Схема зарядка литий ионных аккумуляторов: Импульсная зарядка для литий-ионных аккумуляторов (без микропроцессора)

Posted on by alexxlab

Содержание

Импульсная зарядка для литий-ионных аккумуляторов (без микропроцессора)

Всем нам уже все уши прожужжали, что литий-ионные аккумуляторы правильнее всего заряжать постоянным током до напряжения 4.2 В. По достижении данного значения считается, что аккумулятор набрал где-то 70-80% своей максимальной емкости. К слову сказать, этот момент наступает достаточно быстро и чем больше был ток заряда, тем быстрее.

Теперь остается зафиксировать на аккумуляторе это напряжение и подержать его так еще какое-то время. За это время аккумулятор должен набрать еще процентов 20 емкости. Ток заряда при этом будет неуклонно снижаться но, что немаловажно, до нуля так никогда и не дойдет. Окончанием заряда можно считать снижение тока до ~0.05 от номинальной емкости (той, которая указана на этикетке).

Это так называемый двухэтапный режим заряда CC/CV, о котором более подробно мы рассказывали в этой статье.

Описанная логика по своей сути очень правильная и в первом приближении не имеет недостатков: быстрый набор основной емкости, четко заданные критерии перехода к фазе снижения тока и момента окончания зарядки.

Но так ли это?

На самом деле, для описанной выше логике работы зарядных устройств порог в 4.2 вольта выбран далеко не случайно. Дело в том, что длительное прикладывание повышенного напряжение к li-ion аккумуляторам ведет к деградации их электродов и электродных масс (электролита) и, как следствие, потери емкости. А так как фаза заряда с фиксированным напряжением и падающим током обычно довольно длительная, то желательно ограничить напряжение сверху на уровне 4.2 (или 4.24В). Что и делается на практике.

Однако, более правильным было бы контролировать напряжение на аккумуляторе не тогда, когда через него протекает большой зарядный ток, а во время холостого хода. Дело в том, что в зависимости от величины внутреннего сопротивления батареи и тока, напряжение на аккумуляторе может запросто достигать 4.3 и даже 4.4 Вольта (если, конечно, нет PCB-модуля, который отрубит акб из-за перенапряжения). Таким образом, зарядное устройство перейдет в режим стабилизации напряжения немного раньше, чем хотелось бы, увеличивая тем самым общее время заряда.

Заряд импульсами тока с паузами между ними

Умная зарядка дейстовала бы следующим образом: сначала отключила бы зарядный ток, выждала бы небольшую паузу, измерила бы напряжение холостого хода на аккумуляторе и на основании этого приняла бы решение о своих дальнейших действиях. Чем ближе напряжение приблизилось к 4.15В (это напряжение полностью заряженного аккумулятора), тем более короткий импульс зарядного тока выдает зарядка. Как только напряжение достигнет заданного порога (4.15 вольта), импульсы тока совсем прекратятся.

Вот как это выглядит на графике:

В таком зарядном устройстве можно оставлять аккумулятор на сколь угодно длительное время, и он будет подзаряжаться по мере необходимости.

Мы только что описали еще один (более правильный) способ зарядки литиевых аккумуляторов — импульсный. Но такие зарядки менее распространены, так как для реализации этого алгоритма требуется микропроцессорное управление, что усложняет и удорожает схему.

Схема зарядника

Но не надо грустить! Оказывается, существует схема импульсного зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов БЕЗ МИКРОПРОЦЕССОРА. Вот она:

Как это ни удивительно эта несложная схема в полной мере реализует весь описанный выше алгоритм заряда при полном отсутствии «мозгов». Схема работает следующим образом.

С момент включения схема начинает заряжать аккумулятор постоянным током. Величина тока зависит от напряжения питания и сопротивления резистора RD.

В момент, когда напряжение на элементе при наличие зарядного тока начинает превышать 4,15 Вольта, компаратор (KA393 или KIA70XX) видит это и закрывает транзистор VT1. Далее следует пауза, за время которой напряжение на элементе снижается до своего истинного значения. Т.к. напряжение холостого хода на аккумуляторе ещё не достигло величины 4,15 В, оно вскоре упадет ниже этого значения. Компаратор, увидив это, вновь откроет зарядный ключ.

Процесс будет повторяться снова и снова, с той лишь разницей, что по мере зарядки аккумулятора импульсы зарядного тока будут всё время сокращаться, а длительность паузы между импульсами, наоборот, увеличиваться. То есть будет увеличиваться скважность импульсов.

Ближе к концу зарядки длительность импульса зарядного тока составляет доли процента от длительности паузы между ними, а напряжение на элементе будет практически равно 4,15 Вольта (конкретное значение выставляется потенциометром R1 при настройке схемы).

Теперь о деталях. Разумеется, можно использовать обычный трансформатор без средней точки. Прекрасно можно обойтись и однополупериодным выпрямителем. А еще проще взять в качестве питания какой-нибудь уже готовый 5-вольтовый зарядник от сотового телефона. Чтобы его не спалить возможно придется еще сильнее ограничить ток заряда, увеличив RD, например, до 0.47 Ом.

Транзисторы что-то типа KTA1273. Силовой полевик указан на схеме, но еще лучше взять PHB108NQ03LT (выпаять из старой материнской платы от компа).

Подстроечник 470 Ом. И не самых маленьких размеров, т.к. он все-таки должен рассеивать какую-то мощность. Брать более 470 ом не советую, т.к. это увеличивает гистерезис срабатывания микросхемы KIA (микросхема может просто вырубить зарядку вместо того, чтобы генерировать импульсы, как задумано).

Схемы можно объединять в последовательные цепочки. Это позволяет заряжать батареи из последовательно соединенных аккумуляторов.

Внимание! В случае одновременного заряда нескольких элементов соединенных последовательно, для каждого аккумулятора должна использоваться своя схема со своим собственным трансформатором питания. Или со своей собственной вторичной обмоткой трансформатора. В любом случае каждый канал должен иметь собственный источник питания, не имеющий гальванической связи с другими источниками. В противном случае некоторые из аккумуляторов окажутся замкнутыми накоротко и произойдет небольшой ба-ба-бах!

Схему можно значительно упростить, выкинув необязательные цепи, а также заменив полевик на обычный биполярный транзистор. Вот, например, парочка вполне рабочих вариантов:

Транзистор можно заменить на наш дубовый КТ837. Питания лучше не делать больше 6 вольт, т.к. чем оно выше, тем сильнее все будет греться. Резистором R1 при сильно разряженном аккумуляторе нужно ограничить ток на уровне 700-800 мА, этого будет вполне достаточно для одного элемента li-ion.

При подборе резистора главное не превысить максимальную мощность силового транзистора и способности источника питания.

Если не получилось найти микросхемы KIA70хх, их можно заменить другими детекторами напряжения, например, BD4730. Вот вариант зарядки с этой микросхемой:

Для того, чтобы настроить схему, необходимо отловить момент, когда напряжение на аккумуляторе станет ровно 4.2В и в этот момент выставить на 5-ом выводе микросхемы напряжение 2.99 Вольта (при помощи резистора R6). Если есть регулируемый блок питания, можно выставить на нем ровно 4.2 Вольта и на время настройки подключить его вместо аккумулятора.

