Что может быть печальнее, чем внезапно севший аккумулятор в квадрокоптере во время полета или отключившийся металлоискатель на перспективной поляне? Вот если бы можно было бы заранее узнать, насколько сильно заряжен аккумулятор! Тогда мы могли бы подключить зарядку или поставить новый комплект батарей, не дожидаясь грустных последствий.
И вот тут как раз рождается идея сделать какой-нибудь индикатор, который заранее подаст сигнал о том, что батарейка скоро сядет. Над реализацией этой задачи пыхтели радиолюбители всего мира и сегодня существует целый вагон и маленькая тележка различных схемотехнических решений - от схем на одном транзисторе до навороченных устройств на микроконтроллерах.
Внимание! Приведенные в статье схемы только лишь сигнализируют о низком напряжении на аккумуляторе. Для предупреждения глубокого разряда необходимо вручную отключить нагрузку либо использовать .
Вариант №1
Начнем, пожалуй, с простенькой схемки на стабилитроне и транзисторе:
Разберем, как она работает.
Пока напряжение выше определенного порога (2.0 Вольта), стабилитрон находится в пробое, соответственно, транзистор закрыт и весь ток течет через зеленый светодиод. Как только напряжение на аккумуляторе начинает падать и достигает значения порядка 2.0В + 1.2В (падение напряжение на переходе база-эмиттер транзистора VT1), транзистор начинает открываться и ток начинает перераспределяться между обоими светодиодами.
Если взять двухцветный светодиод, то мы получим плавный переход от зеленого к красному, включая всю промежуточную гамму цветов.
Типовое различие прямого напряжения в двухцветных светодиодах составляет 0.25 Вольта (красный зажигается при более низком напряжении). Именно этой разницей определяется область полного перехода между зеленым и красным цветом.
Таким образом, не смотря на свою простоту, схема позволяет заранее узнать, что батарейка начала подходить к концу. Пока напряжение на аккумуляторе составляет 3.25В или более, горит зеленый светодиод. В промежутке между 3.00 и 3.25V к зеленому начинает подмешиваться красный - чем ближе к 3.00 Вольтам, тем больше красного. И, наконец, при 3V горит только чисто красный цвет.
Недостаток схемы в сложности подбора стабилитронов для получения необходимого порога срабатывания, а также в постоянном потреблении тока порядка 1 мА. Ну и, не исключено, что дальтоники не оценят эту задумку с меняющимися цветами.
Кстати, если в эту схему поставить транзистор другого типа, ее можно заставить работать противоположным образом - переход от зеленого к красному будет происходить, наоборот, в случае повышения входного напряжения. Вот модифицированная схема:
Вариант №2
В следующей схеме использована микросхема TL431, представляющая собой прецизионный стабилизатор напряжения.
Порог срабатывания определяется делителем напряжения R2-R3. При указанных в схеме номиналах он составляет 3.2 Вольта. При снижении напряжения на аккумуляторе до этого значения, микросхема перестает шунтировать светодиод и он зажигается. Это будет сигналом к тому, что полный разряд батареи совсем близок (минимально допустимое напряжение на одной банке li-ion равно 3.0 В).
Если для питания устройства применяется батарея из нескольких последовательно включенных банок литий-ионного аккумулятора, то приведенную выше схему необходимо подключить к каждой банке отдельно. Вот таким образом:
Для настройки схемы подключаем вместо батарей регулируемый блок питания и подбором резистора R2 (R4) добиваемся зажигания светодиода в нужный нам момент.
Вариант №3
А вот простая схема индикатора разрядки li-ion аккумулятора на двух транзисторах:
Порог срабатывания задается резисторами R2, R3. Старые советские транзисторы можно заменить на BC237, BC238, BC317 (КТ3102) и BC556, BC557 (КТ3107).
Вариант №4
Схема на двух полевых транзисторах, потребляющая в ждущем режиме буквально микротоки.
При подключении схемы к источнику питания, положительное напряжение на затворе транзистора VT1 формируется с помощью делителя R1-R2. Если напряжение выше напряжение отсечки полевого транзистора, он открывается и притягивает затвор VT2 на землю, тем самым закрывая его.
В определенный момент, по мере разряда аккумулятора, напряжение, снимаемое с делителя становится недостаточным для отпирания VT1 и он закрывается. Следовательно, на затворе второго полевика появляется напряжение, близкое к напряжению питания. Он открывается и зажигает светодиод. Свечение светодиода сигнализирует нам о необходимости подзаряда аккумулятора.
Транзисторы подойдут любые n-канальные с низким напряжением отсечки (чем меньше - тем лучше). Работоспособность 2N7000 в этой схеме не проверялась.
