Для чего литий─ионному аккумулятору нужен контроллер зарядки?

Многие читатели сайта спрашивают о том, что такое контроллер заряда литий─ионного аккумулятора, и для чего он нужен. Этот вопрос кратко упоминался в материалах, где описывались различные типы литиевых аккумуляторов. Этот тип аккумуляторных батарей практически всегда имеет в своём составе контроллер зарядки, ещё называемый платой защиты Battery Monitoring System (BMS). В этой заметке подробнее рассмотрим, что это за устройство, и как оно функционирует.

Простейший вариант контроллера зарядки литий─ионных АКБ можно увидеть, если разобрать аккумулятор планшетного компьютера или телефона. Он состоит из банки (аккумуляторного элемента) и печатной платы защиты BMS. Это и есть контроллер зарядки, который можно видеть на фото ниже.

Основой здесь является микросхема контроллера защиты. Полевые транзисторы используются для раздельного управления защитой при зарядке и разрядке аккумуляторного элемента.

Назначение контроллера защиты в том, что он следит за тем, чтобы банка не заряжалась выше напряжения 4,2 вольта. Литиевый аккумуляторный элемент имеет номинальное напряжение 3,7 вольта. Перезаряд и превышение напряжения выше 4,2 вольта могут привести к тому, что элемент выйдет из строя.

В аккумуляторах смартфонов и планшетов плата BMS следит за процессом заряда и разряда одного элемента (банки). В аккумуляторах ноутбуков таких банок несколько. Обычно от 4 до 8.

Также контроллер следит за процессом разрядки аккумуляторного элемента. При падении напряжения ниже порогового (обычно 3 вольта) схема отключает банку от потребителя тока. В результате устройство, работающее от аккумулятора, просто выключается.
Среди прочих функций контроллера зарядки стоит отметить защиту от короткого замыкания. На некоторых платах защиты BMS устанавливается терморезистор для защиты аккумуляторного элемента от перегрева.

Платы защиты BMS для литий─ионных аккумуляторов

Контроллер, рассмотренный выше, является простейшим вариантом защиты BMS. На самом деле разновидностей таких плат гораздо больше и есть довольно сложные и дорогостоящие. В зависимости от сферы применения выделяют следующие виды:

• Для портативной мобильной электроники;
• Для бытовой техники;
• Применяемые в возобновляемых источниках энергии.

Часто такие платы защиты BMS можно встретить в составе систем с солнечными батареями и в ветряных генераторах. Там, как правило, верхний порог срабатывания защиты по напряжению составляет 15, а нижний – 12 вольт. Сам аккумулятор в штатном режиме выдаёт напряжение 12 вольт. К аккумуляторной батарее подключается источник энергии (например, солнечная панель). Подключение выполняется через реле.

При увеличении напряжения на аккумуляторе более 15 вольт срабатывают реле и размыкают цепь заряда. После этого источник энергии работает на предусмотренный для этого балласт. Как говорят специалисты, в случае с солнечными панелями это может дать нежелательные побочные эффекты.

В случае ветряных генераторов BMS контроллеры применяются обязательно. Контроллеры зарядки для бытовой техники и мобильных устройств имеют существенные различия. А вот контроллеры аккумуляторов ноутбуков, планшетов и телефонов имеют одинаковую схему. Разница заключается только в количестве контролируемых аккумуляторных элементов.

Защита литий-ионных аккумуляторов (Li-ion). Я думаю, что многие из вас знают, что, например, внутри аккумулятора от мобильного телефона имеется ещё и схема защиты (контроллер защиты), которая следит за тем, чтобы аккумулятор (ячейка, банка, итд…) не был перезаряжен выше напряжения 4.2 В, либо разряжен меньше 2…3 В. Также схема защиты спасает от коротких замыканий, отключая саму банку от потребителя в момент короткого замыкания. Когда аккумулятор исчерпывает свой срок службы, из него можно достать плату контроллера защиты, а сам аккумулятор выбросить. Плата защиты может пригодиться для ремонта другого аккумулятора, для защиты банки (у которой нету схем защиты), либо же просто можно подключить плату к блоку питания, и поэкспериментировать с ней.

У меня имелось много плат защиты от пришедших в негодность аккумуляторов. Но поиск в инете по маркировкам микросхем ничего не давал, словно микросхемы засекречены. В инете находилась документация только на сборки полевых транзисторов, которые имеются в составе плат защиты. Давайте посмотрим на устройство типичной схемы защиты литий-ионного аккумулятора. Ниже представлена плата контроллера защиты, собранная на микросхеме контроллера с обозначением VC87, и транзисторной сборке 8814 ():

На фото мы видим: 1 - контроллер защиты (сердце всей схемы), 2 - сборка из двух полевых транзисторов (о них напишу ниже), 3 - резистор задающий ток срабатывания защиты (например при КЗ), 4 - конденсатор по питанию, 5 - резистор (на питание микросхемы-контроллера), 6 - терморезистор (стоит на некоторых платах, для контроля температуры аккумулятора).

Вот ещё один вариант контроллера (на этой плате терморезистор отсутствует), собран он на микросхеме с обозначением G2JH, и на транзисторной сборке 8205A ():

Два полевых транзистора нужны для того, чтобы можно было отдельно управлять защитой при заряде (Charge) и защитой при разряде (Discharge) аккумулятора. Даташиты на транзисторы находились практически всегда, а вот на микросхемы контроллеров - ни в какую!! И на днях вдруг я наткнулся на один интересный даташит на какой-то контроллер защиты литий-ионного аккумулятора ().

