Выравнивание заряда батарей обеспечивает долгое время работы и продлевает срок службы
Обычно в любой системе, состоящей из нескольких последовательно включенных батарей, возникает проблема разбалансировки заряда отдельных батарей. Выравнивание заряда – это метод проектирования, позволяющий увеличить безопасность эксплуатации батарей, время работы без подзарядки и срок службы.Новейшие микросхемы защиты батарей и указатели заряда компании Texas Instruments – BQ2084, семейства BQ20ZXX, BQ77PL900 и BQ78PL114, представленные в производственной линейке компании, – необходимы для реализации этого метода.
ЧТО ТАКОЕ РАЗБАЛАНСИРОВКА БАТАРЕЙ?
Перегрев или перезаряд ускоряют износ батареи и могут вызвать воспламенение или даже взрыв. Программно-аппаратные средства защиты уменьшают опасность. В блоке из многих батарей, включенных последовательно (обычно такие блоки применяются в лаптопах и медицинском оборудовании) существует возможность разбалансировки батарей, что ведет к их медленной, но неуклонной деградации.
Не существует двух одинаковых батарей, всегда есть небольшие отличия в состоянии заряда батарей (СЗБ), саморазряда, емкости, сопротивлении и температурных характеристиках, даже если речь идет о батареях одинаковых типов, от одного производителя и даже из одной производственной партии. При формировании блока из нескольких батарей производитель обычно подбирает схожие по СЗБ батареи посредством сравнения напряжений на них. Однако отличия в параметрах отдельных батарей все равно остаются, а со временем могут и возрасти. Большинство зарядных устройств определяет полный заряд по суммарному напряжению всей цепочки последовательно включенных батарей. Поэтому напряжение заряда отдельных батарей может варьироваться в широких пределах, но не превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда. Однако в слабом звене – батарее с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением напряжение может быть выше, чем на остальных полностью заряженных батареях. Дефектность такой батареи проявится позже при длительном цикле разряда. Высокое напряжение такой батареи после завершения заряда свидетельствует об ее ускоренной деградации. При разряде по тем же причинам (большое внутренне сопротивление и малая емкость) на этой батарее будет наименьшее напряжение. Сказанное означает, что при заряде на слабой батарее может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные батареи блока еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов батарей.
МЕТОДЫ БАЛАНСИРОВКИ
Разбалансировка батарей оказывает существенное нежелательное воздействие на время работы без подзарядки и срок службы. Выравнивание напряжения и СЗБ батарей лучше всего производить при их полном заряде. Существуют два метода балансировки батарей – активный и пассивный. Последний иногда называют «резисторной балансировкой». Пассивный метод довольно прост: разряд батарей, нуждающихся в балансировке, производят через байпасные цепи, рассеивающие мощность. Эти байпасные цепочки могут быть интегрированы в батарейный блок или помещаться во внешней микросхеме. Такой метод предпочтительно использовать в недорогих приложениях. Практически вся избыточная энергия от батарей с большим зарядом рассеивается в виде тепла – это главный недостаток пассивного метода, т.к. он сокращает время работы батарей без подзарядки. В активном методе балансировки для передачи энергии от батарей с большим зарядом к менее заряженным батареям используются индуктивности или емкости, потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод существенно более эффективен, нежели пассивный. Конечно, за повышение эффективности приходится платить – использовать дополнительные относительно дорогостоящие компоненты.
ПАССИВНЫЙ МЕТОД БАЛАНСИРОВКИ
Наиболее простое решение – выравнивание напряжения батарей. Например, микросхема BQ77PL900, обеспечивающая защиту батарейных блоков с 5–10 последовательно включенными батареями, используется в инструментах без токопроводящего кабеля, скутерах, бесперебойных источниках питания и медицинском оборудовании. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком, как показано на рисунке 1. Сравнивая напряжение батарей с запрограммированными порогами, микросхема при необходимости включает режим балансировки. На рисунке 2 показан принцип действия. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, заряд прекращается, подключаются байпасные цепочки. Заряд не возобновляется до тех пор, пока напряжение батареи ни снизится ниже порогового и процедура балансировки прекратится.
Рис. 1. Микросхема BQ77PL900, используемая в автономном
режиме работы для защиты блока батарей
При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего импеданса батарей (см. рис. 3). Дело в том, что внутренний импеданс вносит свой вклад в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызвана разбалансировка напряжений: разной емкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся на 100% заряженными. В микросхеме указателя заряда BQ2084 используется улучшенная версия балансировки, основанная на изменении напряжения. Чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика. Другое преимущество BQ2084 – измерение и анализ напряжения всех батарей, входящих в блок. Однако в любом случае этот метод применим лишь в режиме зарядки.
Рис. 2. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению
Рис. 3. Пассивный метод балансировки по напряжению
неэффективно использует емкость батарей
Микросхемы семейства BQ20ZXX, используют для определения уровня заряда фирменную технологию Impedance Track, базирующуюся на определении СЗБ и емкости батареи. В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд QNEED, необходимый для достижения полностью заряженного состояния, после чего находится разница ΔQ между QNEED всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, через которые происходит балансировка батареи до состояния ΔQ = 0. Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время: и при зарядке, и при разрядке батарей. При использовании технологии Impedance Track достигается более точная балансировка батарей (см. рис. 4).