Любая из этих схем позволяет заряжать литиевые аккумуляторы любых типоразмеров и емкостей (с учетом коррекции зарядного тока) — от небольших элементов в призматических корпусах до циллиндрических 18650 или гигантских 42120.

Схема заряда для мощных LI-ION аккумуляторов



Приветствую, Самоделкины!
Если вы являетесь радиолюбителем, то наверняка пробовали собрать powerbank своими руками, хотя бы для спортивного интереса. Но в большей степени люди делают пауэрбанки своими руками по той причине, что заводские портативные зарядки им чем-то не устраивают. Взять хотя бы то, что ток зарядки таких powerbank’ов редко превышает значению в 1А (здесь имеется ввиду то, каким током заряжается сам powerbank, а не о выходном токе, которым он (powerbank) заряжает ваши гаджеты).


Так вот, 1А — это мало и, допустим, если емкость powerbankа внушительна и составляет, к примеру, 20 000 мАч, то таким током он будет заряжаться около 20 часов и более, что уж говорить про пауэрбанки с более высокой емкостью.
Платы заряда для одной банки литий-ионного аккумулятора на базе микросхемы TP4056 знакомы всем.

Они могут заряжать литиевый аккумулятор током до 1А. Китайцы сейчас продают и 3-ех амперные версии таких плат.

Так вот, автор сегодняшней самоделки (AKA KASYAN), решил скрестить 9 микросхем TP4056. Это даст возможность заряжать литиевые аккумуляторы током до 8-9А. Зачем это нужно? Ну, во-первых, такая плата будет весьма кстати, если вы решили собрать свой powerbank большой емкости, а во-вторых, сейчас в продаже встречаются мощные литий-ионные банки с емкостью 80,100 и более ампер часов и для них нужны мощные системы заряда.

Как мы знаем, есть много вариантов зарядки мощных литиевых банок, но самым дешевым из них остается как раз таки микросхема TP4056.

Каждая микросхема на 1А. Соединяйте по этому принципу сколько угодно микросхем, этим получая зарядное устройство на любой нужный ток.

Фишка микросхемы TP4056 заключается в том, что она заряжает аккумулятор правильным методом, то есть стабильным током и напряжением.


Как только напряжение на аккумуляторе доходит до значения 4,16-4,2В, заряд прекращается.

Вернемся к нашей схеме. Автору такая зарядка нужна именно для очень емкого пауэрбанка, его попросил сделать один знакомый, который занимается туризмом и водит людей в дальние походы, но это уже другая история.

Powerbank планируется на 100 000 мАч и зарядить такой, ясное дело от обычного USB-порта не получится. Точнее получится, если подождать где-то 5 дней, поэтому заряжать сборку из 48-ми литиевых банок стандарта 18650 автор намерен от 5-ти вольтовой шины компьютерного блока питания, он спокойно выдаст токи 10 и более ампер.


Насчет печатной платы. Ее, как всегда, вместе с общим архивом проекта можно скачать по ссылке в описании к видеоролику автора (ссылка ИСТОЧНИК в конце статьи) или ЗДЕСЬ. Автор предварительно ее отзеркалил, с вас остается только ее распечатать.


На плате имеются перемычки, их довольно много. Лучше использовать smd перемычки (резисторы с нулевым сопротивлением), в данном случае несколько перемычек заменены на резисторы с сопротивлением несколько сот миллиом, так как ничего другого под рукой у автора не было.


Микросхемы TP4056 будут греться в зависимости от тока заряда и входного напряжения, они все-таки работают в линейном режиме, и на каждой микросхеме около 1Вт мощности будет уходить в тепло, если входное напряжение составляет 5В. Общее количество микросхем 9 и соответственно 9Вт тепла, это довольно сильный нагрев.


Сами микросхемы охлаждаются за счет массивных дорожек, которые обильно залужены. Хотя гораздо лучше было бы использовать двухстороннюю плату, где медное покрытие на второй стороне играло бы роль радиатора, но как говорится — и так сойдёт, позже сделаем тепловые замеры и посмотрим насколько это страшно.


По времени автор был сильно ограничен, иначе (по его словам) заказал бы двустороннюю плату без перемычек и с хорошим охлаждением на заводе в Китае.

Из-за того, что монтаж односторонний есть несколько нюансов. По силовым дорожкам будут протекать токи около 9-10А и в некоторых местах дорожки довольно тонкие, поэтому токосъем лучше сделать в нескольких местах, затем провода соединить параллельно.



Первая микросхема — ведущая, остальные соединены параллельно, сугубо для увеличения общего тока.


На плате есть пара светодиодов. Один светится во время зарядки, второй — когда заряд окончен.


Ну а теперь наконец испытания. В качестве подопытной батареи у нас сборка из аккумуляторов 18650 с суммарной емкостью честных 18 000 мАч. Автор предварительно разрядил батарею.

В качестве источника питания будем использовать 5-вольтовую линию компьютерного блока питания.

Подключаем. Процесс пошел, загорелся соответствующий светодиодный индикатор. Ток заряда при этом составляет около 8А и это с учётом потерь на проводах.


Ждём минут 20, далее берем тепловизор и видим, что плата в целом довольно сильно нагрелась, притом больше всех нагрелись 2 последние микросхемы, у которых охлаждение не самое лучшее. Температура на них доходит до 83-ех градусов, но это нормально для микросхем TP4056.

Спустя где-то пару часов аккумулятор был полностью заряжен, при этом важно заметить, что по мере заряда ток будет падать, а, следовательно, уменьшится и тепловыделение на плате заряда.

По завершении процесса загорается второй индикатор, при этом напряжение на аккумуляторах составило 4,18В, а это значит, что собранная схема полностью функционирует и справляется с поставленными задачами, так что возьмите схему на вооружение, когда-то она может пригодиться.


В дальнейшем мы рассмотрим схему защиты для такой мощной сборки, а также соберем powerbank целиком и испытаем его. Предстоит также собрать самый важный орган пауэрбанка — мощный повышающий преобразователь, который будет преобразовывать напряжение с литиевых аккумуляторов до 5В, которые нужны для зарядки портативной электроники.

Ну а на этом пора заканчивать. Благодарю за внимание. До новых встреч!

Видео:


Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Схемы для зарядного устройства для литиевых аккумуляторов

Литиевые аккумуляторы изготавливаются с использованием различных ионных компонентов, с неизменным присутствием иона лития. Другим составляющим может быть сухой ионит с кобальтом, фосфатом железа, комплекс никель-кобальт алюминий и прочие. Подбор активных составов продолжается. В зависимости от гальванической пары меняется мощность аккумуляторов, их напряжение и емкость, но способы сбора в батареи с обвязкой для всех одинаковы.

Схема подключения литиевых аккумуляторов

Установка литиевой батареи решает разные задачи. В случаях, когда нужно иметь токовую нагрузку, измеряемую десятками ампер используют высокотоковые элементы. Это касается ручного инструмента, тяговых батарей для транспортировки. Средние нагрузки лежат на ноутбуках, фотоаппаратах, фонарях.

