Оценка характеристик того или иного зарядного устройства затруднительна без понимания того, как собственно должен протекать образцовый заряд li-ion аккумулятора. Поэтому прежде чем перейти непосредственно к схемам, давайте немного вспомним теорию.
Какими бывают литиевые аккумуляторы
В зависимости от того, из какого материала изготовлен положительный электрод литиевого аккумулятора, существует их несколько разновидностей:
- с катодом из кобальтата лития;
- с катодом на основе литированного фосфата железа;
- на основе никель-кобальт-алюминия;
- на основе никель-кобальт-марганца.
У всех этих аккумуляторов имеются свои особенности, но так как для широкого потребителя эти нюансы не имеют принципиального значения, в этой статье они рассматриваться не будут.
Также все li-ion аккумуляторы производят в различных типоразмерах и форм-факторах. Они могут быть как в корпусном исполнении (например, популярные сегодня 18650) так и в ламинированном или призматическом исполнении (гель-полимерные аккумуляторы). Последние представляют собой герметично запаянные пакеты из особой пленки, в которых находятся электроды и электродная масса.
Наиболее распространенные типоразмеры li-ion аккумуляторов приведены в таблице ниже (все они имеют номинальное напряжение 3.7 вольта):
| Обозначение | Типоразмер | Схожий типоразмер |
|---|---|---|
| XXYY0
, где XX - указание диаметра в мм, YY - значение длины в мм, 0 - отражает исполнение в виде цилиндра |
10180 | 2/5 AAA |
| 10220 | 1/2 AAA (Ø соответствует ААА, но на половину длины) | |
| 10280 | ||
| 10430 | ААА | |
| 10440 | ААА | |
| 14250 | 1/2 AA | |
| 14270 | Ø АА, длина CR2 | |
| 14430 | Ø 14 мм (как у АА), но длина меньше | |
| 14500 | АА | |
| 14670 | ||
| 15266, 15270 | CR2 | |
| 16340 | CR123 | |
| 17500 | 150S/300S | |
| 17670 | 2xCR123 (или 168S/600S) | |
| 18350 | ||
| 18490 | ||
| 18500 | 2xCR123 (или 150A/300P) | |
| 18650 | 2xCR123 (или 168A/600P) | |
| 18700 | ||
| 22650 | ||
| 25500 | ||
| 26500 | С | |
| 26650 | ||
| 32650 | ||
| 33600 | D | |
| 42120 |
Внутренние электрохимические процессы протекают одинаково и не зависят от форм-фактора и исполнения АКБ, поэтому все, сказанное ниже, в равной степени относится ко всем литиевым аккумуляторам.
Как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы
Наиболее правильным способом заряда литиевых аккумуляторов является заряд в два этапа. Именно этот способ использует компания Sony во всех своих зарядниках. Несмотря на более сложный контроллер заряда, это обеспечивает более полный заряд li-ion аккумуляторов, не снижая срока их службы.
Здесь речь идет о двухэтапном профиле заряда литиевых аккумуляторов, сокращенно именуемым CC/CV (constant current, constant voltage). Есть еще варианты с ипульсным и ступенчатым токами, но в данной статье они не рассматриваются. Подробнее про зарядку импульсным током можно прочитать .
Итак, рассмотрим оба этапа заряда подробнее.
1. На первом этапе должен обеспечиваться постоянный ток заряда. Величина тока составляет 0.2-0.5С. Для ускоренного заряда допускается увеличение тока до 0.5-1.0С (где С - это емкость аккумулятора).
Например, для аккумулятора емкостью 3000 мА/ч, номинальный ток заряда на первом этапе равен 600-1500 мА, а ток ускоренного заряда может лежать в пределах 1.5-3А.
Для обеспечения постоянного зарядного тока заданной величины, схема зарядного устройства (ЗУ) должна уметь поднимать напряжение на клеммах аккумулятора. По сути, на первом этапе ЗУ работает как классический стабилизатор тока.
Важно: если планируется заряд аккумуляторов со встроенной платой защиты (PCB), то при конструировании схемы ЗУ необходимо убедиться, что напряжение холостого хода схемы никогда не сможет превысить 6-7 вольт. В противном случае плата защиты может выйти из строя.
В момент, когда напряжение на аккумуляторе поднимется до значения 4.2 вольта, аккумулятор наберет приблизительно 70-80% своей емкости (конкретное значение емкости будет зависит от тока заряда: при ускоренном заряде будет чуть меньше, при номинальном - чуть больше). Этот момент является окончанием первого этапа заряда и служит сигналом для перехода ко второму (и последнему) этапу.
2. Второй этап заряда - это заряд аккумулятора постоянным напряжением, но постепенно снижающимся (падающим) током.
На этом этапе ЗУ поддерживает на аккумуляторе напряжение 4.15-4.25 вольта и контролирует значение тока.
По мере набора емкости, зарядный ток будет снижаться. Как только его значение уменьшится до 0.05-0.01С, процесс заряда считается оконченным.
Важным нюансом работы правильного зарядного устройства является его полное отключение от аккумулятора после окончания зарядки. Это связано с тем, что для литиевых аккумуляторов является крайне нежелательным их длительное нахождение под повышенным напряжением, которое обычно обеспечивает ЗУ (т.е. 4.18-4.24 вольта). Это приводит к ускоренной деградации химического состава аккумулятора и, как следствие снижению его емкости. Под длительным нахождением подразумевается десятки часов и более.
За время второго этапа заряда, аккумулятор успевает набрать еще примерно 0.1-0.15 своей емкости. Общий заряд аккумулятора таким образом достигает 90-95%, что является отличным показателем.