Вариант №5
На трех транзисторах:
Думаю, схема не нуждается в пояснениях. Благодаря большому коэфф. усиления трех транзисторных каскадов, схема срабатывает очень четко - между горящим и не горящим светодиодом достаточно разницы в 1 сотую долю вольта. Потребляемый ток при включенной индикации - 3 мА, при выключенном светодиоде - 0.3 мА.
Не смотря на громоздкий вид схемы, готовая плата имеет достаточно скромные габариты:
С коллектора VT2 можно брать сигнал, разрешающий подключение нагрузки: 1 - разрешено, 0 - запрещено.
Транзисторы BC848 и BC856 можно заменить на ВС546 и ВС556 соответственно.
Вариант №6
Эта схема мне нравится тем, что она не только включает индикацию, но и отрубает нагрузку.
Жаль только, что сама схема от аккумулятора не отключается, продолжая потреблять энергию. А жрет она, благодаря постоянно горящему светодиоду, немало.
Зеленый светодиод в данном случае выступает в роли источника опорного напряжения, потребляя ток порядка 15-20 мА. Чтобы избавиться от такого прожорливого элемента, вместо источника образцового напряжения можно применить ту же TL431, включив ее по такой схеме*:
*катод TL431 подключить ко 2-ому выводу LM393.
Вариант №7
Схема с применением так называемых мониторов напряжения. Их еще называют супервизорами и детекторами напряжения (voltdetector"ами). Это специализированные микросхемы, разработанные специально для контроля за напряжением.
Вот, например, схема, поджигающая светодиод при снижении напряжения на аккумуляторе до 3.1V. Собрана на BD4731.
Согласитесь, проще некуда! BD47xx имеет открытый коллектор на выходе, а также самостоятельно ограничивает выходной ток на уровне 12 мА. Это позволяет подключать к ней светодиод напрямую, без ограничительных резисторов.
Аналогичным образом можно применить любой другой супервизор на любое другое напряжение.
Вот еще несколько вариантов на выбор:
- на 3.08V: TS809CXD , TCM809TENB713 , MCP103T-315E/TT , CAT809TTBI-G ;
- на 2.93V: MCP102T-300E/TT , TPS3809K33DBVRG4 , TPS3825-33DBVT , CAT811STBI-T3 ;
- серия MN1380 (или 1381, 1382 - они отличаются только корпусами). Для наших целей лучше всего подходит вариант с открытым стоком, о чем свидетельствует дополнительная циферка "1" в обозначении микросхемы - MN13801, MN13811, MN13821. Напряжение срабатывания определяется буквенным индексом: MN13811-L как раз на 3,0 Вольта.
Также можно взять советский аналог - КР1171СПхх:
В зависимости от цифрового обозначения, напряжение детекции будет разным:
Сетка напряжений не очень-то подходит для контроля за li-ion аккумуляторами, но совсем сбрасывать эту микросхему со счетов, думаю, не стоит.
Неоспоримые достоинства схем на мониторах напряжения - чрезвычайно низкое энергопотребление в выключенном состоянии (единицы и даже доли микроампер), а также ее крайняя простота. Зачастую вся схема умещается прямо на выводах светодиода:
Чтобы сделать индикацию разряда еще более заметной, выход детектора напряжения можно нагрузить на мигающий светодиод (например, серии L-314). Или самому собрать простейшую "моргалку" на двух биполярных транзисторах.
Пример готовой схемы, оповещающей о севшей батарейке с помощью вспыхивающего светодиода приведен ниже:
Еще одна схема с моргающим светодиодом будет рассмотрена ниже.
Вариант №8
Крутая схема, запускающая моргание светодиода, если напряжение на литиевом аккумуляторе упадет до 3.0 Вольта:
Эта схема заставляет вспыхивать сверхяркий светодиод с коэффициентом заполнения 2.5% (т.е. длительная пауза - коротка вспышка - опять пауза). Это позволяет снизить потребляемый ток до смешных значений - в выключенном состоянии схема потребляет 50 нА (нано!), а в режиме моргания светодиодом - всего 35 мкА. Сможете предложить что-нибудь более экономичное? Вряд ли.
Как можно было заметить, работа большинства схем контроля за разрядом сводится к сравнению некоего образцового напряжения с контролируемым напряжением. В дальнейшем эта разница усиливается и включает/отключает светодиод.
Обычно в качестве усилителя разницы между опорным напряжением и напряжением на литиевом аккумуляторе используют каскад на транзисторе или операционный усилитель, включенный по схеме компаратора.
