Простая зарядка для li ion. Защита литий-ионных аккумуляторов (контроллер защиты Li-ion). «С» значит Capacity

Устанавливаются в ноутбуки, сотовые аппараты и другую бытовую технику. Они называются источником энергии, от которого работает вся электроника. Во время эксплуатации им требуется зарядка от специальных устройств, для обеспечения работы электротехники. Можно ли использовать аккумуляторы для зарядки, сделанные своими руками? Отчет на этот вопрос рассмотрим ниже.

Впервые купив мобильный телефон, многие задумываются как зарядить его первый раз. Бытует мнение, что для хорошей и долгой эксплуатации, следует 3 раза полностью разрядить и зарядить устройство. Но современные технологии опровергают данное утверждение. Процесс полного разряда li ion вредит устройству, именно поэтому покупая сотовый телефон, мы часто видим заряженную технику на 2/3 от емкости.

Чтобы избежать поломки не допускайте полной разрядки. Чем больше ионов лития находится на электроде, тем меньше срок эксплуатации и быстрее изнашивается li ion блок.

Рассмотрим некоторые правила зарядки li ion, для долгосрочного использования.

1. Следите за процентом заряда. Полная разрядка может привести к сбою работы, вплоть до полного вывода из строя.
2. Литиевым накопителям энергии необходимо более высокое напряжение на элемент, подзаряжающееся по принципу “постоянный ток/постоянное напряжение”.
3. Подключение к зарядному устройству должно производиться при температуре от 0 до +60 градусов. Если температура понизиться до отрицательной, то блок автоматически перестанет заряжаться.
4. Отличается высокой чувствительностью к скачку напряжений, будет U больше 4,2 В, то устройство может выйти из строя. Современные инженеры вставляют в накопитель энергии электронную плату, которая предохраняет li ion от перегрева. Так же можно использовать специальные зарядные устройства акб, которые при полном заряде приостанавливают подачу тока.
5. Правильной выбирайте подачу максимального тока, который отвечает за время полного заряда. Чем больше проходимый ток, тем быстрее заряжается устройство.
6. Если блок питания не требует постоянной эксплуатации, то заряжайте его на 60-70 процентов. Иначе, можно быстро понизить мощность прибора, что приведет к быстрому разряду.
7. После окончания заряда надо определять процент емкости и следует отключить от блока питания.

Контроллер и его функции

Контроллер – аппарат, регулирующий уровень тока и напряжения от источника, защищая блок питания от преждевременного повреждения.

Контроллер состоит из печатной платы защиты BMS и небольшого аккумуляторного элемента. В конструкции основой служит микросхема. Для управления над защитой при зарядке или разрядки используются полевые микротранзисторы.

Схема контроллера для зарядки li ion блоков питания представлена на рисунке

Data-lazy-type="image" data-src="http://chistyjdom.ru/wp-content/uploads/2018/03/li1.jpg" alt="123" width="700" height="307">

Основными функциями контроллера являются:

• Функция контроллера состоит в защите аккумуляторного элемента в зарядке не выше 4,2 В. Иначе произойдет перезаряд и превышение может вывести элемент из строя.
• Контролер заряда и разряда справляется с защитой от короткого замыкания. Для защиты от перенапряжения устанавливается терморезистор (T). Контроллер отвечает за функцию разрядки аккумуляторного элемента. При снижении напряжения отключается блок от тока.
• Своевременно останавливайте расход энергии, чтобы не допускать разряд до критического уровня. Контроллер спасет от гибели блок энергии, и предостережет от покупки новой. Хорошая новая модель для постоянного использования обойдется в 15-20 тысяч рублей. Поэтому стоит задуматься об установке контроллера в схему.
• Фиксируется показатели давления и температуры при остановке заряда.

Но не все виды контроллеров обладают абсолютно всеми вышеперечисленными функциями.

Имея специальное образование, то в схеме можно обойтись и без контроллера, но надо уметь пользоваться амперметром и вольтметром. На клеммах напряжение должно быть не менее максимума заряда, то блок заряжен на 70%.

Защищенные и незащищенные li ion батареи

Защищенный аккумулятор – это накопитель питания в оболочке с маленькой платой. Отличается тем, что есть защита от перегревов и перенапряжения, а так же короткого замыкания.

К корпусу незащищенного li ion приваривается защитная электро плата. После этого упаковывается в оболочку. Все параметры должны указываться на оболочке.

Покупая защищенную модель аккумулятора учитывайте то, что из-за наличия внешней оболочки размеры немного увеличены в сравнении ранее упомянутых. Высота больше на 3-5 мм, а диаметр до 1 мм.