Рис. 4. Пассивная балансировка, основанная на СЗБ и емкости
АКТИВНАЯ БАЛАНСИРОВКА
По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. для передачи энергии от более заряженной батареи к менее заряженной вместо резисторов используются индуктивности и емкости, потери энергии в которых практически отсутствуют. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы без подзарядки.
Микросхема BQ78PL114, произведенная по фирменной технологии PowerPump, представляет собой новейший компонент компании TI для активной балансировки батарей и использует индуктивный преобразователь для передачи энергии. PowerPump использует n-канальный p-канальный MOSFET и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на рисунке 5. MOSFET и дроссель составляют промежуточный понижающий/повышающий преобразователь. Если BQ78PL114 определяет, что верхней батарее нужно передать энергию в нижнюю, на выводе PS3 формируется сигнал частотой около 200 кГц с коэффициентом заполнения около 30%. Когда ключ Q1 открыт, энергия из верхней батареи запасается в дросселе. Когда ключ Q1 закрывается, энергия, запасенная в дросселе, через обратный диод ключа Q2 поступает в нижнюю батарею.
Рис. 5. Балансировка по технологии PowerPump
Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе. Микросхема BQ78PL114 реализует три алгоритма балансировки:
- по напряжению на выводах батареи. Этот метод похож на пассивный метод балансировки, описанный выше;
- по напряжению холостого хода. В этом методе компенсируется различие во внутренних сопротивлениях батарей;
- по СЗБ (основан на прогнозировании состояния батареи). Метод схож с тем, который использован в семействе микросхем BQ20ZXX при пассивной балансировке по СЗБ и емкости батареи. В этом случае точно определяется заряд, который необходимо передать от одной батареи к другой. Балансировка происходит в конце заряда. При использовании этого метода достигается наилучший результат (см. рис. 6)
Рис. 6. Активная балансировка по алгоритму выравнивания СЗБ
Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с внутренними байпасными ключами. В случае балансировки батарейного блока ноутбука токи балансировки составляют 25…50 мА. Подбирая значение компонентов можно достичь эффективности балансировки в 12–20 раз лучшей, чем при пассивном методе с внутренними ключами. Типичного значения разбалансировки (менее чем 5%) можно достичь за один или два цикла.
Кроме того, технология PowerPump имеет и другие очевидные преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы – заряд, разряд и даже тогда, когда батарея, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем батарея, получающая энергию. По сравнению с пассивным методом теряется гораздо меньше энергии.
ОБСУЖДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО МЕТОДА БАЛАНСИРОВКИ
Технология PowerPump быстрее производит балансировку. При разбалансировке 2% батарей емкостью 2200 мА·ч она может быть произведена за один или два цикла. При пассивной балансировке встроенные в батарейный блок силовые ключи ограничивают максимальное значение тока, поэтому может потребоваться много больше циклов балансировки. Процесс балансировки может быть даже прерван при большой разнице параметров батарей.
Увеличить скорость пассивной балансировки можно за счет использования внешних компонентов. На рисунке 7 приведен типичный пример такого решения, которое можно использовать совместно с микросхемами BQ77PL900, BQ2084 или семейства BQ20ZXX. Вначале включается внутренний ключ батареи, который создает небольшой ток смещения, протекающий через резисторы RExt1 и RExt2, включенные между выводами батареи и микросхемой. Напряжение «затвор-исток» на резисторе RExt2 включает внешний ключ, и ток балансировки начинает протекать через открытый внешний ключ и резистор RBal.
Рис. 7. Принципиальная схема пассивной балансировки
с использованием внешних компонентов
Недостаток этого метода заключается в том, что одновременно не может происходить балансировка смежной батареи (см. рис. 8а). Это происходит из-за того, что когда открыт внутренний ключ смежной батареи, через резистор RExt2 не может протекать ток. Поэтому ключ Q1 остается закрытым даже тогда, когда открыт внутренний ключ. На практике эта проблема не имеет большого значения, т.к. при таком способе балансировки батарея, подключенная к Q2 быстро балансируется, а следом за ней балансируется и батарея, подключенная к ключу Q2.
Другая проблема заключается в возникновении высокого напряжения сток-исток VDS, которое может возникнуть когда балансируется каждая вторая батарея. На рисунке 8б показан случай, когда балансируются верхняя и нижняя батареи. При этом напряжение VDS среднего ключа может превысить максимально допустимое. Решение этой проблемы – ограничение максимального значения резистора RExt или исключение возможности одновременной балансировки каждой второй батареи.
Метод быстрой балансировки – новый путь улучшения безопасности эксплуатации батарей. При пассивной балансировке цель заключается в том, чтобы сбалансировать емкость батарей, но из-за малых токов балансировки это возможно лишь в конце цикла заряда. Другими словами, перезаряд плохой батареи может быть предотвращен, но это не увеличит время непрерывной работы без подзаряда, т.к. слишком много энергии будет потеряно в байпасных резистивных цепочках.
