Все для литиевых аккумуляторов: микросхемы STM для зарядных устройств и мониторинга батарей. Микросхемы STBC08 и STC4054

Специализированные микросхемы TC4054, STC4054, LTC4054 (контроллеры питания) идентичны и различаются лишь производителем и ценой. Их большой плюс – малое количество обвязки – всего 2 пассивных элемента. По желанию можно включить светодиод с ограничительным резистором, который будет индицировать процесс заряда: горит при заряде и гаснет по его окончании.

Напряжение питания микросхемы лежит в пределах 4.25 – 6.5 вольт, таким образом ЗУ на этой микросхеме можно питать от USB разъёмов (кстати, на основе этих микросхем и построено большинство простых зарядок питаемых от USB). Заряжает до 4.2 В с максимальным током до 800 мА. Имеет защиту от к.з. на выходе и от перегрева.

Такие микросхемы можно обнаружить, например, на платах телефонов от Samsung (модели X100, C100, С110, E700, E800, E820, P100, P510 и некоторых других). Микросхема выпускается в небольшом корпусе, но паять её относительно удобно. Маркировка на корпусе может быть «LTH7» или «LTADY».

Схема зарядного на TC4054

Вот схема ЗУ на основе этой микросхемы. Ток заряда задается резистором R2 по формуле I = 1000 / R2, где I – ток в амперах, R2 – сопротивление в омах.

Следует заметить, что при высоких токах заряда микросхема весьма ощутимо греется и оптимальным для неё будет ток заряда 300 мА (при сопротивлении R2 = 3 кОм). При перегреве микросхемы встроенная схема защиты автоматически снижает ток в нагрузке!

Корпус микросхемы не предназначен для установки её на радиатор, поэтому производитель рекомендует оставлять на печатной плате вокруг нее большое количество меди (особенно на общем «земляном» и на 3-м выводах) и делать на печатной плате по возможности более широкие дорожки.

В некоторых источниках встречалась субъективная информация о том, что микросхемы в корпусе LTH7 в отличие от LTADY могут «поднять» сильно севший аккумулятор даже с напряжение меньше 2.9 вольт, но у меня лично не было возможности проверить эту информацию.

Аналоги TC4054

У этой микросхемы существует множество аналогов (по данным справочной литературы):

MCP73831, TB4054, QX4054, TP4054, SGM4054, ACE4054, LP4054, U4054, BL4054, WPM4054, IT4504, Y1880, PT6102, PT6181, VS6102, HX6001, LC6000, LN5060, CX9058, EC49016, CYT5026, Q7051.

Естественно перед использованием аналогов, рекомендуется сверяться с их даташитами (посмотреть документацию).

LTC4054 Контроллер заряда литиевых аккумуляторов

Недавно возникла необходимость в зарядном устройстве для литиевых аккумуляторов. Покупать готовое решение не хотелось, тем более под рукой была плата от старого нерабочего телефона Samsung X100 с этой микросхемой на борту. Ее также можно найти и на платах от других моделей телефонов Samsung(C100, С110, Х100, E700, E800, E820, P100, P510).

Микросхема выпускается в небольшом, но удобном для пайки корпусе. Маркировка «LTH7» или «LTADY», разницы в них нет, это один и тот же контроллер.

Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой вроде мудреных формул с зависимостью от таких параметров, как температурное сопротивление печатной платы, я не буду. Опишу только самые необходимые особенности.

Ток заряда до 800мА(по крайней мере, так указано в даташите)
Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 вольт
Индикация заряда
Защита от КЗ на выходе
Защита от перегрева(снижение тока заряда при температуре больше 120 градусов)
Минимальное число дополнительных деталей в схеме

Индикация: на первую ножку можно просто повесить светодиод, который будет гореть во время заряда, а можно встроить цепь заряда в цифровое устройство и следить за ее состоянием с помощью микроконтроллера.

Ток заряда: задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле I=1000/R, где I-ток заряда в амперах, R-сопротивление резистора в омах.
Внимание! Не стоит сразу ставить высокий ток заряда, лучше начинать подбирать сопротивление с меньших токов и следить за температурой микросхемы. Она имеет свойство весьма ощутимо греться.
Я остановился на сопротивлении 3 килоома, ток

300мА, во время заряда плата теплая, но не горячая.