Преимущества li ion блоков:

• Если, правильно эксплуатировать, то энергия снижается медленно.
• Высокая энерго плотность, в маленьких размерах скрывается большая энергоемкость.
• Высокое напряжение, должно принимать значение не менее 3,6 В.
• Сохраняет работоспособность при увеличенном количестве цикла заряде и разряде.
• Небольшая потеря емкости после большого количества циклов разрядки.

Незащищенный аккумулятор – накопитель энергии, скрывающийся под оболочкой незащищенного. Если снять внешнюю оболочку, то под не будет незащищенный аккумулятор. На внешней упаковке должны указываться параметры аккумулятора, скрытого под оболочкой.

Схема устройства для зарядки

В любой схеме должен применяться балансир и плата контроллера для заряда li ion аккумуляторов. Они предостерегают его от порчи зарядного устройства.

Работа данной схемы основывается на работе T1 средней мощности и регулируемом стабилизаторе напряжения. Рассмотрим:

Data-lazy-type="image" data-src="http://chistyjdom.ru/wp-content/uploads/2018/03/li2.jpg" alt="123" width="578" height="246">

При выборе транзистора учитывается нужный зарядный ток. Для зарядки батареи небольшой емкости можно использовать иностранные или отечественные NPN. Установите его на радиатор, если у вас высокое входное напряжение.

Регулирующим элементом является T1. Ток заряда ограничивается резистором (R2). Используйте мощность R2 равным 1 Вт. Остальные могут иметь мощность меньше.

LED1 – это светодиод, отвечающий за сигнализацию о заряде li ion. При включении аккумулятора, и диод индикатора загорается ярко, сигнализируя о разряженном состоянии. А после полного заряжения прекращает светиться индикатор разряда. Несмотря на прекращение свечения лампочки, батарея продолжает заряжаться током менее 50ма. Для предупреждения перезаряда, после окончания зарядки следует отключать аккумулятор от заряда.

LED2 – второй светодиод, использующийся в схеме для более точного контроля.

Выбор конструкции зависит от того для какой цели используются блоки. Для самостоятельного сбора конструкции следует иметь под рукой следующие детали:

1. Ограничитель тока.
2. Защита от подключения разных полюсов.
3. Автоматика. Устройство начинает работать, когда на самом деле требуется потребность в этом.

Схема предназначена для подзарядки одного накопителя энергии, чтобы использовать ее для другого типа зарядки следует поменять выход и ток зарядки.

Следует помнить, что все li ion блоки питания отличаются по своим типоразмерам. Самой популярной являются 18650. Балансир незаменимый помощник в цепи. Он справляется с такой задачей, чтобы не допустить повышение напряжение выше допустимого предела.

Возможно ли сделать зарядное устройство самому и насколько это безопасно?

Собрать зарядку для li ion устройства можно своими руками. Для того, чтобы собрать простое зарядное устройство li ion нужно иметь определенный опыт и навыки. Теоретически самоделку можно сделать в домашних условиях. Практически это почти невозможная задача. Не всегда устройство правильно заряжается от зарядки, и тогда прибор будет бесполезным. Но перед тем как делать его, прочтите несколько правил:

1. Литиевые аккумуляторы не терпят перезарядки. Максимальное заряженное напряжение должно быть не больше 4,2 В. Для каждого вида есть свой установленный порог, который не стоит превышать.
2. Проверьте все детали, которыми будете пользоваться. А главное проверить точность измерения мощности, например вольтметром, чтобы не допустить ошибку. Проверьте: происхождение банок, максимально допустимую мощность, заряд. Поэтому следует снизить порог, чтобы эксплуатировать устройство безопасно.

Если не придерживаться некоторых правил, то может произойти перегрев, вздутие деталей, выделение газа с неприятным запахом, взрыв устройства или возгорание.

Фирменные АКБ комплектуются специальными схемками, обеспечивающие защиту от перенапряжения, которая не допускает превышение ранее заявленного предела.

Схема зарядного устройства представлена на рисунке:

Data-lazy-type="image" data-src="http://chistyjdom.ru/wp-content/uploads/2018/03/li3.jpg" alt="123" width="700" height="257">

Для правильного использования задается выходное напряжение зарядного устройства U=4,2 В без подключения батареи для зарядки.

Индикатором работы будет диод, он подсвечивается если разряжен подключенный аккумулятор, и погасает когда аккумулятор заряжен.

Сбор зарядки:

• подберите корпус соответствующего размера;
• закрепите блок питания и элементы, как на выше указанной схеме.вырежьте латунные полоски и прикрепите их на гнезда;
• установите расстояние между контактами и АКБ;
• прикрепите переключатель, который в последствии сможет менять полярность на гнездах;
• но если необходимости в нем нет, то можно исключить этот пункт;
• проверьте литий ионный аккумулятор при отсутствии напряжение, то вольтметр не будет показывать значения. Это означает схема собрана неправильно, поэтому если у вас нет специального образования, то лучше не экспериментировать с самостоятельным сбором аккумулятора.

