Обзор

Плата защиты li-ion аккумулятора и как она работает

     Оглавление:
   1. Внешний вид и технические характеристики платы защиты Li-ion аккумулятора

   2. Тестирование

   3. Окончательный диагноз

   4. Дополнение: извлечение платы защиты из старого или вышедшего из строя аккумулятора
 

Предисловие

Плата защиты литий-ионного аккумулятора предназначена для установки в тех устройствах, где нет встроенной защиты или полноценного контроллера заряда-разряда аккумулятора.

Литий-ионные аккумуляторы - существа нежные, и без защиты долго не живут; поскольку в процессе эксплуатации им угрожают многие опасности: перезаряд, переразряд, превышение допустимого тока заряда (и разряда, соответственно), и наконец, самая страшная беда: короткое замыкание. Последняя из перечисленных бед может привести к взрыву аккумулятора с катастрофическими последствиями!

(кликнуть для увеличения)

Так выглядит тестируемая плата защиты. Здесь надо обратить внимание, что на плате установлены три чипа (точнее, транзисторные сборки), а ещё три места свободны.

Это не значит, что устройству "недодали" транзисторов. Количество транзисторов определяет одновременно максимально-допустимый ток аккумулятора и порог срабатывания защиты. У того же продавца можно купить плату с четырьмя и с шестью транзисторными сборками, у которых допустимый ток - выше.

Выбирать надо плату под конкретную задачу, а не самую "навороченную": тут дело не в деньгах, а в технической полезности и целесообразности.

Плата стоит очень недорого, купить можно на Алиэкспресс, например, у этого продавца. Цена на дату выхода обзора - около $1-2.

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

Внешний вид и технические характеристики платы защиты li-ion аккумулятора

Устройство представляет собой бескорпусную плату с небольшим количеством элементов:

Плата защищает аккумулятор от следующих неприятностей:

- перезаряд;

- переразряд;

- превышение допустимого тока заряда и разряда;

- короткое замыкание.

Тестируемая плата основана на контроллере защиты лития DW01B (datasheet DW01B, PDF, 1.1 MB). Кроме контроллера, на плате находится немного обвязки и три ключевых транзисторных сборки FS8205A (datasheet FS8205A, PDF, 300 KB). Сборки соединены параллельно, благодаря чему допустимый ток платы, соответственно, будет в три раза выше, чем для одной сборки.

Каждая сборка состоит из двух MOSFET-транзисторов, включенных встречно. Это связано с тем, что в каждом из MOSFET-ов есть защитный диод, и при применении только одного транзистора он пропускал бы ток в одном из направлений даже тогда, когда не надо. При встречном включении диодов их влияние будет устранено, а защита будет успешно работать в обоих направлениях.

Основные технические характеристики платы защиты таковы:

Ток защиты: 5 А;

Напряжение срабатывания защиты от перезаряда: 4.3 В;

Напряжение сброса защиты от перезаряда: 4.1 В;

Напряжение срабатывания защиты от переразряда: 2.5 В;

Напряжение сброса защиты от переразряда: 2.9 В;

Напряжение срабатывания защиты по току: 0.15 В.

На все виды защиты действует задержка срабатывания от 7 до 110 миллисекунд во избежание срабатывания от случайных кратковременных выбросов тока и/или напряжения.

Напряжения срабатывания защиты и её "отпускания" сделаны не равными с той же целью.

Кроме того, надо обратить внимание, что в качестве параметра защиты по току указан некоторый порог по напряжению.

Это связано с тем, что чип контроллера не производит замер тока как такового; а для его оценки использует величину падения напряжения на транзисторах защиты при протекании через них тока заряда или разряда.

С одной стороны, это - хорошо: на плате нет лишних элементов, падение напряжения на которых ухудшало бы КПД.

С другой стороны, порог защиты будет определяться применёнными транзисторами с присущими им разбросами параметров и их температурными изменениями.

Типовая схема включения и все технические параметры - в datasheet DW01B (ссылка выше).

Наконец, осмотрим плату с нижней стороны:

Здесь элементов нет, а силовые печатные проводники платы сделаны максимально-толстыми. Одобряем!

Тестирование платы защиты li-ion аккумулятора

Тестирование начинаем с измерения потребляемого тока.

Он составил 3.1 мкА (микроампер). Это - настолько ничтожная величина, что её влиянием на разряд аккумулятора можно пренебречь даже в долгосрочной перспективе (аккумулятор ёмкостью 1000 мАч разрядится за 322580 часов!).

Проверка разряда аккумулятора проводилась при подключении в качестве нагрузки резистора 3.9 Ом. При таком сопротивлении нагрузки при номинальном напряжении аккумулятора 3.7 В ток нагрузки был примерно равен 1 А.

Осциллограмма снималась с нагрузки с помощью осциллографа DSO150 (обзор). Этот осциллограф - невысокого уровня, но зато в нём есть режимы сверхдлинных развёрток (до 500 с / деление).

Завершающая часть осциллограммы - на следующей картинке (нулевая линия - в самом низу картинки, её уровень помечен желтым указателем в левом нижнем углу):

Теперь проведём глубокий и, главное, вдумчивый анализ осциллограммы.

Разряд аккумулятора в конце цикла ускоряется - это дело житейское и плата защиты тут ни при чём.

Когда напряжение на аккумуляторе достигло критического уровня (около 2.4 В), плата защиты нагрузку отключила.

Но, освобождённый от нагрузки аккумулятор стал понемногу "приходить в себя", напряжение на нём слегка увеличилось, это заметила плата защиты и снова включила нагрузку. Но восстановленного заряда надолго не хватило (аккумулятор-то уже сильно истощён), и плата защиты снова отключила нагрузку.

