Защита автомобильных аккумуляторов от перезарядки. Li-ion и Li-polymer аккумуляторы в наших конструкциях Как защитить аккумулятор от перезаряда
Простая схема защиты автомобильного АКБ от перезарядки на TL431 и реле.
Перезарядка ведет к выкипанию электролита, осыпанию и разрушению положительных пластин, а длительный перезаряд может вызвать взрыв, пожар и даже несчастный случай. Вреден любой перезаряд малым или большим током.
Промышленные обычно имеют встроенную защиту от перезаряда, но многие ее не имеют, а часто для заряда используются любые источники постоянного тока.
Для защиты от перезаряда предложено много разных схемных решений.
Описываемая приставка – одно из таких устройств. Она проста для повторения, малогабаритна, выполнена отдельным блоком и может соединяться с любым зарядным устройством.
Основной элемент схемы – регулируемый кремневый стабилитрон TL 431 (КР142ЕН19А), который используется в качестве компаратора. В отличие от известных компараторов TL431 имеет только один вход, а стабилизированное опорное напряжение вырабатывается в самой микросхеме, что заметно упрощает конструкцию приставки.
Нагрузка микросхемы – реле с сопротивлением обмотки 280 Ом.
Допустимый ток микросхемы – 100 МА, поэтому сопротивление обмотки реле при напряжении 14….16 вольт должно быть, по крайней мере, не меньше 150 Ом.
Работа устройства
Напряжение на управляющем электроде 1 микросхемы задается делителем R1, R2. Когда на выводе 1 напряжение больше 2,5 вольт микросхема открыта. Меньше 2,5 вольт – закрыта. Регулируя R2 можно добиться включения микросхемы при заданном напряжении U. Делитель не обязательно должен быть тех номиналов, которые указаны на схеме. Их можно выбрать из соотношения
R2/R1=2,5/ (U-2,5)
Настройка
Подключите устройство к источнику постоянного тока и установите на нем напряжение U, при котором аккумулятор должен отключиться. По поводу величины U существуют разные мнения.
Одни авторы рекомендуют общепринятое напряжение 14,4 вольт, другие 14,6 вольт, а некоторые даже 14,7 вольт (2,45 вольт на банку). Трудно сказать кто из них прав, но у каждого есть свой резон. Теперь переменным резистором R2 добейтесь включения реле при заданном U.
Если у вас резистор с винтовой регулировкой, а именно такие применяют для точной настройки, то нащупать момент включения очень трудно. Не ясно, в какую сторону нужно вращать винт.
Присоедините к выводам 1 и 2 микросхемы в режиме измерения напряжения и, поворачивая винт настройки резистора, следите за изменением напряжения. Сразу становится ясно, в какую сторону нужно вращать винт.
При 2,5 вольтах реле должно сработать. В разработанном устройстве выводы 1 и 2 соединены с гнездами, выведенными на лицевую панель.
Теперь проверьте работу устройства наоборот. Установите U меньше 14 вольт и постепенно увеличивайте напряжение. Когда U достигнет установленного вами значения, реле срабатывает. При необходимости подкорректируйте настройку.
Диод в плюсовом проводе установлен для защиты схемы от переплюсовки.
Примененное реле содержит две группы мощных перекидных контактов, работающих на замыкание и размыкание.
Клеммы выводов контактов реле установлены на лицевой панели.
Использовать контакты можно по-разному. Если предполагается заряжать аккумулятор током 5,5 ампер, то контакты обеих групп нужно запаралелить. Если ток меньше, то одну группу контактов можно использовать для индикации конца зарядки, например с помощью контрольной лампы. Именно так сделано на демонстрационной фотографии.
Создавая устройства с автономным питанием необходимо позаботиться о защите аккумулятора от глубокого разряда. Достаточно один раз упустить момент и допустить глубокую разрядку акб ниже минимального порога напряжения и ваш аккумулятор выйдет из строя, либо потеряет часть емкости и окажется неспособен работать на номинальных токах нагрузки.
С целью предотвращения случаев снижения напряжения ниже критической отметки в разрыв цепи акб- потребитель устанавливают схемы защиты, которые состоят из нескольких узлов:
компаратора и силового ключа.
