Литий-ионные аккумуляторы стремительно завоевывают рынок автономных источников тока, вытесняя традиционные батареи из многих сфер. Обладая неоспоримыми преимуществами перед традиционными батареями, Li-ion элементы обладают и врожденными недостатками. Один из наиболее заметных – необходимость строгого соблюдение режимов заряда и разряда, поэтому процесс пополнения энергии (да и расходования заряда) должен происходить под управлением контроллера заряда аккумулятора.
Принцип работы и основные радиоэлементы контроллера
Чтобы рассмотреть вопрос построения контроллеров заряда, в первую очередь надо разобраться с терминологией. Понятие контроллера заряда часто путают со схемой защиты аккумулятора. Ее назначение – отключение батареи при достижении граничных параметров (верхний или нижний уровень напряжения, температура, ток и т.п.).
Часто плата контроля батареи содержит оба устройства, но все же контроллером заряда называется устройство (электронная схема), формирующая определенный алгоритм пополнения энергии перезаряжаемого источника. В данном обзоре будут рассматриваться именно такие схемы.
Устройства для балансировки (балансиры, BMS), под управлением которых происходит процесс подзаряда батареи из нескольких последовательно соединенных элементов, тоже можно отнести к схемам защиты.
Для понимания принципа работы контроллера в первую очередь надо рассмотреть оптимальный алгоритм зарядки Li-ion аккумулятора. Он состоит из нескольких этапов.
Полный алгоритм процесса пополнения запаса энергии литий-ионного элемента содержит три стадии:
- Предварительный подзаряд малым током (на рисунке – этап 1’). Используется только для аккумуляторов, разряженных до уровня ниже 2,4 вольта (на одну ячейку). При достижении указанного порога контроллер переходит к этапу 1 (или начинает с него, если выходное напряжение в норме).
- Этап подзаряда стабильным током. На этой стадии контроллер поддерживает ток равным в течение всего процесса, повышая напряжение по мере зарядки элемента. Сила тока при этом может быть выбрана в пределах 0,5С..1С.
- Дозаряд стабильным напряжением (этап 2). При достижении около 80% заряда аккумулятора, контроллер стабилизирует напряжение. Ток при этом падает, и как только он достигнет порогового значения, процесс прекращается. Аккумулятор считается заряженным.
Многие устройства контроля заряда работают по упрощенному алгоритму. Это позволяет приблизить процесс к оптимальному, используя несложную схемотехнику. Например, «импульсный» способ формирования второго этапа. Сначала аккумулятор заряжается стабильным током, а на втором этапе на выводы аккумулятора подаются импульсы тока той же амплитуды, но регулируемой ширины так, что среднее напряжение на элементе остается примерно одинаковым. В паузах между импульсами напряжение измеряется напряжение на аккумуляторе, и чем ближе оно к 4,2 (еще лучше — к 4,15) вольтам, тем короче импульс. При достижении порога в 4,15 вольт длина импульса сокращается до нуля, и процесс прекращается.
Другой способ задать режим 2 этапа — дозаряд ступенчато снижающимся током. При этом среднее напряжение на выводах батареи также можно считать приблизительно стабильным.
В еще более простых контроллерах второй этап упрощается до 1 ступени. Просто снижается ток в несколько раз. Напряжение становится возрастающим, но это лучше, чем совсем без стадии дозаряда.
Очевидно, что алгоритм подзаряда достаточно сложен, связан с измерением токов и напряжений, переходом от одного режима к другому. Поэтому для практической реализации зарядных устройств с оптимальным режимом процесса пополнения энергии в большинстве случаев требуются программируемые микроконтроллеры или специализированные микросхемы.
Существуют и достаточно несложные схемы на дискретных электронных компонентах. Одна из них будет рассмотрена далее.
Примеры схем для контроллеров заряда
Для заряда одиночных элементов относительно небольшой ёмкости (включая аккумуляторы популярного типоразмера 18650) удобно использовать зарядные устройства, питаемые от сетевых адаптеров стандарта USB. Для ЗУ, предназначенных для пополнения запаса энергии сборок из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, понадобится источник на соответствующее напряжение.
Зарядное устройство с дозарядом импульсным током
Этот зарядник питается от понижающего трансформатора и выпрямителя с выходным постоянным напряжением 6..7 вольт, но можно применить, как указано выше, и БП с выходом стандарта USB, лишь бы он обеспечивал достаточный ток.
