Контроллер зарядного устройства аккумулятора

2 шт. из магазина г.Ижевск
52 шт. со склада г.Москва,
срок 3-4 рабочих дня − + В корзину

Срок службы аккумулятора сильно зависит от правильности режима его заряда. Перезаряд аккумулятора не менее опасен, чем глубокий разряд. Программируемый контроллер заряда позволяет правильно и безопасно заряжать аккумуляторы. Пользователю предоставляется возможность самостоятельно установить режим заряда, исходя из требуемой задачи, типа аккумулятора, его напряжения, окружающей температуры и.т.д.

Возможные применения для контроллера заряда:
• в необслуживаемых системах для заряда аккумуляторов (рекомендуется совместное использование с SDC0009);
• для постоянного подзаряда аккумуляторов в процессе их хранения, например, свинцовых автомобильных аккумуляторов и т.д.;

Технические характеристики:
Диапазон рабочих напряжений 4..30В
Потребляемый ток, в режиме заряда 0,2А
Возможно использовать аккумуляторы и батареи аккумуляторов с напряжением 0,1..25,5В
Гистерезис (Hysteresis) 0..6,2В
Погрешность U_OFF и Hysteresis не более 1%
Ток заряда 0,1..0,3А
Защита от переполюсовки питания есть
Защита от переполюсовки аккумулятора есть

Модуль предназначен для заряда аккумуляторов небольшим током. При питании от сетевого трансформатора, рекомендуется установить конденсатор не менее 1000мкФ после диодного моста. Для заряда большим током, модуль имеет выход (контактную точку на плате в квадратной метке с цифрой 1). Логический ноль относительно минуса питания на этом контакте "заряд включен", логическая единица (+5В) — "заряд отключен". Этот сигнал возможно подать на какую-либо внешнюю ключевую схему, которая будет коммутировать заряд (см. рекомендуемую схему). В качестве ограничителя тока, в простом варианте, может использоваться автомобильная лампа, мощностью которой можно варьировать номинальный ток заряда.
Внимание! При расчете необслуживаемых систем, следует учитывать, что ток разряда аккумулятора потребителем не должен быть больше тока заряда аккумулятора. в противном случае аккумулятор переразрядится.

Программирование модуля осуществляется простой переустановкой джамперов.
Джамперами на плате устанавливается параметр U_OFF, задающий порог отключения заряда, в диапазоне от 0В до 25,5В с дискретностью 0,1В. Так же джамперами устанавливается смещение для включения заряда — «Hysteresis», задаваемый в диапазоне 0,0 до 6,2В, с дискретностью 0,2В.
Включениe заряда будет происходить при напряжении, вычисляемом по формуле: U_ON = U_OFF — Hysteresis

Данный контроллер может быть использован для аккумуляторов разных типов, для которых приемлем данный алгоритм заряда. Контроллер работает полностью в автоматическом режиме, т.е. включение и отключение заряда происходит автоматически, в зависимости от напряжения на аккумуляторе, т.е при достижении U_OFF (запрограммированного напряжения отключения заряда) автоматически происходит отключение заряда, а при снижении напряжения на аккумуляторе до запрограммированного U_ON, автоматически включается заряд. Заряжаемый аккумулятор при этом может быть подключен к нагрузке. Минимальное напряжение питания контроллера 4В, при меньшем напряжении заряд происходить не будет. Напряжение питания модуля должно быть на несколько вольт выше напряжения на заряженном аккумуляторе (оптимально, выше на 5В), иначе заряд будет происходить меньшим током.

