Цепи защиты Li-Ion батарей Дата: 20.01.2010 Раздел: Электроника
Как известно, Li-Ion аккумуляторы весьма капризны в зарядке, поэтому во многие из них, уже встроены схемы защиты. Как они выглядят, какую имеют электрическую схему и характеристики показано на примере распространённого Li-Ion аккумулятора размера 18650.
О необходимости работы Li-Ion батареи в паре с цепями защиты наверное говорить уже и не нужно. Некоторые батареи уже мигрировали до уровня "бытовых" и предлагаются к покупке и использованию. Это стало возможным, благодаря тому, что цепи защиты стали интегрироваться в такие форм-факторы как 18650 и подобные им. Хотя ранее, такого не наблюдалось.
Какой-нибудь ICR18650 продавался как OEM-продукт для ремонта тех-же ноутбуков и не более. Реализовать комплексную защиту даже одного такого элемента было отдельной задачей о которой необходимо было заботиться. До сих пор, возможность конструировать цепи защиты из относительно дешевых и доступных микросхем для меня (а может и для кого-то еще) остаётся некоторой проблемой.
Вроде уже всё продаётся - бери и ставь ка-говорится. Но вот что именно там внутри ? Как работает ? Когда и как срабатывает ? Можно ли это улучшить-переделать ?
Вот что можно наковырять из батарей доступных к покупке на DealExtreme.com
Очень хотелось побольше узнать о детальной работе таких модулей и что из них можно сделать в перспективе (или нельзя сделать)... В качестве препарируемого образца было заказано 4-е штуки SCU_26114
Вот этот товар:
Вот как это выглядит без деталей:
А вот так - проще срисовать незамысловатую схемку с данного образца:
Вот что получится после процесса рисования:
А вот и сама схема. Так пожалуй будет удобней:
Первое, что показала разборка разных модулей - это разные буквы на конце "K091". Мне встретились индексы "E", "A", "J".
Как показало препарирование защищённых батарей 18650 от TrustFire и UltraFire - все они содержат одну и ту же схему защиты. Разница - только в вот в этих буквах на конце и немного различной топологии печатных плат.
UltraFire 18650 (2400 ма/ч) содержал "K091J". В то же время как 18650 (2500 ма/ч) от TrustFire содержал "K091A". То что распаял я - содержало "K091E".
Что бросается в глаза - нет некоторых пассивных элементов на печатной плате. Вероятно платы предусмотрены под установку некой иной микросхемы, где требуется наличие большего числа компонентов. Плата сделана под 6-ти выводную микросхему защиты, хотя то, что впаяно - содержит всего 5-ть выводов.
Попытки поиска - что есть "K091E" меня ни к чему не привели (наверное искатель их меня никудышний). Но, искать очень много и не пришлось. Я быстро натолкнулся на очень похожую микросхему защиты "DW01+". У неё 6-ть выводов, и схема включения - пуля в пулю (кроме цоколёвки выводов) совпадает с "K091E". Вероятно, это одна и таже разработка. Отличие "K091E" - отсутствующий пин задания времени торможения при реакции на короткое замыкание. Возможно, что в "K091E" оно принято по-умолчанию и составляет примерно 10мс. Но это всего лишь догадки. Так или иначе - меня пока не волнует это время реакции и управлять им я не собираюсь.
Вот что можно почерпнуть из доки про "DW01+":
Итак, отличия только в наличии вывода #TD и цоколёвки. #TD - никуда не подключен в примере для "DW01+" (что не может не обнадёживать).
Все замеры напряжений срабарываний для переразряда и перезаряда меня привели к тому, что эти значания совпадают с таковыми для "DW01+": - напряжения защиты переразряда = 2.5V - напряжения защиты перезаряда = 4.3V - активация разрешения на дальнейший разряд - только после отрицательного перепада напряжения на выводе #CS (вывод 1 для "K091"). Т.е. только после помещения элемента в зарядное устройство.
Все модули (6-ть штук) что были в наличии, показали стабильные результаты по пороговым напряжениям. Разброса параметров я не заметил. О неком разбросе параметров для готовых модулей было замечено в ветке "Li-Ion батареи из ноутбука". Возможно, что есть какие-то другие платы, которых я ещё не видел. Вероятно, они собраны не на "K091".
Вывод #CS выдерживает в пределе до -24V (взято из доки по "DW01+"). Этот же вывод ловит и положительные перепады напряжения, которые возникают на внутреннем сопротивлении полевых транзисторов. Тем самым, осуществляется защита по предельному току. Возможно разные буквенные индексы разных микросхем - отвечают за разный порог срабатывания токовой защиты.