Рассмотрим высокотоковые аккумуляторы на основе литий-ионных банок с номинальным напряжением 3,7 В. Они могут иметь разные размеры, емкость, но напряжение будет только 3,7. Изготовлены элементы:

  • катод из алюминиевой фольги, на которую нанесен мелкодисперсный графит;
  • анод из медной подложки, на которую нанесен LiCoO2:
  • сепаратор, ячеистый состав пропитан неводным раствором соли Li.

Именно такие комплектующие используют в цилиндрических элементах, аккумулятор называют литий-ионным. Чаще всего схема питания шуруповертов, ноутбуков, фонарей, биноклей изготовлены с применением литиевых аккумуляторов форм-фактора 18650. Элемент имеет в длину 65 мм, диаметр 18 мм. Напряжение рабочее 3,0-4,2 В. Относится в высокотоковым, то есть может отдавать ток силой до 10 С.

Для питания инструмента большей мощности необходимо соединять последовательно несколько банок, по расчету. При этом емкость измеряется по самому слабому элементу.

Для повышения емкости нужно использовать параллельное соединение. Банки, соединенные одинаковыми полюсами суммируют емкость. Если нужно поднять емкость и напряжение, используют комбинирование. Соединяют группы банок параллельно. Потом каждый комплект соединяют последовательно.

Для шуруповертов с рабочим напряжением 12,14,18 В используется последовательная схема литиевого аккумулятора. Зная, что отдельные элементы не должны перезаряжаться выше 4,20 В, разряжаться ниже 2,5 В, требуется обеспечить равномерное напряжение во всех банках и защиту от опасного для них напряжения. Батарея может быть собрана из защищенных аккумуляторов. Тогда на них есть маркировка «protected» («защищенные»). В корпусе имеется плата, отключающая элемент при достижении критичных параметров.

Защищенный цилиндр на 2 мм длиннее стандартного, незащищенного и немного толще, за счет дополнительной обертки. Если используются незащищенные литиевые аккумуляторы, в схему заряда литиевых  аккумуляторов устанавливается плата защиты MBS, рассчитанная на максимальную токовую нагрузку, количество банок. Часто там же встроен балансир.

Схемы балансиров для литиевых аккумуляторов

В чем заключается балансировка при сборке батареи последовательно? Когда соединение банок идет противоположными полюсами, напряжение суммируется. Ток протекает одинаковый. По разным причинам разница в емкости может немного отличаться. Но если не поставить преграду, самая малая банка переполнится, то есть перезарядится. Это плохо. При работе ток отбирается в равных количествах. Банка, у которой емкость немного ниже, разрядится настолько, что может выйти из строя, пока другие элементы сборки отдают энергию до нормы.

Балансир представляет схему, которая создает препятствия для прохождения тока в заряженную батарею, направляя ее через дополнительные сопротивления, резисторы. Балансир включает стабилитрон TL431A и транзистор односторонней прямой проводимости BDI 40

Отличные балансиры включены в схему зарядных устройств для литиевых аккумуляторов, которыми широко пользуются. Их маркировка Turnigy Accucel-6 50W 6A и iMAX B6.

Перед вами простая и понятная схема балансировки литиевых аккумуляторов, которую можно сделать самостоятельно.

 

Схема светодиодов для контроля разряда литиевых аккумуляторов

Актуально узнать, когда аккумулятор сядет. Разряжать литиевые батареи до 2,5 В не стоит, будут трудности с предзарядом. Резкое мигание светодиода послужит заметным аварийным сигналом.

Несложная схема с применением монитора напряжения еще и компактная. Неоспоримое достоинство – низкое потребление энергии. При севшей батарее это важно. Хорошо с задачей справится мигающий светодиод L-314.

Можно купить готовый прибор –MAX9030. Схема компоновки представлена. При понижении напряжения до 3,0 В начинает вспыхивать ярко светодиод с длинным интервалом. В спящем режиме расходуется 50 наноампер (10-9), при вспышках 35 мкА.

Вывод

Для каждого устройства можно составить литиевую батарею, отвечающую запросам. Но необходимо подобрать параметры комплектующих в соответствии с видом литиево-ионных аккумуляторов. Марганцевые имеют напряжение 4 В, кобальтовые 3,7 В, а железо-фосфатные 3,3 В. Собирая батарею, нужно брать элементы одного вида, лучше из одной партии.

Видео

Посмотрите ход подключения защиты и сбора батареи.

SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.

Как то я отвлекся от профильных для меня обзоров различных самоделок.
В этом обзоре я решил исправить это упущение.
В общем встречайте зарядник с балансировкой, для батареи из двух литиевых аккумуляторов.

Вообще обзор данной микрухи уже был, но так как я не ищу легких путей, то решил так же купить их, правда на Али и запилить свою версию зарядного, с блекджеком и прочим.

Начну как всегда с классики. Как это все пришло.
Я знаю, что есть читатели, которые не любят фото распаковки. Но не показать это я не мог.
Микросхемы шли с треком, сколько шли уже не помню, но попали под праздники, потому точно было не быстро.
Увидев у себя в отслеживании, что микрухи пришли в мое отделение связи, я после работы заехал за ними. Захожу, говорю мол мне бы бандерольку забрать, а скорее всего конвертик, сколько там могут занимать места десять микросхем.
Но продавец меня поразил. Он упаковал эти микросхемы в картонную коробку.
Размеры коробки видно на фото.

Внутри лежал пакет из пупырки. У меня были посылки, которые были хорошо упакованы, но так упаковать это надо еще постараться. Продавцу однозначно респект.
В общем ехал мой заказ по царски.

Внутри всей этой кучи упаковочного материала все таки обнаружился мой заказ.
Все чинно и аккуратно, пакет с защелкой и отпечатанный вкладыш с наименованием микросхем.
Если бы продавец еще и даташит вложил, я бы наверное этого уже не выдержал, но видно он знает меру :)))))

Видно, что весь мой заказ в наличии, микросхемы в стандартной ленте.

Маркировка на микросхемах четкая, но очень лаконичная, производитель вообще не указан.

Почему то мне казалось, что у этих микросхем снизу должна быть теплорассеивающая пластина для пайки. Но снизу ничего нет. В даташите тоже нет уточнения по этому поводу.

Надо было подтверждать заказ, а как подтверждать, если непонятно, работают они вообще или нет.
В общем накидал по быстрому платку для зарядника.

А после этого, специально для обзора, начертил схему.
Вдруг кто то захочет повторить.

Я не буду приводить весь процесс печати плат, он очень подробно описан в моем обзоре бумаги для этого дела.
Но на выходе я получил вот это.

А уже к этому подобрал все необходимые детали. Правда на фото не все детали, светодиоды и конденсатор добавил потом.
Вместо двух светодиодов лучше использовать один двухцветный, двухногий.
Красный цвет отображает процесс заряда, зеленый, что аккумулятор заряжен.

В итоге у меня получилась такая вот платка.
Ток заряда я выставил 400мА, так как мне больше и не надо было, да и микросхема греется весьма существенно (градусов под 100). Правильнее было бы сделать двухстороннюю плату и соединить стороны большим количеством перемычек, но я поступил немного по другому.
На плате (а особенно на чертеже печатки) видно две перемычки, они играют роль теплоотвода.
Если к этим перемычкам припаять с обратной стороны кусочек фольгированного стеклотектолита, то теплоотвод улучшится. Хотя и сами перемычки помогают весьма неплохо.
Потому несмотря на то, что по факту они ничего не соединяют, запаивать их все таки надо.

