Точное измерение заряда аккумулятора – важная и актуальная задача, особенно в условиях наблюдаемого расцвета мобильных устройств. Сегодня существует множество приложений, где проблема точной оценки заряда особенно критична. Это электрический транспорт, летательные аппараты, различные медицинские и другие приборы. Компания Maxim Integrated
предлагает свое решение данной задачи в виде микросхем измерения заряда
аккумулятора с поддержкой технологии ModelGauge
. Эти микросхемы позволяют значительно упростить процесс разработки и одновременно повысить точность измерении.
Трудно поверить, но еще 20 лет назад проблема определения заряда аккумуляторов была востребована только в узком спектре приложений. В бытовой электронике – фотоаппаратах, плеерах, игрушках, – она почти всегда отсутствовала. Потребитель мог точно знать только о двух состояниях: батарея заряжена и батарея разряжена. Любые промежуточные состояния определялись только «на глаз». Часто это напоминало сюжет знаменитой книжки Г. Остера, в которой удава измеряли «в попугаях». Так, например, опытный фотограф всегда знал, что со свежими батарейками он сможет сделать примерно 40 снимков. В итоге степень разряда определялась в фотографиях.
Естественно, что с расцветом мобильных устройств ситуация стала очень быстро меняться. Сейчас ни один смартфон не обходится без индикатора заряда на экране. Если индикатор заполнен – значит все в порядке, если он близок к нулю – стоит начать «экономить» энергию, чтобы не остаться без связи.
Примеры смартфонов, планшетов, плееров и портативных приставок очень показательны в плане удобства функции определения уровня заряда. Однако есть приложения, в которых эта задача стоит еще более остро. Например, если речь идет о портативных медицинских приборах, то неожиданный разряд аккумулятора может стоить человеку жизни. Не такие трагичные, но все-таки неприятные последствия могут возникнуть, если в длительном путешествии сядет аккумулятор электромобиля, а ближайшая розетка окажется в ста километрах.
В итоге измерение заряда аккумуляторов оказывается весьма актуальной задачей. При этом над проблемой повышения точности бьются все крупнейшие производители электронных компонентов. Существует множество запатентованных фирменных методов измерения, которые обещают не только минимизацию погрешностей, но и значительное упрощение процесса разработки устройства в целом. Примером этого является технология ModelGauge, созданная компанией Maxim Integrated .
Сейчас фирменная технология измерения ModelGauge имеет четыре версии:
- ModelGauge – наиболее простоя реализация для малогабаритных и бюджетных устройств;
- ModelGauge m3 – вариант для приложений с повышенными требованиями к точности измерений;
- ModelGauge m5 – реализация, обеспечивающая исключительную точность измерений, отличную надежность и высокий уровень безопасности;
- ModelGauge m5 EZ – версия, которая ко всем преимуществам ModelGauge m5 добавляет возможность работы с различными видами аккумуляторов без необходимости построения моделей их разрядных характеристик.
Проанализируем преимущества ModelGauge перед другими способами определения заряда аккумуляторов. Особое внимание уделим микросхемам , которые используют алгоритмы ModelGauge m5 и ModelGauge m5 EZ.
Прежде чем приступить к анализу методов измерений, стоит определиться с самой постановкой задачи и решить, что, собственно, требуется измерять.
Измерение степени заряда аккумулятора
Каждый инженер или продвинутый пользователь знает, что номинальная емкость аккумулятора чаще всего приводится в ампер-часах (А ч) или миллиампер-часах (мА ч). Этот параметр позволяет судить о том, насколько долго проработает аккумулятор при заданном токе. Например, если емкость равна 1000 мА ч, то при разряде постоянным током 1 А время работы составит 1 час.
В принципе, измерение заряда в мА ч достаточно удобно для инженера. Зная емкость батареи и действующий ток, можно определять степень разряда. Однако этот способ непрактичен для потребителей, так как приходится держать в голове характеристики аккумуляторов (фотоаппарата, смартфона, плеера), а это крайне неудобно. По этой причине вводится такой относительный параметр как степень разряда или степень заряда аккумулятора.
Степень заряда аккумулятора (State of Charge, SOC) измеряется в процентах и показывает, какая часть от полного заряда еще остается запасенной в аккумуляторе. Впрочем, тут нужно быть осторожным и отметить, что в данном случае величина полного заряда не соответствует заряду при номинальной емкости. Дело в том, что в процессе эксплуатации реальная емкость аккумулятора падает и к концу срока службы может снижаться в среднем на 20%.Еще больше емкость зависит от температуры и значения тока разряда.
Таким образом, если взять за 100% номинальную емкость аккумулятора, то даже новый элемент питания невозможно будет зарядить до 100%, если, к примеру, температура среды упадет всего на один градус.
Чтобы избежать таких сложностей, при расчете SOC используют реальную емкость данного аккумулятора. В итоге показатель степени заряда SOC оказывается независимым от величины емкости, температуры, нагрузочного тока и времени службы.
Обзор методов измерения степени заряда аккумулятора
Существует множество различных методов измерения степени заряда аккумулятора. Некоторые из них являются достаточно специфичными. Однако при их оценке можно использовать объективные показатели, такие, например, как точность измерений, сложность реализации, стоимость и габариты.
Прямые измерения с помощью приборов. Этот метод подходит для ограниченного спектра приложений, в которых аккумулятор работает с неизменным сопротивлением нагрузки. При этом используется зависимость постоянного выходного тока от значения степени разряда. Как известно, если при разряде элемента питания сопротивление нагрузки остается неизменным, то ток уменьшается. Зная значение тока, можно определить степень разряда.
Однако все это остается верным только при выполнении нескольких условий: при отсутствии импульсной нагрузки и наличии выверенной разрядной кривой. Это связано с тем, что зависимость степени заряда от нагрузочного тока оказывается нелинейной. Стоит току измениться – точность измерений резко падает.
Дополнительные проблемы вносят старение батарей и температурная зависимость характеристик.
Данный метод имеет значительную погрешность и используется достаточно редко. Главным его достоинством является простота реализации с помощью подручных средств.
Химический метод определения степени заряда. Суть метода заключается в вычислении концентрации химических реагентов в растворе электролита. Пока что данный метод достаточно далек от сферы мобильной электроники.
Определение степени заряда по напряжению аккумулятора. Хорошо известно, что при разряде аккумулятора его напряжение падает. Естественно, возникает желание использовать эту зависимость для определения SOC – ведь в этом случае потребуется всего лишь один АЦП. Однако не все так просто.
К сожалению, зависимость мгновенного напряжения на аккумуляторе от степени разряда не является однозначной. Одному и тому же значению мгновенного напряжения могут соответствовать разные уровни SOC. На рисунке 1 представлены временные диаграммы изменения напряжения и степени заряда. Как видно из графика, одному и тому же значению мгновенного напряжения 3,8 В соответствует SOC 2%, 50% и 75%. Таким образом, в реальных условиях разброс может достигать десятков процентов.
Вместе с тем, по форме представленные графики схожи, а значит использовать значения напряжения для расчета SOC можно на некоторых участках. Однако есть и другие подводные камни.
Во-первых, напряжение аккумулятора имеет нелинейную зависимость от величины тока нагрузки (рисунок 2).
Во-вторых, напряжение аккумулятора имеет нелинейную зависимость от температуры (рисунок 3).
Таким образом, простота реализации данного метода очень часто перекрывается низкой точностью. Тем не менее, в самых простых случаях его можно использовать, например, чтобы не допускать критического разряда элементов питания.
Как видим, простые методы измерений не обеспечивают высокой точности, и приходится прибегать к более сложным решениям.
Метод интегрирования тока. Данный метод предполагает использование быстродействующих АЦП для измерения и суммирования мгновенных токов.
Алгоритм действия данного метода следующий: мгновенный ток преобразуется в напряжение с помощью датчиков тока (датчики Холла, шунты, магниторезистивные сенсоры и так далее). Полученное напряжение оцифровывается с помощью быстродействующего АЦП. Полученные отсчеты интегрируются с помощью процессора или микроконтроллера. Зная суммарный ток, можно определить, сколько энергии отдал аккумулятор.
Как уже говорилось, номинальная и реальная емкость аккумулятора могут значительно отличаться. По этой причине при измерениях требуется знать, сколько энергии может реально хранить аккумулятор. В итоге, чтобы рассчитать SOC, вначале требуется определить энергию, закачанную в элемент питания. Для этого необходимо измерять ток в процессе заряда. Реальное значение емкости, полученное при заряде аккумулятора, можно считать за 100% только с оговорками. Практика показывает, что при заряде часть мощности приходится на нагрев. Кроме того, имеет место эффект саморазряда. В итоге закачанная мощность всегда будет больше той мощности, которую вернет аккумулятор.
Существуют различные готовые микросхемы, работающие по данному принципу. Они объединяют в одном корпусе таймеры, АЦП, цепи тактирования и питания.
