Воспользуйтесь поиском по сайту:

 
Главная > Схемы и чертежи > Модули защиты и контроллеры заряд/разряд для Li-ion аккумуляторов
 

Модули защиты и контроллеры заряд/разряд для Li-ion аккумуляторов

Для начала нужно определиться с терминологией.

Как таковых контроллеров разряда-заряда не существует. Это нонсенс. Нет никакого смысла управлять разрядом. Ток разряда зависит от нагрузки - сколько ей надо, столько она и возьмет. Единственное, что нужно делать при разряде - это следить за напряжением на аккумуляторе, чтобы не допустить его переразряда. Для этого применяют защиту от глубокого разряда.

При этом, отдельно контроллеры заряда не только существуют, но и совершенно необходимы для осуществления процесса зарядки li-ion аккумуляторов. Именно они задают нужный ток, определяют момент окончания заряда, следят за температурой и т.п. Контроллер заряда является неотъемлемой частью любого зарядного устройства для литиевого аккумулятора.

Исходя из своего опыта могу сказать, что под контроллером заряда/разряда на самом деле понимают схему защиты аккумулятора от слишком глубокого разряда и, наоборот, перезаряда.

Другими словами, когда говорят о контроллере заряда/разряда, речь идет о встроенной почти во все литий-ионные аккумуляторы защите (PCB- или PCM-модулях). Вот она:Плата защиты li-ion со сборкой полевых транзисторов 8205А

И вот тоже они:Защита для лития 18650

Очевидно, что платы защиты представлены в различных форм-факторах и собраны с применением различных электронных компонентов. В этой статье мы как раз и рассмотрим варианты схем защиты Li-ion аккумуляторов (или, если хотите, контроллеров разряда/заряда).

Контроллеры заряда-разряда

Раз уж это название так хорошо укрепилось в обществе, мы тоже будем его использовать. Начнем, пожалуй, с наиболее распространенного варианта на микросхеме DW01 (Plus).

DW01-Plus

Такая защитная плата для аккумуляторов li-ion встречается в каждом втором аккумуляторе от мобильника. Чтобы до нее добраться, достаточно просто оторвать самоклейку с надписями, которой обклеен аккумулятор.

Схема модуля защиты литиевого аккумулятора на DW01

Сама микросхема DW01 - шестиногая, а два полевых транзистора конструктивно выполнены в одном корпусе в виде 8-ногой сборки.

Вывод 1 и 3 - это управление ключами защиты от разряда (FET1) и перезаряда (FET2) соответственно. Пороговые напряжения: 2.4 и 4.25 Вольта. Вывод 2 - датчик, измеряющий падение напряжения на полевых транзисторах, благодаря чему реализована защита от перегрузки по току. Переходное сопротивление транзисторов выступает в роли измерительного шунта, поэтому порог срабатывания имеет очень большой разброс от изделия к изделию.

Паразитные диоды, встроенные в полевики, позволяют осуществлять заряд аккумулятора, даже если сработала защита от глубокого разряда. И, наоборот, через них идет ток разряда, даже в случае закрытого при перезаряде транзистора FET2.

Вся схема выглядит примерно вот так:Сборка полевичков 8205

Правая микросхема с маркировкой 8205А - это и есть полевые транзисторы, выполняющие в схеме роль ключей.

S-8241 Series

Фирма SEIKO разработала специализированные микросхемы для защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов от переразряда/перезаряда. Для защиты одной банки применяются интегральные схемы серии S-8241.SEIKO S-8241 Series (защита Li-ion)

Ключи защиты от переразряда и перезаряда срабатывают соответственно при 2.3В и 4.35В. Защита по току включается при падении напряжения на FET1-FET2 равном 200 мВ.

AAT8660 Series

Решение от Advanced Analog Technology - AAT8660 Series.Схема на ААТ8660 для защиты литиевого аккумулятора

Пороговые напряжения составляют 2.5 и 4.32 Вольта. Потребление в заблокированном состоянии не превышает 100 нА. Микросхема выпускается в корпусе SOT26 (3х2 мм, 6 выводов).

FS326 Series

Очередная микросхема, используемая в платах защиты одной банки литий-ионного и полимерного аккумулятора - FS326.FS326 Series для защиты полимерных аккумуляторов

В зависимости от буквенного индекса напряжение включения защиты от переразряда составляет от 2.3 до 2.5 Вольт. А верхнее пороговое напряжение, соответственно, - от 4.3 до 4.35В. Подробности смотрите в даташите.

