Всем известны преимущества литиевых аккумуляторов – в первую очередь это высокая энергетическая плотность, малый вес и отсутствие «эффекта памяти». Также стоит отметить, что потенциал одного литиевого аккум. (3,6В) в три раза больше одного никель-кадмиевого или никель-металлогидридного аккумулятора (1,2В).

Однако литиевые аккумуляторы имеют ряд особенностей, которые не позволяют безопасно использовать их без специальных систем контроля. Эти системы называют контроллерами заряда и разряда. В современной промышленности существуют готовые высоко интегрированные микросхемы для выполнения этих функций. Но, как оказалось, они не доступны для массового использования. Их не продают в магазинах радиодеталей поштучно. Их нужно заказывать в компаниях, специализирующихся на поставке электронных компонентов для предприятий и ремонтных мастерских. А минимальная партия в таком случае составляет от 10шт (это в лучшем случае).

Все это подвигло нас на разработку своего контроллера на дискретных элементах, доступных в любом провинциальном магазине радиотоваров.

При разряде литиевого аккум. нужно контролировать его напряжение и силу тока в цепи.

Напряжение на заряженном литиевом аккум. составляет 4,2В, а не 3,6В, как на нем написано. До 3,6В оно падает под нагрузкой, близкой к емкости аккум. Контроль напряжения заключается в том, чтобы не дать аккум. разрядиться ниже 3В. Этот порог варьируется в пределах 0,5В в зависимости от химического состава и геометрической формы аккумулятора. Разряд аккум. ниже 3В, приводит к необратимым химическим процессам внутри аккум., что делает его непригодным для дальнейшего использования.

Для контроля силы тока в цепи нужно предусмотреть механизм отключения, аналогичный автомату, который стоит в электрощите в каждой квартире. Т.е. он должен защищать от короткого замыкания и отключаться при превышении определенного тока в цепи. В общем случае максимальный ток разряда, который может выдать аккум. равен его емкости. Например, аккум. емкостью 2А•ч может безопасно выдавать ток в 2А. Работа аккум. на токах превышающих его емкость, возможна в кратковременных режимах, или в нормальном режиме, если это указано в документации производителем аккум. При коротком замыкании литиевый аккум. может взорваться! Будьте осторожны!

Подробнее о химических процессах, режимах заряда и разряда литиевых аккум. можно прочитать здесь Panasonic Lithium Ion Handbook(на английском языке).

Батарея от ноутбука

Все началось с того, что в моем ноутбуке отключилась аккумуляторная батарея. Ноутбуку было два года, от аккум. он почти не работал – все время был включен в сеть. Как потом мне сказали, это и могло быть причиной поломки аккум. Т.е. это было не медленное умирание аккум. с понижением емкости, наоборот, ноутбук работал от него часов пять, просто в один прекрасный день, он не включился от батареи и все. Батарея перестала определяться в Windows, и я сделал вывод, что сгорел встроенный контроллер аккум. батареи. Разобрав аккум., мы увидели 6 элементов, объединенные по 2 в 3 ячейки с последовательно-параллельным соединением.

Измерив напряжение на каждой ячейке, мы убедились, что они заряжены. Это еще раз подтвердило версию поломки контроллера. При внешнем осмотре контроллера никаких видимых повреждений найдено не было. Идею ремонта контроллера я отверг, как трудновыполнимую (на форумах народ писал о перепайке и программировании процессора контроллера). И вообще, сложность этого контроллера произвела сильное впечатление. Кто знает, что действительно там выгорело?

Поэтому я заказал новую батарею, а этой решил заняться позже. А зря!

Занялся я им месяца через два. Выдрал элементы из корпуса, отключил от контроллера, измерил на них напряжение и сильно удивился - 4 элемента были полностью разряжены! А на остальных двух напряжение было около 1В. Видимо испорченный контроллер полностью разрядил через себя 2 ячейки.

По инструкции, аккум. разряженные ниже 3В, следовало заряжать током 0,1 от емкости. Эти 4 элемента зарядить не удалось. Никакие танцы с бубном, замораживание и оттаивание, постукивание и т.д. не помогли. Пришлось их выкинуть. Вот это и есть глубокий переразряд, который убивает литиевые аккум. Оставшиеся два элемента зарядить удалось.

На элементах была маркировка Sanyo UR18650FM 2,6AH. Сразу понятно, что емкость элемента 2,6А•ч и производит его японская корпорация Sanyo. Поиски по сайту этой корпорации привели нас к документу с названием UR18650F. Только буквы М в конце нет. Документ оказался очень интересным. В нем были технические характеристики аккумулятора с емкостью 2,5А•ч, габариты совпадали с нашим.

