LiFePO или LiFe) можно много сказать, потому что они используют более стабильный химический состав и с меньшей вероятностью сделают что-нибудь «неприятное». Однако до тех пор, пока ими не злоупотребляют, литий-ионные элементы и батареи могут прожить безопасную, долгую и счастливую жизнь.

Схему отключения аккумулятора, которая полностью отключает аккумулятор при падении напряжения до заданного предела, см. В проекте 184. Это было разработано специально для предотвращения чрезмерной чрезмерной разрядки, если оборудование с аккумуляторным питанием случайно останется включенным после использования.


Список литературы
  1. Литий — Википедия
  2. Почему литиевые батареи воспламеняются
  3. Зарядка литий-ионных батарей
  4. Расчет литиевых батарей (FedEx)
  5. ИБП
  6. расширяет зоны обслуживания опасных грузов — вам необходимо выполнить поиск по сайту
  7. SII S8253 Лист данных (Seiko)
  8. Вопросы безопасности литий-ионных аккумуляторов


Основной индекс Указатель статей
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2016. Воспроизведение или повторная публикация любыми способами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Страница создана и авторские права © ноябрь 2016 г., опубликовано в феврале 2017 г. / Обновлено в сентябре 2018 г. — только небольшие изменения. / Октябрь 2018 г. — добавлен раздел 8.


Схема зарядного устройства литий-ионной батареи с использованием MCP73831


Цепь зарядного устройства литий-ионной батареи

Этот пост посвящен испытанной схеме зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов, которое можно использовать для зарядки любых литий-ионных аккумуляторов 3,7 В, 500 мА, используя источник питания 5 В постоянного тока (USB, солнечная панель, адаптер постоянного тока).Схема выполнена на микросхеме MCP73831 / 2 IC. MCP73831 — это высокотехнологичный контроллер линейного управления зарядом, предназначенный для использования в ограниченных по объему и экономичных приложениях. В этой ИС используется алгоритм заряда при постоянном токе / постоянном напряжении с возможностью выбора предварительной подготовки и прекращения зарядки.

Итак, давайте узнаем об ИС MCP73831, а также об ее особенностях и способах реализации. Его также называют миниатюрными одноячеечными, полностью интегрированными литий-ионными литий-полимерными контроллерами управления зарядкой.


Характеристики MCP73831

Давайте обсудим особенности зарядного устройства MCP73831 Li-Ion / Li-Po 4,2 В, 500 мА. Его особенности следующие:

  1. Контроллер линейного управления зарядкой:

— Встроенный проходной транзистор
— Встроенный датчик тока
— Защита от обратного разряда
02. Регулировка предустановленного напряжения с высокой точностью: + 0,75%
03. Четыре варианта регулирования напряжения: 4,20 В, 4,35 В, 4,40 В, 4,50 В
04.Программируемый ток заряда: от 15 мА до 500 мА
05. Алгоритм заряда при постоянном токе и постоянном напряжении с выбираемым окончанием зарядки с предварительным условием.
06. Выбираемый контроль окончания заряда: 5%, 7,5%, 10% или 20%
07. Значение постоянного тока можно установить с помощью 1 внешнего резистора.
08. Автоматическое отключение питания: ограничивает ток заряда в зависимости от температуры кристалла при высокой мощности и высоких условиях окружающей среды.
09. Температурное регулирование: оптимизирует время цикла зарядки, поддерживая надежность устройства.
10.Диапазон температур: от -40 ° C до + 85 ° C
11. Упаковка:
— 8 выводов, 2 мм x 3 мм DFN
— 5 выводов, SOT-23


Приложения MCP73831

MCP73831 находит широкое применение в небольших портативных устройствах благодаря своим миниатюрным размерам и лучшим возможностям управления батареями. Вот некоторые из устройств, где он широко используется:

  1. Зарядные устройства для литий-ионных / литий-полимерных аккумуляторов
  2. Помощники по персональным данным
  3. Сотовые телефоны
  4. Цифровые фотоаппараты
  5. MP3-плееры
  6. Гарнитуры Bluetooth
  7. Зарядные устройства USB

Контакты Описание MCP73831

1.Выход состояния заряда (STAT)
STAT выводится для подключения к светодиоду для индикации состояния заряда. В качестве альтернативы можно использовать подтягивающий резистор для взаимодействия с главным микроконтроллером. STAT — это логический выход с тремя состояниями на MCP73831 и выход с открытым стоком на MCP73832.