LV51140T

Аналогичная схема протекции литиевых однобаночных аккумуляторов с защитой от переразряда, перезаряда, превышения токов заряда и разряда. Реализована с применением микросхемы LV51140T.Плата PCB для защиты li-ion от глубокого разряда

Пороговые напряжения: 2.5 и 4.25 Вольта. Вторая ножка микросхемы - вход детектора перегрузки по току (предельные значения: 0.2В при разряде и -0.7В при зарядке). Вывод 4 не задействован.

R5421N Series

Схемотехническое решение аналогично предыдущим. В рабочем режиме микросхема потребляет около 3 мкА, в режиме блокировки - порядка 0.3 мкА (буква С в обозначении) и 1 мкА (буква F в обозначении).Схема защиты литиевого аккумулятора на микросхемах серии R5421N

Серия R5421N содержит несколько модификаций, отличающихся величиной напряжения срабатывания при перезарядке. Подробности приведены в таблице:

Обозначение Порог отключения по перезаряду, В Гистерезис порога перезаряда, мВ Порог отключения по переразряду, В Порог включения перегрузки по току, мВ
R5421N111C 4.250±0.025 200 2.50±0.013 200±30
R5421N112C 4.350±0.025
R5421N151F 4.250±0.025
R5421N152F 4.350±0.025

SA57608

Очередной вариант контроллера заряда/разряда, только уже на микросхеме SA57608.Плата защиты лития на ИМС SA57608

Напряжения, при которых микросхема отключает банку от внешних цепей, зависят от буквенного индекса. Подробности см. в таблице:

Обозначение Порог отключения по перезаряду, В Гистерезис порога перезаряда, мВ Порог отключения по переразряду, В Порог включения перегрузки по току, мВ
SA57608Y 4.350±0.050 180 2.30±0.070 150±30
SA57608B 4.280±0.025 180 2.30±0.058 75±30
SA57608C 4.295±0.025 150 2.30±0.058 200±30
SA57608D 4.350±0.050 180 2.30±0.070 200±30
SA57608E 4.275±0.025 200 2.30±0.058 100±30
SA57608G 4.280±0.025 200 2.30±0.058 100±30

SA57608 потребляет достаточно большой ток в спящем режиме - порядка 300 мкА, что отличает ее от вышеперечисленных аналогов в худшую сторону (там потребляемые токи порядка долей микроампера).

LC05111CMT

Ну и напоследок предлагаем интересное решение от одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов On Semiconductor - контроллер заряда-разряда на микросхеме LC05111CMT.LC05111 для защиты лития

Решение интересно тем, что ключевые MOSFET'ы встроены в саму микросхему, поэтому из навесных элементов остались только пару резисторов да один конденсатор.

Переходное сопротивление встроенных транзисторов составляет ~11 миллиом (0.011 Ом). Максимальный ток заряда/разряда - 10А. Максимальное напряжение между выводами S1 и S2 - 24 Вольта (это важно при объединении аккумуляторов в батареи).

Микросхема выпускается в корпусе WDFN6 2.6x4.0, 0.65P, Dual Flag.

Схема, как и ожидалось, обеспечивает защиту от перезаряда/разряда, от превышения тока в нагрузке и от чрезмерного зарядного тока.

Контроллеры заряда и схемы защиты - в чем разница?

Важно понимать, что модуль защиты и контроллеры заряда - это не одно и то же. Да, их функции в некоторой степени пересекаются, но называть встроенный в аккумулятор модуль защиты контроллером заряда было бы ошибкой. Сейчас поясню в чем разница.

Важнейшая роль любого контроллера заряда заключается в реализации правильного профиля заряда (как правило, это CC/CV - постоянный ток/постоянное напряжение). То есть контроллер заряда должен уметь ограничивать ток зарядки на заданном уровне, тем самым контролируя количество "заливаемой" в батарею энергии в единицу времени. Избыток энергии выделяется в виде тепла, поэтому любой контроллер заряда в процессе работы достаточно сильно разогревается.

По этой причине контроллеры заряда никогда не встраивают в аккумулятор (в отличие от плат защиты). Контроллеры просто являются частью правильного зарядного устройства и не более.

