Воспользуйтесь поиском по сайту:

 
Главная > Схемы и чертежи > Схемы защиты Li-ion аккумуляторов от переразряда (контроллеры разряда)
 

Схемы защиты Li-ion аккумуляторов от переразряда (контроллеры разряда)

Не секрет, что Li-ion аккумуляторы не любят глубокого разряда. От этого они хиреют и чахнут, а также увеличивают внутреннее сопротивление и теряют емкость. Некоторые экземпляры (те, которые с защитой) могут даже погрузиться в глубокую спячку, откуда их довольно проблематично вытаскивать. Поэтому при использовании литиевых аккумуляторов необходимо как-то ограничить их максимальный разряд.

Для этого применяют специальные схемы, отключающие батарею от нагрузки в нужный момент. Иногда такие схемы называют контроллерами разряда.

Т.к. контроллер разряда не управляет величиной тока разряда, он, строго говоря, никаким контроллером не является. На самом деле это устоявшееся, но некорректное название схем защиты от глубокого разряда.

Вопреки распространенному мнению, встроенные в аккумуляторы схемы защиты (PCB-платы или PCM-модули) не предназначены ни для ограничения тока заряда/разряда, ни для своевременного отключения нагрузки при полном разряде, ни для корректного определения момента окончания заряда.

Контроллер защиты 18650Во-первых, платы защиты в принципе не способны ограничивать ток заряда или разряда. Этим должно заниматься ЗУ. Максимум, на что они способны - это вырубить аккумулятор при коротком замыкании в нагрузке или при его перегреве.

Во-вторых, большинство модулей защиты отключают li-ion батарею при напряжении 2.5 Вольта или даже меньше. А это ооооочень сильный разряд, такого вообще нельзя допускать.

В-третьих, китайцы клепают эти модули миллионами... Вы правда верите, что в них используются качественные прецизионные компоненты? Или что их кто-то там тестирует и настраивает перед установкой в аккумуляторы? Разумеется, это не так. При производстве китайских плат неукоснительно соблюдается лишь один принцип: чем дешевле - тем лучше. Поэтому если защита будет отключать АКБ от зарядного устройства точно при 4.2 ± 0.05 В, то это, скорее, счастливая случайность, чем закономерность.

Хорошо, если вам достался PCB-модуль, который будет срабатывать чуть раньше (например, при 4.1В). Тогда аккумулятор просто не доберет с десяток процентов емкости и все. Гораздо хуже, если аккумулятор будет постоянно перезаряжаться, например, до 4.3В. Тогда и срок службы сокращается и емкость падает и, вообще, может вспухнуть.

Использовать встроенные в литий-ионный аккумуляторы платы защиты в качестве ограничителей разряда НЕЛЬЗЯ! И в качестве ограничителей заряда - тоже. Эти платы предназначены только для аварийного отключения аккумулятора при возникновении нештатных ситуаций.

Поэтому нужны отдельные схемы ограничения заряда и/или защиты от слишком глубокого разряда.

Простые зарядные устройства на дискретных компонентах и специализированных интегральных схемах мы рассматривали в этой статье. А сегодня поговорим о существующих на сегодняшний день решениях, позволяющих оградить литиевый аккумулятор от слишком большого разряда.

Для начала предлагаю простую и надежную схему защиты Li-ion от переразряда, состоящую всего из 6 элементов.Защита литиевых аккумуляторов от переразряда

Указанные на схеме номиналы дадут приведут к отключению аккумуляторов от нагрузки при снижении напряжения до ~10 Вольт (я делал защиту для 3х последовательно включенных аккумуляторов 18650, стоящих в моем металлоискателе). Вы можете задать свой собственный порог отключения путем подбора резистора R3.

К слову сказать, напряжение полного разряда Li-ion аккумулятора составляет 3.0 В и никак не меньше.

Полевик (такой как в схеме или ему подобный) можно выколупать из старой материнской платы от компа, обычно их там сразу несколько штук стоит. ТЛ-ку, кстати, тоже можно взять оттуда же.

Конденсатор С1 нужен для первоначального запуска схемы при включении выключателя (он кратковременно подтягивает затвор Т1 к минусу, что открывает транзистор и запитывает делитель напряжения R3,R2). Далее, после заряда С1, нужное для отпирания транзистора напряжение поддерживается микросхемой TL431.