Но есть и другое решение. В качестве усилителя можно применить логические элементы - инверторы. Да, это нестандартное использование логики, но это работает. Подобная схема приведена в следующем варианте.
Вариант №9
Схема на 74HC04.
Рабочее напряжение стабилитрона должно быть ниже напряжение срабатывания схемы. Например, можно взять стабилитроны на 2.0 - 2.7 Вольта. Точная подстройка порога срабатывания задается резистором R2.
Схема потребляет от батареи около 2 мА, так что ее тоже надо включать после выключателя питания.
Вариант №10
Это даже не индикатор разряда, а, скорее, целый светодиодный вольтметр! Линейная шкала из 10 светодиодов дает наглядное представление о состоянии аккумулятора. Весь функционал реализован всего на одной-единственной микросхеме LM3914 :
Делитель R3-R4-R5 задает нижнее (DIV_LO) и верхнее (DIV_HI) пороговые напряжения. При указанных на схеме значениях свечению верхнего светодиода соответствует напряжение 4.2 Вольта, а при снижении напряжения ниже 3х вольт, погаснет последний (нижний) светодиод.
Подключив 9-ый вывод микросхемы на "землю", можно перевести ее в режим "точка". В этом режиме всегда светится только один светодиод, соответствующий напряжению питания. Если оставить как на схеме, то будет светиться целая шкала из светодиодов, что нерационально с точки зрения экономичности.
В качестве светодиодов нужно брать только светодиоды красного свечения , т.к. они обладают самым малым прямым напряжением при работе. Если, например, взять синие светодиоды, то при севшем до 3х вольт аккумуляторе, они, скорее всего, вообще не загорятся.
Сама микросхема потребляет около 2.5 мА, плюс 5 мА на каждый зажженный светодиод.
Недостатком схемы можно считать невозможность индивидуальной настройки порога зажигания каждого светодиода. Можно задать только начальное и конечное значение, а встроенный в микросхему делитель разобьет этот интервал на равные 9 отрезков. Но, как известно, ближе к концу разряда, напряжение на аккумуляторе начинает очень стремительно падать. Разница между аккумуляторами, разряженными на 10% и 20% может составлять десятые доли вольта, а если сравнить эти же аккумуляторы, только разряженненные на 90% и 100%, то можно увидеть разницу в целый вольт!
Типичный график разряда Li-ion аккумулятора, приведенный ниже, наглядно демонстрирует данное обстоятельство:
Таким образом, использование линейной шкалы для индикации степени разряда аккумулятора представляется не слишком целесообразным. Нужна схема, позволяющая задать точные значения напряжений, при которых будет загораться тот или иной светодиод.
Полный контроль над моментами включения светодиодов дает схема, представленная ниже.
Вариант №11
Данная схема является 4-разрядным индикатором напряжения на аккумуляторе/батарейке. Реализована на четырех ОУ, входящих в состав микросхемы LM339 .
Схема работоспособна вплоть до напряжения 2 Вольта, потребляет меньше миллиампера (не считая светодиода).
Разумеется, для отражения реального значения израсходованной и оставшейся емкости аккумулятора, необходимо при настройке схемы учесть кривую разряда используемого аккумулятора (с учетом тока нагрузки). Это позволит задать точные значения напряжения, соответствующие, например, 5%-25%-50%-100% остаточной емкости.
Вариант №12
Ну и, конечно, широчайший простор открывается при использовании микроконтроллеров со встроенным источником опорного напряжения и имеющих вход АЦП. Тут функционал ограничивается только вашей фантазией и умением программировать.
Как пример приведем простейшую схему на контроллере ATMega328.
Хотя тут, для уменьшения габаритов платы, лучше было бы взять 8-миногую ATTiny13 в корпусе SOP8. Тогда было бы вообще шикарно. Но пусть это будет вашим домашним заданием.
Светодиод взят трехцветный (от светодиодной ленты), но задействованы только красный и зеленый.
Готовую программу (скетч) можно скачать по этой ссылке .
Программа работает следующим образом: каждые 10 секунд опрашивается напряжение питания. Исходя из результатов измерений МК управляет светодиодами с помощью ШИМ, что позволяет получать различные оттенки свечения смешением красного и зеленого цветов.
Свежезаряженный аккумулятор выдает порядка 4.1В — светится зеленый индикатор. Во время зарядки на АКБ присутствует напряжение 4.2В, при этом будет моргать зеленый светодиод. Как только напряжение упадет ниже 3.5В, начнет мигать красный светодиод. Это будет сигналом к тому, что аккумулятор почти сел и его пора заряжать. В остальном диапазоне напряжений индикатор будет менять цвет от зеленого к красному (в зависимости от напряжения).