Метод позволяет достигать высокой точности определения SOC, так как измерения зарядных и разрядных токов производятся с малой погрешностью. Вместе с тем, есть у него и недостатки. Интегрирование оказывается эффективным только при постоянных или медленно меняющихся токах. При импульсных нагрузках часть энергии останется неучтенной даже при использовании самых быстрых АЦП. На рисунке 4 показан худший случай при работе с импульсным током. Каждый раз в моменты измерения (отсчеты времени 1…8) АЦП получал одно и то же значение. В итоге система полагала, что ток постоянный, в то время как на самом деле скорость разряда менялась, а степень разряда оказывалась выше.
Приведенная погрешность, очевидно, имеет свойство накапливаться. Ее устранение возможно при обнулении в калибровочных точках: при полном разряде или полном заряде аккумулятора.
Метод измерения импеданса аккумулятора. В процессе эксплуатации аккумулятора концентрация носителей заряда в активном веществе электролита меняется. Измеряя импеданс элемента питания, можно определить степень его заряда.
Данный алгоритм оказывается достаточно перспективным особенно с учетом появления специализированных микросхем. Его достоинством можно считать высокую точность. Однако он требует циклов «обучения» и калибровки для получения конкретной зависимости. Кроме того, для реализации алгоритма необходима достаточно сложная схема с дополнительными компонентами.
Метод измерения напряжения OCV. Несмотря на большую погрешность, в некоторых случаях значение степени заряда может быть определено с помощью мгновенного напряжения на аккумуляторе. Этот метод можно значительно улучшить, если использовать в расчетах не мгновенное, а установившееся значение напряжения, а в идеале – установившееся напряжение на разомкнутых контактах (Open Contact Voltage, OCV) .
Дело в том, что напряжение на разомкнутых контактах имеет практически идеальную линейную зависимость от степени заряда (рисунок 5).
Однако не все так просто. Чтобы на клеммах аккумулятора появилось «истинное» значение установившегося напряжения OCV, он должен быть отключен от нагрузки и выдержан при номинальной температуре до 8…9 часов. Очевидно, что выполнить эти условия не всегда возможно. Однако рассчитать OCV по мгновенному напряжению и дополнительным параметрам вполне реально. Именно такой подход и использует компания Maxim в своей технологии ModelGauge.
ModelGauge – фирменные методы измерения от Maxim
В настоящий момент компания Maxim Integrated предлагает сразу несколько версий фирменного алгоритма ModelGauge.
Данный алгоритм основан на вычислении степени разряда аккумулятора по напряжению на разомкнутых клеммах OCV. Само напряжение OCV рассчитывается с помощью фирменной параметрической модели, которая использует мгновенное значение напряжения и учитывает не только температурную зависимость, но и зависимость от тока нагрузки, и даже старение аккумулятора.
Учет старения аккумуляторов – важное достоинство ModelGauge. Все аккумуляторы со временем теряют емкость. Потери емкости зависят и от числа циклов заряда-разряда. На рисунке 6 показана типовая зависимость величины емкости от числа циклов заряда-разряда для литий-ионных аккумуляторов. Для них снижение емкости при нормальных условиях (25°С, разряд номинальным током 1С, заряд половиной от номинального тока С/2) обычно составляет около 20%.
Еще одним достоинством ModelGauge является устойчивость при работе с импульсными нагрузками. Даже если система не успевает отследить все всплески напряжения, общая тенденция по снижению напряжения все равно будет учтена (рисунок 7). Погрешность будет самоустраняться с течением времени, а не накапливаться, как в рассмотренном выше методе с интегрированием токов.
Преимуществами ModelGauge являются:
- простота реализации – требуется измерять только температуру и напряжение;
- привлекательная стоимость конечного решения – не нужны дополнительные компоненты (шунты, делители и так далее);
- минимальное потребление. Например, микросхемы / в режиме сна потребляют всего 3 мкА;
- отсутствие необходимости в калибровочных циклах «заряд-разряд», как в случае с измерением импеданса аккумулятора;
- учет температурной зависимости;
- учет старения;
- отсутствие накапливающейся погрешности при импульсном потреблении;
- минимальные габариты.
Однако ради справедливости стоит признать, что точность данного алгоритма уступает точности, которую обеспечивает метод с интегрированием токов, особенно для краткосрочных измерений. Это связано с тем, что какой бы идеальной не была математическая модель, она все-таки остается моделью и не может учесть все особенности реальных приложений. В компании Maxim это прекрасно понимают, поэтому выпустили микросхемы, работающие по усовершенствованным алгоритмам ModelGauge.
Алгоритм ModelGauge m3 объединяет краткосрочную точность метода с интегрированием токов и долгосрочную стабильность ModelGauge.
Микросхемы с ModelGauge m3 учитывают втекающие и вытекающие токи, как и в методе с интегрированием токов. Однако сброс накапливающейся погрешности происходит не только в крайних точках (при полном заряде или полном разряде аккумулятора) – поправки вносятся прямо по ходу работы с учетом данных от математической модели ModelGauge. Получаемая точность измерения степени заряда оказывается лучшей среди аналогичных микросхем.
Алгоритм ModelGauge m5 – дальнейшее развитие ModelGauge m3. Микросхемы, реализующие ModelGauge m5, имеют на борту дополнительные компоненты:
- встроенный датчик температуры;
- энергонезависимую память для подсчета числа циклов заряда и разряда;
- поддержку хеш-функции SHA-256, которая позволяет распознавать фирменные аккумуляторы.
Алгоритм ModelGauge m5 EZ. Если алгоритм ModelGauge m5 предполагает подстройку под характеристики конкретного типа аккумуляторов, то алгоритм EZ использует некоторую усредненную модель. Конечно, она не может быть идеальной для всех типов элементов питания, зато алгоритм можно применять для широкого круга аккумуляторов без дополнительной подстройки и изучения их характеристик. ModelGauge m5 EZ позволяет минимизировать время на разработку, что очень важно для современного рынка.
Та как компания Maxim предлагает сразу четыре версии ModelGauge, то выбор оптимального варианта стоит делать с учетом конкретного приложения.
Рекомендации по выбору версии ModelGauge для конкретного приложения
Каждая из версий ModelGauge имеет свои достоинства (таблица 1). Выбор реализации алгоритма следует делать с учетом требований конкретного приложения.
Таблица 1. Сравнение версий технологии ModelGauge
| Параметр | Параметры | |||
| / | / | |||
| Метод измерения | ModelGauge | ModelGauge m3 | ModelGauge m5 | ModelGauge m5 |
| Ток потребления, мкА | 3 | 25 | 9 | 12 |
| Габариты микросхемы, мм | 0,9×1,7 | 1,5×1,5 | 1,6×2,34 | 1,6×2,34 |
| Шунтовый резистор | Не требуется | Требуется | Требуется либо используется печатный проводник | |
| Измерение температуры | Осуществляется микроконтроллером |
Осуществляется с помощью внешнего термистора или микроконтроллером | Встроенный датчик + внешний термистор | |
| Энергонезависимая память | – | – | Есть | Есть |
| Учет старения и числа циклов заряда-разряда | – | – | Есть | Есть |
| Встроенная модель EZ | – | – | Есть | Есть |
| Аутентификация | – | – | SHA-256 | SHA-256 |
| Поддержка конфигураций | 1S, 2S (MAX17049) | 1S | 1S | до 15S; с балансировкой: 2S, 3S |
Рассмотрим примеры типовых требований.
Простота схемотехнической реализации. Если данное требование является основным, а высокие показатели точности остаются на заднем плане, то стоит использовать микросхемы с поддержкой начальной версии алгоритма ModelGauge. Например, мониторы MAX17048/MAX17049 требуют всего лишь одного внешнего конденсатора (рисунок 8). При этом стоит помнить, что для настройки этих микросхем требуется микроконтроллер, который должен самостоятельно производить измерения температуры и посылать данные в MAX17048/MAX17049 по интерфейсу I 2 C.
Высокая точность и простота реализации. Если необходимо получить низкую погрешность измерений SOC, а также не тратить времени на исследование характеристик аккумуляторов, то идеальным выбором станет ModelGauge m5 EZ. Этот алгоритм поддерживают представители семейства .
Максимальная точность. Максимальную точность обеспечивают микросхемы с ModelGauge m3/m5. При этом, микросхемы / с ModelGauge m3 не выполняют подсчета циклов заряда-разряда, и эту функцию должен взять на себя микроконтроллер. Для измерения температуры микросхемы требуют дополнительного термистора.
ModelGauge m5 могут самостоятельно подсчитывать циклы заряда-разряда и имеют в своем составе датчик температуры. Для повышения точности измерения возможно подключение пары дополнительных внешних термисторов.
Минимальное потребление. При необходимости жесткой экономии ресурсов аккумулятора следует использовать микросхемы MAX17048/MAX17049 с ModelGauge. Их потребление составляет всего 3 мкА. Типовое значение питающих токов для ModelGauge m5 равно 9 мкА. Самое значительное потребление у ModelGauge m3 – до 25 мкА.
Минимальные габаритные размеры. В данном случае идеальным выбором снова станут микросхемы MAX17048/MAX17049 с ModelGauge, так как они требуют только одного внешнего конденсатора, а собственные габариты составляют всего лишь 0,9×1,7 мм.