Мы рассмотрели два основных этапа заряда. Однако, освещение вопроса зарядки литиевых аккумуляторов было бы неполным, если бы не был упомянут еще один этап заряда - т.н. предзаряд.
Предварительный этап заряда (предзаряд) - этот этап используется только для глубоко разряженных аккумуляторов (ниже 2.5 В) для вывода их на нормальный эксплуатационный режим.
На этом этапе заряд обеспечивается постоянным током пониженной величины до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не достигнет значения 2.8 В.
Предварительный этап необходим для предотвращения вспучивания и разгерметизации (или даже взрыва с возгоранием) поврежденных аккумуляторов, имеющих, например, внутреннее короткое замыкание между электродами. Если через такой аккумулятор сразу пропустить большой ток заряда, это неминуемо приведет к его разогреву, а дальше как повезет.
Еще одна польза предзаряда - это предварительный прогрев аккумулятора, что актуально при заряде при низких температурах окружающей среды (в неотапливаемом помещении в холодное время года).
Интеллектуальная зарядка должна уметь контролировать напряжение на аккумуляторе во время предварительного этапа заряда и, в случае, если напряжение долгое время не поднимается, делать вывод о неисправности аккумулятора.
Все этапы заряда литий-ионного аккумулятора (включая этап предзаряда) схематично изображены на этом графике:
Превышение номинального зарядного напряжения на 0,15В может сократить срок службы аккумулятора вдвое. Понижение напряжения заряда на 0,1 вольт уменьшает емкость заряженной батареи примерно на 10%, но значительно продляет срок ее службы. Напряжение полностью заряженного аккумулятора после извлечения его из зарядного устройства составляет 4.1-4.15 вольта.
Резюмирую вышесказанное, обозначим основные тезисы:
1. Каким током заряжать li-ion аккумулятор (например, 18650 или любой другой)?
Ток будет зависеть от того, насколько быстро вы хотели бы его зарядить и может лежать в пределах от 0.2С до 1С.
Например, для аккумулятора типоразмера 18650 емкостью 3400 мА/ч, минимальный ток заряда составляет 680 мА, а максимальный - 3400 мА.
2. Сколько времени нужно заряжать, например, те же аккумуляторные батарейки 18650?
Время заряда напрямую зависит от тока заряда и рассчитывается по формуле:
T = С / I зар.
Например, время заряда нашего аккумулятора емкостью 3400 мА/ч током в 1А составит около 3.5 часов.
3. Как правильно зарядить литий-полимерный аккумулятор?
Любые литиевые аккумуляторы заряжаются одинаково. Не важно, литий-полимерный он или литий-ионный. Для нас, потребителей, никакой разницы нет.
Что такое плата защиты?
Плата защиты (или PCB - power control board) предназначена для защиты от короткого замыкания, перезаряда и переразряда литиевой батареи. Как правило в модули защиты также встроена и защита от перегрева.
В целях соблюдения техники безопасности запрещено использование литиевых аккумуляторов в бытовых приборах, если в них не встроена плата защиты. Поэтому во всех аккумуляторах от сотовых телефонов всегда есть PCB-плата. Выходные клеммы АКБ размещены прямо на плате:
В этих платах используется шестиногий контроллер заряда на специализированной микрухе (JW01, JW11, K091, G2J, G3J, S8210, S8261, NE57600 и пр. аналоги). Задачей этого контроллера является отключение батареи от нагрузки при полном разряде батареи и отключение аккумулятора от зарядки при достижении 4,25В.
Вот, например, схема платы защиты от аккумулятора BP-6M, которыми снабжались старые нокиевские телефоны:
Если говорить об 18650, то они могут выпускаться как с платой защиты так и без нее. Модуль защиты располагается в районе минусовой клеммы аккумулятора.
Плата увеличивает длину аккумулятора на 2-3 мм.
Аккумуляторы без PCB-модуля обычно входят в состав батарей, комплектуемых собственными схемами защиты.
Любой аккумулятор с защитой легко превращается в аккумулятор без защиты, достаточно просто распотрошить его.
На сегодняшний день максимальная емкость аккумулятора 18650 составляет 3400 мА/ч. Аккумуляторы с защитой обязательно имеют соответствующее обозначение на корпусе ("Protected").
Не стоит путать PCB-плату с PCM-модулем (PCM - power charge module). Если первые служат только целям защиты аккумулятора, то вторые предназначены для управления процессом заряда - ограничивают ток заряда на заданном уровне, контролируют температуру и, вообще, обеспечивают весь процесс. PCM-плата - это и есть то, что мы называем контроллером заряда.
Надеюсь, теперь не осталось вопросов, как зарядить аккумулятор 18650 или любой другой литиевый? Тогда переходим к небольшой подборке готовых схемотехнических решений зарядных устройств (тех самых контроллеров заряда).
Схемы зарядок li-ion аккумуляторов
Все схемы подходят для зарядки любого литиевого аккумулятора, остается только определиться с зарядным током и элементной базой.
LM317
Схема простого зарядного устройства на основе микросхемы LM317 с индикатором заряда:
Схема простейшая, вся настройка сводится к установке выходного напряжения 4.2 вольта с помощью подстроечного резистора R8 (без подключенного аккумулятора!) и установке тока заряда путем подбора резисторов R4, R6. Мощность резистора R1 - не менее 1 Ватт.
Как только погаснет светодиод, процесс заряда можно считать оконченным (зарядный ток до нуля никогда не уменьшится). Не рекомендуется долго держать аккумулятор в этой зарядке после того, как он полностью зарядится.