2. Опорное напряжение 0 В управления батареями (VSS)
Подключите к отрицательной клемме батареи и входного питания.

3. Выход управления зарядом аккумулятора (VBAT)
Подключите к положительной клемме аккумулятора.Вывод стока внутреннего P-канального полевого МОП-транзистора. Обход к VSS с минимальным значением 4,7 мкФ для обеспечения стабильности контура при отключении батареи.

4. Входной источник питания для управления батареями (VDD)
Рекомендуется напряжение питания [VREG (типовое) + 0,3 В] до 6 В. Обход к VSS с минимальным значением 4,7 мкФ.

5. Набор регулирования тока (PROG)
Токи предварительной подготовки, быстрой зарядки и нагрузки масштабируются путем размещения резистора от PROG до VSS.Контроллер управления зарядкой можно отключить, разрешив входу PROG «плавать».


Проектирование схемы зарядного устройства литий-ионной батареи 3,7 В, 500 мА

Это самое крошечное зарядное устройство Li-ion / Li-po, поэтому вы можете держать его под рукой в ​​любой коробке для проекта. Он также прост в использовании. Просто подключите входной контакт к любому USB-порту или любому источнику постоянного тока 5 В, а литий-полимерную или литий-ионную аккумуляторную батарею 3,7 В / 4,2 В — к выходному разъему на другом конце.

Литий-ионные аккумуляторы

необходимо заряжать в соответствии с тщательно контролируемой схемой постоянного тока / постоянного напряжения (CV-CC), которая является уникальной для химии этих элементов. Перезарядка и неосторожное обращение с литий-ионным элементом может привести к необратимому повреждению или нестабильности и потенциальной опасности!

Зарядка выполняется в три этапа: сначала предварительная зарядка, затем быстрая зарядка постоянным током и, наконец, постоянная зарядка постоянного напряжения для поддержания заряда аккумулятора. По умолчанию ток заряда составляет 100 мА, поэтому он будет работать с аккумулятором любого размера и USB-портом.Если вы хотите, вы можете легко переключить его на режим 500 мА, припаяв перемычку на задней панели, когда вы будете заряжать только аккумуляторы емкостью 500 мАч или больше.


Разработка и заказ печатных плат через Интернет

Если вы не хотите собирать схему на макетной плате и вам нужна плата PCB для проекта, то вот вам печатная плата.

Сначала я разработал схему с помощью EasyEDA. Затем я преобразовал схему в печатную плату.Печатная плата для зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов выглядит примерно так, как показано ниже.

Файл Gerber для печатной платы приведен ниже. Вы можете просто загрузить файл Gerber и заказать печатную плату по адресу https://www.nextpcb.com/

Загрузить файл Gerber: MCP73831 LiPo Battery Charger PCB

Теперь вы можете посетить официальный сайт NextPCB, щелкнув здесь: https://www.nextpcb.com/ . Вы будете перенаправлены на сайт NextPCB .

Теперь вы можете загрузить файл Gerber на веб-сайт и разместить заказ. Качество печатной платы превосходное и высокое. Вот почему большинство людей доверяют NextPCB для PCB и PCBA Services .

Вы можете собрать компоненты на печатной плате.

(PDF) Автоматическая схема зарядки с управляемой обратной связью для литий-ионной батареи

Международный журнал передовых технологий и инженерных исследований, Том 3 (25)

ISSN (Печать): 2394-5443 ISSN (Онлайн): 2394-7454

http : // dx.doi.org/10.19101/2015.16.17.7435

Автоматизированная схема зарядки с контролируемой обратной связью для литий-ионной батареи