Надежность и защита от нелицензионных аккумуляторов. Только мониторы MAX172xx с технологией ModelGauge m5 имеют встроенную поддержку функции хеширования SHA-256. Она позволяет распознавать лицензионные аккумуляторы и сообщать процессору об использовании «неуставных» элементов питания.
Поддержка аккумуляторных батарей с числом ячеек более двух. Такой функцией могут похвастаться только MAX172x5 с технологией ModelGauge m5. При их использовании число последовательно соединенных аккумуляторов может достигать 15 штук.
Микросхемы MAX172xx с технологией ModelGauge m5 – наиболее совершенные представители в номенклатуре мониторов напряжения производства компании Maxim Integrated. Рассмотрим их подробнее.
Обзор микросхем MAX172xx с технологией ModelGauge m5
В настоящий момент в состав семейства ModelGauge m5 входят четыре представителя: , и . Их общими отличительными чертами являются:
- использование алгоритма определения степени заряда ModelGauge m5;
- наличие энергонезависимой памяти для хранения истории операций, параметров и данных пользователя;
- отсутствие необходимости калибровки;
- возможность оценки не только степени заряда, но ориентировочного времени заряда и разряда;
- наличие встроенного датчика для измерения температуры ядра без внешних компонентов;
- поддержка внешних дополнительных термисторов;
- наличие встроенных быстродействующих компараторов для определения перегрузок по току;
- наличие функции сигнализации о событиях и аварийных состояниях;
- встроенная поддержка функции хеширования для распознавания нелицензионных аккумуляторов.
Все модели семейства выпускаются в двух корпусных исполнениях: TDFN-CU/14 и WLP/15 (таблица 2).
Таблица 2. Характеристики микросхем MAX172xx с технологией ModelGauge m5
| Параметр | Наименование | |||
| Типы аккумуляторов | 1xLi-Ion | Multi-Cell Li-Ion | 1xLi-Ion | Multi-Cell Li-Ion |
| Интерфейс | 2-Wire | 1-Wire | ||
| Энергонезависимая память, байт | 156 | |||
| Измеряемые характеристики | Уровень заряда, ток, температура, время, напряжение | |||
| Алгоритм | ModelGauge m5 | |||
| Uпит, В | 2,3…4,9 | 4,2…20 | 2,3…4,9 | 4…20 |
| Корпус | TDFN-CU/14, WLP/15 | |||
| Траб, °C | -40…85 | |||
Между собой микросхемы отличаются типом поддерживаемых аккумуляторов, потреблением и коммуникационным интерфейсом с внешним процессором.
Микросхемы MAX17201 и MAX17211 работают с одиночными ячейками Li-ion и максимальными напряжениями до 4,9 В (рисунок 9).
MAX17205 и MAX17215 предназначены для контроля степени разряда аккумуляторных батарей с числом ячеек до 15 (рисунок 10). Для них максимальное значение напряжения питания достигает 20 В.
Для связи с внешним процессором MAX17201 и MAX17205 используют интерфейс I 2 C. Для этих же целей в MAX17211 и MAX17215 применяется однопроводной интерфейс 1-Wire.
Также микросхемы отличаются уровнем потребления. В активном состоянии MAX172x1 потребляют 18 мкА, а в режиме сна 9 мкА. У микросхем MAX172x5 потребление несколько выше – 25 мкА в активном режиме и 12 мкА в состоянии сна.
Простота реализации, малое собственное потребление и высокая точность делают микросхемы MAX172x1/MAX172x5 отличным выбором для самых различных приложений – смартфонов и планшетов, портативных игровых приставок, цифровых камер, портативных медицинских приборов и так далее.
Заключение
Измерение степени заряда аккумулятора – сложная задача. Чтобы достичь высокого уровня точности, нужно приложить массу усилий. К счастью, в последнее время появляются интегральные решения, которые значительно упрощают жизнь разработчикам. Примером этого стали новые мониторы заряда аккумуляторов с поддержкой алгоритмов ModelGauge производства компании Maxim Integrated.
Сейчас компания предлагает микросхемы с различными видами реализации этого алгоритма: компактные и бюджетные решения с ModelGauge, сверхточные мониторы степени заряда с ModelGauge m3, сверхточные и защищенные версии с ModelGauge m5, точные и простые модели с ModelGauge m5 EZ.
Наиболее совершенные модели семейства MAX172x1/MAX172x5 используют алгоритм ModelGauge m5. Они способны определять степень заряда Li-ion-аккумуляторов и аккумуляторных батарей с учетом температурной погрешности, величины нагрузочных токов и старения. Кроме того, MAX172x1/MAX172x5 могут оценивать время до полного разряда и заряда. При их этом схемотехническая реализация оказывается крайне простой, а написание драйверов для расчета SOC и вовсе не требуется.
Литература
- https://www.maximintegrated.com/.
Новый датчик MAX30205 для точного измерения температуры тела
Компания Maxim Integrated
выпустила цифровой датчик температуры MAX30205
, предназначенный для применения в медицинском оборудовании и приборах для фитнеса. Встроенный сигма-дельта-АЦП нового датчика обеспечивает точность не хуже 0,1°C в диапазоне температур 37…39°C. Благодаря 16-битному разрешению удается регистрировать изменение температуры лишь на 0,0039°C. Кроме измерения температуры, новый датчик может сигнализировать о превышении заранее записанного порогового значения.
MAX30205 работает по цифровому последовательному интерфейсу I²C с защитой от блокировки шины и управляется с помощью стандартных операций записи-чтения. Три дополнительные линии адреса позволяют нескольким датчикам работать на одной шине. Поскольку эти линии могут подключаться не только к земле и питанию, то общее количество датчиков может достигать 32.
Интересной особенностью микросхемы является специальный отдельный выход температурного компаратора. Сигнал на выходе (открытый сток) появляется при превышении температурой порогового значения, записанного в регистре TOS. При снижении температуры ниже значения, заданного регистром THYST, выход отключается и его работа происходит в режиме термостата. Данный выход может быть использован для включения охлаждающего вентилятора, подачи сигнала тревоги или аварийного завершения работы системы. Выход температурного компаратора может работать также в режиме формирования сигнала прерывания. В этом случае значение на выходе фиксируется (выход задействован) до выполнения операции чтения любого регистра по шине I²C.
Рабочий диапазон напряжений датчика составляет 2,7…3,6 В. При этом потребление не превышает 600 мкA. Микросхема выпускается в корпусе 8-pin TDFN и имеет рабочий температурный диапазон 0…50°C.
Зарядить литий-ионных (li-ion) аккумуляторы можно зарядными устройствами или самостоятельно. Не будем рассматривать устройство li-ion и полимерных (li-pol) аккумуляторов, а сразу перейдем к практике. Оба типа аккумулятора заряжаются одинаково поэтому далее будем говорить о li-ion.
Правила заряда Li-Ion аккумулятора:
- Аккумулятор можно заряжать только при температуре от 0 до +45 градусов. Пока аккумулятор не согреется, нормально брать заряд он не будет;
- Минимальное напряжение для Li-Ion аккумулятора 2,5 или 3 вольта, в зависимости от химического состава. Лучше ориентироваться на 3В;
- Номинальное напряжение 3,7 В;
- Максимальное напряжение заряда 4,2В или 4,3В, в зависимости от химического состава. Лучше ориентироваться на 4,2В;
- Емкость указанна на батареи или устройстве, назовем ее C. Далее будет понятно зачем ее знать для заряда;
- Нормальный режим заряда: ток ограничен 0,5*C (т.е. значение равное половине емкости батареи), напряжение ограничено 4,2В;
- Если батарея разряжена до 3В и ниже: ток должен быть ограничен 0,1*C до того времени пока напряжение не превысит 3В;
- Батарея заряжается до того времени, пока ток не перестанет уменьшаться или его не будет вообще, если при этом вы ограничили напряжение 4,2В. Если напряжение не ограничиваете — до того как напряжение не поднимется до 4,2В;
- Никогда не поднимайте напряжение выше 4,2 или 4,3 вольт. При стабильном превышении напряжения на электродах происходит отложение. В лучшем случае батарея навсегда потеряет в емкости. При длительном процессе отложение вызывает замыкание. Возможен ее нагрев, разрушение электродов и возгорание.
Дополнительно
Для самостоятельного заряда Вам нужно ограничивать напряжение и силу тока. идеальный вариант для этого лабораторный источник питания.
В литий-ионных аккумуляторах с напряжением выше 3,7 В аккумуляторы соединены параллельно. Поделив напряжение аккумулятора на 3,7 получается число последовательно соединенных аккумуляторов. Умножив число аккумуляторов на 3, получим минимальное напряжение для вашей батареи. Умножив на 4,2 получим максимальное напряжение.
Li-Ion аккумуляторы практически лишены «эффекта памяти» поэтому не нуждаются в тренировке. Старайтесь не разряжать батарею полностью и не держать постоянно заряженной.