Схемы правильных зарядок для литиевых аккумуляторов приведены в этой статье.

Кроме того, ни одна плата защиты (или модуль защиты, называйте как хотите) не способен ограничивать ток заряда. Плата всего лишь контролирует напряжение на самой банке и в случае выхода его за заранее установленные пределы, размыкает выходные ключи, отключая тем самым банку от внешнего мира. Кстати, защита от КЗ тоже работает по такому же принципу - при коротком замыкании напряжение на банке резко просаживается и срабатывает схема защиты от глубокого разряда.

Путаница между схемами защиты литиевых аккумуляторов и контроллеров заряда возникла из-за схожести порога срабатывания (~4.2В). Только в случае с модулем защиты происходит полное отключение банки от внешних клемм, а в случае с контроллером заряда происходит переключение в режим стабилизации напряжения и постепенного снижения зарядного тока.

Поделиться:
 

Комментарии к статье (5):

  1. Владимир

    Не понятны пороговые напряжения: 2.4 и 4.25 Вольта, в то же время как на аккумуляторах пороговые значения 3.0 и 4.2 Вольта

    • Админ

      По идее, при нормальной эксплуатации аккумуляторов встроенная в них защита вообще не должна срабатывать. Ограничивать заряд должно зарядное устройство, а разряд - сама нагрузка.
      Мощная нагрузка (типа фонарика, пауэрбанка) способна потреблять большие токи, при которых значительное влияние на выходное напряжение аккумулятора начинает оказывать его внутреннее сопротивление. Если бы схема защиты была бы точно настроена на минимальное напряжение аккумулятора (согласно его характеристик), то она бы отключала всю схему до того, как аккумулятор отдал всю свою накопленную энергию. Фактически, это было бы равносильно искусственному занижению его емкости. Точно такая же ситуация возникала бы и при быстрой зарядке (т.е. зарядке большими токами).
      Производители аккумуляторов не могут знать заранее, в каких условиях будут работать их аккумуляторы, поэтому, чтобы не допустить выше описанных ситуаций, вынуждены раздвигать границы рабочего диапазона в схемах защиты. А в аккумуляторы, заранее рассчитанные на высокие эксплуатационные нагрузки (например, для вейпа), защиту вообще не ставят.
      Поэтому, повторюсь, функции ограничения разряда и заряда НЕ ДОЛЖНЫ перекладываться на встроенные в аккумуляторы схемы защиты. Если при разряде/заряде аккумулятора полагаться только на его защиту, то это почти наверняка будет приводить к нарушению предписанных производителем условий эксплуатации. И чем меньше будут токи заряда/разряда, тем сильнее конечное напряжение на аккумуляторе будет отличаться от установленных в даташите. Со всеми вытекающими.

  2. Василий

    Здравствуйте!
    Мне нужна только функция защиты от кз одной (или нескольких соединённых последовательно) банки лития, но на большой ток - например 30-70А.
    Подскажите схемку, например на DW01. И обязательно ли в этом случае там использовать аж 2 полевика?

    • Евгений

      DW01 рано или поздно пробьет. при таких токах. ставь просто резисторы .а все эти микросборки -для сотовых телефонов плюс минус ......от кз релейная защита тебе поможет например на таймере 555.

      • Евгений

        резисторы я имею ввиду как балансировочные на каждый акум. я тоже в свое время собирал для шуруповерта на плате .... ну все их лепят во все места -только мне не понятно зачем !?. так вот акумы были б.у со всяких ноутов . подобрал по состоянию пригодности,а платки эти то ток ограничивают,то напряжение мне обрубают...ВЫКИНУЛ К Х-АМ ИХ ПОСТАВИЛ РЕЗИСТОР ПО ОМУ НА КАЖДЫЙ АКУМ СОЕДИНИЛ НА НУЖНОЕ U.(в моем случае 4 батарейки) ВСЕ РАБОТАЕТ КАК МНЕ НАДО !!! ДЛЯ ВЕЛИКА ТОЖ САМОЕ СДЕЛАЛ. ЕСТЬ АКУМУЛЯТОР(Ы).ЕСТЬ ЗАРЯДКА (САМОДЕЛЬНАЯ ЛУЧШЕ) СХЕМА ПРОСТА. А ОБЛЕПЛЯТЬ ЭТО "НАНО....." КАЖДЫЙ РЕШАЕТ САМ.