При использовании технологии активной балансировки PowerPump одновременно достигаются две цели – балансировка емкости в конце цикла заряда и минимальное различие напряжений в конце цикла разряда. Энергия запасается и отдается слабой батарее, а не рассеивается в виде тепла в байпасных цепях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Корректная балансировка напряжения батарей – один из путей увеличения безопасности эксплуатации батарей и увеличения срока их службы. Новые технологии балансировки отслеживают состояние каждой батареи, что позволяет увеличить срок их службы и повысить безопасность эксплуатации. Технология быстрой активной балансировки PowerPump увеличивает время работы без подзарядки, а также позволяет максимально и с высокой эффективностью сбалансировать батареи в конце цикла разряда.
ЛИТЕРАТУРА
Несложный способ восстановления работоспособности Li-Ion аккумуляторов от портативных устройств
Привет всем юзерам хабра, сегодня я буду рассказывать про то, как я довольно таки простым методом, восстанавливаю нерабочие Li-Ion аккумуляторы от портативных устройств до того как обзавёлся таким замечательным устройством как Imax B6. Таким методом я восстановил работоспособность уже, наверное, трем десяткам аккумуляторов от разных гаджетов, от фотоаппаратов до MP3 плееров, но я замечу, только восстановил работоспособность, емкость таким образом вернуть не получится, да и лично я не встречал способов вернуть емкость для такого типа аккумуляторов. К слову, емкость, которая останется в аккумуляторе, очень сильно зависит от того сколько аккумулятор пробыл в такой «клинической смерти».
Скажу сразу, данный метод не претендует на что-то из разряда «Вау, это что-то новенькое» но, тем не менее, не все про него знают. Суть данного метода чтобы «толкнуть» аккумулятор.
Вот видео всего процесса:
(информация что ниже будет дублировать информацию, предоставленную в видео)
Для того чтобы попробовать вернуть в жизнь аккумулятору нам понадобиться:
— Блок питания который выдаёт постоянное напряжение от 5 до 12 Вольт;
— Резистор номиналом от 330 до 1000 Ом, рассчитан на мощность 0.5 Вт, а хорошо бы и по мощнее;
— Вольтметр для того чтобы контролировать напряжение (по желанию).
Как правило, большинство блоков питания от Wi-Fi роутеров, свичей и модемов идут с разъемом 2.5 мм, например такой как на фото:
Почти всегда центральный контакт разъема имеет плюс, а боковой минус, и еще, как правило, полярность изображают на самом корпусе блока питания:
Как видно на фото мой блок выдаёт постоянное напряжение 12 В об этом свидетельствует значок посредине между 12V и 2.0A.
Ток блока питания должен быть выше 0.1 А.
Отключаем блок питания от сети чтобы уберечься от короткого замыкания которое может вывести из строя блок, подключаем так, как показано на рисунке, а именно, плюс 12 В к одному концу резистора, а второй конец резистора к плюсу аккумулятора (как правило у аккумулятора указанная полярность, если нету, то нужно как-то узнать где плюс а где минус), минус блока питания подсоединяем к минусу нерабочего аккумулятора.
Смотрим на напряжение если есть такая возможность, оно должно начать потихоньку расти, как только поднимется до 3.3 В то заряжаем уже посредством самого устройства от которого аккумулятор, после этого обязательно нужно следить за температурой аккумулятора на протяжении всего процесса заряда, пробовать рукой не начинает ли он греется, если аккумулятор начнёт быть более чем тёплым или горячим, немедленно вынимаем аккумулятор из устройства, он восстановлению уже не подлежит.
Если же нету возможности смотреть за напряжением, то делаем такую зарядку минуту или две, и вставляем в наше устройство чтобы посмотреть принимает ли оно аккумулятор или нет.
Давайте рассчитаем ток зарядки аккумулятора по Закону Ома (I = U / R) для случая с 12 В блоком питания:
12 В / 330 Ом = 0,036 А(36мА), то есть ток заряда будет 36 мА или же если взять резистор на 1 КилоОм тогда будет 12 В / 1000 Ом = 0,012А (12 мА).
То есть, при 12 В напряжении источника питания, зарядный ток будет составлять 36 мА, это если использовать резистор на 330 Ом, а если резистор взять резистор на 1 КОм, то ток зарядки будет составлять 12 мА.
Для случая с 5-ти вольтовым блоком питания (как правило, это зарядки для смартфонов):
5 В / 330 Ом = 0,015 А(15 мА), то есть ток заряда будет 15 мА или же если взять резистор на 1 КОм тогда будет 12 В / 1000 Ом = 0,005А (5 мА).
Как видим в этом случае ток зарядки, а соответственно и скорость роста напряжения на аккумуляторе будет ниже, по этому для случая с 5 В блоком питания можно взять резистор от 100 Ом, 5 В / 100 Ом = 0,050 А(50мА).
