Литий ионные аккумуляторы: как их защитить? Li-ion и Li-polymer аккумуляторы в наших конструкциях Нестандартное использование плат защиты li ion акб.

11.03.2024

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

Часто встречается обозначение вида «xC». Это просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора с долях его ёмкости. Образовано от английского слова «Capacity» (вместимость, ёмкость).
Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2 × емкость аккумулятора)/h или (0.1 × емкость аккумулятора)/h соответственно.
Например, аккумулятор емкостью 720 mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5 × 720mAh/h = 360 мА, это относится и к разряду.

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.

Схема с применением обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения, которое устанавливается потенциометром R2.
Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно стабилизировать ток с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN-транзистора (VT1).

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.

Можно выпаять контролер заряда LTC4054 из старого сотового телефона, к примеру, Samsung (C100, С110, Х100, E700, E800, E820, P100, P510).

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

Вот простая схема, которая зажигает светодиод, когда батарея разряжена и её остаточное напряжение близко к критическому.

Рис. 8.

Транзисторы любые маломощные. Напряжение зажигания светодиода подбирается делителем из резисторов R2 и R3. Схему лучше подключать после блока защиты, чтоб светодиод не разрядил аккумулятор совсем.

Нюанс долговечности

Производитель обычно заявляет 300 циклов, но если заряжать литий всего на 0,1 Вольта меньше, до 4.10 В, то количество циклов возрастает до 600 и даже более.

Эксплуатация и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случаются неприятности.
1. Не доспускается заряд до напряжения, превышающего 4.20 Вольт на банку.
2. Не доспускается короткое замыкание аккумулятора.
3. Не доспускается разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С. 4. Вреден разряд ниже напряжения 3.00 Вольта на банку.
5. Вреден нагрев аккумулятора выше 60°С. 6. Вредна разгерметизация аккумулятора.
7. Вредно хранение в разряженном состоянии.

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.

Из старой ноутбучной батареи можно вытащить много вполне рабочих аккумуляторов формата 18650.

Где я применяю литиевые батареи

Давно переделал шуруповерт и электроотвертку на литий. Пользуюсь этими инструментами нерегулярно. Теперь даже через год неиспользования они работают без подзарядки!

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

Продаются . По этой же ссылке найдёте модули зарядок и пр. полезности для самодельщиков.

На счёт ёмкости китайцы обычно врут и она меньше написанной.

Честные Sanyo 18650

Контроль напряжения на каждой из ячеек:
При выходе напряжения на какой-либо из ячеек за пороговые значения вся батарея автоматически отключается.
Контроль по току:
При превышении током нагрузки пороговых значений вся батарея автоматически отключается.

Описание выводов:
" B- " - общий минус батареи
" B1 " - +3,7В
" B2 " - +7,4В
" B3 " - +11,1В
" B+ " - общий плюс батареи
" P- " - минус нагрузки (зарядного устройства)
" P+ " - плюс нагрузки (зарядного устройства)
"T " - выход терморезистора NTC 10K

Контроллер: S-8254А
Даташит на S-8254А.

Технические характеристики

Модель: 4S-EBD01-4.
Количество последовательно-соединенных Li-Ion АКБ: 4шт.
Рабочие напряжения: 11,2В... 16,8В.
Напряжение перезаряда ячейки (VCU): 4,275±0,025В.
Напряжение переразряда (VDD): 2,3±0,1В.
Номинальный рабочий ток: 3А - 4А.
Пороговое значение тока (IEC): 4А - 6А.
Защита от перезаряда.
Защита от переразряда.
Защита от КЗ.
Размеры,мм: 15 х 46.1 х 2.62.
Вес: 2 гр.

Гарантия

На каждый продаваемый нами товар распространяется гарантия. Мы всегда идем навстречу клиенту и стараемся решить все спорные ситуации. Более подробно Вы можете ознакомиться с условиями обмена и возврата в нашем магазине по ссылке.