Джампера могут быть перестановлены как до включения модуля, так и во время его работы, установленные джамперами параметры будут применены немедленно.
В секции «U_OFF» устанавливается напряжение отключения заряда. Секция имеет 8 джамепров, каждый из которых должен быть установлен в правое или левое положение .
В секции «Hysteresis» устанавливается напряжение смещения. Секция имеет 5 джамперов, каждый из которых должен быть установлен в правое или левое положение . Отсутствие установленного джампера/джамперов приведет к некорректной работе контроллера. В данном примере «Hysteresis» = 0,8+0,4 = 1,2В. таким образом U_ON = 11,4В — 1,2В = 10,2В. т.е. в данном примере отключение заряда будет происходить при достижении на аккумуляторе напряжения 11,4В, а включение заряда при снижении напряжения на аккумуляторе до 10,2В.
Включенный светодиод на плате контроллера означает, что в данный момент контроллер находится в режиме заряда.

Внимание! Контроллер имеет защиту от переполюсовки аккумулятора, но не смотря на это, неправильно подключенный аккумулятор будет РАЗРЯЖАТЬСЯ через схему контроллера! Что может вывести из строя аккумулятор, если неправильно включенный аккумулятор оставить на продолжительное время.

Контроллер заряда – встроенная схема защиты в аккумуляторе, которая предотвращает его сильную разрядку или перезарядку, контролирует силу тока и температуру, задает время окончания заряда. Как работает контроллер заряда в li-ion аккумуляторе, для чего он нужен?

Устройство li-ion аккумулятора 18650

Контроллер зарядки литий-ионного аккумулятора производят корпорации: Sony, LG, Sanyo, Panasonic, Samsung, ATL, HYB. Остальные производители перекупают элементы и выдают за собственный продукт.

Максимальная емкость ионных аккумуляторов 18650 – 3600 мА-ч.; они, в отличие от батарей, могут многократно перезаряжаться. Цифра 18650 – форм-фактор, указывающий на длину аккумулятора (65 мм) и его диаметр (18 мм).

Основные характеристики литий-ионного аккумулятора 18650:

• максимально допустимое напряжение – 4,2 В (небольшие перезарядки губительно сказываются на сроке службы);
• минимально допустимое напряжение – 2,75 В (при понижении до 2 В заряд не подлежит восстановлению);
• минимально допустимая температура –20 °C 0 С (зарядить на морозе невозможно);
• максимально допустимая температура +60 °C 0 С (при превышении показателей возможны взрыв и возгорание);
• измерение емкости в ампер-часах – полная зарядка выдает 1 А тока в течение 60 минут, 2 А тока – 30 минут, 15 А тока – 4 минуты.

Литий-ионный АКБ преобразовывает химическую энергию в электрическую, поэтому возникает ток, приводящий в действие то или иное устройство. Такие батарейки оснащаются специальной защитной схемой, которая контролирует уровень ее нагрева и циклы работы. При перегреве и спаде напряжения до 2,7 В – контроллер автоматически прекращает работу АКБ.

Предназначение контроллера зарядки

Контроллер регулирует процесс заряда и разрядки аккумулятора. Если напряжение падает ниже 3 В, защита отключает банку от потребителя тока: устройство выключается. Также защитная схема предотвращает короткие замыкания. Некоторые виды защитных плат имеют терморезистор, который защищает элементы АКБ от перегрева.

Все платы осуществляют контроль за:

• переразрядом батарейки;
• перезарядом;
• током нагрузки;
• температурой.

Имея под рукой защитную плату, можно переделать старые АКБ шуруповерта, дрели на литиевые батареи, отличающиеся долгим сроком службы.

Особенности контроллера для зарядки li-ion аккумулятора 18650

Контроллер для литиевых аккумуляторов 18650 расположен сверху корпуса, чем удлиняет само устройство. Плата расположена впереди отрицательной клеммы, защищая АКБ от перезарядки/переразрядки. Основная страна-производитель – Китай.

Как только защита будет установлена, корпус помещают в специальную пленку с термоусадкой. Из-за дополнительной защитной конструкции корпус удлиняется и утолщается, в редких случаях – не помещается в гнездо. В случае применения аккумулятора 18650 для создания тока в 12 В с общим контроллером заряда прерыватели не устанавливаются.

Виды контроллеров

Контроллеры для li-ion аккумуляторов отличаются ценой, производителем и внутренними элементами.

1. HX-3S-A02 (цена – 150 рублей). Производитель – Китай, внутри чип S-8254AA, который защищает литий-ионные элементы от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. К нему можно подключить три АКБ типа 18650 (максимальный ток – 10 А). Размер защиты – 50х16 мм.
2. FDC-2S-2 (цена – 50 рублей). Производитель – Китай, чип – HY2120, предотвращает сильный заряд/разряд, короткие замыкания. Возможно подключение двух АКБ типа 18650 (максимальный ток – 3А). Параметры защиты – 36х6х1 мм.
3. HX-2S-01 (цена – 70 рублей). Производство – Китай, чип – HY2120, уберегает от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. Подключаются две АКБ типа 18650 (максимальный ток – 3 А). Размер защиты – 36х6х1 мм.
4. HX-3S-D01(цена – 220 рублей). Производство – Китай, чип S-8254AA, контролирует сильный заряд/разряд, короткое замыкание. К нему можно подсоединить три АКБ типа 18650 (максимальный ток – 20 А). Размер защитной платы – 51х23 мм.
5. HX-3S-D02 (цена – 200 рублей). Производитель – Китай, внутри чип S-8254AA, защищает от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. К нему подключаются три АКБ типа 18650 (максимальный ток – 10 А). Размер схемы – 50х16 мм.
6. HX-4S-A01 (цена – 250 рублей). Производитель – Китай, внутри чип S-8254AA, защищает от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. Можно подсоединить четыре АКБ типа 18650 (максимальный ток – 6 А). Размер микросхемы – 67х16мм.

Схемы контроллеров

Ошибочно думать, что контроллеры заряда-разряда существуют: разрядом управлять не нужно, ток находится в прямой зависимости от нагрузки. Главное – это контроль за напряжением и температурой, временем завершения заряда. Под таким контроллером подразумевают плату, защищающую АКБ от глубокой зарядки/разрядки.

Микросхемы состоят из различных электронных элементов, поэтому имеют вариации:

1. DW01-Plus. Самая популярная и простая микросхема, находится под самоклейкой с надписями, которой обернут аккумулятор. Плата шестиногая, полевые транзисторы соединены в один корпус восьминогой сборкой. Сопротивление транзисторов создает измерительный шунт: возникает большой порог срабатывания от одного устройства к другому. В полевики встроены паразитные светодиоды, благодаря которым АКБ заряжается даже при срабатывании защиты от глубокой разрядки.
2. S-8241 Series. Разработчик микросхемы – фирма SEIKO, специализирующаяся на литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторах. Защитные ключи срабатывают при 2,3 и 4,35 вольтах и при спаде напряжения на FET1-FET2 до 200 мВ.
3. LV5114OT. Защитная плата срабатывает при 2,5 и 4,25 вольтах, что предотвращает переразряд/перезаряд.
4. R5421N Series. Среднее потребление энергии в рабочем состоянии – 3 мкА, в состоянии покоя – 0,3 мкА. Данная микросхема имеет ряд модификаций, которые разнятся величиной напряжения срабатывания при перезаряде.

Причины блокировки контроллером li-ion аккумулятора 18650

Главная причина – возникновение короткого замыкания из-за превышения предельно допустимого напряжения тока внутри АКБ. Микросхема разрывает электрическую цепь. Для разблокировки батареи достаточно зарядить ее.

Вторая причина – глубокий разряд аккумулятора. При глубоком некритичном разряде батарейку можно разблокировать с помощью зарядного устройства.

При разряжении до критичного состояния устройство не включится: внутренние химические процессы приводят к образованию металлических литиевых кристаллов, которые создают опасный контакт между положительным и отрицательным полюсами, приводящий к взрыву.

Балансировочная плата для li-ion аккумулятора 18650

Какую функцию выполняет балансир в литийных аккумуляторах? Если последовательно соединять несколько банок, их напряжение складывается в общую сумму, а емкость батареи равняется самой низкой из всех элементов.

Чтобы предотвратить перезаряд самой «ленивой» части, ее отключают от питания, что позволяет оставшимся частям продолжать заряжаться. Балансир контролирует равномерно распределяющийся заряд, поэтому его включают в цепи с последовательным соединением элементов. При параллельном соединении в балансировке нет необходимости: здесь равномерное распределение заряда. Балансировочная плата обычно входит в общий защитный корпус MBS и носит название «балансировочный шлейф».

Лучшие аккумуляторы 18650 на «Алиэкспресс»

На ресурсе «Алиэкспресс» можно купить разные li-ion АКБ, отличающиеся ценой и производителем. Из-за большого спроса на товар велико число подделок. Качественная модель отличается от подделки рядом признаков. Так, продукция высокого качества имеет емкость в 3600 А/ч и стоит гораздо дороже, среднего качества – 3000–3200 А/ч и стоит в несколько раз дешевле.

Как восстановить Li-ion АКБ

При полном выходе из строя батареи лучшее решение – утилизация, в ситуации крайней необходимости ее можно реанимировать различными способами:

1. Помещение АКБ в морозильник: резкая смена температуры в ряде случаев приводит к его временному запуску. В морозильной камере необходимо держать ее в течение 40–50 минут, после чего извлечь и незамедлительно подключить к зарядному устройству на 5 минут. Подождать разогрева батарейки до комнатной температуры и полностью зарядить.
2. Вскрытие АКБ и отсоединение защитной микросхемы. Процедура проводится крайне осторожно. Для начала необходимо измерить тестером напряжение на контактах (дальнейшие действия возможны только при нулевом показателе), отсоединить защитную плату, замерить показатели напряжения. Дальше подключить зарядное устройство к аккумулятору на 10–15 минут, установив такие показатели: 100 мА, 4,2 В. При перегреве батареи зарядку следует отсоединить. Как только она полностью зарядится, защитная схема возвращается на место.

Итак, контроллер для литий-ионных батарей выполняет важную функцию – не позволяет напряжению вырасти до 4,2 В и понизиться до 2,75 В (оптимальное напряжение для АКБ на литии – 3,7 вольта). Сильная разрядка и повышенная зарядка приводят к выходу устройства из строя.

Для долгой и счастливой жизни литиевого аккумулятора очень важно правильно его заряжать. Не менее важно контролировать так же и разряд. На наше спасение, уже давно придумали контроллер заряда литиевых аккумуляторов в виде готового модуля. Но можно ли ему доверять, сейчас мы это и проверим.

Как заряжать литиевые аккумуляторы

Вся фишка зарядки литиевых аккумуляторов кроется в том, что ни ток заряда ни напряжение не должен быть постоянными. Процесс заряда должен проходить по определенным фазам:

1. При полной разрядке аккумулятора (около 3 вольт) ток заряда должен быть максимальным. Обычно он не должен превышать значения емкости аккумулятора (С).
2. По мере накопления заряда аккумулятором, т.е. увеличения напряжения на клеммах аккумулятора, ток заряда должен уменьшаться.
3. При достижении 90% от полного заряда, ток заряда должен снизиться до уровня порядка 0,1С. Как только напряжение на аккумуляторе достигнет 4.1-4.15 вольта, процесс заряда должен прекратиться.

Соблюдение этих правил заряда литиевого аккумулятора обеспечит ему продолжительный срок службы. Разрядка литиевого аккумулятора ниже 3 вольт, а так же его регулярная перезарядка даже на 0.1 вольта значительно сокращает емкость аккумулятора.

Готовые микросхемы

Сегодня существуют микросхемы, представляющие из себя готовый контроллер заряда li ion аккумуляторов. Одной из таких микросхем является TP4056 ( скачать даташит ). Схема контроллера заряда литиевых аккумуляторов на TP4056 выглядит следующим образом:

Однако, если вам вздумалось ее реализовать, то спешу вас огорчить. Потраченные усилия, время и деньги во много много раз превысят покупку готового модуля, построенного по точно такой же схеме.

Модуль контроля заряда Li-ion аккумулятора

Специально для этой статьи я сотворил ролик, в котором показал, как пользоваться подобными модулями, а так же как собрать мощное зарядное устройство на этих модулях.

Это мой первый «шедевр» для Ютуба, поэтому буду очень рад просмотру. А еще больше буду рад любому Вашему фидбэку 🙂

Если Вы посмотрели ролик, то уже знаете, что готовый модуль контроля заряда литиевого аккумулятора можно прикупить всего за 30 центов.А так же то, что такие модули существуют как с контролем разряда аккумулятора так и без него.

Картинка демонстрирует все четыре варианта подобных модулей. Два левых модуля полностью аналогичны двум правым модулям, разница заключается только в установленном разъеме. А вот между собой, два левых модуля, как и два правых отличаются возможностью контроля разряда аккумулятора.

Если на модуле помимо контактов для аккумулятора В+ и В- также присутствуют контакты OUT+и OUT- то это значит, что модуль умеет контролировать разряд аккумулятора, а подключение нагрузки к аккумулятору происходит через модуль.

Контроллер заряда — максимальный ток

В исходном состоянии модуль может выдать максимальный ток заряда до 1 Ампера. Если нужно больше, то смотрите видосик (чуть выше).

Если же емкость аккумулятора меньше 1000мА*ч, то максимальный ток заряда лучше снизить до значения, равного емкости аккумулятора или еще ниже. Для этого стоит заменить резистор R_PROG на подходящий номинал.

А теперь самое интересное — будем мерить

Мерить мы будем следующее:

1. Процесс зарядки — посмотрим, как меняется ток заряда от напряжения на аккумуляторе.
2. Разрядку, а точнее умение модуля продолжительно отдавать ток в нагрузку, а так же умение отрубать аккумулятор по достижении порога разряда.

Для этих целей нам понадобится вольтметр и амперметр. Но я рожа ленивая, да и мерить вручную в наш век — мартышкин труд. Поэтому на помощь был позван микроконтроллер PIC18F4550. Он умеет общаться с компом по USB и обладает 10-битным АЦП на борту.

Амперметр и вольтметр далее изображены условно. И вольтметр и амперметр реализованы на дифференциальных усилителях. Для измерения тока использован низкоомный резистор, разность напряжений с выводов которого и снимается дифференциальным усилителем. Такому методу измерения тока недавно была посвящена отдельная статья.

С выходов диф. усилителей сигнал поступает на АЦП микроконтроллера. Шаг АЦП по напряжению составляет около 5 мВ, чего для таких измерений более чем достаточно. Но для большей точности было дополнительно реализовано усреднение данных приходящих за каждые 10 секунд ( каждые 200 приходящих значений).

Все пытки проводились с участием аккумулятора Sony VTC6 типоразмера 18650. Этот аккумулятор обладает емкостью 3000 мА*ч. Максимальный выходной ток аккумулятора может достигать 30 А.

Измерения заряда аккумулятора

Для изучения процесса заряда аккумулятора была реализована следующая измерительная схема:

Полученный с ее помощью график, представлен на следующей картинке. Для удобства синим обозначена зависимость тока, а красным — зависимость напряжения от времени. При этом время указанно в секундах.

6000 секунд соответствуют 100 минутам или же в более привычном виде это 1 час 40 минут. Соответственно полная зарядка аккумулятора заняла около 6 часов. При емкости аккумулятора в 3000 мАч, средний ток заряда можно считать равным 500мА.

На графике отлично видны все три описанные выше фазы зарядки. Схемка отрабатывает все как и положено. Между разными экземплярами модулей присутствует небольшой разброс конечного напряжения, но он не критичен.

Стоит отметить, что любое измерение физической величины это лишь попытка приближения к истинному значению. Не стоит обращать внимание на мелкие зубчики, их природа может быть вызвана как неравномерностью АЦП так и нелинейностью модуля.

В любом случае получившаяся зависимость отлично удовлетворяет всем правилам заряда аккумулятора.

Умный модуль бережет аккумулятор

Я не зря назвал этот модуль умным. Если внимательно присмотреться к моменту подачи питания на модуль, то можно увидеть небольшую ступеньку на зависимости тока. Вот так она выглядит крупным планом:

Речь идет о ступеньке между 500 и 600 секундами на уровне 100 мА.

Модуль бережно относится к аккумулятору. Сначала он доводит напряжение на аккумуляторе примерное до 3 вольт током в 100 мА. А уже затем начинает кочегарить через аккумулятор 1 ампер. Ну или ток, который был установлен резистором R_PROG.

Контроль разряда аккумулятора

Для изучения выходных характеристик модуля схема была несколько изменена. В качестве нагрузки был установлен переменный резистор, включенный последовательно с амперметром к выходным контактам модуля.

Сопротивление нагрузочного резистора было установлено так, что начальный ток разряда составлял около 1.15 А. Т.к. нагрузка была постоянной, соответственно ток в выходной цепи падал с падением напряжения на аккумуляторе.

Как видно из графика, модуль благополучно отрубил нагрузку от аккумулятора в районе 5000 сек. А это значит, что модуль отдавал ток порядка 1 ампера в течении полутора часов и не загнулся. Отличный результат)

Рост напряжения на аккумуляторе, после отключения нагрузки, вызван химическим восстановлением аккумулятора после столь длительной отдачи приличного тока.

Включение модуля произойдет, при подключении зарядного устройства, как только напряжение на аккумуляторе достигнет уровня в 2.9 — 3 вольта.

Нагрев

В процессе зарядки, когда ток составляет 1 ампер, модуль прилично греется. Стоит учитывать этот факт при использовании модуля в закрытом устройстве. Так, на открытом воздухе температура модуля достигала значений более 70 градусов (по термопаре).

В случае установки модуля в закрытый корпус желательно снизить максимальный ток заряда до 500-700 мА. Но на терма-клей все же не стоит крепить.

У самого же модуля предусмотрена защита от перегрева. Так при перегреве модуль начинает ограничивать выходной ток. Так что от перегрева он скорее всего не сдохнет — но не факт)

Где взять?

Я не могу ручаться за все подобные модули, ибо их производством не брезгует каждый уважающий себя житель поднебесной. Показанные модули заказывались уже не первый раз у конкретного продавца.

Покупать такие модули поштучно не выгодно — продавцы начинают накручивать стоимость доставки. Удобнее закупать сразу по 5 или 10 штук даже если требуется 1-2. Очень удобно, когда где-то в шкафу лежит кучка таких модулей и при необходимости можно быстро сообразить из них зарядку. Вот ссылки на разные лоты проверенного магазина:

1.65$ за 5 штук, и тем более 2.75$ за 10 штук — это копейки. Во многих магазинах радиодеталей с вас попросят аналогичную сумму за каждый такой модуль.

Да, ссылки реферальные, но покупая по ним Вы абсолютно ничего не теряете. Зато этим Вы говорите мне спасибо за проделанную работу и помогаете копеечкой моему проекту. Так что спасибо и Вам.

Заключение

Честно говоря я и сам не ожидал таких результатов, но модули зарядки литиевых аккумуляторов отлично себя показали. И я однозначно рекомендую к покупке такой контроллер заряда. На таких модулях можно мастерить много интересных штук. В скором времени я покажу как с их помощью соорудить блок бесперебойного питания для камер Canon.