Не советую злоупотреблять токами зарядки(50 мА более чем достаточно для «толчка» аккумулятора) и завышением напряжения выше 4.2 В, в сети есть достаточно видео с возгоранием литиевых аккумуляторов, например вот:
Так что весь процесс восстановления работоспособности аккумулятора должен, проводится только под наблюдением. Нам главное только вывести аккумулятор из того состояния при котором контроллер, что внутри батареи, отключает аккумулятор от нагрузки.
Почему это работает?
Дело в том, что в аккумуляторах от многих портативных устройств есть контроллер, который следит за напряжением на аккумуляторе, если аккумулятор не использовать или же он долго полежит в разряженном состоянии, то контроллер как бы отключает рубильник, который соединяет аккумулятор от контактных площадок к которым подключается устройство.
Делается это то ли для защиты устройства то ли для того чтобы потребитель через некоторое время покупал новую продукцию.
PS Есть ещё один способ которым я давно пользовался, вместо резистора взять компьютерный вентилятор 80х80 мм, правда минимальное напряжение в таком случае будет от 8 В ну а максимальное 16 В, но способ с резистором более проще, да и не у каждого есть вентилятор.
PPS Как говорят люди в комментариях, риск возгорания восстановленного аккумулятора повышается, особенно в момент первой зарядки, ещё раз акцентирую внимание на этом, следите за температурой на аккумуляторе при первой зарядке.
PPPS Не рекомендую восстанавливать очень старые аккумуляторы, которые пролежали в мёртвом состоянии больше чем пол года, так как у них риск возгорания будет ещё выше.
- аккумулятор
- мобильный телефон
- восстановление
- li-ion
Кратко о том, как восстановить аккумулятор 18650 после глубокого разряда
В первом случае у аккумулятора упала емкость и с этим придется смириться. Полное восстановление аккумуляторов после глубокого разряда невозможно (это касается всех Li-ion аккумуляторов: 18650, 14500, 10440, аккумуляторов от мобильников и т.д.). Даже теоретически нельзя вернуть емкость литиевого аккумулятора.
Снижение емкости — абсолютно нормальный процесс. Это происходит во время каждого цикла заряда/разряда, независимо от того, насколько правильно эксплуатируется аккумулятор. Однако, если в процессе эксплуатации часто допускаются глубокие разряды или, наоборот, длительные перезаряды (более 500%), то скорость потери емкости может существенно возрасти.
Вывод: старайтесь не допускать глубокого разряда и/или длительного перезаряда Li-ion аккумуляторов. Всегда применяйте схемы защиты от переразряда, индикаторы низкого заряда и специализированные зарядные устройства, ограничивающие заряд.
Последние исследования показали, что литиевые аккумуляторы теряют свою емкость даже если вообще не эксплуатируются. Например, во время обычного хранения на складах. По данным исследований, аккумулятор теряет примерно 4-5% емкости в год.
Вторая ситуация: не хочет заряжаться
Теперь рассмотрим второй случай — аккумулятор не заряжается.
Обычно эта ситуация возникает, когда какое-либо устройство (телефон, планшет, мп3-плейер) долго лежали без дела с разряженным аккумулятором. Или если литиевые аккумулятор подвергся глубокому охлаждению.
В принципе проблем с зарядкой таких аккумуляторов быть не должно. Внутри каждого аккумулятора — между самой банкой аккумулятора и теми клеммами, которые мы видим — находится модуль защиты, который отключает банку от клемм при снижении напряжения ниже определенного порога. Внешне это проявляется как полное отсутствие напряжение на выходе аккумулятора (ноль вольт).
На самом деле, как правило, на самой банке в этот момент напряжение составляет около 2.4-2.8 Вольта.
Все современные модули защиты устроены таким образом, что даже в случае блокировки аккумулятора от дальнейшего разряда, его все-таки можно зарядить. Это происходит благодаря паразитному диоду, встроенному в ключ на полевом транзисторе. Вот типовая схема модуля защиты аккумулятора 18650:
Так как при глубоком разряде закрывается только транзистор FET1, а второй MOSFET при этом остается открытым (пропускает ток в обоих направлениях), то зарядный ток спокойно протекает от плюсовой клеммы батареи через FET2, паразитный диод внутри FET1 к минусовой клемме.
В случае блокировки аккумулятора по перегрузке (КЗ в нагрузке), модуль защиты также запирает транзистор FET1. Нет никакой разницы от чего сработала защита — от переразряда или от короткого замыкания. Результат один — открытый транзистор FET2 и закрытый полевик FET1.
Таким образом, при глубоком разряде плата защиты литий-ионного аккумулятора ни в коей мере не препятствует заряду аккумулятора.
Проблема лишь в том, что некоторые зарядные устройства считают себя слишком умными и когда видят, что на аккумуляторе слишком низкое напряжение (а в нашем случае оно вообще будет равно нулю), они считают, что произошла какая-то недопустимая ситуация и напрочь отказываются выдавать зарядный ток.
Это сделано исключительно в целях безопасности. Дело в том, что при внутреннем коротком замыкании аккумулятора, заряжать его становится опасно — он может сильно перегреться и вспучиться (со всякими спецэффектами вроде вытекания электролита, выдавливания крышки планшета и т.п.). В случае же обрыва внутри аккумулятора, заряжать его становится совершенно бессмысленно. Так что логика работы таких умных зарядников вполне понятна и оправдана.