И снова устройство для самоделкиных.
Модуль позволяет заряжать Li-Ion аккумуляторы (как защищённые так и незащищённые) от порта USB посредством кабеля miniUSB.

Печатная плата - двусторонний стеклотекстолит с металлизацией, монтаж аккуратный.

Собрана зарядка на базе специализированного контроллера заряда TP4056.
Реальная схема.

Со стороны аккумулятора, устройство ничего не потребляет и его можно оставлять постоянно подключенным к аккумулятору. Защита от КЗ на выходе - есть (с ограничением тока 110мА). Защита от переполюсовки аккумулятора отсутствует.
Питание miniUSB продублировано пятаками на плате.

Работает устройство так:
При подключении питания без аккумулятора, загорается красный светодиод, а синий периодически помаргивает.
При подключении разряженного аккумулятора, красный светодиод гаснет и загорается синий - начинается процесс заряда. Пока напряжение на аккумуляторе меньше 2,9V, ток заряда ограничен величиной 90-100мА. С повышением напряжения выше 2.9V, ток заряда резко возрастает до 800мА с дальнейшим плавным повышением до номинала 1000мА.
При достижении напряжения 4,1V, ток заряда начинает плавно снижаться, в дальнейшем происходит стабилизация напряжения на уровне 4,2V и после уменьшения зарядного тока до 105мА светодиоды начинают периодически переключаться, показывая окончание заряда, при этом заряд всё равно продолжается с переключением на синий светодиод. Переключение идёт в соответствии с гистерезисом контроля напряжения аккумулятора.
Номинальный ток заряда задаётся резистором 1,2кОм. При необходимости, ток можно уменьшить увеличивая номинал резистора согласно спецификации контроллера.
R (кОм) - I (mA)
10 - 130
5 - 250
4 - 300
3 - 400
2 - 580
1.66 - 690
1.5 - 780
1.33 - 900
1.2 - 1000

Конечное напряжение заряда жёстко задано на уровне 4,2V - т.е. не всякий аккумулятор будет заряжен на 100%
Спецификация контроллера.

Вывод: устройство простое и полезное для выполнения конкретной задачи.

Планирую купить +167 Добавить в избранное Обзор понравился +96 +202

Это устройство ранее уже было кратко описано, попробую написать подробнее и применить на практике.

Прислали хорошо замотав пупыркой

Платы ещё не были разделены, но разделяются хорошо

Размер платы 27х17х4мм
Подключение к зарядке через стандартный разъём microUSB или через дублирующие контакты + и -
Аккумулятор подключается к контактам B+ и B-
Нагрузка подключается к контактам OUT+ и OUT-

Все чипы хорошо известны и проверены

Реальная схема устройства

Отсутствует ограничивающий резистор на входе TP4056 - видимо кабель подключения выполняет эту функцию.
Реальный ток заряда 0,93А.
Зарядка отключается при напряжении на аккумуляторе 4,19В
Потребляемый ток от аккумулятора всего 3мкА, что значительно меньше саморазряда любого аккумулятора.
Описание некоторых элементов
TP4056 - чип контроллера заряда лития на 1А

Подробно описывал тут

DW01A - чип защиты лития

FS8205A - электронный ключ 25мОм 4А

R3 (1,2кОм) - установка тока зарядки аккумулятора

Изменяя его номинал, можно уменьшить зарядный ток

R5 C2 - фильтр цепи питания DW01A. Через него также осуществляется контроль напряжения на аккумуляторе.
R6 - нужен для защиты от переполюсовки зарядки. Через него также измеряется падение напряжения на ключах для нормальной работы защиты.
Красный светодиод - индикация процесса заряда аккумулятора
Синий светодиод - индикация окончания заряда аккумулятора

Переполюсовку аккумулятора плата выдерживает лишь кратковременно - быстро перегревается ключ FS8205A. Сами по себе FS8205A и DW01A переполюсовки аккумулятора не боятся из-за наличия токоограничивающих резисторов, но из-за подключения TP4056 ток переполюсовки начинает течь через него.