Современные электронные устройства (типа сотовых телефонов, портативных компьютеров или планшетов) питаются от литий-ионных аккумуляторов, которые пришли на смену щелочным аналогам. Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные акб уступили место Li─Ion батареям за счет лучших технических и потребительских качеств последних. Имеющийся от момента производства заряд в таких батареях составляет от четырех до шести процентов, после чего начинает снижаться по мере использования. В течение первых 12 месяцев емкость аккумуляторов снижается от 10 до 20 %.

Оригинальные зарядные устройства

Зарядные агрегаты для ion аккумулятора весьма похожи на аналогичные устройства для свинцово-кислотных, однако у них на элементах питания, названных за внешнюю схожесть «банками», напряжение выше, поэтому существуют более строгие требования к допуску (например, допустимое расхождение в напряжении всего 0,05 в). Чаще всего встречается формат банки ионных аккумуляторов 18650, это значит, что у нее диаметр – 1,8 см, а высота –6,5 см.

На заметку. Стандартная литий-ионная батарея требует для зарядки до трех часов, а более точно время определяется изначальной ее емкостью.

Производители Li-ion аккумуляторов рекомендуют для зарядки использовать только оригинальные зарядные устройства, которые гарантированно дадут нужное напряжение для батареи и не погубят часть ее емкости перезарядкой элемента и нарушением химической системы, также нежелательна полная зарядка батареи.

Обратите внимание! При длительном хранении литиевые аккумуляторы должны оптимально иметь маленький (не более 50%) заряд, также необходимо вытащить их из агрегатов.

Если у литиевых аккумуляторах имеется плата защиты, то перезарядка им не грозит.

Встроенная плата защиты отсекает чрезмерное напряжение (более 3,7 вольт на банку) во время зарядки и отключает аккумулятор, если уровень заряда упал до минимального, обычно до 2,4 вольт. Контроллер заряда определяют момент, когда напряжение на банке достигает 3,7 вольт, и отключает зарядное устройство от аккумулятора. Также это необходимое устройство контролирует температуру батареи, чтобы исключить перегрев и перегрузку по току. Защита компонуется на базе микросхемы ДВ01-П. После того, как цепь прерывается контроллером, ее восстановление осуществляется автоматически при нормализации параметров.

На микросхеме красный индикатор означает заряд, а зеленый или голубой сигнализирует о том, что акб заряжена.

Как правильно заряжать литиевые аккумуляторы

Известные производители li-ion аккумуляторов (например, такие, как «Сони») применяют в своих зарядниках двух или трех этапный принцип зарядки, что позволяет значительно продлить срок службы батарей.

На выходе зарядник имеет напряжение в пять вольт, а величина тока колеблется от 0,5 до 1,0 номинальной емкости акб (например, для элемента, имеющего емкость 2200 миллиампер-час, ток зарядного устройства должен быть от 1,1 ампер.)

В начальный этап, после подключения зарядки для литиевых аккумуляторов, величина тока составляет от 0,2 до 1,0 номинальной емкости, при этом напряжение 4,1 вольт (на одну банку). В таких условиях батареи заряжаются от 40 до 50 минут.

Для достижения постоянства тока схема зарядного устройства должна быть в состоянии поднять напряжение на клеммах батареи, в это время зарядник для большинства литий ионных аккумуляторов работает в качестве обычного стабилизатора напряжения электротока.

Важно! Если необходима зарядка литий-ионных батарей, у которых имеется встроенная плата защиты, то напряжение холостого хода не должно быть больше шести-семи вольт, иначе она испортится.

В то время, как напряжение достигнет 4,2 вольт, емкость аккумулятора составит от 70 до 80 процентов емкости, что будет сигналом об окончании начального этапа зарядки.

Следующий этап осуществляется при наличии постоянного напряжения.

Дополнительная информация. В некоторых агрегатах для более быстрой зарядки применяется импульсный метод. Если в литий-ионном аккумуляторе имеется графитовая система, то для них необходимо соблюдать ограничение напряжения в 4,1 вольта на одну банку. При превышении этого параметра энергетическая плотность акб возрастет и запустит окислительные реакции, сокращающие срок эксплуатации аккумулятора. В современных моделях батарей применяют специальные добавки, которые позволяют повышать напряжение при подключении зарядного устройства для li ion аккумуляторов до 4,2 вольт плюс/минус 0,05 вольт.

В простых литиевых батареях зарядные устройства держат уровень напряжения в 3,9 вольт, что для них является надежной гарантией долгой службы.

При выдаче тока в 1 величину емкости акб время получения оптимально заряженного аккумулятора составит от 2 до 3 часов. Как только заряд станет полным, напряжение достигнет нормы отсечки, величина тока стремительно падает и остается на уровне пары процентов от начального значения.