Вариант №13
Ну и на закуску предлагаю вариант переделки стандартной платы защиты (их еще называют ), превращающий ее в индикатор севшего аккумулятора.
Эти платы (PCB-модули) добываются из старых батарей мобильных телефонов чуть ли не в промышленных масштабах. Просто подбираете на улице выброшенный аккумулятор от мобилы, потрошите его и плата у вас в руках. Все остальное утилизируете как положено.
Внимание!!! Попадаются платы, включающие защиту от переразряда при недопустимо низком напряжении (2.5В и ниже). Поэтому из всех имеющихся у вас плат необходимо отобрать только те экземпляры, которые срабатывают при правильном напряжении (3.0-3.2V).
Чаще всего PCB-плата представляет собой вот такую схемку:
Микросборка 8205 - это два миллиомных полевика, собранных в одном корпусе.
Внеся в схему некоторые изменения (показаны красным цветом), мы получим прекрасный индикатор разряда li-ion аккумулятора, практически не потребляющий ток в выключенном состоянии.
Так как транзистор VT1.2 отвечает за отключение зарядного устройства от банки аккумулятора от при перезаряде, то он в нашей схеме лишний. Поэтому мы полностью исключили этот транзистор из работы, разорвав цепь стока.
Резистор R3 ограничивает ток через светодиод. Его сопротивление необходимо подобрать таким образом, чтобы свечение светодиода было уже заметным, но потребляемый ток еще не был слишком велик.
Кстати, можно сохранить все функции модуля защиты, а индикацию сделать с помощью отдельного транзистор, управляющий светодиодом. То есть индикатор будет загораться одновременно с отключением аккумулятора в момент разряда.
Вместо 2N3906 подойдет любой имеющийся под рукой маломощный p-n-p транзистор. Просто подпаять светодиод напрямую не получится, т.к. выходной ток микросхемы, управляющий ключами, слишком мал и требует усиления.
Пожалуйста, учитывайте тот факт, что схемы индикаторов разряда сами потребляют энергию аккумулятора! Во избежание недопустимого разряда, подключайте схемы индикаторов после выключателя питания или используйте схемы защиты, .
Как, наверное, не сложно догадаться, схемы могут быть использованы и наоборот - в качестве индикатора заряда.
В данное время широко распространены li ion аккумуляторы и Li-pol (литий-полимерные).
Различия между ними состоит в электролите. В первом варианте в качестве его используется гелий, во втором – насыщенный раствором, содержащим литий, полимер. Сегодня, благодаря популярности автомобилей на электродвигателях остро стоит вопрос поиска идеального типа аккумулятора li ion, который оптимально подойдет для такого транспорт.
Состоит он, как и другие аккумуляторы, из анода (пористый углерод) и катода (литий), разделяющего их сепаратора и проводника — электролита. Процесс разрядки сопровождается переходом «анодных» ионов на катод через сепаратор и электролит. Их направление изменяется на противоположное во время зарядки (рисунок ниже).
Ионы циркулируют в процессе разрядки и зарядки ячейки между разноименно заряженными электродами.
Ионные батареи имею катод, выполненный из разных металлов, что является их главным отличием. Производители, используя для электродов разные материалы, улучшают характеристики аккумуляторов.
Но, случается, что улучшение одних характеристик приводит к резкому ухудшению других. Например, при оптимизации емкости, необходимой, чтобы увеличить время поездки, можно увеличить мощность, безопасность, снизить негативное воздействие на окружающую среду. Одновременно можно уменьшить ток нагрузки, увеличить стоимость или размер аккумуляторной батареи.
Познакомиться с главными параметрами разных типов литиевых батарей (литий-марганцевых, литий – кобальтовых, литий – фосфатных и никель-марганец – кобальтовых) можно в таблице:
Правила для пользователей электротранспортом
Емкость таких батарей при длительном хранении практически не уменьшается. Разряжаются li ion аккумуляторы всего на 23% , если хранится при температуре 60 градусов на протяжении 15 лет. Именно благодаря этим свойствам их широко применяют в электротранспортных технологиях.
Для электрического транспорта подходят литий – ионные батареи, имеющие полноценную систему управления, встроенную в корпус.