Требования к схеме защиты:
- малый ток утечки (собственное потребление)
- коммутация токов сравнимых с максимально допустимыми для АКБ
Данная схема защиты от глубокого разряда аккумулятора собиралась для защиты кислотно-гелевого 6 вольтового АКБ емкостью 4 ампер-часа, но она может быть настроена и на работу с 12 вольтовыми акб и выше, вплоть до напряжения питания микросхемы ne7555. Прообразом этой платы, была найденная в каком-то журнале и немного измененная. Вместо обычного стабилитрона, был введен регулируемый стабилитрон TL431 который позволяет настраивать напряжение отсечки (отключения нагрузки) в совокупности с подстройкой резистивного делителя R6/R7. С 3-ей ножки микросхемы таймера 555 сигнал стал не засвечивать светодиод, а открывать n-p-n транзистор, который в свою очередь открывает силовой ключ N-channel полевой транзистор. Обратите ваше внимание на характеристики данного транзистора, он должен быть рассчитан на работу с предполагаемыми токами нагрузки, и еще немаловажная деталь- это напряжение открытия затвора. Если вы планируете схему для 6 вольтового акб вам необходим полевой транзистор с напряжением открытия 5 вольт n-channel logic level mosfet. Полевые транзисторы «общего силового» назначения с напряжением открытия 10-20 вольт вам не подойдут, так как при напряжении между затвором и истоком транзистора 5 вольт они будут находиться не в режиме насыщения а в линейном режиме, что приведет к сильному тепловыделению и выходу из строя.
На сегодняшний день литий ионные аккумуляторы являются самыми эффективными аккумуляторами. Они компактные, имеют большую энергоемкость, лишены эффекта памяти. При всех достоинствах у них имеется один существенный недостаток, их работу и процесс заряда нужно тщательно контролировать. Если аккумулятор разрядится ниже некоторого предела или перезарядить, он быстро теряет свои свойства, вздуться и даже взорваться. Тоже самое и в случае перегрузки и коротких замыканиях - нагрев, образование газов и в итоге взрыв.
Некоторые литий ионных аккумуляторы снабжены предохранительным клапаном, который не даст аккумулятору взорваться, но большая часть мощных полимерных аккумуляторов таких клапанов не имеют.
Другими словами, при эксплуатации литий ионных аккумуляторов требуется система их защиты.
Многие наверняка заметили маленькие платы в аккумуляторах мобильных телефонов, вот как раз эта плата и является защитой. Защищает она от глубкого разряда, от перезаряда и от коротких замыканий или перегрузок по току.
Схема этой защиты очень простая, на плате находиться пара микросхем с мелочевкой.
За всеми процессами следит микросхема DW01. Вторая микросхема - это сборка из двух полевых транзисторов. Первый транзистор контролирует процесс разряда, второй отвечает за заряд батареи.
Во время разряда микросхема следит за падением напряжения на переходах полевых ключей, если оно доходит до критической величины (150-200мВ), микросхема закрывает транзисторы, отключая батарею от нагрузки. Работа схемы восстанавливается менее чем за секунду после того, после снятия нагрузки.
Падение напряжение на переходах транзисторов микросхема отслеживает через второй вывод.
В зависимости от емкости аккумулятора эти контроллеры могут кардинально отличаться внешним видом, током короткого замыкания и топологией схемы, но функция у них всегда одинаковая - защищать аккумулятор от перезаряда, глубокого разряда и перегрузки по току. Многие контроллеры также обеспечивают защиту от перегрева банки, контроль температуры осуществляется термодатчиком.
У меня скопилось очень много плат защиты от аккумуляторов мобильных телефонов и как раз для одного моего проекта в котором задействован литий ионный аккумулятор понадобилась система защиты. Проблема в том, что эти платы рассчитаны на максимальный ток в 1Ампер, а мне нужна была плата с током минимум 6-7 Ампер. Платы с нужным для моих целей током стоят меньше пол доллара, но ждать месяц-другой я не мог. Осмотрев китайские платы на алиэкспресс я понял, что они не многим отличаются от моих. Схематика та же, только ток защиты побольше за счёт параллельного включения силовых транзисторов.