При напряжении аккумулятора 4,0V, измеренное полное сопротивление ключа 0,052 Ом
При напряжении аккумулятора 3,0V, измеренное полное сопротивление ключа 0,055 Ом

Защита от токовой перегрузки - двухступенчатая и срабатывает, если:
- ток нагрузки превышает 27А в течение 3мкс
- ток нагрузки превышает 3А в течение 10мс
Информация рассчитана по формулам из спецификации, реально это не проверить.
Длительный максимальный ток отдачи получился около 2,5А, при этом ключ заметно нагревается, т.к. на нём теряется 0,32Вт.

Защита от переразряда аккумулятора срабатывает при напряжении 2,39В - маловато будет, не всякий аккумулятор можно безопасно разряжать до такого низкого напряжения.

Попробовал приспособить эту платку в старую маленькую простейшую детскую радиоуправляемую машинку вместе со старыми аккумуляторами 18500 из ноутбука в сборке 1S2P

Машинка питалась от 3-х батареек АА, т.к. аккумуляторы 18500 значительно толще их, крышку батарейного отсека пришлось снять, перегородки выкусить, а аккумуляторы приклеить. По толщине они получились заподлицо с днищем.

Платку приклеил герметиком к крыше, под разъём сделал вырез.

Теперь аккумуляторы можно заряжать так

Красный индикатор зарядки хорошо просвечивает через красную крышу.

Синий индикатор окончания зарядки через крышу почти не виден - его видно только со стороны разъёма подключения.

Машинка снизу выглядит как с газовыми баллонами:)

На этих баллонах машинка катается минут 25. Не слишком много, ну да ладно, наиграться хватает. Заряжается машинка около часа.

Вывод: маленькое и очень полезное для творчества устройство - можно брать. Буду заказывать ещё.

Планирую купить +227 Добавить в избранное Обзор понравился +103 +259

Защита литиевых аккумуляторов от перезаряда и переразряда на TP4056

Со временем у многих радиолюбителей накапливается некоторое количество литиевых аккумуляторов. Это могут быть батареи от мобильных телефонов, а также просто банки от портативных устройств.

Аккумуляторы от телефонов имеют один большой плюс: они уже имеют встроенный контроллер, который:

контролирует процесс заряда, отключая аккумулятор, когда он полностью зарядился
контролирует процесс разряда, защищая банку от глубокого переразряда
защищает аккумулятор от короткого замыкания и повышенного тока в нагрузку

Отдельные литиевые банки таких контроллеров не содержат, и для них приходится придумывать свою схему защиты. В простейшем варианте это может быть контроллер, снятый с неисправного аккумулятора телефона. Но здесь есть несколько минусов:

плата контроллера рассчитана на определённый тип аккумулятора и контролирует процесс заряда и разряда по определённому напряжению, которое может отличаться от параметров вашего аккумулятора
значение тока, при котором включается защита от короткого замыкания и чрезмерного тока, может зависеть от ёмкости аккумулятора, для которого предназначен данный контроллер
иногда бывает сложно идентифицировать микросхему контроллера на плате по её сокращённому обозначению

Мы приводим древний манускрипт, содержащий схемы подключения распространённых микросхем защиты литиевых аккумуляторов, которые контролируют как процесс заряда, так и разряда. В нём приведена распиновка, проставлены номера выводов; если на вашей плате контроллера установлен клон одной из этих микросхем, Вы без труда сможете зарисовать схему и, возможно, скорректировать номиналы обвязки под свою литиевую банку.

Нажмите для увеличения схем
Разберём работу подобного контроллера на примере микросхемы R5421. Как видно из схемы, она содержит два полевых транзистора, микросхему и несколько резисторов с конденсаторами в обвязке. Микросема-контроллер следит напряжением и током аккумулятора, управляя при этом полевиками для защиты от перезаряда и переразряда.