Оптимальный заряд для батареи 50-80%. Однако мучится и выдерживать такие значения при использовании ноутбука, смартфона или даже фонарика — бессмысленно. Обычно заряжают когда удобно и по необходимости, разряжается до скольки придется. Li-Ion для этого и создан, нет смысла себя ограничивать.
Следуя вышеперечисленному методы зарядки батарей большими напряжениями или током «для толчка» вредны АКБ. Лучше оставьте батарею на малом токе на несколько часов или пару дней. Это более бережливый способ оживить батарею. Это позволит контроллеру отработать как положено и разрешить заряд нормальными токами.
Пожалуй на этом все, удачных зарядок.
Оценка характеристик того или иного зарядного устройства затруднительна без понимания того, как собственно должен протекать образцовый заряд li-ion аккумулятора. Поэтому прежде чем перейти непосредственно к схемам, давайте немного вспомним теорию.
Какими бывают литиевые аккумуляторы
В зависимости от того, из какого материала изготовлен положительный электрод литиевого аккумулятора, существует их несколько разновидностей:
- с катодом из кобальтата лития;
- с катодом на основе литированного фосфата железа;
- на основе никель-кобальт-алюминия;
- на основе никель-кобальт-марганца.
У всех этих аккумуляторов имеются свои особенности, но так как для широкого потребителя эти нюансы не имеют принципиального значения, в этой статье они рассматриваться не будут.
Также все li-ion аккумуляторы производят в различных типоразмерах и форм-факторах. Они могут быть как в корпусном исполнении (например, популярные сегодня 18650) так и в ламинированном или призматическом исполнении (гель-полимерные аккумуляторы). Последние представляют собой герметично запаянные пакеты из особой пленки, в которых находятся электроды и электродная масса.
Наиболее распространенные типоразмеры li-ion аккумуляторов приведены в таблице ниже (все они имеют номинальное напряжение 3.7 вольта):
| Обозначение | Типоразмер | Схожий типоразмер |
|---|---|---|
| XXYY0
, где XX - указание диаметра в мм, YY - значение длины в мм, 0 - отражает исполнение в виде цилиндра |
10180 | 2/5 AAA |
| 10220 | 1/2 AAA (Ø соответствует ААА, но на половину длины) | |
| 10280 | ||
| 10430 | ААА | |
| 10440 | ААА | |
| 14250 | 1/2 AA | |
| 14270 | Ø АА, длина CR2 | |
| 14430 | Ø 14 мм (как у АА), но длина меньше | |
| 14500 | АА | |
| 14670 | ||
| 15266, 15270 | CR2 | |
| 16340 | CR123 | |
| 17500 | 150S/300S | |
| 17670 | 2xCR123 (или 168S/600S) | |
| 18350 | ||
| 18490 | ||
| 18500 | 2xCR123 (или 150A/300P) | |
| 18650 | 2xCR123 (или 168A/600P) | |
| 18700 | ||
| 22650 | ||
| 25500 | ||
| 26500 | С | |
| 26650 | ||
| 32650 | ||
| 33600 | D | |
| 42120 |
Внутренние электрохимические процессы протекают одинаково и не зависят от форм-фактора и исполнения АКБ, поэтому все, сказанное ниже, в равной степени относится ко всем литиевым аккумуляторам.
Как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы
Наиболее правильным способом заряда литиевых аккумуляторов является заряд в два этапа. Именно этот способ использует компания Sony во всех своих зарядниках. Несмотря на более сложный контроллер заряда, это обеспечивает более полный заряд li-ion аккумуляторов, не снижая срока их службы.
Здесь речь идет о двухэтапном профиле заряда литиевых аккумуляторов, сокращенно именуемым CC/CV (constant current, constant voltage). Есть еще варианты с ипульсным и ступенчатым токами, но в данной статье они не рассматриваются. Подробнее про зарядку импульсным током можно прочитать .
Итак, рассмотрим оба этапа заряда подробнее.
1. На первом этапе должен обеспечиваться постоянный ток заряда. Величина тока составляет 0.2-0.5С. Для ускоренного заряда допускается увеличение тока до 0.5-1.0С (где С - это емкость аккумулятора).
Например, для аккумулятора емкостью 3000 мА/ч, номинальный ток заряда на первом этапе равен 600-1500 мА, а ток ускоренного заряда может лежать в пределах 1.5-3А.
Для обеспечения постоянного зарядного тока заданной величины, схема зарядного устройства (ЗУ) должна уметь поднимать напряжение на клеммах аккумулятора. По сути, на первом этапе ЗУ работает как классический стабилизатор тока.
Важно: если планируется заряд аккумуляторов со встроенной платой защиты (PCB), то при конструировании схемы ЗУ необходимо убедиться, что напряжение холостого хода схемы никогда не сможет превысить 6-7 вольт. В противном случае плата защиты может выйти из строя.
В момент, когда напряжение на аккумуляторе поднимется до значения 4.2 вольта, аккумулятор наберет приблизительно 70-80% своей емкости (конкретное значение емкости будет зависит от тока заряда: при ускоренном заряде будет чуть меньше, при номинальном - чуть больше). Этот момент является окончанием первого этапа заряда и служит сигналом для перехода ко второму (и последнему) этапу.
2. Второй этап заряда - это заряд аккумулятора постоянным напряжением, но постепенно снижающимся (падающим) током.
На этом этапе ЗУ поддерживает на аккумуляторе напряжение 4.15-4.25 вольта и контролирует значение тока.
По мере набора емкости, зарядный ток будет снижаться. Как только его значение уменьшится до 0.05-0.01С, процесс заряда считается оконченным.
Важным нюансом работы правильного зарядного устройства является его полное отключение от аккумулятора после окончания зарядки. Это связано с тем, что для литиевых аккумуляторов является крайне нежелательным их длительное нахождение под повышенным напряжением, которое обычно обеспечивает ЗУ (т.е. 4.18-4.24 вольта). Это приводит к ускоренной деградации химического состава аккумулятора и, как следствие снижению его емкости. Под длительным нахождением подразумевается десятки часов и более.
За время второго этапа заряда, аккумулятор успевает набрать еще примерно 0.1-0.15 своей емкости. Общий заряд аккумулятора таким образом достигает 90-95%, что является отличным показателем.
Мы рассмотрели два основных этапа заряда. Однако, освещение вопроса зарядки литиевых аккумуляторов было бы неполным, если бы не был упомянут еще один этап заряда - т.н. предзаряд.
Предварительный этап заряда (предзаряд) - этот этап используется только для глубоко разряженных аккумуляторов (ниже 2.5 В) для вывода их на нормальный эксплуатационный режим.
На этом этапе заряд обеспечивается постоянным током пониженной величины до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не достигнет значения 2.8 В.
Предварительный этап необходим для предотвращения вспучивания и разгерметизации (или даже взрыва с возгоранием) поврежденных аккумуляторов, имеющих, например, внутреннее короткое замыкание между электродами. Если через такой аккумулятор сразу пропустить большой ток заряда, это неминуемо приведет к его разогреву, а дальше как повезет.
Еще одна польза предзаряда - это предварительный прогрев аккумулятора, что актуально при заряде при низких температурах окружающей среды (в неотапливаемом помещении в холодное время года).
Интеллектуальная зарядка должна уметь контролировать напряжение на аккумуляторе во время предварительного этапа заряда и, в случае, если напряжение долгое время не поднимается, делать вывод о неисправности аккумулятора.
Все этапы заряда литий-ионного аккумулятора (включая этап предзаряда) схематично изображены на этом графике:
Превышение номинального зарядного напряжения на 0,15В может сократить срок службы аккумулятора вдвое. Понижение напряжения заряда на 0,1 вольт уменьшает емкость заряженной батареи примерно на 10%, но значительно продляет срок ее службы. Напряжение полностью заряженного аккумулятора после извлечения его из зарядного устройства составляет 4.1-4.15 вольта.
Резюмирую вышесказанное, обозначим основные тезисы:
1. Каким током заряжать li-ion аккумулятор (например, 18650 или любой другой)?
Ток будет зависеть от того, насколько быстро вы хотели бы его зарядить и может лежать в пределах от 0.2С до 1С.
Например, для аккумулятора типоразмера 18650 емкостью 3400 мА/ч, минимальный ток заряда составляет 680 мА, а максимальный - 3400 мА.
2. Сколько времени нужно заряжать, например, те же аккумуляторные батарейки 18650?
Время заряда напрямую зависит от тока заряда и рассчитывается по формуле:
T = С / I зар.
Например, время заряда нашего аккумулятора емкостью 3400 мА/ч током в 1А составит около 3.5 часов.
3. Как правильно зарядить литий-полимерный аккумулятор?
Любые литиевые аккумуляторы заряжаются одинаково. Не важно, литий-полимерный он или литий-ионный. Для нас, потребителей, никакой разницы нет.
Что такое плата защиты?
Плата защиты (или PCB - power control board) предназначена для защиты от короткого замыкания, перезаряда и переразряда литиевой батареи. Как правило в модули защиты также встроена и защита от перегрева.