Внимание! Указанный на схеме транзистор IRF4905 отлично будет защищать три последовательно включенных литий-ионных аккумулятора, но совершенно не подойдет для защиты одной банки напряжением 3.7 Вольта. О том, как самому определить подходит полевой транзистор или нет, говорится в конце статьи.

Минус данной схемы: в случае КЗ в нагрузке (или слишком большого потребляемого тока), полевой транзистор закроется далеко не сразу. Время реакции будет зависеть от емкости конденсатора С1. И вполне возможно, что за это время что-нибудь успеет как следует выгореть. Схема, мгновенно реагирующая на коротыш в нагрузке, представлена ниже:Защита li-ion от глубокого разряда и перегрузки по току

Выключатель SA1 нужен для "перезапуска" схемы после срабатывания защиты. Если конструкция вашего прибора предусматривает извлечение аккумулятора для его зарядки (в отдельном ЗУ), то этот выключатель не нужен.

Сопротивление резистора R1 должно быть таким, чтобы стабилизатор TL431 выходил на рабочий режим при минимальном напряжении аккумулятора - его подбирают таким образом, чтобы ток анод-катод был не меньше 0.4 мА. Это порождает еще один недостаток данной схемы - после срабатывания защиты схема продолжает потреблять энергию от батареи. Ток хоть и небольшой, но его вполне достаточно, чтобы полностью высосать небольшой аккумулятор за какие-то пару-тройку месяцев.

Приведенная ниже схема самодельного контроля разряда литиевых аккумуляторов лишена указанного недостатка. При срабатывании защиты потребляемый устройством ток настолько мал, что мой тестер его даже не обнаруживает.Как недопустить глубокого разряда литий ионного аккумулятора?

Ниже представлен более современный вариант ограничителя разряда литиевого аккумулятора с применением стабилизатора TL431. Это, во-первых, позволяет легко и просто выставить нужный порог срабатывания, а во-вторых, схема имеет высокую температурную стабильность и четкость отключения. Хлоп и все!Схема ограничения разряда литиевого аккумулятора

Достать ТЛ-ку сегодня вообще не проблема, они продаются по 5 копеек за пучок. Резистор R1 устанавливать не нужно (в некоторых случаях он даже вреден). Подстроечник R6, задающий напряжение срабатывания, можно заменить цепочкой из постоянных резисторов, с подобранными сопротивлениями.

Для выхода из режима блокировки, нужно зарядить аккумулятор выше порога срабатывания защиты, после чего нажать кнопку S1 "Сброс".

Неудобство всех вышеприведенных схем заключается в том, что для возобновления работы схем после ухода в защиту, требуется вмешательство оператора (включить-выключить SA1 или нажать кнопочку). Это плата за простоту и низкое потребление энергии в режиме блокировки.

Простейшая схема защиты li-ion от переразряда, лишенная всех недостатков (ну почти всех) показана ниже:Защита литий-ионного аккумулятора от переразряда

Принцип действия этой схемки очень похож на первые две (в самом начале статьи), но здесь нет микросхемы TL431, а поэтому собственный ток потребления можно уменьшить до очень небольших значений - порядка десяти микроампер. Выключатель или кнопка сброса также не нужны, схема автоматически подключит аккумулятор к нагрузке как только напряжение на нем превысит заданное пороговое значение.

Конденсатор С1 подавляет ложные срабатывание при работе на импульсную нагрузку. Диоды подойдут любые маломощные, именно их характеристики и количество определяют напряжение срабатывания схемы (придется подобрать по месту).

Полевой транзистор можно использовать любой подходящий n-канальный. Главное, чтобы он не напрягаясь выдерживал ток нагрузки и умел открываться при низком напряжении затвор-исток. Например, P60N03LDG, IRLML6401 или аналогичные (см. таблицу).

Вышеприведенная схема всем хороша, но имеется один неприятный момент - плавное закрытие полевого транзистора. Это происходит из-за пологости начального участка вольт-амперной характеристики диодов.