Дхирендра Сингх2, Шивам Хандельвал2 и Парах Сарда2 *

Доцент, Институт технологий и науки Бирла1

Студентка института Бирла, студентка Бирла Технологии и наука2

© 2016 ACCENTS

1.Введение

Статья посвящена автоматизации процесса контроля

цикла определения характеристики литий-ионного аккумулятора

и разработке автоматического зарядного устройства

на основе обратной связи от аккумулятора.Спрос на литий-ионные батареи

на потребительском рынке

постоянно растет, поскольку литий-ионные батареи могут хранить больше энергии на

, чем никель-кадмиевые батареи с такими же размерами и массой

. Благодаря небольшому размеру, малому весу

и перезаряжаемым характеристикам, литий-ионный аккумулятор

хорошо подходит для портативных электронных устройств. Кроме того,

, в отличие от многих других типов аккумуляторных батарей, литий-ионные батареи

не нуждаются в заправке.Первый

заряд литий-ионного аккумулятора ничем не отличается от 10-го

или сотого заряда. Литий-ионные аккумуляторы могут быть —

и должны часто заряжаться. Аккумулятор работает дольше

при частичном, а не полном разряде. Следует избегать полных разрядов

из-за износа. Батарея

теряет емкость из-за старения, независимо от того, использовалась она или нет. Статья начинается с теоретического обзора идеального профиля зарядки литий-ионного аккумулятора

в разделе 2,

, за которым следует раздел 3, в котором предлагается модель для автоматизированной схемы

, которая будет использоваться для повышения эффективности

, быстрое зарядное устройство на основе обратной связи по напряжению от

клемм аккумулятора.

* Автор для переписки

В разделе 4 освещается разработанная модель

MATLAB / Simulink и результаты, полученные

путем итеративного моделирования модели с различными

комбинациями постоянного тока и постоянных

значений напряжения, а также сравнение результатов Полученные на

определяют наиболее подходящие значения для зарядки.

2. Идеальная зарядка литий-ионного аккумулятора

профиль

Литий-ионный аккумулятор, в отличие от любых других типов аккумуляторов

, требует специального входа для зарядки для эффективной зарядки

.Зарядка литий-ионного аккумулятора

осуществляется в три фазы: фаза постоянного тока, за которой следует фаза постоянного напряжения

, а затем дополнительная фаза дозаправки

. Метод зарядки CV

прост в управлении и безопасен, но для зарядки требуется больше времени

. Метод зарядки CC в основном заряжает аккумулятор

постоянным током. Преимущество заключается в уменьшении времени зарядки на

при использовании большего тока зарядки

.Тем не менее, непрерывная зарядка батареи

большим током без соблюдения максимального предела заряда

может привести к перезарядке

и вызвать неожиданное повреждение батареи.

Выбор более низкого порога напряжения или полное исключение

заряда насыщения продлевает срок службы батареи

, но при этом сокращается время работы. Теоретическое исследование трех фаз

указано ниже:

Фаза постоянного тока: применяется постоянный ток,

, как правило, ближе к 1С, чтобы аккумулятор

достиг уровня заряда 70-80% путем изменения

приложенное напряжение [1].

1

xxxxxxx

Реферат

Количество мобильных телефонов в Индии, стране с населением около 1,252 миллиарда, составляет около одного миллиарда, а

постепенно растет из-за роста экономики и появления дешевых мобильных телефонов каждый день. В таких ситуациях важность

разработки эффективных систем зарядки становится экспоненциально высокой. В этой статье предпринята попытка предложить модель для эффективной автоматизированной системы зарядки аккумулятора, управляемой микроконтроллером

,

, которая принимает обратную связь от устройства,

определяет состояние заряда (SOC) аккумулятора, а затем алгоритмически определяет фазу зарядки. в котором зарядное устройство

должно заряжать ионно-литиевый аккумулятор.Предлагаемая модель разработана в MATLAB / Simulink, и выполняется итерационная процедура

для определения ближайших значений напряжения для наиболее эффективной зарядки. Как только эти характеристики аккумуляторов будут обнаружены

, собранная статистика будет использована для моделирования схемы быстрой зарядки аккумулятора с использованием разработанного алгоритма

.

Ключевые слова

аккумулятор; зарядка; Обратная связь; автоматизация; дизайнерское предложение; симуляция; MALTAB / Simulink

Схема зарядного устройства литий-ионной батареи

Литиевые батареи — это гибкий способ накопления большого количества энергии.У них одна из самых высоких удельной энергии и удельной энергии (360-900 кДж / кг) по сравнению с другими аккумуляторными батареями

.