Так или иначе, на модуле от UltraFire можно обнаружить два полевика в параллель и пустое место для установки третьего !! Это видно на самой первой фотографии. Т.е. меняя число полевиков - меняем порог срабатывания токовой защиты. И нет ни одного резистора на это дело. А оно и не сильно надо при наличии такой микросхемы.
Вот что сбивало меня с толку длительное время:
Сказано: - уровень разряда = 2.75V - уровень заряда = 4.2V
Я могу теперь точно сказать что это враньё ! И не стоит так слепо доверять этим надписям. Хотя, надо признать, что я бы хотел видеть именно такие цифры. (Так это же циферки нормального диапазона работы, а не срабатывания схемы защиты. Прим.ред.)
Напряжение разряда = 2.5v (реальное, а не маркетинговое) меня совсем не радует. График разряда таких батарей очень крутой (в конце разряда), и доводить до такого напряжения я бы не рискнул. 2.75V кажется оптимальным. Но.. увы.. не судьба.
Про напряжение 4.3V для порога перезаряда я вообще хочу сказать что оно опасно. У меня на практике, была работа с кучей КПК, где в инструкции русскими буквами было сказано что не следует оставлять КПК на зарядке более чем на 8-мь часов. Тем не менее, работа на предприятии (торговые агенты) требовала чтобы в субботу вечером все КПК были поставлены на зарядку и были целиком заряжены к понедельнику. Важно - за КПК никто не следил на воскресенье. И вот в процессе такой работы, в понедельник некоторые КПК с утра находили в нерабочем состоянии. В частности у них распухала батарея, и от этого выламывало заднюю крышку аккумуляторного отсека. Было ясно - идёт перезаряд и инструкция не зря пишет про такой случай.
Я как-то расковырял вздутую батарею. Там я обнаружил микросхему защиты DS2760 у которой (в зависимости от поставки) напряжение перезаряда нормируется от 4.275V....4.35V. Т.е. налицо была ошибка алгоритма заряда батареи. Эту ошибку могла устранить DS2760, да она её устраняла - ничего не воспламенилось и ничего не загорелось. Но увы, батареи страдали. После этого их невозможно было использовать. Т.е. порог 4.3V это некий пожаробезопасный рубеж, но не более.
Гораздо продуктивнее заботиться о перезаряде именно в зарядном устройстве, нежели писать такие инструкции и полагаться на 4.3V
Выходы управления полевиками "K091" как я выяснил опытным путём - комплементарные. Т.е. нет никаких открытых коллекторов или открытых стоков. Ток через выход идёт как в нуле, так и в единице. Проверял - простым светодиодом с резистором.
Мне удалось немного "поправить" напряжение срабатывания защиты по переразряду. Это я делал "в лоб". Я поставил по питанию "K091" обыкновенный резистивный делитель напряжения. Параллельно конденсатору питания 0.1мкФ я впаивал 1.8 мегома, а вместо 100 ом - впаивал 47 ком. Получилось напряжение срабатывания защиты не 2.5V а 2.71V.
Сразу скажу, что это ведёт к росту тока потребления такой цепи защиты. Было - примерно 3 мкА, а стало 6 мкА (с резисторами). Естественно, что порог 4.3v (защита от перезаряда) так же сдвигается на некую величину, которая совершенно уже непригодна для использования.
Т.е. K091 можно использовать в качестве доноров для для создания модулей защиты по токовой перегрузке и по UnderVoltage защите.
Именно цепи UnderVoltage меня более всего и инетересуют. 6 мкА тока меня устраивают на все 100%. Это приемлемо. Остаётся задача - как использовать K091 для защиты последовательно соединённых батарей с одним общим полевиком. На этом пути есть препятствие - после срабатывания UnderVoltage защиты - нужно на пин 1 (#CS) подать отрицательное напряжение. Иначе - микросхема не перейдёт в режим рарешения разряда. Т.е. для организации защиты последовательно соединённой батареи Li-Ion элементов K091 подходит слабо.
Мне удалось избавиться от этого препятствия путём увеличения тока потребления до 20 мкА. Решение очень простое - замкнуть пин #CS наглухо на землю. Но тогда: - несколько подрастает ток до 20 мкА в режиме срабатывания защиты - лишаемся защиты по току (на эту защиту можно будет бросить отдельный корпус K091) - напряжение, при котором микросхема вновь разрешиет разряд элемента = 3.5V
Я, пока не оставляю надежд по созданию некой простой схемы включения таких микросхем для защиты батареи последовательно соединённых Li-Ion элементов. Надеюсь, что данная информация окажется хоть кому-то полезным подспорьем при создании своих цепей защиты батарей Li-Ion элементов.
--------------------------------- Продолжение обсуждения данной темы можно глянуть, пройдя по ссылке на источник.