Устранить этот недостаток можно с помощью современной элементной базы, а именно - с помощью микромощных детекторов напряжения (мониторов питания с экстремально низким энергопотреблением). Очередная схема защиты лития от глубокого разряда представлена ниже:Супервизоры напряжения питания в схеме защиты li-ion от переразряда

Микросхемы MCP100 выпускается как в DIP-корпусе, так и в планарном исполнении. Для наших нужд подойдет 3-вольтовый вариант - MCP100T-300i/TT. Типовой потребляемый ток в режиме блокировки - 45 мкА. Стоимость в розницу порядка 1$.

Еще лучше вместо MCP100 применить монитор BD4730, т.к. у него выход прямой и, следовательно, нужно будет исключить из схемы транзистор Q1 (выход микросхемы соединить напрямую с затвором Q2 и резистором R2, при этом R2 увеличить до 47 кОм).

В схеме применяется микроомный n-канальный MOSFET IRF7210, без проблем коммутирующий токи в 10-15 А. Полевик полностью открывается уже при напряжении на затворе около 1.5 В. Стоимость транзистора - 50 рублей/штучка.

По-моему, последняя схема наиболее близка к идеалу. Если бы у меня был неограниченный доступ к радиодеталям, я бы выбрал именно ее.

Небольшое отступление

Любую из вышеприведенных схем можно подключить к батарее из нескольких аккумуляторов (после некоторой подстройки, конечно). Однако, если банки будут иметь отличающуюся емкость, то самый слабый из аккумуляторов будет постоянно уходить в глубокий разряд задолго до того, как схема будет срабатывать. Поэтому в таких случаях всегда рекомендуется использовать батареи не только одинаковой емкости, но и желательно из одной партии.

И хотя в моем металлодетекторе такая защита работает без нареканий уже года два, все же гораздо правильнее было бы следить за напряжением на каждом аккумуляторе персонально.

Всегда используйте свой персональный контроллер разряда Li-ion аккумулятора на каждую банку. Тогда любая ваша батарея будет служить долго и счастливо.

О том, как подобрать подходящий полевой транзистор

Во всех вышеприведенных схемах защиты литий-ионных аккумуляторов от глубокого разряда применяются MOSFETы, работающие в ключевом режиме. Такие же транзисторы обычно используются и в схемах защиты от перезаряда, защиты от КЗ и в других случаях, когда требуется управление нагрузкой.

Разумеется, для того, чтобы схема работала как надо, полевой транзистор должен удовлетворять определенным требованиям. Сначала мы определимся с этими требованиями, а затем возьмем парочку транзисторов и по их даташитам (по техническим характеристикам) определим, подходят они нам или нет.

Внимание! Мы не будем рассматривать динамические характеристики полевых транзисторов, такие как скорость переключения, емкость затвора и максимальный импульсный ток стока. Указанные параметры становятся критично важными при работе транзистора на высоких частотах (инверторы, генераторы, шим-модуляторы и т.п.), однако обсуждение этой темы выходит за рамки данной статьи.

Итак, мы должны сразу же определиться со схемой, которую хотим собрать. Отсюда первое требование к полевому транзистору - он должен быть подходящего типа (либо N- либо P-канальный). Это первое.

Предположим, что максимальный ток (ток нагрузки или ток заряда - не важно) не будет превышать 3А. Отсюда вытекает второе требование - полевик должен длительное время выдерживать такой ток.

Третье. Допустим наша схема будет обеспечивать защиту аккумулятора 18650 от глубокого разряда (одной банки). Следовательно мы можем сразу же определиться с рабочими напряжениями: от 3.0 до 4.3 Вольта. Значит, максимальное допустимое напряжение сток-исток Uds должно быть больше, чем 4.3 Вольта.

Однако последнее утверждение верно только в случае использования только одной банки литиевого аккумулятора (или нескольких включенных параллельно). Если же для питания вашей нагрузки будет задействована батарея из нескольких последовательно включенных аккумуляторов, то максимальное напряжение сток-исток транзистора должно превышать суммарное напряжение всей батареи.

Вот рисунок, поясняющий этот момент:Подбор полевого транзистора для схем защиты аккумуляторов

Как видно из схемы, для батареи из 3х последовательно включенных аккумуляторов 18650 в схемах защиты каждой банки необходимо применять полевики с напряжением сток-исток Uds > 12.6В (на практике нужно брать с некоторым запасом, например, в 10%).