Микросхема lm317 широко применяется в различных стабилизаторах напряжения и тока (в зависимости от схемы включения). Продается на каждом углу и стоит вообще копейки (можно взять 10 шт. всего за 55 рублей).
LM317 бывает в разных корпусах:
Назначение выводов (цоколевка):
Аналогами микросхемы LM317 являются: GL317, SG31, SG317, UC317T, ECG1900, LM31MDT, SP900, КР142ЕН12, КР1157ЕН1 (последние два - отечественного производства).
Зарядный ток можно увеличить до 3А, если вместо LM317 взять LM350. Она, правда, подороже будет - 11 руб/шт .
Печатная плата и схема в сборе приведены ниже:
Старый советский транзистор КТ361 можно заменить на аналогичный p-n-p транзистор (например, КТ3107, КТ3108 или буржуйские 2N5086, 2SA733, BC308A). Его можно вообще убрать, если индикатор заряда не нужен.
Недостаток схемы: напряжение питания должно быть в пределах 8-12В. Это связано с тем, что для нормальной работы микросхемы LM317 разница между напряжением на аккумуляторе и напряжением питания должна быть не менее 4.25 Вольт. Таким образом, от USB-порта запитать не получится.
MAX1555 или MAX1551
MAX1551/MAX1555 - специализированные зарядные устройства для Li+ аккумуляторов, способные работать от USB или от отдельного адаптера питания (например, зарядника от телефона).
Единственное отличие этих микросхем - МАХ1555 выдает сигнал для индикатора процесса заряда, а МАХ1551 - сигнал того, что питание включено. Т.е. 1555 в большинстве случаев все-таки предпочтительнее, поэтому 1551 сейчас уже трудно найти в продаже.
Подробное описание этих микросхем от производителя - .
Максимальное входное напряжение от DC-адаптера - 7 В, при питании от USB - 6 В. При снижении напряжения питания до 3.52 В, микросхема отключается и заряд прекращается.
Микросхема сама детектирует на каком входе присутствует напряжение питания и подключается к нему. Если питание идет по ЮСБ-шине, то максимальный ток заряда ограничивается 100 мА - это позволяет втыкать зарядник в USB-порт любого компьютера, не опасаясь сжечь южный мост.
При питании от отдельного блока питания, типовое значение зарядного тока составляет 280 мА.
В микросхемы встроена защита от перегрева. Но даже в этом случае схема продолжает работать, уменьшая ток заряда на 17 мА на каждый градус выше 110°C.
Имеется функция предварительного заряда (см. выше): до тех пор пока напряжение на аккумуляторе находится ниже 3В, микросхема ограничивает ток заряда на уровне 40 мА.
Микросхема имеет 5 выводов. Вот типовая схема включения:
Если есть гарантия, что на выходе вашего адаптера напряжение ни при каких обстоятельствах не сможет превысить 7 вольт, то можно обойтись без стабилизатора 7805.
Вариант зарядки от USB можно собрать, например, на такой .
Микросхемы не нуждается ни во внешних диодах, ни во внешних транзисторах. Вообще, конечно, шикарные микрухи! Только они маленькие слишком, паять неудобно. И еще стоят дорого ().
LP2951
Стабилизатор LP2951 производится фирмой National Semiconductors (). Он обеспечивает реализацию встроенной функции ограничения тока и позволяет формировать на выходе схемы стабильный уровень напряжения заряда литий-ионного аккумулятора.
Величина напряжения заряда составляет 4,08 - 4,26 вольта и выставляется резистором R3 при отключенном аккумуляторе. Напряжение держится очень точно.
Ток заряда составляет 150 - 300мА, это значение ограничено внутренними цепями микросхемы LP2951 (зависит от производителя).
Диод применять с небольшим обратным током. Например, он может быть любым из серии 1N400X, какой удастся приобрести. Диод используется, как блокировочный, для предотвращения обратного тока от аккумулятора в микросхему LP2951 при отключении входного напряжения.
Данная зарядка выдает довольно низкий зарядный ток, так что какой-нибудь аккумулятор 18650 может заряжаться всю ночь.
Микросхему можно купить как в DIP-корпусе , так и в корпусе SOIC (стоимость около 10 рублей за штучку).
MCP73831
Микросхема позволяет создавать правильные зарядные устройства, к тому же она дешевле, чем раскрученная MAX1555.
Типовая схема включения взята из :
Важным достоинством схемы является отсутствие низкоомных мощных резисторов, ограничивающих ток заряда. Здесь ток задается резистором, подключенным к 5-ому выводу микросхемы. Его сопротивление должно лежать в диапазоне 2-10 кОм.
Зарядка в сборе выглядит так:
Микросхема в процессе работы неплохо так нагревается, но это ей вроде не мешает. Свою функцию выполняет.
Вот еще один вариант печатной платы с smd светодиодом и разъемом микро-USB:
LTC4054 (STC4054)
Очень простая схема, отличный вариант! Позволяет заряжать током до 800 мА (см. ). Правда, она имеет свойство сильно нагреваться, но в этом случае встроенная защита от перегрева снижает ток.
Схему можно существенно упростить, выкинув один или даже оба светодиодов с транзистором. Тогда она будет выглядеть вот так (согласитесь, проще некуда: пара резисторов и один кондер):
Один из вариантов печатной платы доступен по . Плата рассчитана под элементы типоразмера 0805.
I=1000/R . Сразу большой ток выставлять не стоит, сначала посмотрите, насколько сильно будет греться микросхема. Я для своих целей взял резистор на 2.7 кОм, при этом ток заряда получился около 360 мА.