В целях соблюдения техники безопасности запрещено использование литиевых аккумуляторов в бытовых приборах, если в них не встроена плата защиты. Поэтому во всех аккумуляторах от сотовых телефонов всегда есть PCB-плата. Выходные клеммы АКБ размещены прямо на плате:
В этих платах используется шестиногий контроллер заряда на специализированной микрухе (JW01, JW11, K091, G2J, G3J, S8210, S8261, NE57600 и пр. аналоги). Задачей этого контроллера является отключение батареи от нагрузки при полном разряде батареи и отключение аккумулятора от зарядки при достижении 4,25В.
Вот, например, схема платы защиты от аккумулятора BP-6M, которыми снабжались старые нокиевские телефоны:
Если говорить об 18650, то они могут выпускаться как с платой защиты так и без нее. Модуль защиты располагается в районе минусовой клеммы аккумулятора.
Плата увеличивает длину аккумулятора на 2-3 мм.
Аккумуляторы без PCB-модуля обычно входят в состав батарей, комплектуемых собственными схемами защиты.
Любой аккумулятор с защитой легко превращается в аккумулятор без защиты, достаточно просто распотрошить его.
На сегодняшний день максимальная емкость аккумулятора 18650 составляет 3400 мА/ч. Аккумуляторы с защитой обязательно имеют соответствующее обозначение на корпусе ("Protected").
Не стоит путать PCB-плату с PCM-модулем (PCM - power charge module). Если первые служат только целям защиты аккумулятора, то вторые предназначены для управления процессом заряда - ограничивают ток заряда на заданном уровне, контролируют температуру и, вообще, обеспечивают весь процесс. PCM-плата - это и есть то, что мы называем контроллером заряда.
Надеюсь, теперь не осталось вопросов, как зарядить аккумулятор 18650 или любой другой литиевый? Тогда переходим к небольшой подборке готовых схемотехнических решений зарядных устройств (тех самых контроллеров заряда).
Схемы зарядок li-ion аккумуляторов
Все схемы подходят для зарядки любого литиевого аккумулятора, остается только определиться с зарядным током и элементной базой.
LM317
Схема простого зарядного устройства на основе микросхемы LM317 с индикатором заряда:
Схема простейшая, вся настройка сводится к установке выходного напряжения 4.2 вольта с помощью подстроечного резистора R8 (без подключенного аккумулятора!) и установке тока заряда путем подбора резисторов R4, R6. Мощность резистора R1 - не менее 1 Ватт.
Как только погаснет светодиод, процесс заряда можно считать оконченным (зарядный ток до нуля никогда не уменьшится). Не рекомендуется долго держать аккумулятор в этой зарядке после того, как он полностью зарядится.
Микросхема lm317 широко применяется в различных стабилизаторах напряжения и тока (в зависимости от схемы включения). Продается на каждом углу и стоит вообще копейки (можно взять 10 шт. всего за 55 рублей).
LM317 бывает в разных корпусах:
Назначение выводов (цоколевка):
Аналогами микросхемы LM317 являются: GL317, SG31, SG317, UC317T, ECG1900, LM31MDT, SP900, КР142ЕН12, КР1157ЕН1 (последние два - отечественного производства).
Зарядный ток можно увеличить до 3А, если вместо LM317 взять LM350. Она, правда, подороже будет - 11 руб/шт .
Печатная плата и схема в сборе приведены ниже:
Старый советский транзистор КТ361 можно заменить на аналогичный p-n-p транзистор (например, КТ3107, КТ3108 или буржуйские 2N5086, 2SA733, BC308A). Его можно вообще убрать, если индикатор заряда не нужен.
Недостаток схемы: напряжение питания должно быть в пределах 8-12В. Это связано с тем, что для нормальной работы микросхемы LM317 разница между напряжением на аккумуляторе и напряжением питания должна быть не менее 4.25 Вольт. Таким образом, от USB-порта запитать не получится.
MAX1555 или MAX1551
MAX1551/MAX1555 - специализированные зарядные устройства для Li+ аккумуляторов, способные работать от USB или от отдельного адаптера питания (например, зарядника от телефона).
Единственное отличие этих микросхем - МАХ1555 выдает сигнал для индикатора процесса заряда, а МАХ1551 - сигнал того, что питание включено. Т.е. 1555 в большинстве случаев все-таки предпочтительнее, поэтому 1551 сейчас уже трудно найти в продаже.
Подробное описание этих микросхем от производителя - .
Максимальное входное напряжение от DC-адаптера - 7 В, при питании от USB - 6 В. При снижении напряжения питания до 3.52 В, микросхема отключается и заряд прекращается.
Микросхема сама детектирует на каком входе присутствует напряжение питания и подключается к нему. Если питание идет по ЮСБ-шине, то максимальный ток заряда ограничивается 100 мА - это позволяет втыкать зарядник в USB-порт любого компьютера, не опасаясь сжечь южный мост.
При питании от отдельного блока питания, типовое значение зарядного тока составляет 280 мА.
В микросхемы встроена защита от перегрева. Но даже в этом случае схема продолжает работать, уменьшая ток заряда на 17 мА на каждый градус выше 110°C.
Имеется функция предварительного заряда (см. выше): до тех пор пока напряжение на аккумуляторе находится ниже 3В, микросхема ограничивает ток заряда на уровне 40 мА.
Микросхема имеет 5 выводов. Вот типовая схема включения:
Если есть гарантия, что на выходе вашего адаптера напряжение ни при каких обстоятельствах не сможет превысить 7 вольт, то можно обойтись без стабилизатора 7805.
Вариант зарядки от USB можно собрать, например, на такой .
Микросхемы не нуждается ни во внешних диодах, ни во внешних транзисторах. Вообще, конечно, шикарные микрухи! Только они маленькие слишком, паять неудобно. И еще стоят дорого ().
LP2951
Стабилизатор LP2951 производится фирмой National Semiconductors (). Он обеспечивает реализацию встроенной функции ограничения тока и позволяет формировать на выходе схемы стабильный уровень напряжения заряда литий-ионного аккумулятора.
Величина напряжения заряда составляет 4,08 - 4,26 вольта и выставляется резистором R3 при отключенном аккумуляторе. Напряжение держится очень точно.
Ток заряда составляет 150 - 300мА, это значение ограничено внутренними цепями микросхемы LP2951 (зависит от производителя).
Диод применять с небольшим обратным током. Например, он может быть любым из серии 1N400X, какой удастся приобрести. Диод используется, как блокировочный, для предотвращения обратного тока от аккумулятора в микросхему LP2951 при отключении входного напряжения.
Данная зарядка выдает довольно низкий зарядный ток, так что какой-нибудь аккумулятор 18650 может заряжаться всю ночь.
Микросхему можно купить как в DIP-корпусе , так и в корпусе SOIC (стоимость около 10 рублей за штучку).
MCP73831
Микросхема позволяет создавать правильные зарядные устройства, к тому же она дешевле, чем раскрученная MAX1555.
Типовая схема включения взята из :
Важным достоинством схемы является отсутствие низкоомных мощных резисторов, ограничивающих ток заряда. Здесь ток задается резистором, подключенным к 5-ому выводу микросхемы. Его сопротивление должно лежать в диапазоне 2-10 кОм.
Зарядка в сборе выглядит так:
Микросхема в процессе работы неплохо так нагревается, но это ей вроде не мешает. Свою функцию выполняет.
Вот еще один вариант печатной платы с smd светодиодом и разъемом микро-USB:
LTC4054 (STC4054)
Очень простая схема, отличный вариант! Позволяет заряжать током до 800 мА (см. ). Правда, она имеет свойство сильно нагреваться, но в этом случае встроенная защита от перегрева снижает ток.
Схему можно существенно упростить, выкинув один или даже оба светодиодов с транзистором. Тогда она будет выглядеть вот так (согласитесь, проще некуда: пара резисторов и один кондер):
Один из вариантов печатной платы доступен по . Плата рассчитана под элементы типоразмера 0805.
I=1000/R . Сразу большой ток выставлять не стоит, сначала посмотрите, насколько сильно будет греться микросхема. Я для своих целей взял резистор на 2.7 кОм, при этом ток заряда получился около 360 мА.
Радиатор к этой микросхеме вряд ли получится приспособить, да и не факт, что он будет эффективен из-за высокого теплового сопротивления перехода кристалл-корпус. Производитель рекомендует делать теплоотвод "через выводы" - делать как можно более толстые дорожки и оставлять фольгу под корпусом микросхемы. И вообще, чем больше будет оставлено "земляной" фольги, тем лучше.
Кстати говоря, бОльшая часть тепла отводится через 3-ю ногу, так что можно сделать эту дорожку очень широкой и толстой (залить ее избыточным количеством припоя).
Корпус микросхемы LTC4054 может иметь маркировку LTH7 или LTADY.
LTH7 от LTADY отличаются тем, что первая может поднять сильно севший аккумулятор (на котором напряжение меньше 2.9 вольт), а вторая - нет (нужно отдельно раскачивать).