Ток заряда расчитывается по формуле — IOUT =Vcs/RSET
Где Vcs — значение внутреннего опорного напряжения, составляющее 200мВ, а RSET — сопротивление токоизмерительного резистора.
Т.е. в моем варианте ток равен — 200/0.5=400мА.

А вот так все это выглядит немного поближе.
Вместо резисторов по 10к стоят 12к, так как 10к закончились.

В реальности ток заряда получился несколько меньше.
Стартовый ток заряда составил 370мА

Через минут 20 я измерил ток заряда еще раз, заодно измерил температуру микросхемы, она составила 100.1 градуса.
На самом деле это не так страшно, при такой температуре она вполне может работать долго и счастливо.
Еще такая температура вызвана тем, что плата питается от 12 Вольт, при снижении до 10 Вольт температура заметно падает.
В общем ток получить больше можно, но при двух условиях, не задирать входное напряжение и увеличить теплоотвод.
Ток после прогрева упал до 350мА
Попутно проверил, микросхема не боится замыкания входных проводов.

Отдельное слово надо сказать за особенность данного устройства (в целом), балансировщике аккумуляторов.
Думаю для многих не секрет, что при последовательном соединении банок может получиться дисбаланс, так как емкость аккумуляторов не бывает идеально одинаковой.
Схема балансира была мною описана в обзоре переделки аккумулятора радиостанции Кенвуд.
Здесь применил то же решение, но в этот раз я решил провести небольшой эксперимент.
Ко мне попали два аккумулятора 18650 емкостью около 1800мАч. и так получилось, что один почти был разряжен, второй почти заряжен.
Я подключил аккумуляторы к плате и стал периодически измерять значения напряжения и записывать их в табличку. Данные я заносил не через четкие интервалы, так как не всегда мог это сделать, да и весь процесс занял около двух суток (разница была сильно большой).
Пускай вас не удивляет то, что суммарное напряжение батареи растет, это не вечный двигатель 🙂
Просто заряженный аккумулятор находился на своем «плато», т.е. напряжение на нем почти не падало, а на разряженном росло быстро, так как он еще не дошел до участка, когда напряжение еле ползет.
Плата перекачивала энергию из заряженного аккумулятора в разряженный. Этот процесс можно ускорить, например попробовав заменить накопительный конденсатор на более емкий, но я бы этого не делал.
В общем такая вот таблица у меня вышла.

На этом наверное все.

Итак резюме.
Плюсы.
Микросхемы работают
Упаковка более чем отличная.
Продавец нормальный.

Минусы.
Не обнаружено.

Да, конечно можно было купить готовое устройство, но не всегда можно купить готовое в необходимом габарите, да и иногда микросхемы приходится использовать в своих разрабатываемых устройствах.

Надеюсь информация была полезна и интересна. Извините, Вместо котика сегодня не будет 🙁

Ну и как всегда, материалы для скачивания, даташиты, печатка, схема.

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов

Изобретения и использование инструмента с источниками автономного питания стало одним из визитных карточек нашего времени. Разрабатывается и внедряются всё новые активные компоненты, улучшающие работу батарейных сборок. К сожалению аккумуляторы не могут работать без подзарядки. И если на устройствах, имеющих постоянный доступ электросети вопрос решается встроенными источниками, то для мощных источников питания, например, шуруповерта, необходимо отдельные зарядные устройства для литиевых аккумуляторов с учетом особенности различных типов аккумуляторов.

Последние годы всё активнее используются изделия на литий-ионном активном компоненте. И это вполне понятно, так – как эти источники питания зарекомендовали себя с очень хорошей стороны:

  • у них отсутствует эффект памяти;
  • практически полностью ликвидирован саморазряд;
  • могут работать при минусовых температурах;
  • хорошо удерживают разряд.
  • количество доведен до 700 циклов.

Но, каждый тип батарей имеет свои особенности. Так, литий – ионный компонент требует конструкцию элементарных батареек с напряжением 3, 6В, что требует некоторые индивидуальные особенности для подобных изделий.

Особенности восстановления

При всех достоинствах литий-ионных аккумуляторах у них есть свои недостатки – это возможность внутреннего замыкания элементов при перенапряжении зарядки из – за активные кристаллизации лития в активном компоненте. Также имеется ограничение по минимальному значению напряжения, которое приводит к невозможности приема электронов активным компонентом. Чтобы исключить последствия, батарея оснащается внутренними контроллером, которое разрывает цепь элементов с нагрузкой при достижении критических значений. Хранятся такие элементы лучше всего при зарядке 50 % при +5 – 15° С. Еще одно из особенностей литий-ионных аккумуляторов является то, что время эксплуатации батарейки зависит от времени ее изготовления, вне зависимости от того была ли она в эксплуатации или нет, или другими словами подвержена “эффекту старения”, который ограничивает сроком эксплуатации – пять лет.

Зарядка литий – ионных аккумуляторов

Простейшее устройство зарядки одного элемента

Для того чтобы понять более сложные схемы зарядки литий – ионных аккумуляторов, рассмотрим простое зарядное устройство для литиевых аккумуляторов, точнее для одной батарейки.

Основа схемы оставляет управление: микросхема TL 431 (выполняет роль регулируемого стабилитрона) и одном транзисторе обратной проводимости.
Как видно из схемы управляющий электрод TL431 включен в базу транзистора. Настройка аппарата сводится к следующему: нужно на выходе устройства установить напряжение 4,2В – это устанавливается регулировкой стабилитрона подключением на первую ножку сопротивления R4 – R3 номиналом 2,2 кОм и 3 кОм. Эта цепочка отвечает за регулировку выходного напряжения, регулировка напряжения устанавливается только один раз и является стабильной.

Далее регулируется ток заряда, регулировка производится сопротивлением R1 (на схеме номиналом 3Ом) в случае, если эмиттер транзистора будет включён без сопротивления, тогда входное напряжение будет и на клеммах зарядки, то есть – это 5В, что может не соответствовать требованиям.

Так же, в этом случае не будет светиться светодиод, а он сигнализирует об протекании процесса насыщения током. Резистор может быт номиналом от 3 до 8 Ом.
Для быстрой подстройки напряжение на нагрузке, сопротивление R3 можно установить регулируемое (потенциометр). Напряжение настраивается без нагрузки, то есть, без сопротивления элемента, номиналом 4, 2 – 4,5В. После достижения необходимого значения достаточно замерить величину сопротивление переменного резистора и поставить основную деталь нужного номинала вместо него. Если нет необходимого номинала его можно собрать из нескольких штук параллельным или последовательным соединением.

Сопротивление R4 предназначено для открывания базы транзистора, его номинал должен быть 220Ом.При увеличении заряда аккумулятора напряжение будет повышаться, управляющий электрод базы транзистора будет увеличивать переходное сопротивление эмиттер – коллектор, уменьшая ток зарядки.