В то же время, это означает, что полевой транзистор должен уметь полностью (или хотя бы достаточно сильно) открываться уже при напряжении затвор-исток Ugs менее 3 Вольт. На самом деле, лучше ориентироваться на более низкое напряжение, например, на 2.5 Вольта, чтобы с запасом.

Для грубой (первоначальной) прикидки можно глянуть в даташите на показатель "Напряжение отсечки" (Gate Threshold Voltage) - это напряжение, при котором транзистор находится на пороге открытия. Это напряжение, как правило, измеряется в момент, когда ток стока достигает 250 мкА.

Понятно, что эксплуатировать транзистор в этом режиме нельзя, т.к. его выходное сопротивление еще слишком велико, и он просто сгорит из-за превышения мощности. Поэтому напряжение отсечки транзистора должно быть меньше рабочего напряжения схемы защиты. И чем оно будет меньше, тем лучше.

На практике для защиты одной банки литий-ионного аккумулятора следует подбирать полевой транзистор с напряжением отсечки не более 1.5 - 2 Вольт.

Таким образом, главные требования к полевым транзисторам следующие:

  • тип транзистора (p- или n-channel);
  • максимально допустимый ток стока;
  • максимально допустимое напряжение сток-исток Uds (вспоминаем, как будут включены наши аккумуляторы - последовательно или параллельно);
  • низкое выходное сопротивление при определенном напряжение затвор-исток Ugs (для защиты одной банки Li-ion следует ориентироваться на 2.5 Вольта);
  • максимально допустимая мощность рассеивания.

Теперь давайте на конкретных примерах. Вот, например, в нашем распоряжении имеются транзисторы IRF4905, IRL2505 и IRLMS2002. Взглянем на них поближе.

Пример 1 - IRF4905

Канал p-типа IRF4905Открываем даташит и видим, что это транзистор с каналом p-типа (p-channel). Если нас это устраивает, смотрим дальше.

Максимальный ток стока - 74А. С избытком, конечно, но подходит.

Напряжение сток-исток - 55V. У нас по условию задачи всего одна банка лития, так что напряжение даже больше, чем требуется.

Далее нас интересует вопрос, каким будет сопротивление сток-исток, при открывающем напряжении на затворе 2.5V. Смотрим в даташит и так сходу не видим этой информации. Зато мы видим, что напряжение отсечки Ugs(th) лежит в диапазоне 2...4 Вольта. Нас это категорически не устраивает.

Последнее требование не выполняется, поэтому транзистор забраковываем.

Пример 2 - IRL2505

IRL2505Вот его даташит. Смотрим и сразу же видим, что это очень мощный N-канальный полевик. Ток стока - 104А, напряжение сток-исток - 55В. Пока все устраивает.

Проверяем напряжение Vgs(th) - максимум 2.0 В. Отлично!

Но давайте посмотрим, каким сопротивлением будет обладать транзистор при напряжении затвор-исток = 2.5 вольта. Смотрим график:Переходная характеристика IRL2505

Получается, что при напряжении на затворе 2.5В и токе через транзистор в 3А, на нем будет падать напряжение в 3В. В соответствии с законом Ома, его сопротивление в этот момент будет составлять 3В/3А=1Ом.

Таким образом, при напряжении на банке аккумулятора около 3 Вольт, он просто не сможет отдать в нагрузку 3А, так как для этого общее сопротивление нагрузки вместе с сопротивлением сток-исток транзистора должно составлять 1 Ом. А у нас только один транзистор уже имеет сопротивление 1 Ом.

К тому же при таком внутреннем сопротивлении и заданном токе, на транзисторе будет выделяться мощность (3 А)2 * 3 Ом = 9 Вт. Поэтому потребуется установка радиатора (корпус ТО-220 без радиатора сможет рассеивать где-то 0.5...1 Вт).

Дополнительным тревожным звоночком должен стать тот факт, что минимальное напряжение затвора для которого производитель указал выходное сопротивление транзистора равно 4В.Выходное сопротивление транзистора IRL2505

Это как бы намекает на то, что эксплуатация полевика при напряжении Ugs менее 4В не предусматривалась.