Теплоотвод: микросхема выполнена в очень маленьком корпусе, от которого все же необходимо отводить тепло. Возможности поставить ее на радиатор нет, поэтому производитель советует оставлять на печатной плате вокруг нее большое количество меди(особенно на земле), использовать по возможности более широкие дорожки.

Плату сделал под разъем MiniUSB и SMD компоненты.

Зарядное устройство испытано на аккумуляторах от телефонов, работает стабильно.

Даташит
В архиве ниже печатная плата(SprintLayout).

ТехноГен

Блог посвящённый радиоэлектронике, микроконтроллерам и современным технологиям.

13.07.2013

Простейшее зарядное устройство для Li-Ion АКБ на STC4054

Основная проблема при создании портативного устройства с автономным источником питания в виде аккумуляторной батареи – зарядное устройство, а точнее – это элементная база которую можно встроить в устройство.
Основные критерии выбора – минимум обвеса, питание 5V, вывод индикации, ток заряда в пределах 500mA с возможностью установки, низкая стоимость. Вроде бы и требования не такие колоссальные, но у каждой микросхемы ЗУ есть свои минусы, которые я попробую описать.

Все началось с микросхемки BQ2057 (PDF). Схему подключения я не привожу, так как есть даташит. Первые впечатления – она работает. Стоимость – не так уж и высока, но наличие большого количества деталей обвеса (особенно токовый датчик) пугает.

Плюсы:
– Максимальный ток заряда зависит от выходного транзистора и шунта.
– Присутствует индикация заряда.

Минусы:
– Не очень удобный для пайки корпус TSSOP-8.
– Много деталей обвеса.

Вердикт – идеально подходит для внешних зарядных устройств, или устройств с большой емкостью АКБ для большого тока заряда.

Следующей микросхемой в данной эпопее была NCP1835 (PDF).
Некоторое время эта микросхема была идеальным вариантом для меня. Была собрана не одна конструкция с данной микросхемой, пока они не закончились.
Характеристики и схему можно опять-же посмотреть в даташите.

Плюсы:
– Наличие индикации заряда.
– Таймер зарядки с индикацией ошибки.
– Минимум деталей обвеса.
– Выбор тока заряда внешним резистором (не шунтом).

Минусы:
– Корпус меньше чем у предыдущей – DFN-10 (3x3mm).

Вердикт – идеальный вариант для миниатюрных устройств, но усложняет изготовление платы и монтаж, да и цена не самая низкая, но вполне приемлемая.

После данной микросхемы я познакомился с продукцией компании Microchip – MCP73812 (PDF). Отличная не дорогая микросхемка с обвесом в виде резистора, ну и ложка дегтя – отсутствие индикации, ну и как по мне она достаточно греется и мне не очень понравилась.

Плюсы:
– Минимум деталей обвеса.
– Выбор тока заряда внешним резистором (не шунтом).
– Корпус SOT23-5.

Минусы:
– Отсутствие индикации.
– Не очень стабильная работа при просадке питания.

Вердикт – она есть, и подойдет в простейшие схемы где нет необходимости индицировать процесс заряда.

А вот теперь то, на чем мои поиски пока-что остановились про причине удовлетворения всех моих запросов (естественно в плане ЗУ) – микросхема компании ST, более дешевый вариант при одинаковом функционале с LTC4054 – STC4054 (PDF).
При цене отличающейся в 6 раз от оригинала (до 1$), она отвечает всем моим запросам, и идеально подходит во все конструкции.

Контроллер зарядки Li-Ion LTC4054

В данной статье поговорим про контроллер зарядки Li-Ion LTC4054. Почему именно он?

Однажды на работе (в то время я работал разработчиком систем охлаждения лазеров), ко мне пришёл мой начальник и сказал:

Нам срочно нужно сделать автономную систему охлаждения одного устройства. Я хочу чтобы ты сделал полностью автономную систему термостабилизации

На это я сразу сел и составил список не опробованных и новых для меня вещей, которые я должен сделать перед тем, как выкатить новое устройство. Дело с самими системами у меня обстояли хорошо, а вот с автономностью была полная беда:

Читать еще: Прозрачный телефон купить. Первый в мире прозрачный смартфон Polytron Technologies, уже не концепт

Я никогда до этого не делал автономные устройства и LI-ion аккумулятор был для меня редкостью, и только в 1-ом экземпляре.