Микросхема R5421 в нормальном режиме имеет высокий уровень на выходах C0 и D0, два полевых транзистора находятся при этом в открытом состоянии. Литиевая банка при этом может спокойно заряжаться и разряжаться. Сопротивление канала транзисторов в открытом состоянии мало - порядка 30 миллиом. В этом режиме микросхема контроллера потребляет обычно не более 7 мкА.

Заряд литиевого аккумулятора происходит постоянным током и напряжением. В конце заряда напряжение на банке возрастает до 4,2 вольт, а ток заряда при этом становится всё меньше. По окончании процесса, если напряжение возрастёт до 4,3 вольт, это может привести к разрушению аккумулятора. Схема защиты мониторит это напряжение на уровне 4,28 вольт. При этом напряжение на выходе C0 уменьшается до низкого уровня, что приводит к закрыванию полевого транзистора (в данном случае - это V2 по схеме), что обрывает ток заряда. При этом аккумулятор может спокойно разряжаться через технологический диод VD2. Для создания некоего гистерезиса введён конденсатор C3, который создаёт паузу примерно в 1 секунду между следующим слежением за напряжением.

В процессе разряда аккумулятора, напряжение на выводах банки падает, и когда оно становится ниже 2,5 вольт, это означает, что вся ёмкость батареи исчерпана - аккумулятор разряжен, и дальнейший разряд может привести к необратимым повреждениям. Микросхема контролирует напряжение на банке, и когда оно опускается до 2,3 вольт (это напряжение зависит от типа микросхемы), напряжение на выходе D0 опускается до низкого уровня, и полевик V1 закрывается, отсекая тем самым цепь тока разряда, поэтому аккумулятор дальше не разряжается. В это время аккумулятор может свободно заряжаться через технологический диод VD1. В этом режиме микросхема потребляет менее 0,1 мкА. Аналогично, для создания задержки между мониторингом напряжения, конденсатор C3 вводит задержку примерно в 100 миллисекунд.

Производители аккумуляторов рекомендуют максимальный ток разряда, равный 2C, где C - ёмкость аккумулятора в А/ч, при превышении которого возможно разрушение аккумулятора. Ток нагрузки, протекающий через полевые транзисторы, создаёт на них падение напряжения, при превышении значения которого на выходе D0 напряжение снижается до логического нуля и полевик V1 закрывается, отключая цепь разряда. Конденсатор C3 здесь также обеспечивает таймаут перед следующим мониторингом, равный 13 миллисекундам.

Если при подключении нагрузки падение напряжения на полевых транзисторах превышает 0,9 вольт (это значение зависит от типа контроллера), микросхема снижает напряжение на выходе D0 до логического нуля, что закрывает полевик V1, защищая банку от короткого замыкания. Таймаут в этом режиме обычно составляет 7 микросекунд.

Данная микросхема является контроллером заряда литиевого аккумулятора. С помощью внешнего резистора можно задавать ток зарядка до 1А. Напряжение заряда банки у данной микросхемы равно 4,2 вольт с точностью 1,5%. Имеются выходы для подключения двух светодиодов индикации.

Китайцы продают платки таких контроллеров по 15 рублей. Индикаторные светодиоды не горят, если входное напряжение слишком низкое, температурный датчик определил слишком низкую или слишком высокую температуру (на китайских модулях терморезистор отсутствует) или если батарея не подключена. При заряде горит красный светодиод, а при окончании процесса заряда - красный гаснет и загорается зелёный.

Таблица значений внешнего резистора для задания тока заряда:

Плата зарядки имеет разъём miniUSB, однако не следует подключать её к компьютеру, если резистором задан ток больше 500 мА (по умолчанию установлен резистор сопротивлением 1,2 кОм для тока 1А).

Про новые комбинированные контроллеры заряда и разряда см. .