По этой причине пользователи при эксплуатации забывают об основных правилах, способных продлению их срока службы:
- аккумулятор необходимо полностью зарядить сразу после его покупки в магазине, поскольку в процессе производства заряжаются электроды на 50%. Поэтому доступная емкость уменьшится, т.е. время работы, если отсутствует первоначальная зарядка;
- нельзя допускать полной разрядки батареи, чтобы сохранить ее ресурс;
- заряжать батарею необходимо после каждого выезда, пусть даже заряд еще остался;
- не нагревать аккумуляторы, поскольку высокие температуры способствуют процессу старения. Для того, чтобы использовать ресурс максимально, нужно эксплуатацию проводить при оптимальной температуре, которой является 20-25 градусов. Следовательно, вблизи теплового источника батарею нельзя хранить;
- в холодное время рекомендуется завернуть аккумулятор в полиэтиленовый пакет с вакуумным замком, чтобы хранить при 3-4 градусах, т.е. в помещении не отапливаемом. Заряд составлять должен хотя бы 50% от полного;
- после того, как аккумулятор эксплуатировался при отрицательных температурах, нельзя его заряжать, не выдержав некоторое время при температуре комнатной, т. е. его требуется прогреть;
- заряжать батарею нужно от зарядного устройства, поставляемого в комплекте.
ПУ этих батарей несколько подвидов — литий – LiFePO4 (железо – фосфатные), использующие катод из фосфата железа. Характеристики их позволяют говорить об аккумуляторах, как о вершине технологий, используемых для производства батарей.
Основными их преимуществами являются:
- количество циклов заряда-разряда, которое достигает 5000 до момента, когда емкость уменьшится на 20%;
- длительный срок эксплуатации;
- отсутствующий «эффект памяти»;
- широкий температурный диапазон при неизменных рабочих характеристиках (300-700 градусов Цельсия);
- химическая стабильность и термическая, повышающие безопасность.
Наиболее широко применяемые аккумуляторы
Среди множества наиболее распространены li ion аккумуляторы типоразмера 18650, выпускаемые пятью компаниями: LG, Sony, Panasonic, Samsung, Sanyo, заводы которых находятся в Японии, Китае, Малайзии и Южной Карее. Планировалось, что использоваться li ion аккумуляторы 18650 будут в ноутбуках. Однако, благодаря удачному формату их применяют в моделях на радиоуправлении, электромобилях, фонарях и т.д.
Как всякий качественный товар, такие аккумуляторы имеют много подделок, поэтому, чтобы продлить срок эксплуатации прибора, приобретать нужно только батареи известных брендов.
Защищенные и незащищенные литий – ионные батареи
Важно для литиевых батарей также, защищенными они являются или нет. Рабочий диапазон первых — 4,2-2,5В (применяются в девайсах, рассчитанных на работу с литий-ионными источниками): светодиодных фонарях, бытовой маломощной технике и пр.
В электроинструментах, велосипедах с электродвигателями, ноутбуках, видео- и фототехнике применяются незащищенные аккумуляторы, управляемые контроллером.
Что необходимо знать о литий — ионных батареях?
В первую очередь, ограничения, которые нужно соблюдать при эксплуатации:
- напряжение перезарядки (максимальное) не может быть выше 4,35В;
- минимальное же его значение не может пускаться ниже отметки в 2,3 В;
- ток разряда не должен превышать более чем в два раза, значение емкости. Если значение последней — 2200мАЧ, величина тока максимальная составляет 4400 мА.
Функции, выполняемые контроллером
Для чего нужен контроллер заряда li ion аккумулятора? Он выполняет несколько функций:
- подает ток, компенсирующий саморазряд. Его величина меньше, чем максимальный ток заряда, но больше, чем ток саморазряда;
- реализует эффективный алгоритм цикла заряд/разряд для конкретного аккумулятора;
- компенсирует разницу энергетических потоков при одновременной зарядке и обеспечении энергией потребителя. К примеру, при зарядке и питании ноутбука;
- измеряет при перегреве или переохлаждении температуру, предотвращая порчу батарее.
Изготавливают контроллер заряда li ion аккумулятора либо в виде встраиваемой в батарею микросхемы, либо как отдельное устройство.
Для зарядки батарей лучше использовать штатное зарядное устройство для 18650 li ion аккумуляторов, поставляемое в комплекте. Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов 18650 обычно имеет индикацию уровня заряда. Чаще это светодиод, который показывает, когда идет заряд и его окончание.
На более продвинутых устройствах можно отслеживать на дисплее время, оставшееся до окончания заряда, текущее напряжение. Для аккумулятора 18650, емкость которого 2200мА, время зарядки составляет 2 часа.
Но, важно знать, каким током заряжать li ion аккумулятор 18650. Он должен составлять половину номинальной емкости, т.е., если она составляет 2000 mAh, то ток оптимальный – 1А. Заряжая аккумулятор высоким током, быстро наступает его деградация. При использовании низкого тока потребуется больше времени.