И тут, откуда не возьмись, явилось чудо - сравнив схему из даташита со своими платами защиты, я понял: Схемы совпадают, это одно и то же, микросхемы-клоны! Прочитав даташит, можно применять подобные контроллеры в своих самоделках, а поменяв номинал резистора, можно увеличить допустимый ток, который может отдать контроллер до срабатывания защиты.

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) всё чаще приходят литиевые аккумуляторы.
При сравнимом весе одного элемента, литий имеет большую ёмкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше - 3,6 V на элемент, вместо 1,2 V.
Стоимость литиевых аккумуляторов стала приближаться к обычным щелочным батареям, вес и размер намного меньше, да к тому же их можно и нужно заряжать. Производитель говорит, 300-600 циклов выдерживают.
Размеры есть разные и подобрать нужный не составляет труда.
Саморазряд настолько низкий, что лежат годами и остаются заряженными, т.е. устройство остается рабочим когда оно нужно.

«С» значит Capacity

А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.

Схема простого зарядного устройства на LM317

Рис. 5.

Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx.
Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax.
Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.

Надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжения.
Входное напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.

Схема простого зарядного устройства на LTC4054

Рис. 6.

Рис. 7. У этого мелкого 5-ногого чипа маркировка «LTH7» или «LTADY»

Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности.
Ток заряда до 800 мА.
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°).
Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.

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.

Индикатор разрядки литиевого аккумулятора

Рис. 8.

Нюанс долговечности

Эксплуатация и меры предосторожности

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, остальных - к полной или частичной потере ёмкости.

Из практики многолетнего использования могу сказать, что ёмкость аккумуляторов изменяется мало, но увеличивается внутреннее сопротивление и аккумулятор начинает работать меньше по времени при больших токах потребления - создаётся впечатление, что ёмкость упала.
По этому я обычно ставлю ёмкость побольше, какую позволяют габариты устройства, и даже старые банки, которым лет по десять, работают вполне прилично.

Для не очень больших токов подходят старые аккумуляторы от сотовых.

Где я применяю литиевые батареи

Маленькие батареи ставлю в детские игрушки, часы и т.д., где с завода стояли 2-3 «таблеточных» элемента. Там где нужно ровно 3V добавляю один диод последовательно и получается как раз.

Ставлю в светодиодные фонарики.

В тестер вместо дорогой и малоёмкой «Кроны 9V» установил 2 банки и забыл все проблемы и лишние затраты.

Вообще ставлю везде, где получается, вместо батареек.

Где я покупаю литий и полезности по теме

На счёт ёмкости китайцы обычно врут и она меньше написанной.

Честные Sanyo 18650

Имеющийся в наличии аккумулятор BL-4C от телефона Nokia давно не давал покоя своей неприспособленностью, а частая замена Крон в тестере натолкнула на мысль о его переводе на питание от литиевого аккумулятора.
Для этого нужны аккумулятор, повышающий преобразователь и контроллер заряда аккумулятора.
Среди большого разнообразия схем и решений в виде готовых модулей заряда литиевых аккумуляторов приглянулся модуль на широко известном чипе TP4056. На основе данного чипа китайская промышленность выпускает целый спектр плат контроллеров заряда Li-on аккумуляторов – без защиты от короткого замыкания и переполюсовки, с защитой, с возможностью подключения термодатчика и т.д.
Ввиду того что внутренний мир BL-4C уже содержит плату защиты от короткого замыкания, переполюсовки и т.д., для реализации задуманного был выбран самый простой модуль, содержащий лишь контроллер уровня заряда.

Данный модуль имеет следующие характеристики:
Входное напряжение: 4,5-5,5 Вольт. (Согласно даташита на чип TP4056 можно подавать до 8 вольт, но в данном случае зарядный ток будет уменьшен контроллером);
Зарядный ток: 1000 мА (регулируется подбором резистора Rprog);
Напряжение полного заряда: 4.2В;
Входной разъем: mini USB (+ места для подпайки проводов);
Габариты: 25*19*4 мм

Схема модуля имеет следующий вид:

Как работает модуль?
При подключенном аккумуляторе и подаче питания загорается красный светодиод, сигнализирующий о подаче входного напряжения. После этого начинается процесс заряда. Этим процессом управляет сам чип. Зарядка производится номинальным током (в базовом варианте 1000 мА). По мере заряда банки контроллер снижает зарядный ток.
В тот момент, когда аккумулятор зарядился до 4,2В, контроллер снижает зарядный ток до 50 мА и загорается синий светодиод. В таком состоянии аккумулятор может находиться бесконечно долго без всякого вреда.

Что необходимо помнить?
Данный модуль не имеет защиты от переполюсовки и короткого замыкания на выходе. Если это случится, чип выйдет из строя и при монтаже следует быть внимательным.
В базовом варианте (1000 мА) чип может существенно нагреваться. Согласно даташита предельная температура нагрева 145 градусов.
Производитель чипа рекомендует заряжать аккумуляторы током 0,37С, т.е. в моем случае
860 мА*0,37 = 318 мА.
Таблица зависимости зарядного тока от номинала сопротивления Rprog

В наличии нашлись резисторы по 3,6 кОм. Ориентировочно ток заряда составит нужную величину.

Перепаиваю, соединяю с АКБ и пока заряжаю понижающим преобразователем. Повышающий пока в пути из Китая.

В результате: контроллер чуть теплый, АКБ заряжена, время зарядки 2 часа.