При параллельном соединении полевых транзисторов, сопротивление их каналов будет значительно меньше, поэтому падение напряжения на них будет меньше, а ток срабатывания защиты будет больше. Параллельное соединение ключей даст возможность коммутировать большие токи, чем больше ключей, тем больше общий ток коммутации.
В схеме применены стандартные сборки из двух полевиков в одном корпусе. Их часто применяют на платах защиты аккумуляторов смартфонов и не только.
Сборки 8205А имеют очень много аналогов, как и микросхемы контроля DW01.
После сборки платы я протестировал её. Получилось именно то, что мне нужно для проекта:
- Плата заряжает аккумулятор до напряжения 4,2В и отключает его от зарядного устройства;
- При разряде аккумулятора ниже 2,5В аккумулятор отключился от нагрузки;
- При токах выше 12-13 Ампер аккумулятор отключается.
Литий ионные аккумуляторы имеют малый саморазряд, но аккумулятор дополненный такой платой будет разряжаться быстрее, чем аккумулятор без защиты. Ток потребления схемы защиты мизерный, и составляет около 2,5 МИКРОампер.
Подробнее о работе платы защиты
{youtube}lXKELGFo79o {/youtube}
Собираем мощную плату контроля
{youtube} _w-AUCG4k_0 {/youtube}
Плата защиты для одной банки LI-ION http://ali.pub/28463y
Плата защиты для двух банок
Защита литий-ионных аккумуляторов (Li-ion). Я думаю, что многие из вас знают, что, например, внутри аккумулятора от мобильного телефона имеется ещё и схема защиты (контроллер защиты), которая следит за тем, чтобы аккумулятор (ячейка, банка, итд…) не был перезаряжен выше напряжения 4.2 В, либо разряжен меньше 2…3 В. Также схема защиты спасает от коротких замыканий, отключая саму банку от потребителя в момент короткого замыкания. Когда аккумулятор исчерпывает свой срок службы, из него можно достать плату контроллера защиты, а сам аккумулятор выбросить. Плата защиты может пригодиться для ремонта другого аккумулятора, для защиты банки (у которой нету схем защиты), либо же просто можно подключить плату к блоку питания, и поэкспериментировать с ней.
У меня имелось много плат защиты от пришедших в негодность аккумуляторов. Но поиск в инете по маркировкам микросхем ничего не давал, словно микросхемы засекречены. В инете находилась документация только на сборки полевых транзисторов, которые имеются в составе плат защиты. Давайте посмотрим на устройство типичной схемы защиты литий-ионного аккумулятора. Ниже представлена плата контроллера защиты, собранная на микросхеме контроллера с обозначением VC87, и транзисторной сборке 8814 ():
На фото мы видим: 1 - контроллер защиты (сердце всей схемы), 2 - сборка из двух полевых транзисторов (о них напишу ниже), 3 - резистор задающий ток срабатывания защиты (например при КЗ), 4 - конденсатор по питанию, 5 - резистор (на питание микросхемы-контроллера), 6 - терморезистор (стоит на некоторых платах, для контроля температуры аккумулятора).
Вот ещё один вариант контроллера (на этой плате терморезистор отсутствует), собран он на микросхеме с обозначением G2JH, и на транзисторной сборке 8205A ():
Два полевых транзистора нужны для того, чтобы можно было отдельно управлять защитой при заряде (Charge) и защитой при разряде (Discharge) аккумулятора. Даташиты на транзисторы находились практически всегда, а вот на микросхемы контроллеров - ни в какую!! И на днях вдруг я наткнулся на один интересный даташит на какой-то контроллер защиты литий-ионного аккумулятора ().
И тут, откуда не возьмись, явилось чудо - сравнив схему из даташита со своими платами защиты, я понял: Схемы совпадают, это одно и то же, микросхемы-клоны! Прочитав даташит, можно применять подобные контроллеры в своих самоделках, а поменяв номинал резистора, можно увеличить допустимый ток, который может отдать контроллер до срабатывания защиты.