Этот процесс ещё несколько раз повторился с увеличивающимися интервалами, пока после "последнего вздоха" эти процессы полностью не прекратились. При этом напряжение на аккумуляторе составило 2.84 В, т.е. чуть ниже порога возврата защиты в исходное состояние 2.9 В (помним, что напряжения срабатывания защиты и её возврата в исходное состояние не совпадают).

Теперь проведём следующий тест - заряд аккумулятора из состояния полного разряда.

Заряд проводился с помощью лабораторного блока питания Longwei LW3010 (обзор), настроенного на ток 1 А.

Осциллограмма процесса заряда:

На развёртке 500 с на деление весь процесс заряда полностью поместился на осциллограмме.

Точкой 1 помечено начало заряда, а точкой 2 - его окончание, когда плата защиты его прекратила (т.е. действительно защитила).

В точке 1 видим бодренькое и быстрое начало заряда (опять таки плата защиты здесь ни при чем), а в точке 2 можно заметить интересный процесс: когда плата защиты прервала заряд, напряжение на аккумуляторе, лишившись "подпорки" от внешнего источника питания, слегка снизилось (примерно на 0.15 В).

А уже из этого следует, что, хотя по спецификациям контроллера защиты, он отключает зарядку при достижении на аккумуляторе напряжения 4.3 В (что на 0.1 В завышено относительно предельно-допустимого для аккумуляторов); зато после отключения напряжение "естественным образом" снижается до 4.15 - 4.2 В, что уже вполне соответствует требованиям для лития.

Следующий тест - проверка защиты от превышения допустимого тока и короткого замыкания.

Этот тест был пройден не очень удачно: вместо заявленных 5 А защита сработала только при 9 А тока нагрузки.

Защита от короткого замыкания сработала без проблем; при этом остались живы-здоровы и аккумулятор, и сама плата защиты. Но после КЗ для восстановления работоспособности нужно на небольшое время отключить нагрузку.

На этом можно завершить тесты и перейти к заключению.

Окончательный диагноз, рассуждения о способах применения и альтернативные варианты

Данная плата защиты полностью выполняет свои функции, хотя и не без оговорок.

Надо заметить, то напряжение на аккумуляторе, остающееся после срабатывания защиты от переразряда и составившее 2.8 - 2.9 В, не вполне соответствует общепринятому для литий-ионных аккумуляторов уровню нулевого заряда в 3.2 В. Но катастрофических последствий по этой причине быть не должно: это ещё не уровень глубокого разряда, "убивающий" аккумуляторы. Автору лично доводилось оживлять аккумуляторы с напряжением 1.4 В, после чего они продолжали служить верой и правдой.

Что касается ограничения токов, то их величина не регулируются и целиком определяются архитектурой платы, причем может быть ощутимый разброс, а также и температурный уход этого параметра.

В частности, у протестированного экземпляра ток срабатывания защиты оказался почти вдвое выше заявленного.

Если требуется плата для более высоких токов, то можно купить такую же плату, на которой будет установлено 4 или 6 защитных транзисторов.

 Область применения этой платы защиты лития - устройства, питающиеся от односекционных литий-ионных аккумуляторов; и при этом не имеющие полноценных собственных контроллеров заряда-разряда.

Если же на борту уже имеется нормальный контроллер, то большого смысла в установке этой платы нет (разве что как дополнительная защита "на всякий случай").

Также возможно применение и в зарядных устройствах при аналогичных условиях.

Цена - около $1-2 с учетом доставки в Россию; купить можно, например, здесь.

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

Дополнение: извлечение платы защиты из старого или вышедшего из строя аккумулятора

В некоторых случаях плата защиты располагается в одном корпусе (пакете) с литий-ионным аккумулятором. Она выглядит как узкая конструкция, прикреплённая к торцу аккумулятора:

Аккумуляторы со встроенной в одном корпусе платой защиты применяются не во всех устройствах; в каждом конкретном случае надо разбираться отдельно.

В данном случае аккумулятор извлечён из игровой приставки Aio Smarti. Аккумулятор практически перестал держать заряд и перешел в разряд непригодных для дальнейшего использования.

Чёрная полоса по диагонали аккумулятора - это пористая резина, предназначенная для прижатия аккумулятора к своему посадочному месту, когда корпус приставки собран.

Все последующие операции выполняем аккуратно и без излишнего применения грубой физической силы: сама плата - очень тонкая, и её легко можно повредить!

 Для снятия платы защиты сначала аккуратно разрезаем пластик вокруг платы и освобождаем плату от разных плёнок:

Теперь, когда контуры платы видны достаточно ясно, отрезаем плату от основной части аккумулятора вместе с проводниками, соединяющими плату и аккумулятор.

В итоге получаем плату, пригодную для дальнейшего использования в радиолюбительском хозяйстве:

Плата основана на уже упомянутом выше популярном контроллере DW01B и транзисторной сборке 8205S.

При дальнейшем использовании плат защиты от вышедших из строя аккумуляторов надо иметь в виду, что они подойдут для аккумуляторов примерно такой же ёмкости, как и тот, с которого они были сняты. Иначе они могут быть перегружены и не смогут обеспечить требуемый ток заряда/разряда, или наоборот, не смогут предотвратить перегрузку аккумулятора.

Касательно именно той платы, которая здесь представлена на фотографиях, надо отметить, что хотя по фото кажется, что чёрный провод ("минус" питания) замкнут с "минусом" аккумулятора, на самом деле они разделены.

А положительные выводы - наоборот, объединены, хотя физически разнесены друг от друга. То есть, не теряем бдительность!

Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" - здесь.

  Ваш Доктор.
 09 декабря 2021 г., дополнение от 16.01.2023 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте:

При копировании (перепечатке) материалов ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!