Тут же сел за компьютер и углубился в познание всего того что «умельцы и профессионалы» делаю, чтобы получить устройство с аккумуляторным питанием. Достаточно быстро я наткнулся на статьи о том, что такое литиевые аккумуляторы, как их идеально можно и нужно заряжать чтобы не падали характеристики аккумуляторов. Оказалось, что почти все крупные производители микросхем и интегрированных сборок выпускают свои контроллеры заряда аккумуляторов разных типов, но зайдя на сайты магазинов торгующих через интернет пришёл к мнению, что их красивые и хорошие контроллеры стоят денег и в наших магазинах их практически нету. Но, зайдя на алиэксперсс, я быстро нашёл не самые новые решения, зато доступные. Самым дешёвым чипом, который мне предлагал сайт, был на тот момент (2014г) контроллер заряда батарей LTC4054, которых я и купил с дуру 50-т штук. В итоге ко мне приехали чипы показанные на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид контроллера LTC4054.

Обоснование выбора данного контроллера.

Мой выбор, по обсуждению со знакомыми, казался весьма странным, но после того как я привёл вот такую аргументацию многие из них поняли меня и тоже их заказали:

• Контроллер позволяет заряжать как Li-Ion так и Li-Pol аккумуляторы без значительной потери ёмкости последних.

• Работает с зарядными токами до 800мА. В теории это позволяет заряжать аккумуляторы ёмкостью до 8000мАч. Это прям огромная ёмкость которая не у всех PowerBank-ов то есть.

• Рабочий ток регулируется всего одним резистором. Это удобно, подумал я. Спустя время я понял, что это стандарт.

• Встроенная тепловая защита от перегрева контроллера. Крайне полезная тема, позволяющая не раскалить вашу микросхему до красна и в некоторых случаях избежать проблем короткого замыкания (КЗ).

• Встроенный силовой ключ для зарядки батарейки.

• Минимум деталей помимо контроллера. По даташиту требовался лишь фильтрующий конденсатор и резистор программирования рабочим током. Чисто технически их можно использовать в корпусе для SMD монтажа 0603/0402, что благоприятно влияет на размеры устройства и стоимость сборки (минимум точек пайки)

• Контроллер занимает на плате минимальное место (корпус sot23-5 размерами 2,8х2,9 мм)

• Есть встроенная индикация начала и конца зарядки (которую можно и не паять), которая приятно сообщает о том, что контроллер начал заряжать батарейку и о том, что он закончил.

• Корпус конечно SMD, но лапки у него сбоку, а не под ним. Это позволило достаточно просто его паять на платы обычным паяльником и не заморачиваться с обдувом феном с прогревом платы.

• Чисто технически пин управления внешним светодиодом можно законтачить с ножкой микроконтроллера и делать отключение МК при работе от зарядки, но я как то до сих пор эту сторону не проверил.

• Ну прям очень низкая стоимость (мне они достались по 12 рублей за штуку), тогда я думал что это дорого, но это копейки по сравнению со стоимостью аккумуляторов.

• Контроллер судя по даташиту достаточно был старый (2003г) и я думал что он прям отработанный. Посмотрев эту тему в интернете я нашёл, что даже в некоторых телефонах его использовали. Современное состояние цен.

Дело в том, что в последствии мои читатели сказали, что «от производителя» данные микросхемы идут дороже, чем я купил с Китая. Зайдя на популярный сервис Диджикей я вдруг прочитал, что микросхемы достаточно дорогие = 1,82$ (обращение в апреле 2017г). не знаю с чем это связано. Возможно с моральным устареванием и проблемами, описанными ниже по тексту, возможно мне в Китае продали остатки от крупной партии которые не потребовались установочной машине, и эти детали списали как остатки.

Первое включение

Чисто технически я достаточно быстро(всего за 3 месяца, так как было много другой работы) разработал и запаял себе микро плату, на которой испытал данный контроллер в деле. К сожалению фото данной платы у меня не осталось, но потом я делал плату с защитой для 18650 + LTC4054 + BMS(DW01a) и могу вам её показать на рисунке 2.

Рисунок 2. Внешний вид платы зарядки с BMS контроллером.

После подключения к блоку питания порядка 15 секунд всё было прям отлично, а потом началось снижение токов. Контроллер перегревался. В разводке платы я не учёл, что она работает как линейный стабилизатор и разницу между +5V по входу и 2,4…4,2В на выходе переводит в тепло на заданном токе. При установленном мною токе в 600мА на начале заряда полностью севшего аккумулятора на микросхеме выделялось 2 Вт тепла. Судя по даташиту она должна была прогреться на +300*С, но включилось ограничение по температуре кристала и ток был снижен.

