Защита аккумуляторной батареи ИБП от перезарядки. Схема, описание

На сегодняшний день литий ионные аккумуляторы являются самыми эффективными аккумуляторами. Они компактные, имеют большую энергоемкость, лишены эффекта памяти. При всех достоинствах у них имеется один существенный недостаток, их работу и процесс заряда нужно тщательно контролировать. Если аккумулятор разрядится ниже некоторого предела или перезарядить, он быстро теряет свои свойства, вздуться и даже взорваться. Тоже самое и в случае перегрузки и коротких замыканиях - нагрев, образование газов и в итоге взрыв.

Некоторые литий ионных аккумуляторы снабжены предохранительным клапаном, который не даст аккумулятору взорваться, но большая часть мощных полимерных аккумуляторов таких клапанов не имеют.

Другими словами, при эксплуатации литий ионных аккумуляторов требуется система их защиты.

Многие наверняка заметили маленькие платы в аккумуляторах мобильных телефонов, вот как раз эта плата и является защитой. Защищает она от глубкого разряда, от перезаряда и от коротких замыканий или перегрузок по току.

Схема этой защиты очень простая, на плате находиться пара микросхем с мелочевкой.

За всеми процессами следит микросхема DW01. Вторая микросхема - это сборка из двух полевых транзисторов. Первый транзистор контролирует процесс разряда, второй отвечает за заряд батареи.

Во время разряда микросхема следит за падением напряжения на переходах полевых ключей, если оно доходит до критической величины (150-200мВ), микросхема закрывает транзисторы, отключая батарею от нагрузки. Работа схемы восстанавливается менее чем за секунду после того, после снятия нагрузки.

Падение напряжение на переходах транзисторов микросхема отслеживает через второй вывод.

В зависимости от емкости аккумулятора эти контроллеры могут кардинально отличаться внешним видом, током короткого замыкания и топологией схемы, но функция у них всегда одинаковая - защищать аккумулятор от перезаряда, глубокого разряда и перегрузки по току. Многие контроллеры также обеспечивают защиту от перегрева банки, контроль температуры осуществляется термодатчиком.

У меня скопилось очень много плат защиты от аккумуляторов мобильных телефонов и как раз для одного моего проекта в котором задействован литий ионный аккумулятор понадобилась система защиты. Проблема в том, что эти платы рассчитаны на максимальный ток в 1Ампер, а мне нужна была плата с током минимум 6-7 Ампер. Платы с нужным для моих целей током стоят меньше пол доллара, но ждать месяц-другой я не мог. Осмотрев китайские платы на алиэкспресс я понял, что они не многим отличаются от моих. Схематика та же, только ток защиты побольше за счёт параллельного включения силовых транзисторов.

При параллельном соединении полевых транзисторов, сопротивление их каналов будет значительно меньше, поэтому падение напряжения на них будет меньше, а ток срабатывания защиты будет больше. Параллельное соединение ключей даст возможность коммутировать большие токи, чем больше ключей, тем больше общий ток коммутации.

В схеме применены стандартные сборки из двух полевиков в одном корпусе. Их часто применяют на платах защиты аккумуляторов смартфонов и не только.

Сборки 8205А имеют очень много аналогов, как и микросхемы контроля DW01.

После сборки платы я протестировал её. Получилось именно то, что мне нужно для проекта:

Плата заряжает аккумулятор до напряжения 4,2В и отключает его от зарядного устройства;
При разряде аккумулятора ниже 2,5В аккумулятор отключился от нагрузки;
При токах выше 12-13 Ампер аккумулятор отключается.

Литий ионные аккумуляторы имеют малый саморазряд, но аккумулятор дополненный такой платой будет разряжаться быстрее, чем аккумулятор без защиты. Ток потребления схемы защиты мизерный, и составляет около 2,5 МИКРОампер.

Подробнее о работе платы защиты

{youtube}lXKELGFo79o {/youtube}

Собираем мощную плату контроля

{youtube} _w-AUCG4k_0 {/youtube}

Плата защиты для одной банки LI-ION http://ali.pub/28463y

Плата защиты для двух банок

Возникла у меня необходимость защиты аккумулятора от глубокого разряда. И основное требование к схеме защиты, что бы после разряда аккумулятора, она отключила нагрузку, и не смогла ее самостоятельно включить, после того как аккумулятор немного наберет напряжение на клеммах, без нагрузки.

За основу схемы здесь взят 555-й таймер, включенный в качестве генератора одиночного импульса, который после достижения минимального порогового напряжения, закроет затвор транзистора VT1 и отключит нагрузку. Схема сможет включить нагрузку только после отключения, и повторного подключения питания.