Решив использовать этот документ в качестве руководства к действию, мы приступили к проектированию своего контроллера разряда.

Из графика “Discharge rate characteristics” (характеристики динамики разряда) стало ясно, что элемент допускает разряд до 2,7В и силу тока 2С, т.е. удвоенной емкости. Соответственно наш элемент с емкостью 2,6А•ч может выдавать 5,2А.

Контроллер разряда

Всесторонне проанализировав этот документ и другую справочную литературу, Скворцов Владимир Николаевич (не путать со Старлингом) создал контроллер для работы с одним или двумя литиевыми элементами. Контроллер защищает элементы от короткого замыкания и переразряда.

Схема контроллера, представленного на рисунке, обеспечивает отключение нагрузки при падении напряжения на аккумуляторах до 6В (3В на каждом элементе). Коротким замыканием считается сила тока выше 4А.

Для использования контроллера с одним элементом (отключение на 3В) нужно подобрать (увеличить) резистор R1 – он отвечает за порог срабатывания при падении напряжения. Также нужно учитывать индивидуальные особенности транзистора VT1 (допуск % отклонения).

Для контроля силы тока подбирают резистор R7. Чем меньше его номинал, тем больший ток пропускает контроллер.

В качестве транзистора VT3 можно использовать любой мощный полевый транзистор с запасом по току в 3 раза больше емкости аккумуляторов, например 15N03.

Принцип и режимы работы контроллера

Включение, нормальный режим

При подключении батареи из двух заряженных аккумуляторов (8,4В) открывается транзистор VT4. За счет базового тока через R4 напряжение на эмиттере VT4 становится около 0,7В. Также резистор R4 удерживает VT2 в закрытом состоянии.

При открытии VT4, через делитель R1-R2 начинает протекать ток, который создает падение напряжения на R1, и VT1 открывается. Напряжение на его стоке становится близким к напряжению на аккумуляторной батарее. Через резистор R3 оно подается на затвор VT3 и он открывается. При этом «-» батареи через R7 и открытый VT3 подключается к выходной клемме «-». Контроллер включился.

Защита от переразряда

Когда напряжение на аккум. батарее достигает 6В (3В на каждом элементе), напряжение на делителе R1-R2 уменьшается, напряжение на затворе VT1 тоже уменьшается до порога закрытия, VT1 закрывается. Затвор VT3 оказывается подключенным через R5 к «-» аккум. батареи, поэтому VT3 тоже закрывается. Нагрузка отключается. Для приведения контроллера в исходное состояние нужно отсоединить нагрузку и зарядить батарею.

При тестировании собранной схемы к ней нужно подключать хоть какую-нибудь минимальную нагрузку, например светодиоды. Механизм защиты работает только с подключенной нагрузкой, к тому же светодиоды будут наглядно индицировать отключение нагрузки.

Защита от короткого замыкания

Ток короткого замыкания задает R7. Чем меньше его номинал, тем больший ток пропускает контроллер. В схеме на рис.1 используется резистор 0,1 Ома. С таким резистором контроллер допускает ток до 4А, больший ток считается коротким замыканием. При работе на больших токах резистор R7 должен быть достаточной мощности – не менее 1Вт.

При превышении допустимого тока, падение напряжения на R7 + падение напряжения на исток – сток VT3 увеличивается до уровня открытия VT2. Открытый VT2 подключает затвор VT3 к «-» батареи, VT3 закрывается. Сток VT3 а также база VT4 и затвор VT2 через нагрузку подключаются к «+» батареи. VT4 закрывается, на делителе R1-R2 напряжение около 0, VT1 тоже закрывается. Нагрузка отключается. Для приведения контроллера в исходное состояние нужно отсоединить нагрузку.

Печатная плата

Печатную плату в формате Sprint-Layout 4 можно скачать здесьrar, 5Кб.

Если у Вас нет этой программы, ее можно скачать здесь rar, 1Мб.

Габариты устройства (30 х 16мм) были выбраны для возможности его установки в торец аккум. батареи.

Фотографии устройства

Обратите внимание, что база транзистора VT4 (КТ3107) и затвор VT2 (2SK583) являются проводниками на обратную сторону печатной платы.

Подготовка аккумуляторов

Не используйте в одном устройстве аккумуляторы разных типов и марок. Лучше и безопаснее найти одинаковые элементы.

При использовании двух элементов нужно уравновесить их начальный потенциал – т.е. у них должно быть одинаковое напряжение. Для этого соединяют их отрицательные полюса (минусы) напрямую, а положительные через резистор 30 Ом. Мощность резистора 1 или 2 ватта. Потом нужно измерить напряжение на выводах резистора. Если оно больше 10 милливольт – нужно ждать. Ждать нужно около суток. Получается, что более заряженный аккумулятор медленно через резистор разряжается на менее заряженный. Т.о. напряжение на них выравнивается. Уравновешенные элементы можно соединять напрямую без резистора – последовательно или параллельно.