О том, как обхитрить зарядку и восстановить работоспособность литиевого аккумулятора после глубокого разряда читайте далее.
Как заставить заряжаться?
По сути, восстановление литий ионных аккумуляторов после глубокого разряда сводится к тому, чтобы вернуть его в штатный режим работы. Надо понимать, что потерю емкости это никоим образом не компенсирует (это невозможно в принципе).
Чтобы все-таки заставить слишком хитрое зарядное устройство заряжать наш сильно севший аккумулятор, необходимо сделать так, чтобы напряжение на нем превысило некий порог. Как правило, достаточно 3.1-3.2 Вольта, чтобы ЗУ посчитало ситуацию штатной и разрешило зарядку.
Поднять напряжение на аккумуляторе можно только с помощью сторонней (более глупой) зарядки. В народе это называется «толкнуть» аккумулятор. Для этого достаточно просто подключить к клеммам аккумулятора внешний блок питания, ограничив при этом максимальный ток.
Для наших целей подойдет любое зарядное устройство для сотового телефона. Чаще всего современные зарядники имеют выход в виде USB-гнезда и, соответственно, выдают 5В. Нам осталось только лишь подобрать резистор, ограничивающий ток заряда.
Сопротивление резистора рассчитывается по закону Ома. Возьмем худший сценарий — на внутренней банке литий-ионного аккумулятора напряжение составляет 2.0 Вольта (померить его, не разбирая аккумулятор, мы не сможем, поэтому просто предположим, что это так).
Тогда разница между напряжением источника питания и напряжением на аккумуляторе будет составлять:
Рассчитаем сопротивление токоограничивающего резистора, чтобы ток заряда не превышал 50 мА (этого вполне достаточно для первоначального заряда и в то же время вполне безопасно):
R = 3В / 0.050А = 60 Ом
Теперь узнаем, какова мощность будет рассеиваться на этом резисторе, в случае внутреннего короткого замыкания аккумулятора (тогда на резисторе будет падать все напряжение блока питания):
P = (5В) 2 / 60 Ом = 0.42 Вт
Таким образом, чтобы восстановить аккумулятор 18650 после глубокого разряда, берем любой блок питания на 5В, ближайший подходящий резистор — 62 Ом (0.5Вт) и подключаем все это к аккумулятору следующим образом:
Подойдет источник питания и на другое напряжение, достаточно будет пересчитать сопротивление и мощность ограничительного резистора. И нужно помнить, что в схемах защиты li-ion, как правило, используются полевые транзисторы с небольшим напряжением сток-исток, поэтому брать блок питания с большим выходным напряжением нежелательно.
Надежный контакт при подключении проводов к клеммам аккумулятора 18650 помогут обеспечить небольшие неодимовые магнитики.
Если заряд не идет (резистор не греется, а на аккумуляторе полное напряжение блока питания), то либо схема защиты ушла в совсем глубокую защиту, либо она просто вышла из строя, либо имеет место внутренний обрыв.
Тогда можно попробовать снять наружную полимерную оболочку аккумулятора и подключить нашу импровизированную зарядку напрямую к банке. Плюс к плюсу, минус к минусу. Если и в этом случае заряд не пошел, то аккумулятору кранты. Зато если пошел, то нужно дождаться пока напряжение поднимется до 3+ Вольт и дальше можно заряжать уже как обычно (штатной зарядкой).
Конечно, с помощью данной приспособы можно зарядить аккумулятор полностью, но тогда ждать придется очень долго (все-таки ток заряда очень маленький). К тому же в этом случае придется очень плотно контролировать напряжение на банке, чтобы не прозевать момент когда там станет 4.2V. А, если кто не знает, напряжение ближе к концу заряда начнет подниматься очень быстро!
Теперь другая ситуация — резистор, наоборот, ощутимо нагревается, но на аккумуляторе нулевое напряжение, значит где-то внутри имеется короткое замыкание. Потрошим аккумулятор, отпаиваем модуль защиты и пытаемся зарядить саму банку. Если дело пошло, значит плата защиты неисправна и подлежит замене. Впрочем, можно использовать аккумулятор из без нее.
Зарядка литиевых аккумуляторов китайскими модулями
Литиевые аккумулятор (Li-Io, Li-Po) являются самыми популярными на данный момент перезаряжаемыми источниками электрической энергии. Литиевый аккумулятор имеет номинальное напряжение 3.7 Вольт, именно оно указывается на корпусе. Однако, заряженный на 100% аккумулятор имеет напряжение 4.2 В, а разряженный “в ноль” – 2.5 В, вообще нет смысла разряжать аккумулятор ниже 3 В, во-первых, он от этого портится, во-вторых, в промежутке от 3 до 2.5 В аккумулятор отдаёт всего пару процентов энергии. Таким образом, рабочий диапазон напряжений принимаем 3 – 4.2 Вольта. Мою подборку советов по эксплуатации и хранению литиевых аккумуляторов вы можете посмотреть вот в этом видео
Последовательно или параллельно?