Много раз на mySKU описывались модули зарядки литий-ионных аккумуляторов на базе контроллера TP4056. Применений множество - от переделки игрушек до бытовых поделок. Народный модуль TP4056 со встроенной защитой на базе DW01A прекрасен всем, только нижний порог срабатывания защиты по напряжению 2,5±0,1 В, т.е. 2,4 В в худшем случае. Для большинства современных аккумуляторов это подходит, т.к. у них порог 2,5 В. А что делать, если у вас мешок аккумуляторов с нижним порогом 2,75 В? Можно плюнуть и использовать их с таким модулем. Просто увеличивается риск того, что после разряда аккумулятор выйдет из строя. А можно использовать дополнительную плату защиты, нижний порог напряжения у которой соответствует аккумуляторам. Именно о такой плате я сегодня расскажу.
Понимаю, что большинству эта тема не интересна, но пусть будет для истории, т.к. иногда вопрос поднимается.
Если вы используете аккумуляторы со встроенной защитой, то эта плата вам не нужна, вы можете спокойно использовать «народный» модуль на базе TP4056 без защиты. Если вы используете аккумуляторы без защиты с минимальным напряжением 2,5 В, то вы можете спокойно использоваться «народный» модуль на базе TP4056 с защитой.
Модулей на базе TP4056 с порогом 2,75 В я в продаже не нашёл. Начал искал отдельные модули защиты - выбор большой, есть очень дешёвые, но большинство из них сделаны на том же контроллере DW01A. Модуль из обзора - это самое дешёвое, что я смог найти. 275 рублей за 5 штук.
Модуль крошечный, 39,5 x 4,5 x 2 мм.
Контактные площадки стандартные для защиты одной ячейки: B+, B- для подключения аккумулятора и P+, P- для подключения ЗУ и нагрузки.
Официальные технические характеристики:
Модуль сделана на базе контроллера . Версия BM112-LFEA. Техническим характеристикам соответствует. В роли транзистора выступает двойной N-канальный MOSFET транзистор .
Схема подключения простая:
Для активации модуля защиты достаточно подать питание на P+, P-. Конечно, TP4056 подключать не обязательно, аккумулятор с модулем защиты может спокойно жить своей жизнью (как обычный аккумулятор с защитой).
Практический тест
Это не лабораторный тест, погрешности могут быть большими, но общую картину продемонстрирует.Я буду использовать преобразователь в качестве регулируемого БП, тестер EBD-USB и боевой аккумулятор TrustFire для проверки защиты от КЗ.
Минимальное напряжение:
Уменьшаю напряжение с помощью потенциометра. Защита срабатывает при напряжении 2,7 В. Это не заявленные 2,88 В, но, учитывая возможную погрешность, для аккумуляторов с нижним порогом напряжения 2,75 В подходит.
Максимальная рабочая сила тока:
Максимальная рабочая сила тока составляет 3,6 А. При превышении срабатывает защита. Время срабатывания зависит от нагрева транзистора. Если он горячий, то срабатывает сразу при установке 3,7 А. Если холодный, то через 30 секунд. При токе 4 А защита срабатывает практически сразу в любом случае. Т.е. заявленных 4 А нет, но 3,6 А тоже хорошо.
Температура модуля:
За 5 минут работы при максимальной силе тока транзистор нагрелся до 60 ºC, т.е. лучше не примыкать модуль вплотную к аккумулятору (без прокладки) при монтаже.
Сброс защиты происходит через некоторое время или можно подать напряжение с ЗУ для принудительного сброса.
Защита от КЗ есть… одноразовая:). Подключил свой боевой TrustFire к модулю защиты и замкнул контакты P+, P- через мультиметр. На мультиметре успел мелькнуть ток 14 А, «пшик» произошёл сразу. Сгорел транзистор на плате защиты. При этом плата защиты ток потребителю больше не пропускала, но и не работала по сути больше.
Первым делом встроил один модуль в кейс для установки аккумуляторов 18650 (USB коннектор там просто для удобства, без преобразователя). Обычно я и дети используем его для поделок с помощью мини-дрели.