Если зарядный ток искусственно увеличивать, что время использования зарядного устройства для питания литий ионных аккумуляторов почти не уменьшится. В таком случае первоначально быстрее растет напряжение, но в то же время увеличивается длительность второго этапа.

Некоторые зарядные устройства могут полностью зарядить акб за 60-70 минут, в процессе такой зарядки исключен второй этап, и аккумулятор можно использовать уже после начальной стадии (уровень зарядки также будет на уровне 70 процентов емкости).

На третьем завершающем этапе зарядки проводится компенсирующий заряд. Он осуществляется не каждый раз, а всего один раз в 3 недели, при хранении (а не использовании) аккумуляторов. В условиях хранения батарей невозможно использовать струйную зарядку, потому что в таком случае происходит металлизация лития. Однако небольшие по времени подзарядки током постоянного напряжения помогают избежать потерь заряда. Прекращение зарядки заканчивается, как только напряжение достигнет 4,2 вольт.

Металлизация лития опасна выделением кислорода и резким нагнетением давления, что может привести к воспламенению и даже взрыву.

Зарядка для аккумулятора своими руками

Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов стоит недорого, но при наличии небольших познаний в электронике можно изготовить ее самостоятельно. Если нет точной информации о происхождении элементов АКБ, и есть сомнения в точности работы измерительных приборов, следует выставить порог заряда в районе от 4,1 до 4,15 вольт. Это особенно актуально, если акб не имеет защитной платы.

Для сборки зарядки для литиевых аккумуляторов своими руками хватит одной упрощенной схемы, которых очень много в свободном доступе в Интернете.

Для индикатора можно использовать светодиод зарядного типа, который подсвечивает, когда зарядка аккумулятора значительно снижена, и гаснет при разрядке в «ноль».

Сборка зарядного устройства производится в следующем порядке:

• находится подходящий корпус;
• монтируется блок питания на пять вольт и другие детали схемы (строго следить за последовательностью!);
• вырезается пара латунных полосок и крепится на гнездные отверстия;
• с помощью гайки определяется расстояние между контактами и подключаемым аккумулятором;
• устанавливается переключатель для изменения полярности (опционально).

Если ставится задача собрать своими руками зарядку для аккумуляторов 18650, то потребуются более сложная схема и больше технических навыков.

Все литий-ионные аккумуляторы время от времени требуют подзарядки, однако, следует избегать слишком полной зарядки, а также полной разрядки. Поддержание работоспособности батарей и сохранение их рабочей емкости в течение длительного времени возможно с помощью специальных зарядных устройств. Зарядники желательно использовать оригинальные, но можно собрать их самостоятельно.

Видео

И снова устройство для самоделкиных.
Модуль позволяет заряжать Li-Ion аккумуляторы (как защищённые так и незащищённые) от порта USB посредством кабеля miniUSB.

Печатная плата - двусторонний стеклотекстолит с металлизацией, монтаж аккуратный.




Собрана зарядка на базе специализированного контроллера заряда TP4056.
Реальная схема.


Со стороны аккумулятора, устройство ничего не потребляет и его можно оставлять постоянно подключенным к аккумулятору. Защита от КЗ на выходе - есть (с ограничением тока 110мА). Защита от переполюсовки аккумулятора отсутствует.
Питание miniUSB продублировано пятаками на плате.




Работает устройство так:
При подключении питания без аккумулятора, загорается красный светодиод, а синий периодически помаргивает.
При подключении разряженного аккумулятора, красный светодиод гаснет и загорается синий - начинается процесс заряда. Пока напряжение на аккумуляторе меньше 2,9V, ток заряда ограничен величиной 90-100мА. С повышением напряжения выше 2.9V, ток заряда резко возрастает до 800мА с дальнейшим плавным повышением до номинала 1000мА.
При достижении напряжения 4,1V, ток заряда начинает плавно снижаться, в дальнейшем происходит стабилизация напряжения на уровне 4,2V и после уменьшения зарядного тока до 105мА светодиоды начинают периодически переключаться, показывая окончание заряда, при этом заряд всё равно продолжается с переключением на синий светодиод. Переключение идёт в соответствии с гистерезисом контроля напряжения аккумулятора.
Номинальный ток заряда задаётся резистором 1,2кОм. При необходимости, ток можно уменьшить увеличивая номинал резистора согласно спецификации контроллера.
R (кОм) - I (mA)
10 - 130
5 - 250
4 - 300
3 - 400
2 - 580
1.66 - 690
1.5 - 780
1.33 - 900
1.2 - 1000

Конечное напряжение заряда жёстко задано на уровне 4,2V - т.е. не всякий аккумулятор будет заряжен на 100%
Спецификация контроллера.

Вывод: устройство простое и полезное для выполнения конкретной задачи.