Микросхема вышла очень удачной, поэтому имеет кучу аналогов: STC4054, MCP73831, TB4054, QX4054, TP4054, SGM4054, ACE4054, LP4054, U4054, BL4054, WPM4054, IT4504, Y1880, PT6102, PT6181, VS6102, HX6001, LC6000, LN5060, CX9058, EC49016, CYT5026, Q7051. Прежде, чем использовать какой-либо из аналогов, сверяйтесь по даташитам.
TP4056
Микросхема выполнена в корпусе SOP-8 (см. ), имеет на брюхе металлический теплосьемник не соединенный с контактами, что позволяет эффективнее отводить тепло. Позволяет заряжать аккумулятор током до 1А (ток зависит от токозадающего резистора).
Схема подключения требует самый минимум навесных элементов:
Схема реализует классический процесс заряда - сначала заряд постоянным током, затем постоянным напряжением и падающим током. Все по-научному. Если разобрать зарядку по шагам, то можно выделить несколько этапов:
- Контроль напряжения подключенного аккумулятора (это происходит постоянно).
- Этап предзаряда (если аккумулятор разряжен ниже 2.9 В). Заряд током 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2 кОм) до уровня 2.9 В.
- Зарядка максимальным током постоянной величины (1000мА при R prog = 1.2 кОм);
- При достижении на батарее 4.2 В, напряжение на батарее фиксируется на этому уровне. Начинается плавное снижение зарядного тока.
- При достижении тока 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2кОм) зарядное устройство отключается.
- После окончания зарядки контроллер продолжает мониторинг напряжения аккумулятора (см. п.1). Ток, потребляемый схемой мониторинга 2-3 мкА. После падения напряжения до 4.0В, зарядка включается снова. И так по кругу.
Ток заряда (в амперах) рассчитывается по формуле I=1200/R prog . Допустимый максимум - 1000 мА.
Реальный тест зарядки с аккумулятором 18650 на 3400 мА/ч показан на графике:
Достоинство микросхемы в том, что ток заряда задается всего лишь одним резистором. Не требуются мощные низкоомные резисторы. Плюс имеется индикатор процесса заряда, а также индикация окончания зарядки. При неподключенном аккумуляторе, индикатор моргает с периодичностью раз в несколько секунд.
Напряжение питания схемы должно лежать в пределах 4.5...8 вольт. Чем ближе к 4.5В - тем лучше (так чип меньше греется).
Первая нога используется для подключения датчика температуры, встроенного в литий-ионную батарею (обычно это средний вывод аккумулятора сотового телефона). Если на выводе напряжение будет ниже 45% или выше 80% от напряжения питания, то зарядка приостанавливается. Если контроль температуры вам не нужен, просто посадите эту ногу на землю.
Внимание! У данной схемы есть один существенный недостаток: отсутствие схемы защиты от переполюсовки батареи. В этом случае контроллер гарантированно выгорает из строя из-за превышения максимального тока. При этом напряжение питания схемы напрямую попадает на аккумулятор, что очень опасно.
Печатка простая, делается за час на коленке. Если время терпит, можно заказать готовые модули. Некоторые производители готовых модулей добавляют защиту от перегрузки по току и переразряда ( , например, можно выбрать какая плата вам нужна - с защитой или без, и с каким разъемом).
Так же можно найти готовые платы с выведенным контактом под температурный датчик. Или даже модуль зарядки с несколькими запараллеленными микросхемами TP4056 для увеличения зарядного тока и с защитой от переполюсовки (пример).
LTC1734
Тоже очень простая схема. Ток заряда задается резистором R prog (например, если поставить резистор на 3 кОм, ток будет равен 500 мА).
Микросхемы обычно имеют маркировку на корпусе: LTRG (их можно часто встретить в старых телефонах от самсунгов).
Транзистор подойдет вообще любой p-n-p, главное, чтобы он был рассчитан на заданный ток зарядки.
Индикатора заряда на указанной схеме нет, но в на LTC1734 сказано, что вывод "4" (Prog) имеет две функции - установку тока и контроль окончания заряда батареи. Для примера приведена схема с контролем окончания заряда при помощи компаратора LT1716.
Компаратор LT1716 в данном случае можно заменить дешевым LM358.
TL431 + транзистор
Наверное, сложно придумать схему из более доступных компонентов. Здесь самое сложное - это найти источник опорного напряжение TL431. Но они настолько распространены, что встречаются практически повсюду (редко какой источник питания обходится без этой микросхемы).
Ну а транзистор TIP41 можно заменить любым другим с подходящим током коллектора. Подойдут даже старые советские КТ819, КТ805 (или менее мощные КТ815, КТ817).
Настройка схемы сводится к установке выходного напряжения (без аккумулятора!!!) с помощью подстроечного резистора на уровне 4.2 вольта. Резистор R1 задает максимальное значение зарядного тока.
Данная схема полноценно реализует двухэтапный процесс заряда литиевых аккумуляторов - сначала зарядка постоянным током, затем переход к фазе стабилизации напряжения и плавное снижение тока практически до нуля. Единственный недостаток - плохая повторяемость схемы (капризна в настройке и требовательна к используемым компонентам).
MCP73812
Есть еще одна незаслуженно обделенная вниманием микросхема от компании Microchip - MCP73812 (см. ). На ее базе получается очень бюджетный вариант зарядки (и недорогой!). Весь обвес - всего один резистор!
Кстати, микросхема выполнена в удобном для пайки корпусе - SOT23-5.
Единственный минус - сильно греется и нет индикации заряда. Еще она как-то не очень надежно работает, если у вас маломощный источник питания (который дает просадку напряжения).
В общем, если для вас индикация заряда не важна, и ток в 500 мА вас устраивает, то МСР73812 - очень неплохой вариант.
NCP1835
Предлагается полностью интегрированное решение - NCP1835B, обеспечивающее высокую стабильность зарядного напряжения (4.2 ±0.05 В).
Пожалуй, единственным недостатком данной микросхемы является ее слишком миниатюрный размер (корпус DFN-10, размер 3х3 мм). Не каждому под силу обеспечить качественную пайку таких миниатюрных элементов.
Из неоспоримых преимуществ хотелось бы отметить следующее:
- Минимальное количество деталей обвеса.
- Возможность зарядки полностью разряженной батареи (предзаряд током 30мА);
- Определение окончания зарядки.
- Программируемый зарядный ток - до 1000 мА.
- Индикация заряда и ошибок (способна детектировать незаряжаемые батарейки и сигнализировать об этом).
- Защита от продолжительного заряда (изменяя емкость конденсатора С т, можно задать максимальное время заряда от 6,6 до 784 минут).
Стоимость микросхемы не то чтобы копеечная, но и не настолько большая (~1$), чтобы отказаться от ее применения. Если вы дружите с паяльником, я бы порекомендовал остановить свой выбор на этом варианте.
Более подробное описание находится в .
Можно ли заряжать литий-ионный аккумулятор без контроллера?
Да, можно. Однако это потребует плотного контроля за зарядным током и напряжением.
Вообще, зарядить АКБ, к примеру, наш 18650 совсем без зарядного устройства не получится. Все равно нужно как-то ограничивать максимальный ток заряда, так что хотя бы самое примитивное ЗУ, но все же потребуется.
Самое простейшее зарядное устройство для любого литиевого аккумулятора - это резистор, включенный последовательно с аккумулятором:
Сопротивление и мощность рассеяния резистора зависят от напряжения источника питания, который будет использоваться для зарядки.
Давайте в качестве примера, рассчитаем резистор для блока питания напряжением 5 Вольт. Заряжать будем аккумулятор 18650, емкостью 2400 мА/ч.
Итак, в самом начале зарядки падение напряжение на резисторе будет составлять:
U r = 5 - 2.8 = 2.2 Вольта
Предположим, наш 5-вольтовый блок питания рассчитан на максимальный ток 1А. Самый большой ток схема будет потреблять в самом начале заряда, когда напряжение на аккумуляторе минимально и составляет 2.7-2.8 Вольта.
Внимание: в данных расчетах не учитывается вероятность того, что аккумулятор может быть очень глубоко разряжен и напряжение на нем может быть гораздо ниже, вплоть до нуля.
Таким образом, сопротивление резистора, необходимое для ограничения тока в самом начале заряда на уровне 1 Ампера, должно составлять:
R = U / I = 2.2 / 1 = 2.2 Ом
Мощность рассеивания резистора:
P r = I 2 R = 1*1*2.2 = 2.2 Вт
В самом конце заряда аккумулятора, когда напряжение на нем приблизится к 4.2 В, ток заряда будет составлять:
I зар = (U ип - 4.2) / R = (5 - 4.2) / 2.2 = 0.3 А
Т.е., как мы видим, все значения не выходят за рамки допустимых для данного аккумулятора: начальный ток не превышает максимально допустимый ток заряда для данного аккумулятора (2.4 А), а конечный ток превышает ток, при котором аккумулятор уже перестает набирать емкость (0.24 А).