Транзистор можно использовать КТ819, КТ817 или КТ815, но тогда придется ставить радиатор для охлаждения. Также радиатор будет необходим если токи будут превышать 1000мА. В общем, эта классическая схема простейшая зарядки.

Усовершенствование зарядного устройства для литиевых li – ion аккумуляторов

Когда появляется необходимость зарядить литий ионных батарей, соединенных из нескольких спаянных элементарных ячеек, то лучше всего заряжать ячейки отдельно с применением контрольной схемы, которая будет следить за зарядкой индивидуально каждой отдельной батарейкой. Без этой схемы значительное отклонение характеристик одного элемента в последовательно спаянной батареи приведет к неисправности все аккумуляторы, а сам блок будет даже опасным по причине его возможного перегрева или даже воспламенения.

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов 12 вольт. Устройство балансира

Термин балансировка в электротехнике означает режим зарядки, который производит контроль за каждым отдельным элементом, участвующим в процессе, не допуская увеличения или снижения напряжения менее необходимого уровня. Необходимость подобных решений вытекает из особенностей сборок с li – ion. Если из за внутренней конструкции один из элементов зарядиться быстрее остальных, что очень опасно для состояния остальных элементов, и как следствие всей батареи. Схемное решение балансира выполнена таким образом, что элементы схемы берут на себя избыток энергии, тем самым регулируя процесс зарядки отдельной ячейки.

Если сравнивать принципы зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов, то они имеют отличия от литий-ионного, прежде всего у Ca – Ni окончание процесса свидетельствует повышение напряжения полярных электродов и уменьшение тока до 0, 01мА. Также перед зарядкой этот источник должен быть разряжен не менее 30% от первоначальной емкости, если не выдержать это условия в батарее возникает «эффект памяти», который снижает емкость батареи.

С Li-Ion активным компонентом все наоборот. Полная разрядка этих элементов может привести к необратимым последствиям и резко понизить способность заряжаться. Нередко некачественные контроллеры могут не обеспечить контроль за уровнем разрядки батареи, что может привести неисправности всей сборки из-за одной ячейки.

Выходом из ситуации может стать применение выше рассмотренной схемы на регулируемом стабилитроне TL431. Нагрузку 1000 мА или больше может обеспечить установка более мощным транзистором. Такие ячейки подключается к непосредственно к каждой ячейке предохранит от неправильной зарядки.

Выбирать транзистор следует от мощности. Мощность подсчитывается по формуле P = U*I, где U – напряжение, I – зарядный ток.

Например, при токовой зарядки 0,45 А транзистор должен иметь рассеиваемую мощность не менее 3,65 В*0,45А = 1,8 Вт. а это для внутренних переходов большая токовая нагрузка , поэтому выходные транзисторы лучше установить в радиаторы.

Ниже приведен примерный расчет величины резисторов R1 и R2 на различное напряжение заряда:

R1 + R2 => U

22,1к + 33к => 4,16 В

15,1к + 22к => 4,20 В

47,1к + 68к => 4,22 В

27,1к + 39к => 4,23 В

39,1к + 56к => 4,24 В

33к + 47к => 4,25 В

Сопротивление R3 – нагрузка на базе транзистора. Его сопротивление может быть 471Ом – 1, 1 кОм.

Но, при реализации этих схемных решений, возникла проблема, как заряжать отдельную ячейку в аккумуляторном блоке? И такое решение нашлось. Если посмотреть на контакты на зарядной ножке, то на выпускаемых в последнее время корпусах с литий-ионными батареями находится такое количество контактов, сколько отдельных ячеек в батарее, естественно, на зарядном устройстве каждый такой элемент подключается отдельный схеме контроллера.

По стоимости подобное зарядное изделие несколько дороже чем линейное устройство с двумя контактами, но это стоит того, особенно если учесть, что сборки с высококачественными литий-ионными компонентами с доходят да половины стоимости самого изделия.

Импульсное зарядное устройство для литиевых li – ion аккумуляторов

Последнее время многие ведущие – фирмы производители ручного инструмента с автономным питанием, широко рекламирует быстро зарядные устройства. Для этих целей были разработаны импульсные преобразователи на основе широтно-импульсно модулированных сигналов (ШИМ) для восстановления блоков питания шуруповертов на основе ШИМ генератора на микросхеме UC3842 собран обратноходовой AS – DS преобразователь c нагрузкой на импульсный трансформатор.

Далее будет рассмотрена работа схема наиболее распространённых источника ( см прилагаемую схему) : сетевое напряжение 220В поступает на диодную сборку D1- D4, для этих целей используются любые диоды мощностью до 2A. Сглаживание пульсаций происходит на конденсаторе C1, где концентрируется напряжение порядка 300В. Это напряжение является питанием для импульсного генератора с трансформатором T1 на выходе.

Первоначальное питание для запуска интегральная микросхемы A1 поступает через резистор R1, после чего включается генератор импульсов микросхемы, которая выдает их на вывод 6. Далее импульсы подаются на затвор мощного полевого транзистора VT1 открывая его. Стоковая цепь транзистора подает питание к первичной обмотке импульсного трансформатора Т1. После чего включатся в работу трансформатор и начинается передача импульсов на вторичную обмотку. Импульсы вторичной обмотки 7 – 11 после выпрямления диодом VT6 используется для стабилизации работы микросхемы A1, которая в режиме полной генерации потребляют гораздо больший ток, чем получает по цепи от резистора R1.

В случае неисправности диодов Д6, источник переходит у режиму пульсации, поочередно запуская работу трансформатор и прекращая его, при этом слышен характерный пульсирующий «писк” посмотрим работу схемы в этом режиме.

Питание через R1 и конденсатор C4 запускают генератор микросхемы. После запуска, для нормальной работы требуется более повышенный ток. При неисправности Д6 дополнительного питания на микросхему не поступает, и генерация прекращается, затем процесс повторяется. Если диод Д6 исправен, сразу включает в работу импульсный трансформатор под полную нагрузку. При нормальном запуске генератора на обмотке 14- 18 появляется импульсный ток 12 – 14В (на холостом ходу 15В). После выпрямления диодом V7 и сглаживания импульсов конденсатором C7 и импульсный ток поступает на зажимы батареи.

Ток 100 мА, не вредит активному компоненту, но повышает время восстановления в 3-4 раза, снижая ее время от 30 мин до1 часа. (источник – журнал интернет издание Радиоконструктор 03-2013)

Внимание! Быстрая зарядка без нежелательных последствий для аккумуляторных батарей возможно только от импульсного источника. Некоторые недобросовестные производители, пользуясь рекламой предлагают купить зарядное устройство убийцу для литиевых аккумуляторов. Это произойдет в том случае, если производитель искусственно повысит постоянный зарядный ток в несколько раз от номинала. В этом случае батарея действительно будут заряжаться быстрее, но время работы в эксплуатации сократится примерно втрое и составит один – максимум два года.

Напомним, что номинальный зарядный ток рассчитывается как 0,1 от полной емкости.