При последовательном соединении суммируется напряжение на всех аккумуляторах, при подключении нагрузки с каждого аккумулятора идет ток, равный общему току в цепи, в общем сопротивление нагрузки задает ток разряда. Это вы должны помнить со школы. Теперь самое интересное, емкость. Емкость сборки при таком соединении по хорошему равна емкости аккумулятора с самой маленькой емкостью. Представим, что все аккумуляторы заряжены на 100%. Смотрите, ток разряда у нас везде одинаковый, и первым разрядится аккумулятор с самой маленькой емкостью, это как минимум логично. И как только он разрядится, дальше нагружать данную сборку будет уже нельзя. Да, остальные аккумуляторы еще заряжены. Но если мы продолжим снимать ток, то наш слабый аккумулятор начнет переразряжаться, и выйдет из строя. То есть правильно считать, что емкость последовательно соединенной сборки равна емкости самого малоемкого, либо самого разряженного аккумулятора. Отсюда делаем вывод: собирать последовательную батарею нужно во первых из одинаковых по емкости аккумуляторов, и во вторых, перед сборкой они все должны быть заряжены одинаково, проще говоря на 100%. Существует такая штука, называется BMS (Battery Monitoring System), она может следить за каждым аккумулятором в батарее, и как только один из них разрядится, она отключает всю батарею от нагрузки, об этом речь пойдёт ниже. Теперь что касается зарядки такой батареи. Заряжать ее нужно напряжением, равным сумме максимальных напряжений на всех аккумуляторах. Для литиевых это 4.2 вольта. То есть батарею из трех заряжаем напряжением 12.6 в. Смотрите что происходит, если аккумуляторы не одинаковые. Быстрее всех зарядится аккумулятор с самой маленькой емкостью. Но остальные то еще не зарядились. И наш бедный аккумулятор будет жариться и перезаряжаться, пока не зарядятся остальные. Переразряда, я напомню, литий тоже очень сильно не любит и портится. Чтобы этого избежать, вспоминаем предыдущий вывод.
Перейдем к параллельному соединению. Емкость такой батареи равна сумме емкостей всех аккумуляторов в нее входящих. Разрядный ток для каждой ячейки равен общему току нагрузки, деленному на число ячеек. То есть чем больше акумов в такой сборке, тем больший ток она может отдать. А вот с напряжением происходит интересная вещь. Если мы собираем аккумуляторы, имеющие разное напряжение, то есть грубо говоря заряженные до разного процента, то после соединения они начнут обмениваться энергией до тех пор, пока напряжение на всех ячейках не станет одинаковым. Делаем вывод: перед сборкой акумы опять же должны быть заряжены одинаково, иначе при соединении пойдут большие токи, и разряженный акум будет испорчен, и скорее всего может даже загореться. В процессе разряда аккумуляторы тоже обмениваются энергией, то есть если одна из банок имеет меньшую емкость, остальные не дадут ей разрядиться быстрее их самих, то есть в параллельной сборке можно использовать аккумуляторы с разной емкостью. Единственное исключение – работа при больших токах. На разных аккумуляторах под нагрузкой по-разному просаживается напряжение, и между “сильным” и “слабым” акумом начнёт бежать ток, а этого нам совсем не нужно. И то же самое касается зарядки. Можно абсолютно спокойно заряжать разные по емкости аккумуляторы в параллели, то есть балансировка не нужна, сборка будет сама себя балансировать.
В обоих рассмотренных случаях нужно соблюдать ток зарядки и ток разрядки. Ток зарядки для Li-Io не должен превышать половины ёмкости аккумулятора в амперах (аккумулятор на 1000 mah – заряжаем 0.5 А, аккумулятор 2 Ah, заряжаем 1 А). Максимальный ток разрядки обычно указан в даташите (ТТХ) аккумулятора. Например: ноутбучные 18650 и аккумы от смартфонов нельзя грузить током, превышающим 2 ёмкости аккумулятора в Амперах (пример: акум на 2500 mah, значит максимум с него нужно брать 2.5*2 = 5 Ампер). Но существуют высокотоковые аккумуляторы, где ток разряда явно указан в характеристиках.
Промежуточным вариантом является переключение аккумуляторов из последовательного соединения в параллельное (для зарядки), что подробно рассмотрено в видеоролике ниже, а все схемы и ссылки на переключатели вы найдёте вот здесь https://alexgyver.ru/18650/
Особенности зарядки китайскими модулями
Стандартный покупной зарядно-защитный модуль за 20 рублей для литиевого аккумулятора (ссылка на aliexpress) позиционируется продавцом как модуль для одной банки 18650. Может и будет заряжать любой литиевый аккумулятор вне зависимости от формы, размера и емкости до правильного напряжения 4,2 вольта (напряжение полностью заряженного аккумулятора, под завязку). Даже если это огромный литиевый пакет на 8000mah (разумеется речь идет про одну ячейку на 3,6-3,7v). Модуль дает зарядный ток 1 ампер, это значит что им можно без опаски заряжать любой аккумулятор емкостью от 2000mah и выше (2Ah, значит зарядный ток – половина емкости, 1А) и соответственно время зарядки в часах будет равно емкости аккумулятора в амперах (на самом деле чуть больше, полтора-два часа на каждые 1000mah). Кстати аккумулятор можно подключать к нагрузке уже во время заряда.