Небольшое уточнение по поводу последовательного соединения. Заводские интегральные контроллеры разряда следят за напряжением на каждом из последовательно соединенных элементов. Наш контроллер контролирует только общее напряжение на выходе. Измерения показали, что при использовании уравновешенных элементов, разность напряжения на элементах составляет 5 – 8 милливольт. Это вполне допустимо. Поэтому нет надобности в установке отдельного контроллера на каждом элементе.

Теория заряда

Заводские контроллеры заряда контролируют напряжение, ток и время заряда, выбирают нормальный или щадящий режим. Если напряжение на элементе выше 3В, он заряжается в нормальном режиме. Процесс зарядки в таком случае идет в 2 этапа:
1 этап – зарядка постоянным током (Constant current – CC);
2 этап – зарядка постоянным напряжением (Constant voltage – CV).

Максимальный ток заряда зависит от емкости (С) аккум., как правило это 0,7С или 1,0С. Для наших элементов ток заряда был указан в документе, и равнялся 0,7С. Напряжение заряда 4,2В (для одного элемента).

Блок питания для заряда одного аккумулятора должен иметь напряжение 4,2В и обеспечивать силу тока 0,7С (где С – емкость аккум., в нашем случае 2,6•0,7=1,82А). Если элементы соединены последовательно, то удваивается напряжение заряда – 8,4В. Если параллельно, удваивается сила тока 2•0,7С=1,4С, а напряжение остается 4,2В.

На графике Charge characteristics (характеристики заряда) показаны оба этапа зарядки. На первом этапе через аккум. пропускают ток 0,7С. Здесь главное – не дать току подняться выше этого значения. В то же время напряжение на элементе постепенно увеличивается с 3 до 4,2В. Этап так и называется – постоянный ток (CC), это значит, что пока напряжение растет, ток остается постоянным.

Первый этап заканчивается, когда напряжение на элементе достигает 4,2В. Это обозначено красной цифрой 1 на графике. С этого момента начинается второй этап – постоянное напряжение (CV). Это значит, что напряжение остается постоянным 4,2В, а сила тока постепенно снижается до исчезающе малого значения. Момент начала снижения силы тока обозначен на графике красной цифрой 2.

Как видно из графика, 80% набора емкости приходится на первый этап.

Заводские контроллеры считают зарядку законченной, когда ток упадет до заданного значения - как правило, это 0,1С. На нашем графике это 50 миллиампер. Также некоторые заводские контроллеры следят за временем зарядки. Если за определенное время аккумулятор не зарядился полностью (ток не упал до нужного значения), контроллер тоже прекращает заряд. Время заряда зависит от емкости и тока заряда, и указывается в документации. Для нашего аккумулятора это 3 часа при силе тока 0,7С.

Щадящий режим заряда выбирается контроллером в том случае, если напряжение на аккумуляторе было ниже 3В. Такой элемент считается глубоко разряженным, и заряжать его нужно осторожно. В таком случае зарядка начинается с этапа Precharge (предварительный заряд). На этом этапе ток заряда устанавливается 0,1 от емкости (0,1С). Этим током напряжение на элементе медленно поднимают до 3В. А дальше все как обычно.

Если использовать исправные элементы и не разряжать их ниже 3В, можно вполне обойтись подручными средствами. Для этого понадобится блок питания с напряжением 4,2 или 8,4В и ограничением силы тока. Окончание заряда можно отслеживать по силе тока или не отслеживать вовсе, а отключать блок питания через 2 или 3 часа.

В ближайшем будущем мы опубликуем способы доработки обычных блоков питания для соответствия выше описанным характеристикам.

Продолжение следует…

Разработка устройства и печатной платы - Скворцов Владимир Николаевич
Постановка задачи, подача и оформление материала - Угренинов Виталий
Тюмень-Космопоиск, 2009

Используемые источники

Мини - USB зарядка Объединенная техническая группа ТЕГИР. Экспедиционная энергетика.

Lithium Ion Handbook Panasonic industrial

UR18650F Specifications SANYO Mobile Energy Company

Lithium ion Battery lineup SANYO Mobile Energy Company

UCC3911-1 2-Cell Lithium-Ion Battery Protection IC W/Internal FET Texas Instruments Incorporated

BQ24103 Standalone Synchronous Switch-mode Li-Ion Charger w/2A FET in QFN-20, 1- or 2-cell Texas Instruments Incorporated