Самый главный недостаток такой зарядки состоит в необходимости постоянно контролировать напряжение на аккумуляторе. И вручную отключить заряд, как только напряжение достигнет 4.2 Вольта. Дело в том, что литиевые аккумуляторы очень плохо переносят даже кратковременное перенапряжение - электродные массы начинают быстро деградировать, что неминуемо приводит к потери емкости. Одновременно с этим создаются все предпосылки для перегрева и разгерметизации.
Если в ваш аккумулятор встроена плата защиты, о которых речь шла чуть выше, то все упрощается. По достижении определенного напряжение на аккумуляторе, плата сама отключит его от зарядного устройства. Однако такой способ зарядки имеет существенные минусы, о которых мы рассказывали в .
Защита, встроенная в аккумулятор не позволит его перезарядить ни при каких обстоятельствах. Все, что вам остается сделать, это проконтролировать ток заряда, чтобы он не превысил допустимые значения для данного аккумулятора (платы защиты не умеют ограничивать ток заряда, к сожалению).
Зарядка при помощи лабораторного блока питания
Если в вашем распоряжении имеется блок питания с защитой (ограничением) по току, то вы спасены! Такой источник питания уже является полноценным зарядным устройством, реализующим правильный профиль заряда, о котором мы писали выше (СС/СV).
Все, что нужно сделать для зарядки li-ion - это выставить на блоке питания 4.2 вольта и установить желаемое ограничение по току. И можно подключать аккумулятор.
Вначале, когда аккумулятор еще разряжен, лабораторный блок питания будет работать в режиме защиты по току (т.е. будет стабилизировать выходной ток на заданном уровне). Затем, когда напряжение на банке поднимется до установленных 4.2В, блок питания перейдет в режим стабилизации напряжения, а ток при этом начнет падать.
Когда ток упадет до 0.05-0.1С, аккумулятор можно считать полностью заряженным.
Как видите, лабораторный БП - практически идеальное зарядное устройство! Единственное, что он не умеет делать автоматически, это принимать решение о полной зарядке аккумулятора и отключаться. Но это мелочь, на которую даже не стоит обращать внимания.
Как заряжать литиевые батарейки?
И если мы говорим об одноразовой батарейке, не предназначенной для перезарядки, то правильный (и единственно верный) ответ на этот вопрос - НИКАК.
Дело в том, что любая литиевая батарейка (например, распространенная CR2032 в виде плоской таблетки) характеризуется наличием внутреннего пассивирующего слоя, которым покрыт литиевый анод. Этот слой предотвращает химическую реакцию анода с электролитом. А подача стороннего тока разрушает вышеуказанный защитный слой, приводя к порче элемента питания.
Кстати, если говорить о незаряжаемой батарейке CR2032, то есть очень похожая на нее LIR2032 - это уже полноценный аккумулятор. Ее можно и нужно заряжать. Только у нее напряжение не 3, а 3.6В.
О том же, как заряжать литиевые аккумуляторы (будь то аккумулятор телефона, 18650 или любой другой li-ion аккумулятор) шла речь в начале статьи.
Прошло уже достаточно времени с тех времен, когда Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторы безраздельно властвовали в мобильных устройствах, но с самого начала эпохи Li-ion и Li-pol все не утихают споры по поводу того, надо ли «тренировать» эти аккумуляторы сразу после покупки.
Доходит до смешного, в теме обсуждения ZP100 на china-iphone всем новичкам рекомендовали в приказном тоне пройти 10 циклов зарядки-разряда, а только потом приходить с вопросами о аккумуляторах.
Давайте попробуем разобраться, имеет ли такая рекомендация право на жизнь, или это рефлексы спинного мозга (за отсутствием головного, наверное) некоторых индивидуумов, у которых они остались со времен никелевых батарей.
Текст может и наверняка содержит орфографические, пунктуационные, грамматические и другие виды ошибок, включая смысловые. Автор будет благодарен за сведения о них (конечно, в приват, а еще лучше с помощью вот этого замечательного расширения), но не гарантирует их устранение.
О терминологии
О чтении даташитов
В гугле был найден даташит на аккумулятор, состоящий из одной странички:
Расшифрую, что там написано.
Думаю, что такое Nominal capacity и Minimum capacity всем понятно - обычная емкость, и минимальная емкость. Обозначение 0,2 С означает что такой емкости он достигает, только если его разряжать током в 0.2 от его емкости - 720*0.2=144мА.
Charding voltage и Nominal Voltage - Напряжение зарядки и напряжение работы тоже просто и понятно.
А вот следующий пункт уже сложнее - Зарядка.
Method: CC/CV - Означает, что первую половину процесса зарядки надо поддерживать постоянный ток(он указан ниже, 0.5С стандартно - т.е. 350мА, и 1С максимально - 700мА). А после достижения напряжения на аккумуляторе 4.2в, надо установить постоянное напряжение, те же самые 4.2в.
Пункт ниже - Standart Discharge , Разряд. Предлагают разряжать током от 0.5С - 350мА и до 2С - 1400мА до напряжения 3в. Производители лукавят - на таких токах емкость будет ниже заявленной.
Максимальный ток разряда как раз и определяется внутренним сопротивлением. Но надо различать максимальный ток разряда и максимально-допустимый. Если первый может составлять 5А, и даже более, то второй жестко оговорен - не более 1,4А. Связано это с тем, что при таких больших токах разряда аккумулятор начинает необратимо разрушаться.
Дальше идет информация о весе и температуре работы: зарядка от 0 до 45 градусов, разрядка от -20 до 60. Температура хранения: от -20 до 45 градусов, обычно при заряде 40%-50%.
Время жизни обещают не менее 300 циклов(полный разряд-заряд током 1С) при температуре 23 градуса. Это не означает, что после 300 цикла аккумулятор выключится и больше не включится, нет. Просто производитель гарантирует, что 300 циклов емкость аккумулятора падать не будет. А дальше - как повезет, зависит от токов, температуры, условий работы, партии, положения луны и так далее.
О зарядке
Стандартный метод, которым заряжаются все литиевые аккумуляторы(li-pol, li-ion, lifepo, только токи и напряжения отличаются) это СС-CV, упоминавшийся выше.В самом начале заряда поддерживаем постоянный ток. Обычно это делают схемой с обратной связью в зарядном устройстве - автоматически подбирается такое напряжение, чтобы ток, проходящий через аккумулятор, был равен необходимому.
Как только это напряжение становится равно 4.2 вольтам(для описываемого аккумулятора), больше поддерживать такой ток нельзя - напряжение на аккумуляторе возрастет слишком сильно(мы помним, что нельзя превышать рабочее напряжение у литиевых аккумуляторов), и он может нагреться и даже взорваться.
Но сейчас аккумулятор заряжен не полностью - обычно на 60%-80%, и для зарядки остальных 40%-20% без взрывов ток надо снизить.
Проще всего это сделать, поддерживая постоянное напряжение на аккумуляторе, и он сам возьмет такой ток, который ему необходим. При снижении этого тока до 30-10мА аккумулятор считается заряженным.
Для иллюстрации всего вышеописанного я раскрасил в фотошопе подготовил график заряда, снятый с подопытного аккумулятора:
В левой части графика, подсвеченной синим, мы видим постоянный ток 0.7А, в то время как напряжение постепенно поднимается с 3.8В до 4.2В. Также видно, что за первую половину заряда аккумулятор достигает 70% своей емкости, в то время как за оставшееся время - всего 30%
О технологии тестирования
В качестве подопытного был выбран вот такой аккумулятор:
К нему был подключен Imax B6 (я писал про него вот ):
Который сливал на компьютер информацию о заряде-разряде. Графики строились в LogView.
Потом я просто подходил раз в несколько часов и попеременно включал заряд-разряд.
О результатах
В результате кропотливой работы(а вы сами попробуйте тыкать зарядку на протяжении 2 недель) были получены два графика:
Как понятно из его названия, он показывает изменение емкости аккумулятора на протяжении первых 10 циклов. Она немного плавает, но колебания составляют около 5% и не имеют тенденции. В целом, емкость аккумулятора не изменяется. Все точки сняты при разряде током 1С(0.7А), что соответствует активной работе смартфона.
Две из трех точек в конце графика - показывают, как изменяется емкость при низкой температуре аккумулятора. Последняя - как изменяется емкость при разряде большим током. Об этом следующий график:
Показывает, что чем больше ток разряда - тем меньше энергии можно получить с аккумулятора. Хотя, вот хохма, даже на самом мизерном токе в 100мА аккумулятор по емкости не соответствует даташиту. Все врут.
Хотя нет, тест аккумулятора от Mugen Power на 1900mAh для Zopo ZP100 показал вполне честные почти-два-ампера:
А вот китайский аккумулятор на 5000mAh набрал всего 3000:
О выводах
- Тренировка литиевых аккумуляторов, состоящих из одной банки, бессмысленна.
Не вредна, но тратит циклы работы аккумуляторов. В мобильных устройствах тренировку нельзя даже оправдать работой контроллера - параметры аккумулятора одинаковы, не меняются в зависимости от модели и времени. Единственное, на что может влиять недостаточный разряд - на точность показаний индикатора заряда (но не на время работы), но для этого достаточно одной полной разрядки раз в полгода.