Радиатор к этой микросхеме вряд ли получится приспособить, да и не факт, что он будет эффективен из-за высокого теплового сопротивления перехода кристалл-корпус. Производитель рекомендует делать теплоотвод "через выводы" - делать как можно более толстые дорожки и оставлять фольгу под корпусом микросхемы. И вообще, чем больше будет оставлено "земляной" фольги, тем лучше.
Кстати говоря, бОльшая часть тепла отводится через 3-ю ногу, так что можно сделать эту дорожку очень широкой и толстой (залить ее избыточным количеством припоя).
Корпус микросхемы LTC4054 может иметь маркировку LTH7 или LTADY.
LTH7 от LTADY отличаются тем, что первая может поднять сильно севший аккумулятор (на котором напряжение меньше 2.9 вольт), а вторая - нет (нужно отдельно раскачивать).
Микросхема вышла очень удачной, поэтому имеет кучу аналогов: STC4054, MCP73831, TB4054, QX4054, TP4054, SGM4054, ACE4054, LP4054, U4054, BL4054, WPM4054, IT4504, Y1880, PT6102, PT6181, VS6102, HX6001, LC6000, LN5060, CX9058, EC49016, CYT5026, Q7051. Прежде, чем использовать какой-либо из аналогов, сверяйтесь по даташитам.
TP4056
Микросхема выполнена в корпусе SOP-8 (см. ), имеет на брюхе металлический теплосьемник не соединенный с контактами, что позволяет эффективнее отводить тепло. Позволяет заряжать аккумулятор током до 1А (ток зависит от токозадающего резистора).
Схема подключения требует самый минимум навесных элементов:
Схема реализует классический процесс заряда - сначала заряд постоянным током, затем постоянным напряжением и падающим током. Все по-научному. Если разобрать зарядку по шагам, то можно выделить несколько этапов:
- Контроль напряжения подключенного аккумулятора (это происходит постоянно).
- Этап предзаряда (если аккумулятор разряжен ниже 2.9 В). Заряд током 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2 кОм) до уровня 2.9 В.
- Зарядка максимальным током постоянной величины (1000мА при R prog = 1.2 кОм);
- При достижении на батарее 4.2 В, напряжение на батарее фиксируется на этому уровне. Начинается плавное снижение зарядного тока.
- При достижении тока 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2кОм) зарядное устройство отключается.
- После окончания зарядки контроллер продолжает мониторинг напряжения аккумулятора (см. п.1). Ток, потребляемый схемой мониторинга 2-3 мкА. После падения напряжения до 4.0В, зарядка включается снова. И так по кругу.
Ток заряда (в амперах) рассчитывается по формуле I=1200/R prog . Допустимый максимум - 1000 мА.
Реальный тест зарядки с аккумулятором 18650 на 3400 мА/ч показан на графике:
Достоинство микросхемы в том, что ток заряда задается всего лишь одним резистором. Не требуются мощные низкоомные резисторы. Плюс имеется индикатор процесса заряда, а также индикация окончания зарядки. При неподключенном аккумуляторе, индикатор моргает с периодичностью раз в несколько секунд.
Напряжение питания схемы должно лежать в пределах 4.5...8 вольт. Чем ближе к 4.5В - тем лучше (так чип меньше греется).
Первая нога используется для подключения датчика температуры, встроенного в литий-ионную батарею (обычно это средний вывод аккумулятора сотового телефона). Если на выводе напряжение будет ниже 45% или выше 80% от напряжения питания, то зарядка приостанавливается. Если контроль температуры вам не нужен, просто посадите эту ногу на землю.
Внимание! У данной схемы есть один существенный недостаток: отсутствие схемы защиты от переполюсовки батареи. В этом случае контроллер гарантированно выгорает из строя из-за превышения максимального тока. При этом напряжение питания схемы напрямую попадает на аккумулятор, что очень опасно.
Печатка простая, делается за час на коленке. Если время терпит, можно заказать готовые модули. Некоторые производители готовых модулей добавляют защиту от перегрузки по току и переразряда ( , например, можно выбрать какая плата вам нужна - с защитой или без, и с каким разъемом).
Так же можно найти готовые платы с выведенным контактом под температурный датчик. Или даже модуль зарядки с несколькими запараллеленными микросхемами TP4056 для увеличения зарядного тока и с защитой от переполюсовки (пример).
LTC1734
Тоже очень простая схема. Ток заряда задается резистором R prog (например, если поставить резистор на 3 кОм, ток будет равен 500 мА).
Микросхемы обычно имеют маркировку на корпусе: LTRG (их можно часто встретить в старых телефонах от самсунгов).
Транзистор подойдет вообще любой p-n-p, главное, чтобы он был рассчитан на заданный ток зарядки.
Индикатора заряда на указанной схеме нет, но в на LTC1734 сказано, что вывод "4" (Prog) имеет две функции - установку тока и контроль окончания заряда батареи. Для примера приведена схема с контролем окончания заряда при помощи компаратора LT1716.
Компаратор LT1716 в данном случае можно заменить дешевым LM358.
TL431 + транзистор
Наверное, сложно придумать схему из более доступных компонентов. Здесь самое сложное - это найти источник опорного напряжение TL431. Но они настолько распространены, что встречаются практически повсюду (редко какой источник питания обходится без этой микросхемы).
Ну а транзистор TIP41 можно заменить любым другим с подходящим током коллектора. Подойдут даже старые советские КТ819, КТ805 (или менее мощные КТ815, КТ817).
Настройка схемы сводится к установке выходного напряжения (без аккумулятора!!!) с помощью подстроечного резистора на уровне 4.2 вольта. Резистор R1 задает максимальное значение зарядного тока.