В этом руководстве мы демонстрируем схему зарядного устройства литий-ионной батареи. Литий-ионные батареи обычно требуют расчета заряда постоянного тока и постоянного напряжения (CCCV). Литий-ионный аккумулятор следует заряжать заданным уровнем тока (регулируемым от 1 до 1,5 ампер), пока он не достигнет своего пикового напряжения. Теперь зарядное устройство должно переключиться в режим постоянного напряжения и дать ток, чтобы удерживать аккумулятор при напряжении (обычно 4.2 В на ячейку). Таким образом, зарядное устройство должно обеспечивать стабильные контуры управления для поддержания постоянного значения тока или напряжения в зависимости от состояния батареи.

Оборудование Компоненты [inaritcle_1]

Принципиальная схема

Работа цепи

Схема работает довольно просто. В этой схеме зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов используется микросхема контроллера LP2931. Диод работает как блокиратор / блокиратор тока, чтобы предотвратить обратный ток в ИС, когда на входе ИС нет напряжения.Напряжение текучести можно регулировать с помощью потенциометра 50k в диапазоне от 4,08 до 4,26 В. Схема выдает зарядный ток 100 мА. Зарядный ток составляет 100 мА, поэтому для зарядки литий-ионного аккумулятора потребуются некоторые инвестиции, поэтому схему можно использовать в качестве зарядного устройства на ночь.

Приложения и способы использования
  • Основное применение этой схемы — зарядка литий-ионных аккумуляторов.
  • Недостаток в том, что они, как и конденсаторы или разные типы аккумуляторов, не могут заряжаться от обычного источника питания.Они должны быть запитаны до определенного напряжения с ограниченным током. В противном случае они превращаются в потенциально воспламеняющиеся бомбы. Хранение такого огромного количества энергии в небольшом и обычно плотном упаковочном устройстве может быть чрезвычайно рискованным.

Конструкция схемы зарядки и защиты литий-ионного аккумулятора

С повсеместным применением портативных устройств все больше и больше электронных продуктов наводняют улицы, и литий-ионный аккумулятор стал центром технологий.Большинство портативных устройств питаются от литий-ионных аккумуляторов, и безопасность литий-ионных аккумуляторов стала в центре внимания. Вот краткое изложение того, как разработать схему зарядки литий-ионного аккумулятора и схему защиты.

Литий-ионная батарея ‘база
Литий-ионная батарея является перезаряжаемой , и большинство литий-ионных аккумуляторов имеют полный заряд 4,2 В и другие напряжения. Емкость литий-ионного аккумулятора составляет xxx мАч, например, , 1000 мАч, , 1000 мА. Ток питания можно использовать в течение 1 часа.Блок питания на 500 мА длится 2 часа и так далее.

Срок службы и режим зарядки литий-ионных батарей
Это предел количества раз, когда аккумулятор полностью заполняется выбросами.
Режим зарядки: быстрая зарядка, медленная зарядка, капельная зарядка, зарядка постоянным током и т. Д.
Проблемы, которые следует отметить в схемотехнике литий-ионного аккумулятора:
Перезаряд и чрезмерная разрядка литий-ионных аккумуляторов повлияют на срок их службы.
Обратите внимание на напряжение и ток зарядки литий-ионных аккумуляторов.Затем выберите соответствующий зарядный чип.
Обратите внимание на предотвращение перезаряда литий-ионного аккумулятора, переразряда, защиты от короткого замыкания и других проблем.

Обратите внимание на напряжение и ток зарядки литий-ионных аккумуляторов. Затем выберите соответствующий зарядный чип.
Обратите внимание на предотвращение перезаряда литий-ионного аккумулятора, переразряда, защиты от короткого замыкания и других проблем.
После дизайн проходит множество испытаний.
Схема зарядки литий-ионного аккумулятора
В качестве примера была выбрана микросхема Tp4056.Максимальный зарядный ток можно регулировать в зависимости от сопротивления. Вы можете разработать световой индикатор зарядки. Вы можете настроить температуру зарядки для зарядки аккумулятора.

Схема защиты зарядки, выберите комбинацию микросхемы DW01 и GTT8205, может обеспечить защиту от короткого замыкания, перезарядки и защиты от перегрузки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.