Видео: Как заряжать аккумулятор Li ion зарядное своими руками
Схема устройства для зарядки аккумуляторов
Выглядит она следующим образом:
Отличается схема надежностью и повторяемостью, а входящие детали являются недорогими и легкодоступными. Чтобы срок эксплуатации батареи увеличить, требуется грамотная зарядка li ion аккумуляторов: к концу зарядки напряжение должно уменьшаться.
После ее завершения, т.е. при достижении нулевой отметки током, должна остановиться зарядка li ion аккумулятора. Схема, приведенная выше, этим требованиям удовлетворяет: подключенный к зарядному устройству разряженный АКБ (загорается VD3), использует ток 300мА.
Об идущем процессе свидетельствует горящий светодиод VD1.Постепенно уменьшающийся до 30 мА ток, свидетельствует о зарядке аккумулятора. Об окончании процесса сигнализирует, загоревшийся светодиод VD2.
В схеме использован операционный усилитель LM358N (можно заменить его аналогом КР1040УД1 или же КР574УД2, отличающимся расположением выводов), а также транзистор VT1 S8550 9 светодиоды желтого, красного и зеленого цветов (1,5В).
Можно ли реанимировать аккумулятор?
После пары лет активной эксплуатации аккумуляторы катастрофически теряют емкость, создавая проблемы при пользовании любимым девайсом. Возможно ли, и как восстановить li ion аккумулятор пока пользователь занимается поиском замены?
Восстановление li ion аккумулятора возможно на время несколькими способами.
Если вздулась батарея, т.е. перестала держать заряд, значит, внутри скопились газы.
Тогда поступают следующим образом:
- корпус батареи отсоединяют аккуратно от датчика;
- отделяют электронный датчик;
- находят под ним колпачок с управляющей электроникой и прокалывают его осторожно иглой;
- затем, находят тяжелый плоский предмет, по площади больший, чем площадь батареи, использоваться который будет в качестве пресса (не применять тиски и аналогичные устройства);
- положить батарею на горизонтальную плоскость, и придавить прессом, помня, что аккумулятор можно повредить, прикладывая чрезмерное усилие. Если же оно недостаточно, результата можно не достичь. Это самый ответственный момент;
- осталось капнуть на отверстие эпоксидной смолой и припаять датчик.
Есть и другие способы, прочесть о которых можно на страницах Интернет.
Подобрать зарядное устройство можно на сайте http://18650.in.ua/chargers/ .
Видео: Li-ion аккумуляторы, советы по эксплуатации li-ion батарей
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.
Его устанавливают во всех ноутбуках, планшетах, мобильных телефонах и прочей технике. Номинальное напряжение такого элемента питания составляет 3,7-3,8 В, максимальное - до 4,4 В, а минимальное - от 2,5 до 3,0 В.
Из истории создания
Li-ion аккумуляторы впервые появились в начале 90-х годов. Ведущим их производителем изначально стала компания Sony. В состав такой батареи входят два электрода. Катод помещен на фольгу из алюминия, а анод расположен на фольге из меди. Между электродами помещены разделители (сепараторы), содержащие жидкий или гелеобразный электролит. Ионы лития c зарядом «+» являются носителями тока, ионами, способными проникать в другие химические элементы, давая, тем самым, ход электрохимической реакции, обеспечивающей питание того или иного устройства.
Литиевые аккумуляторные батареи прошлого поколения «славились» повышенной взрывоопасностью по причине использования в них анода металлического лития и возникновения газообразных химических соединений внутри АКБ. При множественных циклах «заряда-разряда» могло произойти замыкание, а затем и взрыв литиевого аккумулятора. Взрывы случались и по причине того, что ионы лития вступали в опасную реакцию с другими веществами, входившими в состав батареек.
Когда химическое вещество для анода окончательно заменили графитом, это удалось полностью исправить. Кстати, все современные устройства для зарядки, посредством которых батарейки получают электропитание, предохраняют их от перегревания и «перебора» тока. В литий-феррум-фосфатных АКБ этот серьезный недостаток полностью устранен. Однако для разработки безопасных аккумуляторных устройств понадобилось около 20 лет.
Во избежание самовозгорания литиевой батареи при ее зарядке производители стали встраивать в корпус контроллер заряда аккумуляторов. Контроллер регулирует температуру внутри АКБ, глубину разрядки и количество потребляемого тока. Но не все литиевые аккумуляторы снабжены контроллером. Часто производитель не устанавливает его - в целях экономии и увеличения емкости. Именно по этой причине некоторые батареи и взрываются до сих пор.
Однако, в отличие от своих предшественников в виде и элементов питания, ионные аккумуляторы имеют гораздо лучшие характеристики. Низкий уровень саморазряда в таких батареях обеспечивает их более длительный срок годности, а высокая емкость позволяет им работать гораздо дольше. К тому же ни одному литиевому элементу не требуется дополнительное обслуживание, а при окончательном выходе из строя лучше его не восстанавливать, а заменить.