Плата (Зеркалить не нужно):

Плата SMD (Нужно зеркалить):

Все SMD резисторы — 0805. Корпус MOSFET — D2PAK, но можно и DPAK.

При сборке, стоит обратить внимание на то, что под микросхемой (в плате на DIP компонентах) есть перемычка и про нее главное не забыть!

Настраивается схема следующим образом: резистор R5 выставляется в верхнее по схеме положение, далее подключаем ее к источнику питания с выставленным на нем напряжением, при котором она должна отключить нагрузку. Если верить википедии , то напряжение полностью разряженного 12-и Вольтового аккумулятора соответствует 10,5 Вольт, это и будет нашим напряжением отключения нагрузки. Далее вращаем регулятор R5 до тех пор, пока нагрузка не отключится. Вместо транзистора IRFZ44 можно использовать практически любой мощный низковольтный MOSFET, необходимо только учитывать, что он должен быть рассчитан на ток, раза в 2 больше, чем будет максимальный ток нагрузки, а напряжение затвора должно быть в пределах напряжения питания.

При желании, подстроечный резистор можно заменить на постоянный, номиналом 240 кОм и при этом резистор R4 необходимо заменить на 680 кОм. При условии, что порог у TL431 2,5 Вольта.

Потребляемый ток платой — около 6-7 mA.

В результате броска сетевого напряжения вышли из строя несколько включенных в сеть электроприборов, в том числе источник бесперебойного питания (ИБП) ВК500 фирмы АРС, который в момент аварии также был подключен к сети, хотя выключатель на его передней панели находился в положении "Выключено". "Вскрытие" показало, что в ИБП сгорела плавкая вставка на 0,125 А, защищающая первичную обмотку трансформатора питания. Как оказалось, этот трансформатор подключен к сети постоянно, независимо от положения сетевого выключателя.

Замена плавкой вставки восстановила работоспособность источника. Однако (видимо, вследствие межвитковых замыканий, образовавшихся в результате аварии) ток холостого хода первичной обмотки трансформатора увеличился до 200...300 мА. Поскольку трансформатор очень сильно нагревался, вплоть до появления характерного запаха, его пришлось заменить. Однотипного найти не удалось, поэтому был установлен более мощный трансформатор с напряжением вторичной обмотки без нагрузки 16,5 В (у заменяемого - 17 В) и током холостого хода первичной обмотки, не превышающим 40 мА.

Отремонтированный ИБП несколько суток оставался включенным в сеть. Измерения показали, что ток зарядки аккумуляторной батареи, напряжение которой давно превысило 14 В, остается равным приблизительно 200 мА. Это намного превышает значение, необходимое для компенсации саморазрядки батареи, что опасно ее перезарядкой и сокращением срока службы.

Предположение, что неисправен узел ИБП. контролирующий степень заряженности батареи, который должен отключать зарядную цепь по достижении определенного значения напряжения, не нашло подтверждения. Более того, изучение схемы ИБП (ее фрагмент приведен на рис. 1) показало, что такого узла просто нет.

Скорее всего, до ремонта ток зарядки батареи GB1 ограничивало повышенное внутреннее сопротивление трансформатора. Однако аварийное увеличение сетевого напряжения привело к значительному повышению зарядного тока, что вывело трансформатор из строя.

Во избежание будущих неприятностей в ИБП добавлен узел контроля напряжения на батарее, который собран по схеме, показанной на рис. 2. Здесь диоды VD1-VD5, плавкая вставка FU2 и аккумуляторная батарея GB1 - элементы, уже имеющиеся в ИБП (см. рис. 1). Цепь, соединяющая плюсовой вывод диодного моста VD1-VD4 с анодом диода VD5, разорвана. В образовавшийся разрыв включен транзистор VT1.

Пока напряжение на входе (вывод 1) детектора понижения напряжения DA1 меньше порогового, открыт его выходной транзистор, коллектор которого соединен с выводом 3, а эмиттер - с выводом 2. В результате транзисторы VT1 и VT2 также открыты. Батарея GB1 заряжается. Небольшое уменьшение зарядного тока, вызванное наличием в зарядной цепи транзистора, скомпенсировано меньшим снижением под нагрузкой напряжения вторичной обмотки более мощного трансформатора питания.

Как только напряжение с выхода резистивного делителя R2-R4, пропорциональное напряжению на батарее, превысит пороговый уровень, выходной транзистор детектора DA1 закроется, что приведет к закрыванию транзисторов VT1, VT2 и размыканию зарядной цепи. Зарядка вновь будет включена, когда напряжение батареи уменьшится в результате саморазрядки или работы ИБП в режиме питания нагрузки от аккумулятора.