В момент включения ЗУ начинает заряжать одиночный элемент стабильным током. Уровень тока задается резистором RD, и его надо подобрать при настройке. Аккумулятор заряжается в таком режиме до повышения напряжения на нем до 4,15 вольт. Этот момент отслеживается компаратором KA393. Как только напряжение на клеммах достигнет указанного порога, компаратор переключается и, управляя транзистором T2, закрывает силовой ключ (транзистор T1). Напряжение на клеммах не полностью заряженного аккумулятора упадет ниже 4,15 вольт, компаратор сработает и снова включит T1. Процесс включения-отключения будет продолжаться по мере заряда аккумулятора, а длительность паузы-заряда будет снижаться до тех пор, пока батарея не зарядится полностью и не будет на холостом ходу стабильно держать 4,15 вольт.
Для установки порога перехода от этапа 1 к этапу 2 надо при первой зарядке контролировать напряжение на выводах элемента, и, как только оно достигнет 4,15 вольт, добиться зажигания светодиода путем вращения движка резистора R1.
Это достаточно простое зарядное устройство хотя и реализует полноценный двухступенчатый алгоритм, оно автоматически не обеспечивает этап подзарядки малым током до нижнего порога.
Схема контроллера на микросхеме TP4056
Практически идеальный контроллер можно построить на базе микросхемы TP4056. Этот электронный компонент специально разработан для заряда литий-ионных аккумуляторов и автоматически формирует все три этапа подзаряда, включая предварительный (при необходимости). Для реализации схемы не понадобятся дополнительные силовые или активные компоненты – всего несколько внешних резисторов и конденсаторов, и пара светодиодов для индикации.
Резистор 0,2..0,5 Ом и конденсатор 10 мкФ, подключенные к выводу 4, образуют фильтр, защищающий от помех по цепи питания. Резисторы на выводах 6 и 7 ограничивают ток через светодиоды. LED зеленого цвета индицирует дежурный режим, а красного – режим зарядки.
Светодиоды могут быть любого цвета, но для удобства лучше принять рекомендуемые.
Резистор на выводе 2 определяет ток зарядки. Если его номинал 1,2 кОм, то аккумулятор на 1 этапе заряжается током 1 А. При увеличении номинала резистора ток падает, и для значения в 10 кОм составляет 130 мА. Резисторы R1и R2 создают смещение на входе контроля температуры. Подробнее об установке режимов подзаряда можно прочитать в datasheet на микросхему.
Можно дополнить схему контроллера узлом защиты от перезаряда, переразряда и КЗ. Подобный узел можно построить на микросхеме DW01A, но к ней придется добавить два ключа на полевых транзисторах. Получится схема управления аккумулятором, ее можно встроить в устройство, оснащенное литий-ионным элементом.
Полный обзор возможностей контроллера TP4056 читайте в статье.
Контроллер заряда на LTC4054 (STC4054)
Подобную несложную схему можно построить на базе контроллера LTC4054. Принцип тот же, что и в предыдущем случае – специализированная микросхема, пара светодиодов для индикации режима и программирующий резистор.
Этот вариант также формирует все три этапа подзаряда без вмешательства в его работу. Отличия от предыдущего варианта:
- максимальный ток несколько ниже, всего 800 мА;
- отсутствие контроля температуры.
Зависимость тока от сопротивления R2 выглядит, как Iзар=205/Rпрог, где:
- Iзар – зарядный ток в миллиамперах;
- Rпрог – сопротивление программирующего резистора в килоомах.
Для указанного на схеме номинала величина тока составит около 100 мА. Транзистор Q1 и светодиод D2 можно исключить. Тогда останется только индикация режима зарядки светодиодом D1.
Простая схема на MCP73812
Минимальное количество обвесных элементов содержит схема зарядки на микросхеме MCP73812. Только два конденсатора – фильтр напряжения питания и еще один параллельно заряжаемому аккумулятору, и схема обеспечит две стадии заряда литий-ионного элемента – стабильным током, а затем стабильным напряжением.
Можно обойтись даже без программирующего резистора – выходной ток составит 450 мА. Если надо установить другое значение тока подзаряда, придется установить Rпрог между 5 выводом микросхемы. Выбирают его по соотношению Rпрог=1000/ Iзар.
Рекомендуем: Самодельное зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов
Контроллеры заряда литий-ионных аккумуляторов можно выполнить на базе и других специализированных микросхем (MAX1551/MAX1555, LP2951, LTC1734). Все схемы несложны и обеспечивают подзаряд Li-ion батарей в стандартном режиме. Микросхемы недороги, их легко приобрести (часто выбор схемы определяется тем, что из комплектующих есть под рукой). А для тех, кто не хочет или не может заниматься самостоятельной сборкой, есть простой путь – приобрести готовые модули на AliExpress или другой интернет-площадке.