Данная схема полноценно реализует двухэтапный процесс заряда литиевых аккумуляторов - сначала зарядка постоянным током, затем переход к фазе стабилизации напряжения и плавное снижение тока практически до нуля. Единственный недостаток - плохая повторяемость схемы (капризна в настройке и требовательна к используемым компонентам).
MCP73812
Есть еще одна незаслуженно обделенная вниманием микросхема от компании Microchip - MCP73812 (см. ). На ее базе получается очень бюджетный вариант зарядки (и недорогой!). Весь обвес - всего один резистор!
Кстати, микросхема выполнена в удобном для пайки корпусе - SOT23-5.
Единственный минус - сильно греется и нет индикации заряда. Еще она как-то не очень надежно работает, если у вас маломощный источник питания (который дает просадку напряжения).
В общем, если для вас индикация заряда не важна, и ток в 500 мА вас устраивает, то МСР73812 - очень неплохой вариант.
NCP1835
Предлагается полностью интегрированное решение - NCP1835B, обеспечивающее высокую стабильность зарядного напряжения (4.2 ±0.05 В).
Пожалуй, единственным недостатком данной микросхемы является ее слишком миниатюрный размер (корпус DFN-10, размер 3х3 мм). Не каждому под силу обеспечить качественную пайку таких миниатюрных элементов.
Из неоспоримых преимуществ хотелось бы отметить следующее:
- Минимальное количество деталей обвеса.
- Возможность зарядки полностью разряженной батареи (предзаряд током 30мА);
- Определение окончания зарядки.
- Программируемый зарядный ток - до 1000 мА.
- Индикация заряда и ошибок (способна детектировать незаряжаемые батарейки и сигнализировать об этом).
- Защита от продолжительного заряда (изменяя емкость конденсатора С т, можно задать максимальное время заряда от 6,6 до 784 минут).
Стоимость микросхемы не то чтобы копеечная, но и не настолько большая (~1$), чтобы отказаться от ее применения. Если вы дружите с паяльником, я бы порекомендовал остановить свой выбор на этом варианте.
Более подробное описание находится в .
Можно ли заряжать литий-ионный аккумулятор без контроллера?
Да, можно. Однако это потребует плотного контроля за зарядным током и напряжением.
Вообще, зарядить АКБ, к примеру, наш 18650 совсем без зарядного устройства не получится. Все равно нужно как-то ограничивать максимальный ток заряда, так что хотя бы самое примитивное ЗУ, но все же потребуется.
Самое простейшее зарядное устройство для любого литиевого аккумулятора - это резистор, включенный последовательно с аккумулятором:
Сопротивление и мощность рассеяния резистора зависят от напряжения источника питания, который будет использоваться для зарядки.
Давайте в качестве примера, рассчитаем резистор для блока питания напряжением 5 Вольт. Заряжать будем аккумулятор 18650, емкостью 2400 мА/ч.
Итак, в самом начале зарядки падение напряжение на резисторе будет составлять:
U r = 5 - 2.8 = 2.2 Вольта
Предположим, наш 5-вольтовый блок питания рассчитан на максимальный ток 1А. Самый большой ток схема будет потреблять в самом начале заряда, когда напряжение на аккумуляторе минимально и составляет 2.7-2.8 Вольта.
Внимание: в данных расчетах не учитывается вероятность того, что аккумулятор может быть очень глубоко разряжен и напряжение на нем может быть гораздо ниже, вплоть до нуля.
Таким образом, сопротивление резистора, необходимое для ограничения тока в самом начале заряда на уровне 1 Ампера, должно составлять:
R = U / I = 2.2 / 1 = 2.2 Ом
Мощность рассеивания резистора:
P r = I 2 R = 1*1*2.2 = 2.2 Вт
В самом конце заряда аккумулятора, когда напряжение на нем приблизится к 4.2 В, ток заряда будет составлять:
I зар = (U ип - 4.2) / R = (5 - 4.2) / 2.2 = 0.3 А
Т.е., как мы видим, все значения не выходят за рамки допустимых для данного аккумулятора: начальный ток не превышает максимально допустимый ток заряда для данного аккумулятора (2.4 А), а конечный ток превышает ток, при котором аккумулятор уже перестает набирать емкость (0.24 А).
Самый главный недостаток такой зарядки состоит в необходимости постоянно контролировать напряжение на аккумуляторе. И вручную отключить заряд, как только напряжение достигнет 4.2 Вольта. Дело в том, что литиевые аккумуляторы очень плохо переносят даже кратковременное перенапряжение - электродные массы начинают быстро деградировать, что неминуемо приводит к потери емкости. Одновременно с этим создаются все предпосылки для перегрева и разгерметизации.
Если в ваш аккумулятор встроена плата защиты, о которых речь шла чуть выше, то все упрощается. По достижении определенного напряжение на аккумуляторе, плата сама отключит его от зарядного устройства. Однако такой способ зарядки имеет существенные минусы, о которых мы рассказывали в .
Защита, встроенная в аккумулятор не позволит его перезарядить ни при каких обстоятельствах. Все, что вам остается сделать, это проконтролировать ток заряда, чтобы он не превысил допустимые значения для данного аккумулятора (платы защиты не умеют ограничивать ток заряда, к сожалению).
Зарядка при помощи лабораторного блока питания
Если в вашем распоряжении имеется блок питания с защитой (ограничением) по току, то вы спасены! Такой источник питания уже является полноценным зарядным устройством, реализующим правильный профиль заряда, о котором мы писали выше (СС/СV).
Все, что нужно сделать для зарядки li-ion - это выставить на блоке питания 4.2 вольта и установить желаемое ограничение по току. И можно подключать аккумулятор.