Точное значение порога срабатывания устройства (14,2...14,4 В) устанавливают подстроечным резистором R2. Если применить другой детектор понижения напряжения (порог срабатывания показанного на схеме КР1171СП73 равен 7,3 В, у других микросхем той же серии - значению, обозначенному двумя последними цифрами наименования), следует изменить и номиналы резисторов R2-R4. Их приблизительные значения в килоомах можно вычислить по формулам

где Uдп - порог срабатывания детектора DA1, В; UП - напряжение батареи GB1, при котором ее зарядка должна быть прекращена, В; Iд - ток резистивного делителя, мА. Его значение выбирают в пределах 0,2...1 мА. Учтите, этот ток непрерывно разряжает батарею. При ее емкости 7 А-ч и систематической зарядке этим фактором можно пренебречь. Однако если ИБП предстоит несколько месяцев хранить не подключенным к сети, аккумуляторную батарею лучше отключить. Для этого достаточно снять с контактной пластины на плате ИБП наконечник идущего от батареи красного провода.

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

Простая схема защиты автомобильного АКБ от перезарядки на TL431 и реле.

Перезарядка ведет к выкипанию электролита, осыпанию и разрушению положительных пластин, а длительный перезаряд может вызвать взрыв, пожар и даже несчастный случай. Вреден любой перезаряд малым или большим током.

Промышленные обычно имеют встроенную защиту от перезаряда, но многие ее не имеют, а часто для заряда используются любые источники постоянного тока.

Для защиты от перезаряда предложено много разных схемных решений.

Описываемая приставка – одно из таких устройств. Она проста для повторения, малогабаритна, выполнена отдельным блоком и может соединяться с любым зарядным устройством.

Основной элемент схемы – регулируемый кремневый стабилитрон TL 431 (КР142ЕН19А), который используется в качестве компаратора. В отличие от известных компараторов TL431 имеет только один вход, а стабилизированное опорное напряжение вырабатывается в самой микросхеме, что заметно упрощает конструкцию приставки.

Нагрузка микросхемы – реле с сопротивлением обмотки 280 Ом.
Допустимый ток микросхемы – 100 МА, поэтому сопротивление обмотки реле при напряжении 14….16 вольт должно быть, по крайней мере, не меньше 150 Ом.

Работа устройства

Напряжение на управляющем электроде 1 микросхемы задается делителем R1, R2. Когда на выводе 1 напряжение больше 2,5 вольт микросхема открыта. Меньше 2,5 вольт – закрыта. Регулируя R2 можно добиться включения микросхемы при заданном напряжении U. Делитель не обязательно должен быть тех номиналов, которые указаны на схеме. Их можно выбрать из соотношения

R2/R1=2,5/ (U-2,5)

Настройка

Подключите устройство к источнику постоянного тока и установите на нем напряжение U, при котором аккумулятор должен отключиться. По поводу величины U существуют разные мнения.

Одни авторы рекомендуют общепринятое напряжение 14,4 вольт, другие 14,6 вольт, а некоторые даже 14,7 вольт (2,45 вольт на банку). Трудно сказать кто из них прав, но у каждого есть свой резон. Теперь переменным резистором R2 добейтесь включения реле при заданном U.

Если у вас резистор с винтовой регулировкой, а именно такие применяют для точной настройки, то нащупать момент включения очень трудно. Не ясно, в какую сторону нужно вращать винт.

Присоедините к выводам 1 и 2 микросхемы в режиме измерения напряжения и, поворачивая винт настройки резистора, следите за изменением напряжения. Сразу становится ясно, в какую сторону нужно вращать винт.

При 2,5 вольтах реле должно сработать. В разработанном устройстве выводы 1 и 2 соединены с гнездами, выведенными на лицевую панель.

Теперь проверьте работу устройства наоборот. Установите U меньше 14 вольт и постепенно увеличивайте напряжение. Когда U достигнет установленного вами значения, реле срабатывает. При необходимости подкорректируйте настройку.

Диод в плюсовом проводе установлен для защиты схемы от переплюсовки.

Примененное реле содержит две группы мощных перекидных контактов, работающих на замыкание и размыкание.

Клеммы выводов контактов реле установлены на лицевой панели.

Использовать контакты можно по-разному. Если предполагается заряжать аккумулятор током 5,5 ампер, то контакты обеих групп нужно запаралелить. Если ток меньше, то одну группу контактов можно использовать для индикации конца зарядки, например с помощью контрольной лампы. Именно так сделано на демонстрационной фотографии.