Учитывая все вышесказанное, транзистор забраковываем.

Пример 3 - IRLMS2002

IRLMS2002 и его характеристикиИтак, достаем из коробочки нашего третьего кандидата. И сразу смотрим его ТТХ.

Канал N-типа, допустим с этим все в порядке.

Ток стока максимальный - 6.5 А. Подходит.

Максимально допустимое напряжение сток-исток Vdss = 20V. Отлично.

Напряжение отсечки - макс. 1.2 Вольта. Пока нормально.

Чтобы узнать выходное сопротивление этого транзистора нам даже не придется смотреть графики (как мы это делали в предыдущем случае) - искомое сопротивление сразу приведено в таблице как раз для нашего напряжения на затворе:Сопротивление полевика при напряжении затвора 2.5 вольта

45 миллиом! Круто, да? Современные технологии, однако.

Миниатюрный корпус Micro6 (tm)Таким образом, при токе через наш полевичек в 3А, на нем будет падать всего 3*0.045=0.135В, а выделяемая на транзисторе мощность составит 405 мВт. Судя по даташиту, максимальная рассеиваемая мощность этого транзистора составляет 2 Вт.

Вывод: транзистор IRLMS2002 подходит нам по всем показателям. А если еще учесть его миниатюрный корпус (~3х3 мм), то ему вообще цены нет.

Аналогичным образом подбираются и любые другие полевики.

Несколько подходящих низковольтных полевых транзисторов, обладающих низким выходным сопротивлением при малом напряжении затвор-исток (около 2.5 Вольт) приведены в таблице:

Название Ток стока Напряжение
сток-исток
Мощность Стоимость*
N-channel
Si2302DS 2.8 А 20 В 1.25 Вт 0.01$
FDN339AN 3 А 20 В 0.5 Вт 0.40$
IRLML2502 4.2 А 20 В 1.25 Вт 0.10$
IRF7301 5.2 А 20 В 2 Вт 0.35$
FDC637BNZ 6.2 А 20 В 1.6 Вт 0.31$
FDS9926A 6.5 А 20 В 2 Вт 0.26$
IRLMS2002 6.5 А 20 В 2 Вт 0.35$
PHB108NQ03LT 75 А 25 В 187 Вт 0.99$
P-channel
SCH1332 2.5 А 20 В 1 Вт 0.29$
IRLML6402 3.7 А 20 В 1.3 Вт 0.13$
IRLML6401 4.3 А 12 В 1.3 Вт 0.11$
FDT434P 6 А 20 В 3 Вт 0.50$
FDS6576 11 А 20 В 2.5 Вт 0.3$
IRF7210 12 А 12 В 2.5 Вт 0.33$
FDS4465 13.5 А 20 В 2.5 Вт 0.66$

*Указана ориентировочная цена по состоянию на 2017 год при заказе от 10 шт. и более.

Любой транзистор из таблицы можно сразу брать и применять в схемах защиты литий-ионных аккумуляторов от глубокого разряда и/или перезаряда.

Также можно использовать микросборку TXY8205A, которая добывается из старых аккумуляторов от сотовых телефонов. Внутри два N-канальных MOSFET'а рассчитанных на 6А. Сборка может иметь различную маркировку на корпусе: SM8205A, SSF8205, S8205A и т.п. Цифры "8205" как бы намекают.TXY8205A

Кстати, нередко попадаются и такие платы защиты, как на фото в центре. Наглядная иллюстрация к вопросу о качестве китайской продукции :)

Также на платах защиты могут попадаться и другие микросборки, все они тоже подойдут (например, часто встречаются YA2042, AM8814, TPC8212).

В этой статье мы рассмотрели отдельные схемы защиты литиевых аккумуляторов от глубокого разряда. Но, как вы уже знаете, необходимо еще позаботиться о своевременном прекращении заряда.

Полностью безопасная эксплуатация Li-ion аккумуляторов возможно только с применением комплексных решений, обеспечивающих одновременную защиту как от переразряда, так и от перезаряда (так называемые контроллеры заряда-разряда). О них мы рассказывали в этой статье.

Поделиться: