Безпечна зарядка Li-ion акумуляторів. Схема, опис

Безкоштовна технічна бібліотека

ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ
Безкоштовна бібліотека / Схеми радіоелектронних та електротехнічних пристроїв

Безпечна зарядка Li-ion акумуляторів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Безкоштовна технічна бібліотека

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Зарядні пристрої, акумулятори, гальванічні елементи

Коментарі до статті

В останні роки в журналі "Радіо" описано чимало зарядних пристроїв, у тому числі і так званих "інтелектуальних", які не тільки максимально автоматизують процес зарядки акумулятора (регулюють зарядний струм залежно від напруги на ньому, відключають після досягнення повної зарядки) , а й дорозряджають його до необхідної початкової напруги перед зарядкою. Однак всі ці пристрої розроблені для Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів і мало придатні для заряджання Li-ion (літій-іонних) акумуляторів через їх специфічні особливості. У статті, що публікується, описано нескладний зарядний пристрій, призначений для зарядки саме таких акумуляторів.

Незважаючи на велику кількість інформації по Li-ion акумуляторах, Інтернет переповнений спорами користувача, що свідчать про потребу в досить простому і надійному пристрої для їх зарядки. Пропонована конструкція - лише один із можливих варіантів вирішення цього завдання, орієнтований, перш за все, на дешевизну його виготовлення. На відміну, наприклад, від пристрою, описаного в [1], вартість використаних мікросхем не перевищить 1 дол. США.

Звичайно, існують показники, якими для дешевизни нехтувати ні в якому разі не слід. Головний з них - безпека експлуатації, що стала "фігурантом" радіоаматорських байок про вибухи Li-ion акумуляторів під час недбалого експериментування з ними. У [2] досить докладно розказано про заходи, що вживаються фірмами для виключення ненавмисного руйнування літієвих елементів живлення. Проте виробники попереджають про неприпустимість їх розрядки до напруги менше 2,5 або більшими (більше 2,5 А) струмами, а також перезарядки. Як глибока розрядка, так і тривала зарядка струмом навіть кілька мікроампер здатні стимулювати утворення на електродах акумулятора дендритів і зумовити його передчасний вихід з ладу. Тому сам собою напрошується висновок: для продовження "життя" Li-ion акумулятора краще своєчасно (не чекаючи зниження напруги до 2,5 В) його підзарядити, не обов'язково домагаючись при цьому повної (100%) зарядки.

Саме такий принцип покладено в основу роботи пристрою, призначеного для зарядки акумулятора LGR18650E (його характеристики практично такі ж, як і у ICR-18650 фірми NEC [2]). При необхідності, використовуючи розрахункові формули, що наводяться в статті, можна модифікувати пристрій для зарядки акумулятора з іншими характеристиками.

Принципова електрична схема пристрою зображено малюнку. Його основа - спеціалізована мікросхема DA1 TSM101A, що випускається у корпусах D1P8 та S08.

(Натисніть для збільшення)

Як відомо, Li-ion акумулятори спочатку необхідно заряджати незмінним струмом, а після досягнення заданого рівня напруги він повинен зменшуватися за експонентним законом [2]. У пропонованому пристрої ОУ DA1.2 порівнює сигнал з датчика струму зарядки - резистора R3 - з частиною зразкової напруги Uo6p = 1,24 В, що знімається з двигуна резистора R7, і відкриває транзистор VT1 рівно настільки, наскільки це необхідно для створення необхідного датчик струму. Причому у пристрої передбачено так званий режим кондиціонування при зарядці акумулятора, що глибоко розряджений.

Розрахуємо параметри пристрою. Оскільки тепловий моніторинг акумулятора, що заряджається, в даному випадку не передбачений, обмежимося максимальним струмом зарядки Iзар = 1 А. Звичайно, його можна збільшити до 1,6 А, але в цьому випадку необхідно врахувати рекомендації, викладені, наприклад, в [3]. ОУ мікросхеми DA2, що не використовується в даному випадку, дозволяє легко реалізувати термоконтроль акумулятора, що заряджається.

Для прийнятого значення струму зарядки падіння напруги на резистори R3 дорівнює 0,22 В. Саме цю напругу необхідно встановити на движку резистора R7 до монтажу в пристрої, подавши на його верхній (за схемою) висновок напруга 1,24 від стабілізованого джерела живлення.

Режим кондиціювання акумулятора G1, що заряджається, повинен включатися автоматично, якщо напруга на ньому на початку зарядки не перевищує 2,5 В. З цією метою компаратор DA3.1 відстежує напругу на G1 (через дільник - підстроювальний резистор R11), і якщо воно менше 2,5 У вихідний транзистор компаратора відкривається до насичення, з'єднуючи із загальним проводом висновок 2 мікросхеми DA1 і включаючи тим самим джерело зразкового струму. Як і в попередньому випадку, до установки резистора R11 пристрій на його верхній (за схемою) висновок подають калібровану напругу (але тепер - 2,5 В) і поворотом двигуна домагаються на ньому напруги 1,24 В Після включення джерела зразкового струму Ioбр = 1,4 мА напруга на вході, що інвертує, ОУ DA1.2 являє собою алгебраїчну суму падінь напруги на резисторах R3 і з'єднаних паралельно R4, R6. Нехтуючи падінням напруги, створюваним струмом Ioбр на датчику струму R3, розрахуємо опір резистора R4 для загальноприйнятого значення струму кондиціонування Iконд - 0,1 Ізар:

Необхідне опір найпростіше підібрати підключенням паралельно R4 резистора R6 вказаного на схемі номіналу.

Отже, вказані на схемі опору резисторів токозадаючих забезпечують зарядку глибоко розрядженого акумулятора струмом не більше 100 мА, а при підвищенні напруги на ньому до 2,5 В - струмом 1 А.

Досі ми говорили про початкову стадію заряджання акумулятора. Після її завершення починає працювати ОУ DA1.1. Порівнюючи зразкову напругу на вході, що не інвертує, з частиною напруги, що знімається з двигуна резистора R10, він відкриває транзистор VT1 рівно настільки, щоб напруга на акумуляторі не перевищила заданий рівень 4,2 В. Для цього до установки в пристрій на верхній (по схемі) R10 подають напругу 4,2 і встановлюють двигун в положення, в якому напруга на ньому дорівнює 1,24.

Як зазначалося вище, завершувати заряджання літієвого акумулятора слід за певного значення струму. В даному випадку воно вибрано рівним 95 мА, що відповідає приблизно 90% його ємності [2]. Індикатором струму заряджання є світлодіод HL2, підключений до виходу компаратора DA3.2. Останній порівнює сигнал здавача струму R3 із зразковою напругою. На фінальній стадії зарядки цей сигнал дуже малий, і щоб виключити вплив параметрів компаратора та необхідність його підбору, пристрій введений ОУ DA2.1. Зміною опору резистора R9 в ланцюгу, що його охоплює, ООС домагаються того, щоб компаратор спрацьовував при зарядному струмі 95 мА. З резисторами R8, R9 вказаних на схемі номіналів яскравість свічення світлодіода HL2 за такого струму знижується приблизно вдвічі, а коли він зменшується до 93 мА, індикатор гасне. Така поведінка світлодіода обумовлена виникненням "брязкання" напруги на виході компаратора при його підході до точки вимкнення і спостерігається, якщо акумулятор підключений до зарядного ланцюга безпосередньо, минаючи контакти реле К1. Введення останнього дозволило не тільки усунути небажаний "брязкіт", але й реалізувати автоматичне відключення акумулятора після завершення зарядки.

Відбувається це в такий спосіб. При натисканні кнопки SB1 на базу транзистора VT2 подається (через резистори R15, R16) напруга позитивної полярності і відкривається. В результаті спрацьовує реле К1 та своїми контактами K1.1 підключає акумулятор до зарядного ланцюга. Оскільки і при кондиціонуванні, і при зарядці великим струмом компаратор DA3.2 включає світлодіод HL2 і випромінюючий діод оптрона U1, фототранзистор, що відкрився, під'єднує резистор R14 до шини живлення +7 В, після чого натиснуту кнопку SB1 можна відпустити.

Світлення HL2 дозволяє судити про надійність з'єднання пристрою з акумулятором: якщо якість контактів погана (перехідний опір велике), він не горить. У цьому випадку після відпускання кнопки реле повертається у вихідне положення, відключаючи акумулятор від зарядного ланцюга.

Якщо опір контактів досить мало, зарядка протікає за описаним алгоритмом. При зниженні струму на фінальній стадії та спробі компаратора створити "брязкіт" відпускання реле викликає від'єднання акумулятора від зарядного ланцюга і підключення замість нього світлодіода HL3 з струмообмежуючим резистором R18. Світло HL3 сигналізує про закінчення зарядки. Конденсатор С4 в базовому ланцюзі транзистора VT2 - перешкодний.

Щоб не витрачати даремно ресурс Li-ion акумулятора, як навантаження при налагодженні пристрою рекомендується використовувати батарею з двох-трьох Ni-Cd акумуляторів ємністю 0,5... 1 А·ч, яку на першому етапі підключають безпосередньо до катода VD1, минаючи контактну групу реле. Якщо ретельно виконати рекомендації щодо попередньої установки двигунів підстроювальних резисторів R7, R10, R11, налагодження пристрою може навіть не знадобитися, але перевірити основні показники (струм кондиціювання, порогова напруга включення повного струму зарядки, його початкове значення, кінцеве напруга на заряджається струму закінчення зарядки) все ж таки необхідно.

На час налагодження до зарядного ланцюга підключають цифровий вольтметр та амперметр на 1 А, а замість Li-ion акумулятора - батарею з двох розряджених до 1 В Ni-Cd елементів. Після подачі напруги живлення 7 повинен включитися режим кондиціювання. Необхідний струм (0,1 А) встановлюють підбором резистора R6. У міру зарядки напруга на батареї буде зростати, і як тільки воно стане рівним 2,5 В, зарядний струм повинен збільшитися до 1 А. При необхідності це значення струму встановлюють підстроювальним резистором R7, а щоб його зміна відбувалася при напрузі 2,5 В, коригують положення двигуна резистора R11.

Потім до пристрою підключають батарею з трьох акумуляторів і спостерігають, як після збільшення напруги на ній приблизно до 4 В струм зарядки починає зменшуватися. При його значенні, що дорівнює 95 мА, яскравість свічення світлодіода HL2, як зазначалося, повинна знизитися вдвічі, а при 93 мА він повинен згаснути. Під час проходження зазначеного інтервалу зарядного струму буде чітко чути брязкіт контактів реле. Оскільки його контактна група на цьому етапі комутує струм лише приблизно 5 мА (включає і вимикає HL3), її стан після такого випробування не погіршиться. При першій зарядці цей процес протікає досить повільно, проте якщо вимкнути пристрій і знову включити (з зарядженою батареєю), зменшення струму відбувається в лічені секунди і досягти потрібної поведінки світлодіода в зазначених межах зміни струму (підбір резистора R9) не складно. Як вказувалося, кінцева напруга на батареї встановлюють рівним 4,18 підстроювальним резистором R10.

Далі батарею під'єднують через контакти реле та перевіряють роботу пускового ланцюга, а також чіткість відключення акумулятора після закінчення зарядки. При цьому може бути потрібна попередня короткочасна розрядка зарядженої батареї через резистор опором 5... 10 Ом.

На завершення налагодження до пристрою підключають Li-ion акумулятор і в процесі його зарядки перевіряють відповідність напруги (крім 2,5, зрозуміло) і зарядного струму встановленим значенням. Через деяку відмінність внутрішнього опору Li-ion і Ni-Cd акумуляторів може знадобитися повторне регулювання пристрою.

Пристрій зібрано на макетній платі розміром 60x45 мм (друкована плата не розроблялася). Транзистор VT1 встановлений на тепловідводі з площею поверхні, що охолоджує, близько 100 см2. Діод 1N5822 замінимо будь-яким іншим діодом Шотки з робочим струмом до 3 А. Підстроювальні резистори R7, R10, R11 - багатооборотні дротяні, наприклад, СП5-3. Конденсатор С5 - будь-який оксидний ємністю 6,8...10 мкФ з номінальною напругою 10...35 В. Замість КТ829А можна використовувати будь-який інший потужний складовий транзистор зі статичним коефіцієнтом передачі струму бази h21Е 750...1000.

У пристрої застосовано герконове реле РЕМ55А з паспортом РС4.569.604 (нове позначення – РС4.569.600-16). Оскільки його робоча напруга значно менше 7, послідовно з обмоткою включений резистор R17. Допустимо використання реле цього з паспортом РС4.569.603 (РС4.569.600-15). В цьому випадку опір резистора, що гасить надлишок напруги, слід зменшити до 43 Ом.

Як джерело зарядного струму можна використовувати мережевий адаптер, описаний в [1], встановивши його вихідну напругу рівним 7 Ст.

Відомості про мікросхеми TSM101А, LM358 та LM393

література

Косенко С. "Інтелектуальний" зарядний пристрій для Ni-Cd акумуляторів. – Радіо, 2004, № 5, с. 32-35.
Літій-іонні акумулятори ("За кордоном"). – Радіо, 2001, № 7, с. 44, 45.
Ткачов Ф. Розрахунок термочутливого моста. – Радіо, 1995, № 8, з 46.

Автор: С.Косенко, м.Воронеж

Дивіться інші статті розділу Зарядні пристрої, акумулятори, гальванічні елементи.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Папір, що зберігає енергію електрики 15.12.2015

У Швеції створено "папір", що зберігає енергію електрики. Дослідники, які працюють в університеті Лінчепінга, розробили матеріал із визначною здатністю зберігати електроенергію. Самі вчені називають його "енергетичним папером".

Матеріал складається з нановолокон целюлози та полімеру, що проводить. Лист такого "паперу" діаметром 15 см і товщиною менше 1 мм характеризується ємністю 1 Ф. Це можна порівняти з ємністю іоністорів, доступних сьогодні на ринку. Аркуш витримує сотні циклів перезаряджання і заряджається за лічені секунди. Новий матеріал демонструє рекордні для органічної електроніки значення чотирьох параметрів, включаючи ємність та силу струму.

Однією з найбільш перспективних сфер застосування матеріалу, здатного запасати енергію, вчені вважають системи електроживлення з використанням відновлюваних джерел - наприклад, вітряних генераторів або сонячних батарей. Справа в тому, що для таких систем характерні коливання кількості енергії, що виробляється, і наявність ємності для її зберігання дозволяє забезпечити рівномірне харчування навантаження незалежно від погодних умов, часу доби або року.

До переваг матеріалу його творці відносять можливість виготовляти листи довільної товщини, а також той факт, що лист "енергетичного паперу" можна згинати, як лист звичайного паперу.

Інші цікаві новини:

▪ Lego - ідеальний утеплювач

▪ Старе серце омолоджене стовбуровими клітинами

▪ Apple перейде на перероблений кобальт, золото, олово та рідкісноземельні елементи

▪ Ставлення до запахів

▪ Кросівки з рослинних матеріалів

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Автомобіль. Добірка статей

▪ стаття Павлік Морозов. Крилатий вислів

▪ стаття За яку зелену революцію отримав Нобелівську премію миру Норман Борлоуг? Детальна відповідь

▪ стаття Особливості складання та монтажу електричних схем. Довідник