Вначале, когда аккумулятор еще разряжен, лабораторный блок питания будет работать в режиме защиты по току (т.е. будет стабилизировать выходной ток на заданном уровне). Затем, когда напряжение на банке поднимется до установленных 4.2В, блок питания перейдет в режим стабилизации напряжения, а ток при этом начнет падать.
Когда ток упадет до 0.05-0.1С, аккумулятор можно считать полностью заряженным.
Как видите, лабораторный БП - практически идеальное зарядное устройство! Единственное, что он не умеет делать автоматически, это принимать решение о полной зарядке аккумулятора и отключаться. Но это мелочь, на которую даже не стоит обращать внимания.
Как заряжать литиевые батарейки?
И если мы говорим об одноразовой батарейке, не предназначенной для перезарядки, то правильный (и единственно верный) ответ на этот вопрос - НИКАК.
Дело в том, что любая литиевая батарейка (например, распространенная CR2032 в виде плоской таблетки) характеризуется наличием внутреннего пассивирующего слоя, которым покрыт литиевый анод. Этот слой предотвращает химическую реакцию анода с электролитом. А подача стороннего тока разрушает вышеуказанный защитный слой, приводя к порче элемента питания.
Кстати, если говорить о незаряжаемой батарейке CR2032, то есть очень похожая на нее LIR2032 - это уже полноценный аккумулятор. Ее можно и нужно заряжать. Только у нее напряжение не 3, а 3.6В.
О том же, как заряжать литиевые аккумуляторы (будь то аккумулятор телефона, 18650 или любой другой li-ion аккумулятор) шла речь в начале статьи.
- Литиевые аккумуляторы лучше никелевых по многим параметрам: выше токоотдача и ниже просадка напряжения под нагрузкой – шуруповёрт крутит одинаково хорошо как на полной зарядке, так и уже разряженный. Литиевые аккумуляторы не имеют эффекта памяти – их можно ДОзаряжать без ущерба ёмкости (в отличие от никелевых). Саморазряд литиевых аккумуляторов в разы меньше никелевых, шуруповёрт спокойно пролежит полгода и потеряет лишь пару десятков процентов зарядки, тогда как никелевый разрядится в нулину.
- Напряжение сборки зависит от количества “банок” лития. В полностью заряженном состоянии одна банка имеет напряжение 4.2 Вольта, тогда как рабочее напряжение находится в районе 3.7 Вольта (на этом участке график разряда практически горизонтальный)
- Количество банок для батареи выбирается следующим образом: посмотрите на ваш старый никелевый аккумулятор. Какое напряжение на нём указано? Подберите количество банок лития таким образом, чтобы их суммарное напряжение было близко к никелевой сборке, или чуть выше этого значения. Напряжение банки лития в расчёте принимаем 3.7 Вольт: 2 банки – 7.4 В, 3 банки – 11.1 В, 4 банки – 14.8 В, 5 банок – 18.5 В. Также можно считать по максимальному – посмотрите на выходное напряжение зарядника для никелевой батареи, это будет напряжение полностью заряженного шуруповёрта. Считаем банки лития как 4.2 Вольта на банку: 2 банки – 8.4 В, 3 банки – 12.6 В, 4 банки – 16.8 В, 5 банок – 21 В. Не бойтесь собирать аккумулятор на Вольт-два больше старого: крутить будет чуть шустрее, мотор от этого НЕ СГОРИТ. Если конечно не зажать его в тисках и не дать полный газ.
- Плата защиты (BMS) выполняет сразу несколько функций: защищает аккумулятор от переразрядки (литий этого не любит) и защищает от короткого замыкания, спасая вас от взрыва банок. В обоих случаях BMS просто отключает сборку от нагрузки до устранения причин срабатывания. Некоторые модели BMS не уходят с защиты до тех пор, пока вы не подадите зарядное напряжение на плату . Модели BMS с балансировкой банок дополнительно выполняют очень важную задачу: балансируют напряжение банок в батарее во время зарядки, заряжая их до одинакового напряжения, что обеспечивает максимально эффективное и безопасное использование батареи.
- Заряжать батарею из литиевых аккумуляторов необходимо специальным зарядником, выдающим нужное напряжение и ограничивающим ток, такие зарядники имеют в названии “CC CV”, что означает constant current constant voltage – закон зарядки литиевых аккумуляторов. ВНИМАНИЕ! Плата BMS не является зарядным устройством! Заряжать литиевую сборку необходимо отдельным специальным зарядным устройством, напряжение которого равняется максимальному напряжению сборки: 2 банки – 8.4 В, 3 банки – 12.6 В, 4 банки – 16.8 В, 5 банок – 21 В. Ссылки на китайские зарядные БП я оставлю ниже. Эти зарядники сами отключают батарею по окончанию зарядки. Очень удобно ставить на батарею гнездо стандарта 5.5х2.1 мм, потому что такой штекер стоит на всех зарядных БП.
- Индикатор заряда батареи чуть-чуть, но разряжает аккумулятор (светодиоды жи) поэтому просто подключить его к сборке нельзя, делать это нужно через кнопку или выключатель. Также можно подключить его напрямую к мотору шурупопвёрта, но желательно через диод. Таким образом, зажав “полный вперёд” вы увидите заряд батареи на индикаторе!
- Что купить
для сборки батареи литиевых аккумуляторов для шуруповёрта?
Высокотоковые аккумуляторы, как посчитать количество банок я писал выше. Ссылки на разные аккумуляторы вы найдёте ниже, здесь порекомендую мощные и ёмкие аккумуляторы SONY VTC6. С приваренными полосками для удобной сборки. И обычные банки под самостоятельную сварку/пайку. Чуть дешевле и не такие мощные HG2, ссылка один , ссылка два . У нас такие аккумуляторы можно купить в вейп-шопах.