Важно! Если вы хотите заряжать аккумулятор меньшей емкости (например одну старую банку на 900mah или крошечный литиевый пакетик на 230mah), то зарядный ток 1А это много, его следует уменьшить. Это делается заменой резистора R3 на модуле согласно приложенной таблице. Резистор необязательно smd, подойдет самый обычный. Напоминаю, что зарядный ток должен составлять половину от емкости аккумулятора (или меньше, не страшно).
Но если продавец говорит, что этот модуль для одной банки 18650, можно ли им заряжать две банки? Или три? Что если нужно собрать емкий пауэрбанк из нескольких аккумуляторов? МОЖНО! Все литиевые аккумуляторы можно подключать параллельно (все плюсы к плюсам, все минусы к минусам) ВНЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕМКОСТИ. Спаянные параллельно аккумуляторы сохраняют рабочее напряжение 4,2v а их емкость складывается. Даже если вы берете одну банку на 3400mah а вторую на 900 – получится 4300. Аккумуляторы будут работать как одно целое и разряжаться будут пропорциональной своей емкости.
Напряжение в ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ сборке ВСЕГДА ОДИНАКОВО НА ВСЕХ АККУМУЛЯТОРАХ! И ни один аккумулятор физически не может разрядиться в сборке раньше других, здесь работает принцип сообщающихся сосудов. Те, кто утверждают обратное и говорят что аккумуляторы с меньшей емкостью разрядятся быстрее и умрут – путают с ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ сборкой, плюйте им в лицо.
Важно! Перед подключением друг к другу все аккумуляторы должны иметь примерно одинаковое напряжение, чтобы в момент спаивания между ними не потекли уравнительные токи, они могут быть очень большими. Поэтому лучше всего перед сборкой просто зарядить каждый аккумулятор по отдельности. Разумеется время зарядки всей сборки будет увеличиваться, раз вы используете все тот же модуль на 1А. Но можно спараллелить два модуля, получив зарядный ток до 2А (если ваше зарядное устройство может столько дать). Для этого нужно соединить перемычками все аналогичные клеммы модулей (кроме Out- и B+, они продублированы на платах другими пятаками, уже и так окажутся соединенными). Либо можно купить модуль, на котором микросхемы уже стоят в параллель. Этот модуль способен заряжать током в 3 Ампера.
Простите за совсем очевидные вещи, но люди по-прежнему путают, поэтому придется обсудить разницу между параллельным и последовательным соединением.
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ соединение (все плюсы к плюсам, все минусы к минусам) сохраняет напряжение аккумулятора 4,2 вольта, но увеличивает емкость, складывая все емкости вместе. Во всех пауэрбанках применяется параллельное соединение нескольких аккумуляторов. Такая сборка по-прежнему может заряжаться от USB и повышающим преобразователем напряжение поднимается до выходных 5v.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ соединение (каждый плюс к минусу последующего аккумулятора) дает кратное увеличение напряжения одной заряженной банки 4,2в (2s – 8,4в, 3s – 12,6в и так далее), но емкость остается прежняя. Если используются три аккумулятора на 2000mah, то емкость сборки – 2000mah.
Важно! Считается что для последовательной сборки священно обязательно нужно использовать только аккумуляторы одинаковой емкости. На самом деле это не так. Можно использовать разные, но тогда емкость батареи будет определяться НАИМЕНЬШЕЙ емкостью в сборке. Складываете 3000+3000+800 – получаете сборку на 800mah. Тогда спецы начинают кукарекать, что тогда менее емкий аккумулятор будет быстрее разряжаться и умрет. А это неважно! Главное и действительно священное правило – для последовательной сборки всегда и обязательно нужно использовать плату защиты BMS на нужное количество банок. Она будет определять напряжение на каждой ячейке и отключит всю сборку, если какая-то разрядится первой. В случае с банкой на 800 она и разрядится, БМС отключит нагрузку от батареи, разряд остановится и остаточный заряд по 2200mah на остальных банках уже не будет иметь значения – нужно заряжаться.
Плата BMS в отличии от одинарного зарядного модуля НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ЗАРЯДНЫМ УСТРОЙСТВОМ последовательной сборки. Для зарядки нужен настроенный источник нужного напряжения и тока. Об этом Гайвер снял видео, поэтому не тратьте время, посмотрите его, там об этом максимально досконально.
Зарядка нескольких АКБ
На самом деле при некоторых допущениях – можно. Для каких-то самоделок зарекомендовала себя схема с использованием одинарных модулей, соединенных также последовательно, но для КАЖДОГО модуля нужен СВОЙ ОТДЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ. Если заряжаете 3s – берёте три телефонных зарядки и подключаете каждую к одному модулю. При использовании одного источника – короткое замыкание по питанию, ничего не работает. Такая система также работает и как защита сборки (но модули способны отдавать не более 3 ампер) Либо же просто заряжайте сборку побаночно, подключая модуль к каждому аккумулятору до полного заряда.