Еще раз. Если у вас плеер, телефон, рация, кпк, планшет, дозиметр, мультиметр, часы или любой другой мобильный девайс, использующий аккумулятор Li-Ion или Li-Pol(если он съемный, на нем будет написано, если он не съемный - то 99% это литий) - «тренировка» длиннее одного цикла бесполезна. Один цикл тоже, скорее всего, бесполезен.
Если у вас аккумулятор для управляемых моделей, то первые несколько циклов надо разряжать малыми токами(малыми, хе-хе. Для них малые - это 3-5С. Это вообще-то полтора ампера на 11 вольтах. А рабочие токи там до 20С). Ну, кто пользуется этими аккумуляторами, тот знает . А всем остальным это не пригодится, разве что для общего развития. - В некоторых случаях, при использовании батарей с несколькими банками полный разряд-заряд может увеличить емкость. В батареях ноутбуков, если производитель поскупился на умный контроллер батареи, который не балансирует банки в последовательном соединении при каждом заряде, полный цикл может увеличить емкость на следующую пару циклов. Происходит это за счет выравнивания напряжения на всех банках, что приводит к их полному заряду. Несколько лет назад мне попадались ноутбуки с такими контроллерами. Сейчас не знаю.
- Не верьте надписям на этикетках. Особенно китайским. В прошлом топике я приводил ссылку , в которой огромный тест китайских батарей не выявил ни одной, емкость которой соответствовала надписи. НИ ОДНОЙ! Всегда завышают. А если не завышают, гарантируют емкость только в тепличных условиях и при разряде малым током.
- Держите аккумулятор в тепле. Смарт в кармане джинс будет работать немного дольше, чем в наружном кармане куртки. Разница может составлять 30%, а зимой и того больше.
- Подписывайтесь на меня. Сделать это можно в моем профиле (кнопка «подписаться»).
Аккумуляторы
Каким током заряжать li ion аккумулятор 18650? Как правильно эксплуатировать такую батарею. Чего литий-ионные источники тока бояться и как такой батарейке продлить срок службы? Подобные вопросы могут возникать в самых разных отраслях электроники.
И если вы решили собственноручно собрать ваш первый фонарик или электронную сигарету, то вам обязательно нужно ознакомиться с правилами работы с подобными источниками тока.
Литий-ионный аккумулятор – это тип аккумулятора электрического тока, который с 1991 года, после того как на рынок его презентовала компания SONY, приобрел широчайшее распространение в современной бытовой и электронной технике. Как источник питания подобные батареи используются в сотовых телефонах, ноутбуках и видеокамерах, как источник тока для электронной сигареты и электромобиля.
Недостатки этого типа батарей начинаются с того, что литий-ионные батареи первого поколения были взрывом на рынке. Не только в прямом, но и в переносном смысле. Эти батареи взрывались.
Объяснялось это тем, что внутри использовался анод из металлического лития. В процессе многочисленных зарядок и разрядок такого аккумулятора, на аноде появлялись пространственные образования, которые приводили к замыканию электродов, а как следствие – к возгоранию или взрыву.
После того, как этот материал заменили графитом, от подобной проблемы удалось избавиться, но могли еще возникать проблем на катоде, который был выполнен из оксида кобальта. При нарушении условий эксплуатации, а точнее перезарядке проблема могла повториться. Исправлено это было с началом использования литий-ферро-фосфатных батарей.
Все современные литий-ионные батареи предотвращают перегрев и перезаряд, но остается проблема потери заряда при низких температурах пользования приборами.
Среди неоспоримых преимуществ литий-ионных батарей, хотелось бы отметить следующие:
- высокая емкость батареи;
- низкий саморазряд;
- отсутствие необходимости обслуживания.
Оригинальные зарядные устройства
Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов довольно похоже на зарядное для свинцово-кислотных батарей. Разница состоит лишь в том, что у литий-ионного аккумулятора очень высоки напряжения на каждой банке и более жесткие требования допусков по напряжению.
Банкой такой аккумулятор называют из-за внешней схожести с алюминиевыми банками из-под напитков. Самым распространенным элементом питания подобной формы является 18650. Такое обозначение аккумулятор получил благодаря своим размерам: 18 миллиметров диаметра и 65 миллиметров в высоту.
Если для свинцово-кислотных аккумуляторов допустимы некоторые неточности в указании граничных напряжений во время зарядки, с литий-ионными элементами все обстоит куда конкретнее. В процессе зарядки, когда напряжение увеличивается до 4.2 Вольта, подача напряжения на элемент должна прекратиться. Допустимая погрешность всего 0.05 Вольт.
Китайские зарядки, которые можно встретить на рынке, могут рассчитываться на элементы питания на разных материалах. Li-ion, без ущерба для его работоспособности, можно заряжать током 0.8 А. В этом случае нужно очень внимательно контролировать напряжение на банке. Желательно не допускать величины выше 4.2 Вольт. Если в сборке с батареей будет иметься контроллер, то переживать ни о чем не стоит, контроллер все сделает за вас.
Самым идеальным зарядником для литий-ионных батарей будет стабилизатор напряжения и ограничительно тока в начале заряда.
Литий заряжать нужно стабильным напряжением и ограничением тока в начале заряда.
Самодельное зарядное
Чтобы заряжать 18650 можно купив универсальное зарядное устройство, и не мучиться вопросом, как проверить мультиметром необходимые параметры. Но такое приобретение вылетит вам в копеечку.
Цена на такое устройство будет варьироваться в районе 45 долларов США. А можно все-таки потратить 2-3 часа и собрать зарядное устройство своими руками. Причем это зарядное будет дешевым, надежным и будет автоматически отключать ваш аккумулятор.
Детали, которые сегодня мы будем использовать для создания нашего зарядного устройства, есть у каждого радиолюбителя. Если под рукой не оказалось радиолюбителя с нужными деталями, то на радиорынке вы сможете купить все детали не больше чем за 2-4 доллара. Схема, которая собрана правильно и аккуратно смонтирована, начинает работу сразу же и не нуждается в каких-либо дополнительных отладках.
Электрическая схема заряда аккумулятора 18650.
В довесок ко всему, при установке стабилизатора на подходящий радиатор, вы сможете спокойно ставить заряжаться свои аккумуляторы без страха того, что зарядка перегреется и загорится. Чего совершенно нельзя сказать о китайских зарядных устройствах.
Схема работает довольно просто. Сперва, аккумулятор нужно зарядить постоянным током, который определяется сопротивлением резистора R4. После того, как аккумулятор будет иметь напряжение 4.2 Вольта, начинается зарядка постоянным напряжением. Когда ток зарядки снизится до очень маленьких значений, светодиод в схеме перестанет гореть.
Токи, которыми рекомендуют заряжать литий-ионные аккумуляторы, не должны превышать 10% от емкости аккумулятора. Это позволить увеличить срок службы вашего элемента питания. При номинале резистора R4 – 11 Ом, ток в цепи будет составлять 100 мА. Если вы используете сопротивление в 5 Ом, то ток зарядки будет уже 230 мА.
Как продлить жизнь вашему 18650
Разобранный аккумулятор.
Если ваш литий-ионный аккумулятор вам приходится оставлять на некоторое время без работы, то лучше хранить элементы питания отдельно от устройства, которое они питают. Заряженный полностью элемент, со временем часть своего заряда утратит.
Элемент, который заряжен очень мало, или разряжен вовсе, может навсегда потерять работоспособность после длительной спячки. Оптимальным будет хранение 18650 на уровне заряда около 50 процентов.
Не стоит допускать полного разряда и перезаряда элемента. У литий-ионных элементов питания полностью отсутствует эффект памяти. Желательно заряжать такие элементы питания до того момента, когда их заряд полностью иссякнет. Это тоже способно продлить работоспособность аккумулятора.
Литий-ионки не любят ни жары, ни холода. Оптимальными температурными условиями для этих элементов питания будет диапазон от +10 до +25 градусов Цельсия.
Холод, может не только уменьшить время работы элемента, но и разрушить его химическую систему. Думаю, каждый из нас замечал, как на холоде быстро падает уровень заряда в мобильном телефоне.
Вывод
Резюмируя все вышесказанное, хочется заметить, что если вы собираетесь зарядить литий ионный аккумулятор с помощью зарядного устройства магазинного производства, обращайте внимание на то, чтобы это было не китайское производство. Очень часто эти зарядные собраны из дешевых материалов и не всегда в них соблюдается нужная технология, что может привести к нежелательным последствиям в виде возгораний.
Если вы хотите собирать устройство собственноручно, то заряжать литий-ионный аккумулятор нужно током, который будет составлять 10% от емкости аккумулятора. Максимальной может быть цифра в 20 процентов, но эта величина уже нежелательна.
При пользовании подобными элементами питания стоит соблюдать правила эксплуатации и хранения, чтобы исключить возможность взрыва, к примеру, от перегрева, или же выхода из строя.
Соблюдение условий и правил эксплуатации продлит срок службы литий-ионной батареи, и как следствие – избавит вас от ненужных финансовых затрат. Батарея – ваш помощник. Берегите ее!