Плата защиты (BMS) соответственно количеству выбранных банок. Ссылки на мощные BMS с балансировкой со схемами подключения есть . Продублирую здесь: 3 банки , 3 банки , 4 банки , 4 банки , 5 банок , 5 банок . Для особо мощных шуруповёртов используйте мощные BMS . У продавца они на разное количество банок
Зарядник на соответствующее количество банок, ссылки есть ниже, продублирую здесь: 3 банки 1 ампер , 3 банки 2 ампера , 4 банки , 5 банок
Гнездо 5.5х2.1мм для удобной зарядки, ссылка 1 , ссылка 2
Индикатор заряда на соответствующее количество банок: ссылка 1 , ссылка 2 .
- Техника безопасности
при работе с литиевыми аккумуляторами играет крайне важную роль! Литиевые аккумуляторы – мощная и очень опасная штука, при неправильно использовании литиевый аккумулятор может бахнуть/загореться. Это может произойти по трём основным причинам: слишком высокая нагрузка, перегрев и выход за пределы по напряжению. Частные случаи:
- Перегрев – не оставляйте аккумуляторы на солнце!
- Короткое замыкание – если паяете банки – делайте это максимально аккуратно!
- Перезарядка – используйте только ЗУ для лития!
- Переразрядка – не насилуйте аккумулятор!
- Эксплуатация горячего аккумулятора
- Механическое повреждение банки
- Что делать
, если аккумулятор всё-таки бахнул? Советы от пожарника Андрея Делона:
- Литий не потушишь “прям совсем подручными средствами” , он пока не прогорит будет создавать неудобства и о себе громко орать.
- Если загорелся, самое идеальное это кинуть в кастрюлю и т.п. Чтоб сильно не дымил, засыпать чем ибо (солью, песком, землей, содой).
НИ В КОЕМ РАЗЕ нельзя тушить водой и пенными огнетушителями. - Для тушения лития есть спец средства, порошковые смеси ПС-11, ПС-12 и ПС-13 (обычные огнетушители не работают!)
- Некоторые порошковые огнетушители и вовсе могут дать обратный эффект, например со смесью ПС-2.
Плата предназначена для защиты от короткого замыкания, перезаряда и переразряда литиевой батареи. Использовать предполагается при максимальном токе 3 А, поэтому был взят вариант на 4 А, есть еще почти такие же, но на 2 А (суффикс B вместо A), немного дешевле.
Плата отличная, но мне не хватило опыта, чтобы установить её нормально. Там внизу дофига текста, можно просто фотки полистать.
В названии явно обозначен типоразмер аккумулятора, но плата точно так же подойдет для большинства литиевых аккумуляторов с диаметром 18 мм, например 18350, 18490, 18500. А если не использовать возможность установки на батарею, то подойдёт для любого типоразмера, главное, чтобы предельные параметры подходили.
Тестирование
Параметры от продавца:- Максимальное напряжение батареи: 4,275 В
- Минимальное напряжение батареи: 2,5 В
- Выходной ток: 4 А
Действительно, при достижении 2,5 В или чуть ниже плата отрубает вход, на выходе получается ноль, банка дальше не разряжается. Чтобы схема снова начала пропускать ток, входное напряжение должно быть поднято уже до 3 В. Такой гистерезис исключает лишние переключения при смене состояния.
Защиту от перезаряда проверить полностью не смог, но она кажется рабочей. Если заряжать простым источником напряжения через резистор. Для проверки заряда ближе к его концу плата отключает выход и, если напряжение на банке еще мало, включает зарядку дальше. Частота проверки - примерно раз в секунду. Протестировал зарядку через несколько своих зарядных устройств, везде поведение другое, зарядные устройства сами контролируют весь процесс, и плата им не мешает.
При превышении максимального тока (заявлено 4 А) плата отключается, на выходе нулевой ток. Чтобы плата снова заработала необходимо снять нагрузку. Замкнул аккумулятор с защитой на резистор в 1 Ом, ток на выходе пошел чуть больше 2,5 А, напряжение, соответственно, такое же. Это единственный сомнительный момент в данной плате. Получается, что как только я немного повышу нагрузку (понижу сопротивление), напряжение еще просядет, и плата вырубится по напряжению. Аккумулятор нормальный, способен отдавать до 2,8 А точно. Возможно, повлияли провода и мультиметр. Далее замыкаю выход платы, и она сразу вырубается. Чтобы сбросить защиту, нужно отключить нагрузку.
Подготовка к сборке
Схема подключения элементарна, контакты на плате подписаны, но фиксация платы на батарее - задача непростая, в основном из-за необходимости применения специальных материалов. Обязательно понадобится , что-нибудь для прокладки между платой и батареей, а также плоский проводник, который протянется от плюса к минусу батареи.Так как теперь на плюсе батареи будет пайка, необходимо добавить на плюс что-то более выпуклое, чтобы нагрузка не приходилась на место этой пайки, .
Электрические соединения, повторюсь, довольно простые. Зад платы полностью представляет собой контактную площадку, он же вывод «P-», его паять не нужно. Вывод «P+», как и вывод «B+», нужно соединить с плюсом батареи. Они уже соединены на плате, так что провод-ленту можно будет тянуть от любого из них. Еще один провод должен соединять «B-» с минусом батареи, он должен быть коротким и полностью помещаться в зазор между платой и батареей.