Быстрозарядное устройство G4-1H RYOBI ONE+ BCL14181H
Импульсное устройство для литиевых аккумуляторов 18 вольт производства немецкой компании Ryobi, производитель народная республика Китай. Импульсное устройство подходит для литий-ионных , никель кадмиевых 18В. Рассчитана на нормальную эксплуатацию при температуре от 0 до 50 С. Схемное решение обеспечивает два режима питания по напряжению и стабилизации по току. Импульсная подача тока обеспечивает оптимальную подпитку каждой отдельной батарейки.

Устройство выполнено в оригинальном корпусе из ударопрочной пластмассы. Применено принудительное охлаждение от встроенного вентилятора, с автоматическим включением при достижении 40° С .

Характеристики:

  • Минимальное время заряда 18В при 1,5 А /ч – 60 минут, вес 0,9 кг, габариты: 210 x 86 x 174 мм. Индикация процесса зарядки подсвечивается синим светодиодом, по окончании загорается красный. Имеется диагностика неисправности, которая загорается при неисправности сборки отдельной подсветкой на корпусе.
  • Питание однофазное 50Гц. 220В. Длина сетевого провода 1,5 метра.

Ремонт зарядной станции

Если случилось так, что изделие перестало выполнять свои функции, лучше всего обратиться в специализированные мастерские, но элементарные неисправности можно устранить своими руками. Что делать если не горит индикатор питания, разберем некоторые простые неисправности на примере станции 12В ДА-10/12ЭР.

Это изделие предназначено для работы с литий-ионными батареями 12В, 1,8А. Изделие выполнено с понижающим трансформатором, преобразование пониженного переменного тока выполняется четырех диодные мостовую схему. Для сглаживания пульсации установлен электролитический конденсатор. Из индикации имеется светодиоды сетевого питания, начала и окончание насыщения.

Итак, если не горит сетевой индикатор. Прежде всего необходимо через сетевую вилку убедится в целостн

Простой зарядник для литиевых аккумуляторов


Обнаружил, что у меня валяется некоторое количество вполне исправных литиевых аккумуляторов от дохлых мобилок, ноутов и т.д, которые можно использовать в разных поделках. Чем-то их надо заряжать. В залежах были найдены подходящие детальки, и понеслось…

Содержание / Contents

Рисуем схемку, с оглядкой на наличие деталей в ящике стола. Ради такого простого изделия лень лишний раз бежать в магазин.

LM317 ограничивает ток, TL431+IRF ограничивает напряжение. Ничего особенного, наверняка таких же точно схем уже нарисовали не один десяток. Ограничение тока настроено на 125 мА исходя из возможностей применённого трансформатора и из ограничения на тепловыделение в маленьком пластиковом корпусе. Вообще-то, даже маленькие аккумуляторы от мобилок держат гораздо больший зарядный ток без перегрева.Особенность литиевых аккумуляторов в том, что у них очень строгие требования по части режима зарядки и эксплуатации. В частности, совершенно недопустимо их заряжать до напряжения более 4.2 В. Вернее, следует руководствоваться даташитом на конкретную банку, там может быть указан даже меньший безопасный порог.

Поэтому, если вы не уверены в происхождении вашего экземпляра TL431, в точности вашего вольтметра, предельном напряжении аккумулятора т.д., лучше выставить немного меньше, 4.1 — 4.15 В, на всякий случай. Это позволит безопасно заряжать банки, не имеющие встроенной платы защиты.


Кто не видел последствия перезаряда литиевых аккумуляторов, на YouTube можете глянуть, довольно поучительно. Наиболее нестабильными были банки первого поколения, они взрывались особенно зрелищно.Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.
Плата делалась достаточно компактной, чтобы вместить её в имеющийся пластиковый корпус.Травим платку, впаиваем детальки. Включаем… и слышим крик розовой птицы обломинго Нет напряжения питания. Знакомая проблема, в китайском трансформаторе сдох термопредохранитель. Пытаюсь доковыряться до него … и повреждаю провод первичной обмотки
Так, спокойно! Можно, конечно, раздербанить сердечник, отмотать витки, спаять, заизолировать… Да ну его, поищу чего-нибудь другое. Удачно попал в руки старый, ещё трансформаторный, зарядник от Nokia. Если верить надписи на корпусе, он выдаёт 3.7 В 355 мА, на самом деле после выпрямителя и конденсатора получается 12 В без нагрузки и 9 В под нагрузкой 130 мА. С этим трансформатором всё заработало как надо, и по габаритам он не больше предыдущего.
Осталось поместить девайс в корпус. ▼ Файловый сервис недоступен. Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

Спасибо за внимание!

Сергей (Yamazaki)

Ульяновск

В детстве меня ударило током, трижды, с тех пор интересуюсь электроникой.

 

Для зарядки литий-ионных аккумуляторов

требуется точное определение 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 ИС 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 батареями других типов.Обе микросхемы точно контролируют зарядный ток, чтобы обеспечить быструю зарядку при токах 1 ампер и более. Кроме того, они оба имеют точность 2,0-V ссылку, и выход прямого оптопара привода 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 аккумулятора из строя, а недозаряд более чем на 1% приведет 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 места для ошибок настолько малы, высокая точность требуется для зарядки управления circuitry.To достичь этой точность, контроллер должен иметь ссылку точности напряжения, усилитель с обратной связью с высоким коэффициентом усиления с низким смещением, и точно подобранный делитель сопротивления .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 Li-Ion.

ADP3810 и ADP3811: На рисунке 1 показана функциональная схема ADP3810 / 3811 в упрощенной схеме зарядного устройства CCCV. Два усилителя « г, м, , » (вход по напряжению, выход по току) являются ключевыми для работы ИС. GM1 определяет и управляет током заряда через шунтирующее сопротивление, R CS , а GM2 определяет и управляет конечным напряжением 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 цикл 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 тока заряда 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 батареи значительно ниже конечного напряжения заряда, так что Vsense вход GM2 (подключен к батарее) приносит положительный вход GM2 значительно ниже внутреннего стандарта 2,0-V. 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) на 0,25 Ом.Это напряжение воспринимается 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 становится отрицательным, 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 обратный, 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 до высокого уровня, и выходной ток увеличивается, в результате чего ток заряда уменьшается, поддерживая равные значения В SENSE и В REF . Управление зарядным контуром изменено с GM1 на GM2. Поскольку усиление двух усилителей очень велико, 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, показанного 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 обратного хода 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 позволяет 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 так, что повышенный ток светодиода от оптопары снижает рабочий цикл преобразователя.

Хотя сигнал от ADP3810 / 3811 управляет средним зарядным током , первичная сторона должна иметь циклическое ограничение тока переключения.Этот предел тока должен быть разработан 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 вторичная сторона V CC поднимается выше 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 обратный запуск зарядного устройства 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 для определения и управления ее напряжением.

В этой схеме реализовано полностью автономное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов.Топология обратного хода сочетает 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 можно легко сконструировать, соединив ADP3810 и ADP1148. Простое линейное зарядное устройство также может быть сконструировано только с ADP3810 и внешним транзистором. В любом случае точность, присущая ADP3810, контролирует зарядное устройство и гарантирует конечное напряжение батареи ± 1%, необходимое для зарядки литий-ионных аккумуляторов.