Для шуруповертов на 12-14 вольт подходит сборка из трех банок. На 16-18в – 4 банки. Лучше сразу брать плату защиты на 20-30А и зарядное устройство на нужное напряжение (старое для кадмиевых аккумуляторов не подойдет!) Зарядные устройства в виде обычных зарядных блоков питания тоже есть у китайцев. Все BMS и зарядники находятся здесь https://alexgyver.ru/18650/
Индикатор заряженности аккумулятора
Тоже насущная проблема – хотя бы примерно знать сколько процентов заряда остается на аккумуляторе, чтобы он не разрядился в самый ответственны момент.
Для параллельных сборок на 4,2 вольта самым очевидным решением будет сразу приобрести готовую плату пауэрбанка, на которой уже есть дисплей отображающий проценты заряда. Эти проценты не супер-точные, но всё же помогают. Цена вопроса примерно 150-200руб, все представлены на сайте Гайвера. Даже если вы собираете не пауэрбанк а что-то другое, плата эта довольно дешевая и небольшая, чтобы разместить ее в самоделке. Плюс она уже имеет функцию заряда и защиты аккумуляторов. Есть готовые миниатюрные индикаторы на одну или несколько банок, 90-100р https://alexgyver.ru/18650/
Ну а самым дешевым и народным методом является использование повышающего преобразователя МТ3608 (30 руб.), настроенного на 5-5,1v. Собственно если вы делаете пауэрбанк на любом преобразователе на 5 вольт, то даже не нужно ничего докупать. Доработка заключается в установке красного или зеленого светодиода (другие цвета будут работать на другом выходном напряжении, от 6в и выше) через токоограничивающий резистор 200-500ом между выходной плюсовой клеммой (это будет плюс) и входной плюсовой (для светодиода это получится минус). Вы не ошиблись, между двумя плюсами! Дело в том, что при работе преобразователя между плюсами создается разница напряжения, +4,2 и +5в дают между собой напряжение 0,8в. При разряде аккумулятора его напряжение будет падать, а выходное с преобразователя всегда стабильно, значит разница будет увеличиваться. И при напряжении на банке 3,2-3,4в разница достигнет необходимой величины, чтобы зажечь светодиод – он начинает показывать, что пора заряжаться.
Чем измерять емкость аккумуляторов?
Мы уже привыкли к мнению, что для замера нужен Аймакс b6, а он стоит денег и для большинства радиолюбителей избыточен. Но есть способ замерить емкость 1-2-3баночного аккумулятора с достаточной точностью и дешево – простой USB-тестер
У меня было два тестера – синий и белый с проводом. Белый завышал ток на 15% (вместе с ним и емкость) а синий незначительно занижает. Может зависит от экземпляра, но я все же рекомендую синий хотя бы потому, что у него есть таймер времени заряда/разряда. А у белого только бесполезные ячейки памяти, которые не нужны.
Тестер начинает работать примерно от 2,8в и вплоть до 10-15ти без проблем, значит его можно питать напрямую от литиевого аккумулятора и он будет считать протекающий ток и емкость. Остается завести себе пару юсб-штекеров с выходом на голые провода или крокодилы, подключить аккумулятор на вход (обязательно через защиту!) а на выход поставить нагрузку. Например мощный резистор на 8-15ом (для одной ячейки и кратно больше для последовательных сборок) или кусок нихрома. Рекомендуемый ток разряда 300-500ma. Такой тестер даст результат емкости с погрешностью не более 5%. Для надежности можете в цепь разряда подключить мультиметр в режиме амперметра и сравнить реальный ток в показанием тестера, чтобы на будущее знать есть ли у него отклонение и сколько. С такой поправкой в голове точность будет та же что у Аймакса. Когда аккумулятор разрядится до отсечки и защита его отключит, тестер запомнит результат. Останется включить его любым другим источником питания чтоб посмотреть.
Мой экземпляр тестера дал мне результаты емкости, которые полностью до 10-20mah совпали с исследованиями серьезного дядьки, который использовал для этой же марки аккумулятора технику на десятки тысяч рублей. А еще фотографий такого процесса хватило в качестве доказательства для возврата стоимости аккумулятора 2s с нечестной емкостью =)
Новые модули
ТР5000, обновленная плата для заряда литий-ионных и литий-железо-фосфатных аккумуляторов (нужно запаять перемычку чтобы включить режим) током 1-2А (также нужно подбирать резисторы для настройки, но модуль реально тянет зарядный ток 2А) и напряжением питания до 9в. Модуль имеет импульсную схему, поэтому мало греется, имеет высокий КПД, что может быть важно например при заряде аккумулятора от солнечных батарей.
ТР5100, модуль для заряда последовательной сборки 2s (нужно запаять перемычку), также имеет импульсную схему (почти не греется), на вход нужно подавать напряжение от 9ти до 15-19в. Судя по описанию продавца зарядный ток также можно поднять до 2А.