В качестве длинного проводника от платы к плюсу батареи лучше всего использовать металлическую ленту. Такие ленты можно даже купить на Ebay, но мне нужна всего пара полосок, есть смысл поискать в пределах видимости. Нашел такую медную полосу, толщина ~0,1 мм, идеально. Необходимость использовать плоский проводник объясняется желанием сохранить габаритные размеры аккумулятора, часто в устройствах-потребителях не бывает лишнего зазора.
Плату надо как-то зафиксировать на минусовой площадке батареи. Здесь нужен компаунд, герметик, а может хватит и двухстороннего скотча. Всё зависит от того, планируете ли вы в будущем обслуживать данную схему. Дополнительным креплением станет термоусаживаемая трубка, поэтому абсолютная фиксация кажется необязательной.
Сборка и итоги
Решил сначала попробовать на убитом аккумуляторе. Так я без риска проверю все действия на ошибки.Посмотрим, насколько изменится длина банки.
Пока заметно удлинение всего на пару миллиметров, но нужно учитывать, что будет еще пайка на минусовом контакте (можно сэкономить при пайке по краю, но сразу не догадался, но для того и тест на пробнике), а также прокладка между платой и батареей, бить чипы о железо не хочется. Её тоже можно сделать довольно тонкой, но крепкой, так как больших напряжений здесь нет, но физическая сила будет прилагаться часто. Пока решил поставить кусок старой термоусадки, довольно толстой. То есть сделал всё максимально толсто.
Берём ленту, отрезаем пару кусков. Длинный кусок пойдет вдоль всей батареи, короткий нужен только для замыкания площадки на плате с минусом банки, можно использовать даже кусок проволоки. Сразу всё лудим и припаиваем одним концом к плате.
Далее нужно короткий конец припаять к банке. Паять надо с минимальным количеством припоя, всё лишнее будет удлинять готовую сборку. У прокладки срезал немного один из боков, чтобы было место для ленты. Нужно соединять всё так, чтобы изгибы ленты не выходили за пределы батареи.
Теперь припаиваем оставшуюся ленту к плюсу банки. Здесь очень важно следить за тем, чтобы эта полоска не касалась корпуса банки. Добавьте под ленту какой-нибудь изолятор. Так как это проба на мертвой батарее, я поленился делать эту изоляцию (зря, ведь это также тест материалов). Эта изоляция - основа безопасности работы с батареей, так как при замыкании на корпус произойдет короткое замыкание батареи в обход защиты.
Далее остаётся натянуть трубку и усадить её так, чтобы она с обоих концов немного завернулась за край. И вот здесь проявилась главная проблема - трубка оказалась слишком хрупкой. Дополнительно неудачно вышло так, что сгиб трубки пришелся на один из краев ленты, и это сразу привело к разрыву. Края платы оказались слишком острыми, и они также порвали трубку.
Со стороны плюса всё отлично. Эта трубка боится перегрева, возможно это также повлияло на результат.
К сожалению, количество термоусадки у меня ограничено (с последним заказом пришел брак). Поэтому вторую попытку я решил отложить. Изначально не планировал использовать данные платы по прямому назначению, такой форм-фактор - случайность. Но кое-что в ходе проверки удалось выяснить на тот случай, если я захочу повторить попытку:
- Главное - лучше взять готовую банку с защитой, она будет точно такая же по конструкции. Вряд ли самому получится сделать лучше и дешевле.
- Термоусадку не перегревать. Сгибы держать подальше от металлической ленты.
- У провода-ленты убрать заусенцы. Максимально разгладить по поверхности банки. Лента должна быть хорошо изолирована от корпуса и внешней среды.
- Паять контакт к минусовому контакту около края, чтобы пайка не упиралась в центральную часть платы с чипами.
- Термоусадка достаточно сильно держит плату, беспокоиться за крепление платы к батарее не стоит. Но если есть подходящий компаунд, следует им воспользоваться.
- Желательно затупить края платы, например пустив по периметру слой изоленты или той же термоусадки.
- Как ни старайся, а 3-5 мм к батарее всё равно прибавится.
Вряд ли буду еще пробовать делать защищенный аккумулятор самостоятельно, слишком коряво у меня получается. Останусь с первоначальной идеей использования в составе устройств-потребителей, а не батареи.
Так и не понял, что за третий чип установлен на плату, маркировка 10DB или 100B, вторая строка G62S. Если кто знает, намекните в комментариях. Остальные два чипа - сборки полевых транзисторов, по два на каждую.
Главный итог здесь для меня такой. Защищенные аккумуляторы-банки имеют существенный конструктивный недостаток в виде проводящей ленты вдоль всего корпуса. Её повреждение или, что вероятнее из-за её острых краёв, повреждение изоляции под/над ней может привести к контакту ленты с корпусом, то есть короткому замыканию аккумулятора в обход защиты. Соответственно, вряд ли использование защищенных цилиндрических аккумуляторов, особенно самодельных, более безопасно для всех применений.
Техника безопасности
Не рекомендуется долго нагревать аккумулятор. В лучшем случае это ухудшит его характеристики. Если есть возможность, используйте точечную контактную сварку для аккумуляторов.Но если такого оборудования нет, можно обойтись и паяльником. Чтобы уменьшить время нагрева при лужении, используйте активный флюс, обязательно потом очистите от него батарею. Маломощным паяльником с тонким жалом будет очень сложно лудить батарею, используйте соответствующий инструмент. Рассчитывайте на 1-2 секунды непрерывного контакта паяльника с батареей. Если не получается так быстро, дайте батарее остыть и скорректируйте набор инструментов и/или технику.
Я паял всё паяльником, не обращая внимание на небольшой перегрев, так как тестовая батарея всё равно убитая.
Планирую купить +51 Добавить в избранное Обзор понравился +37 +75