Как правильно эксплуатировать и хранить литий-ионный аккумулятор
Важно следить за тем, чтобы в батарее всегда находилось хотя бы минимальное количество заряда. Любую ионную батарейку нельзя доводить до полного разряда. Если она не используется и будет полностью разряжена, это приведет к короткому . На сохранность АКБ сильно действует температурный фактор. Не заряжайте и не храните литиевые аккумуляторы при чрезмерно высоких и низких температурах, так как показатель их емкости быстро начнет падать.
Li-ion чувствительны к перемене напряжения. Если U в зарядном устройстве повысить даже незначительно (например, всего на 4%), АКБ будет терять емкость с каждым циклом «заряда-разряда».
Лучшие условия хранения Li-ion: заряд должен составлять, как минимум, 40% от емкости ионного элемента, а температура - от 0 до +10°С.
Несмотря на все положительные характеристики, приобретать Li-ion впрок не имеет смысла: батарея за 2 года теряет около 4% своей емкости. Во время покупки обязательно нужно обратить внимание на дату изготовления. Если с момента производства прошло больше времени, такой аккумулятор покупать не рекомендуется.
Обычный - 2 года, но сейчас фирмы-производители изобрели способ, позволяющий хранить их более длительное время. В батарею добавляется специальный консервант, позволяющий хранить ее больше двух лет. При наличии консерванта в электролите перед первым использованием АКБ следует полностью разрядить, проведя ей своеобразную тренировку в виде двух или трех циклов «заряд-разряд». При таком расконсервировании электролит в аккумуляторе постепенно распадается, и батарея выходит на свой обычный уровень емкости.
Если с литиевыми элементами этого не делать, АКБ приобретет «эффект памяти», а далее, поскольку консервант до сих пор находится внутри, при подаче заряда и увеличении аккумуляторного тока он начнет быстро распадаться, и может произойти вздутие аккумулятора.
Если с ионными АКБ обращаться внимательно и аккуратно, соблюдая все условия хранения, при правильной эксплуатации они будут служить долго, а уровень емкости в таких аккумуляторах длительное время останется на высоком уровне.
Литий-полимерный аккумулятор как альтернатива Li-ion
Полимерные аккумуляторы - это усовершенствованный вариант литий-ионных. Технический прогресс не стоит на месте, и сейчас они уже рассматриваются как серьезная альтернатива предыдущим АКБ на литиевой основе. Целью создания батарей на основе полимерных материалов стало, прежде всего, возможное устранение недостатков Li-ion в виде высокой стоимости и повышенного риска самовозгорания.
Главное отличие полимерного аккумулятора от Li-ion заключается в том, что в качестве электролита при его изготовлении используются не жидкость или гель, а твердые полимеры. Смена электролита является большим достижением, потому что такие батареи более безопасны, и теперь можно гораздо меньше думать о потенциальном взрыве при их эксплуатации.
Твердые материалы и раньше выполняли серьезную роль в плане проводимости тока - например, с помощью пленки из пластика, а их использование внутри Li-pol аккумулятора вместо пористого разделителя двух его полюсов, пропитанного жидкостью, стало значительным шагом вперед.
Li-pol аккумулятор также имеет улучшенные характеристики в плане удобной формы, так как полимеры дают возможность получать разные размеры и виды таких батарей. Минимальная толщина, которой обладают полимерные аккумуляторы, может составлять всего 1 мм.
Наряду с отличиями, есть и сходства между Li-ion и Li-pol. Большей частью, это означает, что не все недостатки устранены, и возможности дальнейшей работы производителей еще не исчерпаны до конца. Например, между ними нет особой разницы в сроках службы и проблеме «старения» в случае, если они не используются.
Полимерные аккумуляторы, как и Li-ion, применяются в сотовых телефонах, радиоуправляемой технике, портативных электрических инструментах, например, в электродрелях и шуруповертах.
Некоторые производители полимерных АКБ утверждают, что у них отсутствует эффект памяти, а также они якобы могут работать в более широком температурном спектре: от -20 до +40-60°С, что делает возможным их применение, эксплуатируя в условиях жаркого тропического климата. Поскольку опасность самопроизвольного возгорания устранена еще не до конца, полимерные аккумуляторы, как правило, снабжены встроенной электросхемой, предупреждающей перезаряд и перегрев.