Честно говоря это происходило пульсациями, так как данная защита компараторного типа, которые могут приводить даже к выходу неподготовленной электроники из строя, о чём я снял видео:

Решение нашлось очень быстро, и при помощи плоского зажима для бумаги я легко отвёл тепло от микросхемы и она показала запрограммированный ток. В дальнейших решениях я как только не старался отвести тепло печатной платой. Пожалуй самый лучший в этом плане вариант я привожу в качестве примера на рисунке 3. Там я буквально от каждой ножки отвожу тепло полигоном. Даже от средней ножки земли 9через металлизированные отверстия на другую сторону платы. При таком решении я пробовал работу аккума при рабочем токе в 550мА. В серийных моделях я конечно сбавляю ток резистором до 300мА, прилично снижая температуру корпуса и делая возможность его работы в замкнутых и герметичных корпусах.

Рисунок 3. Вариант печатной платы с отводом тепла полигонами с металлизацией.

Большее значение токов достигалось при помощи последнего варианта с обдувом воздуха и закреплённой скрепкой для бумаг. Там я снимал токи до 800мА, после чего контроллер почему-то уходил в защиту по току.

Заряжал я при этом всё от своего блока питания, и бед не знал. После этого меня уволили с той работы (кризис и мои кривые руки) и за эту тему я взялся через год под ещё один проект.

Там я воткнул всё это дело к USB разъёму и получилось не плохо, заряжалось. Там была куча других проблем, с которыми я боролся, но потом переключившись на другие проекты просто забросил. Это достаточно ранние мои познания в этой области и тут всё работало на зарядном токе порядка 200 мА. Дальше не позволяло тепло.

После этого мне потребовалось собрать мои последние устройства, которыми я прям доволен. Я почти не раздумывая установил туда LTC4054. И, всё было снова здорово. Аккумуляторы заряжались, удалось собрать всё в корпус, но в виде отведения тепла было ещё не всё так идеально (250-270 мА), но уже близко. Всё работало с USB-MINI разъёмом и я прям не беспокоился о этом узле устройства. Наглядно его можно посмотреть на рисунке 4.

Рисунок 4. Фотография платы gatemeter.

Но, прогресс не остановить, и мой друг попросил меня немного его доработать:

• Нам пришёл фантастически удобный новый корпус

• Хотелось учесть ряд огрехов в ВЧ части и повысить чувствительность

• Хотелось снизить габариты и использовать другие дисплеи.

После этого у меня, путём кучи работы появилась версия 2, показанная на рисунке 5. С ней оказалось, что я исправил все остальные огрехи, но почему-то не работала система зарядки и питания. Грешить на TPS63000 я не стал, и по сему я продолжил изучать возможности LTC4054.

Читать еще: Стоковая прошивка для htc desire sv. Установка прошивок - Прошивки для HTC Desire SV от Спесивцева Артёма

Новый виток.

И снова столкнулся с тем, что пришлось писать в компанию производитель микросхем. На этот раз письмо было отправлено в Linear Technology, с просьбой объяснить, что делать если их микросхема приводит к проблемам. Описание сути проблемы: Есть контроллер зарядки Liion аккумуляторов LTC4054 от 5-ти вольтовой линии. При коммутации его с любой стандартной 5-ти вольтовой зарядкой BMS(защита аккумулятора) отключалась по сигналу OverCharge. Экспериментальным путём было выявлено: что при подключении отключённого от сети 220В блока питания, а затем запуска с уже присоединённой платой зарядки, BMS в защиту не уходило и начиналась стандартная зарядка.

Как было позже выяснено — это влиял фильтрующий конденсатор, который генерировал искру и высоковольтный (7 вольт) выброс (свойство блоков питания), который и приводил к нужному срабатываю защиты (данный конденсатор на схеме показан зелёным смотри рисунок 5).

Рисунок 5. Схема подключения LTC4054

В даташите есть чёткое описание необходимости этого момента:

Positive Input Supply Voltage. Providespower to the charger. VCC can range from 4.25V to 6.5V and should be bypassed with at least a 1µF capacitor.