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
Указатель статей
Основной указатель
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 ИС
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.Они варьируются от портативных компьютеров, мобильных («сотовых») телефонов до так называемых «ховербордов» (также называемых балансировочными щитами) и даже самолетов. Противовесы стали причиной ряда пожаров в домах и разрушили или повредили многие объекты недвижимости по всему миру. Если элементы не заряжены должным образом, существует высокий риск вентиляции (выброс газов под высоким давлением), который часто сопровождается возгоранием.

Литий — самый легкий из всех металлических элементов, он плавает на 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 же, 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 грузов. Если батареи поставляются отдельно (не встроены в оборудование), они должны быть заряжены не более чем на 30%.

В отличие от некоторых более старых аккумуляторных технологий, литиевые батареи нельзя (и не следует) оставлять на плавающем заряде, хотя может быть , 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, хотя статей о зарядке литиевых батарей существует бесчисленное множество, различных предложений, рекомендаций и мнений почти столько же, 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, причем 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 , также известный как 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 необходимо 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 не совместимы с обычными 3.70-вольтовый Li-Ion. Необходимо обеспечить идентификацию систем и обеспечение правильного зарядного напряжения. Литиевая батарея на 3,70 В в зарядном устройстве, предназначенном для LiFePO 4 , не получит достаточного заряда; LiFePO 4 в обычном зарядном устройстве вызовет 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 к ним.

Литий-ионные элементы

надежно работают в пределах установленных 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 производит двуокись углерода (CO2). Давление в ячейке возрастает, 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 вентилироваться — 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 должен включать — схему защиты, чтобы гарантировать, что каждая ячейка контролируется и защищена от перезарядки. Вероятно, что дешевые (или поддельные) аккумуляторные блоки вообще не содержат схемы 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 делают различия между контролем аккумулятора и защитой аккумулятора . Это две отдельные функции, и, как правило, они представляют собой отдельные элементы 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 отдельных ячеек) это процесс балансировки, который гарантирует, что каждая ячейка тщательно контролируется во время зарядки для поддержания правильного максимального значения ячейки. вольтаж. Защита Цепи обычно подключены к батарее постоянно и часто встроены в батарею. 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 одной ячейки система балансировки 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. В некоторых есть дополнительные возможности, например, мониторинг температуры ячейки. В больших установках отдельные контроллеры ячеек обмениваются данными 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 элементов параллельно).

Параллельная работа ячеек не проблема, 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 — некоторые 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 допустимого.

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 безопасность и срок службы батареи. 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 это 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 медленный заряд (обычно менее 0,2 ° C), можно прекратить зарядку, как только элемент (-ы) достигнет 4,2 В, и заряд насыщения не потребуется.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 элементом, и напряжение напряжения минимизировано.


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

Как ясно видно на графике, быстрая зарядка означает, что емкость отстает от напряжения заряда, а 1С достаточно 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 ячейки 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 при 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 во время зарядки аккумулятора. При разряде 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%, так как это практически устраняет «напряжение напряжения», возникающее, когда напряжение элемента достигает 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 со сниженной 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 вредоносного ПО практически для каждой операционной системы, важно убедиться, что настройки 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 идеальным, но оно должно быть в разумных пределах. Нас не очень волнует, действительно ли источник питания 1 А выдает 1,1 А или 0,9 А или немного варьируется 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, по крайней мере, 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 разряжается ниже 3 В, и может даже не понадобиться при минимальном напряжении 2,5 В. Если напряжение разряженного элемента меньше 2,5 В, потребуется предварительная зарядка C / 10. Если вы когда-либо заряжаете только по тарифу C / 10, более низкий тариф не требуется.


Рисунок 2 — Цепь заряда постоянного тока / постоянного напряжения

Показанная схема ограничивает ток до значения, определяемого R1.При сопротивлении 12 Ом ток составляет 100 мА (достаточно близко — на самом деле 104 мА), который задается сопротивлением и внутренним опорным напряжением 1,25 В. LM317. 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 аккумулятора от регулятора (U2), если аккумулятор подключен 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 балансирующие схемы. Каждая система будет отличаться, но базовая схема достаточно гибкая, чтобы вместить большинство 2-4-элементных аккумуляторных батарей. Зарядку можно остановить, подключив контакт «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 микросхем производят специализированные микросхемы, и их 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» IC.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 самое касается 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 означает, 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 до тех пор, пока напряжение на ячейке не поднимется достаточно высоко, 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 обеспечивает 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 4,2 В и последовательный резистор. Процесс зарядки будет довольно медленным, но если он ограничен значением около 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 (12 Ом для 100 мА).Вероятность того, что низкий ток вызовет какое-либо повреждение элемента, очень мала, 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 элементами) довольно проста с использованием правильной (-ых) ИС (-ий), становится сложнее, 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 себе представить, что в пакете из 2-х ячеек необходимо контролировать только одну ячейку, а другая будет заботиться о себе. Но 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. Только когда вы поймете, что к каждой ячейке необходимо применить довольно сложные и точные схемы, это становится пугающим.Поскольку все ячейки находятся под разным напряжением, главному контроллеру требуются схемы переключения 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 концептуальные и предназначены для демонстрации основных принципов. Они не предназначены для конструирования, и микросхемы, показанные на «А», не являются какими-то конкретными устройствами, 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 элементами 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.Вряд ли это будет проблемой для небольших батарей (2-5 ячеек), 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 рассеивает только 315 мВт, но это быстро складывается для очень большого аккумуляторного блока, и именно здесь активная балансировка становится важной.

Реализация устройств от разных производителей сильно отличается и зависит от принятого подхода.Некоторые из них управляются микропроцессорами и предоставляют микропроцессору информацию о состоянии для регулировки скорости заряда, в то время как другие являются автономными и часто в основном аналоговыми. Схема, показанная выше (‘B’), упрощена, но также вполне может использоваться, как показано. Три потенциометра по 20 кОм отрегулированы так, чтобы подавать точно 4,2 В на каждый регулятор. 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 заряжены!

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 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 температурное отслеживание, которое соответствует напряжению эмиттер-база транзисторов (Q1 — Q3).Зарядное устройство могло бы легко продолжать обеспечивать свой максимальный выходной ток, но при этом весь его рассеивался 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, поскольку 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 снизить 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 трехэлементной литиевой батареи.Он не уравновешивает ячейки, но обнаруживает, превышает ли какая-либо ячейка в пакете порог «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 записывает заряд, идущий в батарею, и энергию, потребляемую из 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, невозможно надежно определить.

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 завышают 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 невозможно, но, похоже, никого не волнует, что покупателей вводят в заблуждение.

Ячейка 18650 — это основа многих аккумуляторных блоков портативных компьютеров, 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», при этом к элементам приварены металлические выступы, поэтому для их электрического соединения не требуется физический контакт.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 «аккумуляторном 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, желательно немного меньше) и ограничивает пиковый ток зарядки 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 они 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 на большинстве щелочных ячеек), в то время как другие имеют плоскую вершину. Часто они не взаимозаменяемы.

Чтобы сбить с толку вопрос, есть также литиевые элементы размера AA (диаметр 14500 — 14 мм и длина 50 мм). Поскольку это элементы 3,7 В, это , а не «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» оснащена парой литий-ионных аккумуляторов 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 Li-Ion 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 снимать 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 балансного зарядного устройства была такой, что было бы неразумно пытаться построить его за такие же деньги. Даже получить необходимые детали может быть непросто!