Как восстановить Li-ion аккумулятор
Несмотря на то, что срок службы многих современных АКБ достаточно долгий, приходит время, когда заряд любого химического источника тока истощается. Емкость падает, и АКБ уже не может работать долго и исправно. Особенно, если разряженный источник питания долго хранился без подзарядки. Существует несколько распространенных способов вернуть его к жизни. Восстановленная батарея будет работать недолго, но это поможет выиграть время до ее замены.
В Интернете описываются самые неожиданные и порой абсолютно нелогичные методы . Например, есть статьи о том, что можно эффективно раскачивать батарею, если заряжать и разряжать ее несколько раз подряд. Безусловно, это миф, и применять такой «способ» не стоит. Также на одном из популярных форумов описывается реальный жизненный пример о том, как один человек раскачивал батарею, положив ее в холодильник. Она вздулась до огромных размеров и лопнула после того, как была изъята из морозилки - естественно, от перепада температуры.
На серьезный вопрос о том, как действительно раскачать заново батарею сотового, можно дать простой и ясный ответ: взять любую аккумуляторную зарядку с напряжением 5-12 В и резистор сопротивлением от 330 Ом до 1 килоОм. Схема подключения предельно проста: «минус» источника питания подсоединяется к «минусу» аккумулятора, а «плюс» - к «плюсу, через резистор. Теперь нужно включить зарядное устройство в сеть и регулярно проверять рост напряжения с помощью мультиметра в течение 10-15 минут. Напряжение постепенно растет, и при достижении его числа приблизительно в 3,31 В телефон «находит» батарею и принимает ее.
Раскачка Li-ion, отключенного контроллером, с быстрым приведением АКБ в рабочее состояние тоже возможны. В данном случае, при замерах текущего напряжения его показатель будет равен около 2,5 В. Аккумулятор «жив» и может еще поработать некоторое время, хотя, на первый взгляд, он выглядит почти разряженным. Восстанавливаем его так: для этого понадобятся «народный зарядник» Imax B6 и мультиметр. У АКБ отпаивается защитная схема, она подключается к Imax. А как проверить напряжение - уже понятно: оно всегда контролируется мультиметром.
Раскачиваем АКБ максимально осторожно. Программа заряда ставится на Li-Po, режим зарядки выбирается в зависимости от вида АКБ: для Li-ion - 3,6 В, либо 3,7 В для Li-pol. Важно: в процессе восстановления выставить параметр Autо - без него запуск не начнется по причине низкого заряда АКБ. Значение тока выбирается с помощью кнопок «+» и «–». 1 А - это самый безопасный и оптимальный ток для раскачки.
Когда напряжение достигнет 3,2-3,3 В, АКБ начнет свою полноценную работу.
Можно ли починить вздутую батарею
На эту тему в Интернете есть большое количество популярных статей и даже видео типа «Восстанавливаю вздувшиеся батареи простым способом». Далее следует описание или съемка процесса разборки АКБ, протыкание ее иголкой или шилом с целью «выпустить газы», чтобы затем вставить аккумулятор обратно в телефон.
К сожалению, незадачливые авторы подобных видео и публикаций не объясняют людям, почему аккумулятор вздулся, а смело приступают к весьма сомнительным действиям, которые могут быть небезопасными как для человека, так и для устройства, в которое помещается такая батарея.
«Тренировать интеллект» и заниматься подобным восстановлением настоятельно не рекомендуется. Следует понимать, что любой литий-ионный аккумулятор - это, прежде всего, источник химических реакций, которые могут быть и токсичными, и взрывоопасными.
Вздутие АКБ может произойти как вследствие нарушения химических процессов внутри нее по причине заводского брака, так и по вине владельца гаджета, если эксплуатация была неправильной.
Если, к примеру, дешевый аккумулятор вздулся по причине дефекта при его изготовлении, следует задуматься, проверенным был производитель, и в следующий раз лучше приобрести батарею по более высокой цене, но с гарантией качества.
Также батареи вздуваются при попадании влаги внутрь, что, чаще всего, происходит по неосторожности владельца телефона или планшета. Если при зарядке телефона использовать неподходящее устройство, АКБ рано или поздно вздуется по причине высокого уровня тока, из-за которого нарушается скорость химических процессов внутри нее. Если телефон рассчитан на ток в 1А, зарядку с подачей тока в 2А использовать уже нельзя. Как альтернативу можно взять устройство с меньшим, но никак не с большим показателем тока - в случае, если «родная» зарядка утеряна, либо вышла из строя.
Использование АКБ в жарких климатических условиях тоже может стать причиной ее вздутия. Нельзя оставлять полностью заряженный телефон на жаре, а если батарея по каким-либо причинам вздулась, ее следует не разбирать и протыкать, а и заменить на новую.
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»).