После этого контроллер LTC4054 естественно не видел аккумулятор, и выдавал почти даташитовские 100 мВ на ножке PROG и 1.4 В на линии батарейки.

Разобравшись в этой проблеме, я удалил конденсатор с платы, после чего всё стало хорошо. Зарядка хорошо работает, но остался вопрос: зачем Linear Technology указывают его в даташите, если он приводит к неработоспособности устройства? Собственно именно этот вопрос я и задал производителям из LT, и жду ответа.

На письмо мне так и не ответили, но я отправил копию подписчикам своего сообщества, где получил мощнейшую дискуссию по данной проблеме, откуда я пришёл к заключению:

1. В разъёме контакты находятся близко друг к другу, что создаёт значительную индуктивность, препятствующую протеканию больших импульсных токов

2. Конденсатор можно удалить, ничего страшного в этом нету. При длине шнура более 30 см всё работает нормально.

По заключению всё работало, но труда и нервов это стоило много. Теперь о данной проблеме я в курсе, стараюсь сейчас испытать метод защиты устройства от данной проблемы при помощи ограничивающего резистора. Как только испытаю допишу тут.

По всему вышеописанному хочу сказать, что сейчас с некоторой опаской отношусь к данному контроллеру заряда батареек. Есть ряд более дешёвых, и не сильно более громоздких контроллеров заряда по типу MCP73833, которые так-же можно применять в своих разработках, но которые выпущены раньше (чем 2003 год) и за такие же деньги позволяют больший функционал/выше зарядные токи/обеспечивают работу ряда хитрый функций, но:

• на текущий момент это всё ещё доступное открытое и понятное решение, которое можно найти в интернете, и которое стоит своих денег

• Наличие кучи встроенных защит скорее отключит устройство, чем причинит вред аккумулятору

• Работать с ним было одно удовольствие, хотя нагрев немного портит картину.

• Даташит составлен очень здорово. Есть почти всё, что может потребоваться начинающему инженеру, судя по приложению.

• Цена в Китайских магазинах до сих пор остаётся на уровне 4-5 рублей за штуку.

Справочная информация – Промэлектроника

Микросхемы предназначены для управления процессом заряда никель-металло-гидридных (NiMH), никель- кадмиевых (NiCd) и литиевых (Li+) аккумуляторов и выполняет функцию точной регулировки зарядного тока, поступающего от внешнего источника постоянного напряжения (величина напряжения от этого источника может превышать рабочее напряжение аккумулятора всего на 1,5 В). Устройство может работать в двух режимах: быстрой зарядки (большой ток заряда) и постоянной подзарядки (минимальный ток подзаряда необходимый для поддержания аккумулятора в полностью заряженном состоянии). Для управления процессом микросхемы могут использовать три параметра: температуру батареи, напряжение на элементе, время заряда, при этом все эти параметры могут использоваться как по отдельности, так и в комплексе.
Например, заряд заканчивается при повышении напряжения на элементе выше порога или нагреве батареи до определенной температуры, или по прохождении определенного времени с начала зарядки, далее рассмотрим такой случай – аккумулятор разряжен, но его температура слишком мала для включения режима быстрой зарядки, без риска повредить аккумулятор, – в этом случае микросхема включит режим подзарядки и перейдет к режиму быстрого заряда только когда температура аккумулятора достигнет рабочих пределов.
Данные элементы могут применяться как в качестве отдельных устройств (зарядные устройства), так и встраиваться непосредственно в корпус аккумулятора (т.н. с минимумом обслуживания)

Отличительные черты микросхем: MAX713/MAX712

Обслуживание NiMH и NiCd аккумуляторов
Быстрый заряд аккумуляторов
Окончание заряда по выполнению одного из контролируемых параметров: падение напряжения на аккумуляторе, температуре аккумулятора, истечении времени заряда
Два режима работы: линейный (возможно питание внешнего устройства от аккумулятора в процессе зарядки) и импульсный (минимальное выделение тепла на ключевом элементе)
Величина зарядки, число заряжаемых аккумуляторов, пороги остановки режима зарядки (по напряжению, по температуре, по времени) легко программируются путем простой коммутации выводов микросхемы
Внутренний источник питания микросхемы
Величина зарядного тока: режим быстрой зарядки от С/4 до 4С, режим подзаряда – С/16, где С – рекомендуемый производителем аккумулятора зарядный ток
Автоматический выбор режима заряда: быстрый или подзарядка
Заряд от 1 до 16 аккумуляторов
Минимальное количество элементов обвески
Модели MAX712 и MAX713 отличаются друг от друга только методом определения окончания заряда при контроле напряжения на батарее – MAX712: заряд заканчивается, когда напряжение на батарее равно номинальному, MAX713: заряд заканчивается, когда напряжение на батарее превышает номинальное на 2,5 мВ