При добавлении реле и балансировочного зарядного устройства к системе необходимо было только подключить внешний источник питания (12 В) к стандартной розетке постоянного тока на задней панели, и это активирует реле и зарядит 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 батарей 2S и 3S и стоит менее 10 долларов США у онлайн-поставщика различных аккумуляторов, зарядных устройств и т. Д. Для хобби. Используется диод, чтобы батарея не удерживала реле включенными при зарядном устройстве. питание отключено. Без используемой схемы отключения реле балансные цепи разрядили бы аккумулятор за пару дней. Схема, питаемая от показанной системы, имела встроенный датчик напряжения, который был разработан для отключения всего, 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 на нижней стороне платы у него есть несколько SMD-микросхем и других деталей.


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 балансировочном зарядном устройстве — 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 уровень техники 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 батареи. Этот процесс снизил риск повреждения (и / или возгорания), вызванного перезарядкой, и увеличил 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 в случае короткого замыкания, что вполне способно вызвать воспламенение 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 огромный 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 надлежащие гарантии от катастрофического отказа.

Это не означает, что литиевые батареи всегда будут безопасными, что было доказано множеством отказов и отзывов по всему миру. Однако следует учитывать огромное количество используемых литиевых элементов и батарей. Их используют каждый современный мобильный телефон, ноутбук и планшет, 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 оторваться от земли со свинцово-кислотным аккумулятором на борту!

Обычно людям 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 сложный аргумент. Однако, если учесть количество используемых литиевых батарей, отказы на самом деле случаются очень редко. К сожалению, когда происходит сбой и , результаты могут быть катастрофическими.Вероятно, не помогает то, что СМИ поднимают большой шум каждый раз, когда выясняется, что литиевый аккумулятор 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). Никогда не заряжайте аккумуляторы, 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), поскольку 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 микросхему, но даже 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 литиевая батарея или элемент находятся на зарядке. У лично у меня никогда не было проблем с литий-ионными батареями или элементами , и я использую их довольно много 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, обычно можно 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 (обычно называемых 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 способны прожить безопасную, долгую и счастливую жизнь.

Цепь отключения батареи, которая полностью отключает батарею, когда напряжение упадет до заданного предела, см. В проекте 184. Это было разработано специально для предотвращения чрезмерной чрезмерной разрядки, если оборудование с батарейным питанием случайно остается включенным после использования.

Список литературы
  1. Литий — Википедия
  2. Почему литиевые батареи загораются
  3. Зарядка литий-ионных батарей
  4. Расчет литиевых батарей (FedEx)
  5. UPS расширяет зону обслуживания опасных грузов — вам необходимо выполнить поиск по сайту
  6. SII S8253 Лист данных (Seiko)
  7. 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 средствами, 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, опубликовано в феврале 2017 г. / Обновлено в сентябре 2018 г. — только небольшие изменения. / Октябрь 2018 г. — добавлен раздел 8.


Наши блоги — Как заряжать литиевые батареи параллельно?

27 ноября 2019 г. 19:19:55 America / Los_Angeles

Батареи могут достигать желаемого рабочего напряжения при последовательном соединении нескольких ячеек; Каждая из ячеек добавит свой потенциал напряжения, чтобы получить полное напряжение, требуемое на клеммах.С другой стороны, параллельное соединение увеличивает емкость за счет простого добавления общего ампер-часа (Ач) всех задействованных ячеек.

Однако некоторые аккумуляторные блоки состоят из комбинации последовательного и параллельного подключения. Для ноутбуков обычно используются четыре литий-ионных элемента 3,6 В, подключенных последовательно для достижения номинального напряжения 14,4 В, а затем две ячейки, подключенные параллельно, для увеличения емкости с 2400 мАч до 4800 мАч. Эта конфигурация известна как 4s2p, что означает четыре ячейки последовательно и две ячейки параллельно.Изолирующая пленка между ячейками предотвратит короткое замыкание токопроводящей металлической оболочки.


Большинство химикатов, используемых в батареях, подходят как для последовательного, так и для параллельного подключения. Однако важно, чтобы использовались батареи одного и того же типа с одинаковым напряжением и емкостью (Ач), и их нельзя смешивать с батареями разных производителей и размеров. Более слабая ячейка вызовет дисбаланс в системе. Это особенно важно в любой конфигурации, выполненной последовательно, потому что мощность аккумулятора равна самому слабому звену в цепи.

Параллельная зарядка литиевой батареи

Если есть необходимость в более высоких токах, и нет места для больших элементов, или большие элементы не соответствуют конструкции или структуре батареи или устройства, тогда одна или несколько ячеек могут быть подключены параллельно. Как указывалось ранее, большая часть химического состава батарей допускает параллельное подключение и конфигурацию с минимальными побочными эффектами или их отсутствием. Номинальное напряжение может оставаться неизменным (например, 3,60 В), но емкость (Ач) и время работы батареи будут увеличиваться в зависимости от количества подключенных батарей.

Таким образом, при параллельном подключении аккумуляторов емкость аккумулятора в Ач увеличится, включая время работы. Но напряжение всегда останется прежним.

Ячейка, которая развивает высокое сопротивление, менее критична при добавлении к параллельному соединению, чем в последовательной конфигурации. Но неисправный элемент снижает общую нагрузочную способность. Это похоже на двигатель с четырьмя цилиндрами, который работает только на трех, а не на четырех. Однако электрическое короткое замыкание является более серьезным, поскольку неисправный элемент забирает энергию из других элементов и может создать опасность возгорания.Большинство так называемых электрических коротких замыканий мягкие и выражаются в высоком саморазряде.

Полное короткое замыкание может произойти из-за обратной поляризации или роста дендритов. Таким образом, большие блоки в основном включают в себя предохранитель, который отключит неисправный элемент от параллельной цепи при коротком замыкании.

Слабый элемент не влияет на напряжение, но приведет к сокращению времени работы из-за уменьшенной емкости. Короткая ячейка может вызвать чрезмерное нагревание и создать опасность пожара.В более крупных упаковках присутствует предохранитель. Предохранитель предназначен для предотвращения высокого тока путем изоляции неисправной ячейки.


Можно ли безопасно заряжать литиевые батареи параллельно?

Да, параллельно можно заряжать батареи. Все, что вам нужно сделать, это соблюдать меры предосторожности, связанные с зарядкой литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторов. Если вы не знаете, как это работает, вы либо найдете кого-нибудь, кто сможет это сделать, либо вообще не попробуете.В большинстве случаев использование правильных инструментов (например, правильного зарядного устройства) может сэкономить вам много времени и стресса.

Только батареи одного типа (глубокого разряда, пусковые, AGM, герметичные, гелевые, необслуживаемые) могут заряжаться одновременно при параллельном подключении (от + до +, от — до -).

При параллельном подключении аккумуляторов общее напряжение аккумуляторов сохраняется. Например, если две 12-вольтовые батареи подключены параллельно, общее напряжение составляет 12 вольт.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

2019 © Все права защищены.