Типовая схема включения MAX713/MAX712

Приведенная схема позволяет реализовать схему бесперебойного питания нагрузки (в случае отсутствия основного питания, нагрузка запитывается от аккумулятора) здесь микросхема MAX, осуществляет полное обслуживание аккумулятора: не допускает перезаряда, осуществляет быстрый и корректный заряд аккумулятора после использования, продлевая срок его службы и сводя к минимуму его обслуживание.

На схеме: Wall Cube – внешний источник питания; Load – нагрузка; Battery – аккумулятор

Отличительные черты микросхем: MC33340

Обслуживание NiMH и NiCd аккумуляторов
Только импульсный режим работы
Малогабаритный корпус
Параметры также программируются путем простой коммутациивыводов, но их количество меньше чем у MAX713/MAX712
Порог отключения (разница между номинальным и измеренным напряжением на элементе заряда (переход в режим подзарядки) составляет всего 4 мВ
Высокая помехозащищенность внутренней логики
Программируемый порог отключения заряда по времени от 1 до 4 часов
Программируемые пороги обнаружения недостаточной/слишком большой температуры аккумулятора
Защита аккумулятора от зарядки большим током (аккумулятор сильно разряжен или неисправен)
Время окончания режима быстрой зарядки 177 секунд с момента, как напряжение на аккумуляторе достигло номинального.

Типовая схема включения MC33340(42)

Расшифровка обозначений:

Uакк. – максимальное напряжение на выводах предназначенных для подключения аккумулятора (батареи аккумуляторов)
Uпорог. – нижний порог напряжения на аккумуляторе, необходимый для автоматического включения режима быстрой зарядки (пока он не достигнут устройство работает в режиме подзаряда)
Uупр. и Iупр. – соответственно максимальное напряжение и ток управления внешним ключевым элементом

На схеме: DC Input – внешний источник постоянного напряжения; Regulator – ключевой элемент (транзистор, составной транзистор или специализированная сборка); Battery Pack – аккумуляторная батарея со встроенным терморезистором (терморезистор может отсутствовать).

Отличительные черты микросхемы: LTC4054L

Обслуживание Li+ аккумуляторов
Минимум внешних элементов
Возможность заряда одиночных батарей напрямую с USB порта
Линейный режим работы
Величина зарядного тока: С/10, где С – рекомендуемый производителем аккумулятора зарядный ток
Автоматический выбор режима заряда
Защита аккумулятора от зарядки большим током

Отличительные черты микросхемы: LM3622M-4.2

Обслуживание Li+ аккумуляторов
Изменение режима в процессе заряда (постоянный ток – постоянное напряжение) для оптимального заряда батареи.
Малое число внешних элементов
Защита аккумулятора от зарядки большим током

Читать еще: Не удалось запустить приложение так как его параллельная конфигурация неправильна. Ошибка «Не удалось запустить приложение параллельная конфигурация неправильна

Отличительные черты микросхемы: MAX745

BMS – обзор контроллеров защиты аккумуляторов

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

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

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

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

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

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

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

Что такое BMS?

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

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

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

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

Принцип работы BMS-контроллеров

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

Структурно на плате можно выделить:

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

Рассмотри подробнее работу каждой из защит.

Защита по току (от короткого замыкания / превышения допустимого тока)

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

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

Защита по напряжению (от перезаряда или переразряда)

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

Некоторые системы не подключают нагрузку, не дождавшись дозаряда аккумулятора до определённого напряжения после срабатывания триггера по переразряду, то есть недостаточно подзарядить элемент пару минут, чтобы он поработал ещё хоть малое время – обычно необходимо зарядить до номинального напряжения (3.6 – 4.2В, в зависимости от типа аккумулятора).

Защита по температуре

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

Алгоритм работы заряда батарей

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

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

Что такое балансировка?

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

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

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

Активные и пассивные балансиры

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

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

Рассмотрим некоторые примеры готовых плат BMS:

голоса

Рейтинг статьи