Контроллер заряда литиевого Li-Ion аккумулятора модуль TP4056 с защитой и без защиты
КакиеЧто такое модуль TP4056 и чем отличается модуль с защитой от модуля без защиты
Модуль TP4056 представляет собой небольшую плату на основе контроллера TP4056, которая предназначена для заряда литиевых аккумуляторов 3.7В. Такие платы заряда литиевых аккумуляторов могут быть двух модификаций, модули TP4056 без защиты аккумулятора, и модули TP4056 с защитой аккумулятора. Иногда такие платы можно встретить с обозначением TC4056.
Модуль заряда TP4056 без защиты предназначен только для заряда литиевых аккумуляторов до номинального напряжения 4.2В. На плате заряда без защиты из микросхем имеется только контроллер TP4056. Для подключения питающего напряжения на самых первых платах устанавливался разъем Mini-USB, на последних версиях устанавливается популярный разъем Micro-USB.
Модуль заряда TP4056 с защитой может не только заряжать литиевый аккумулятор до номинального напряжения 4.2В, но и защищает его от чрезмерного переразряда, от короткого замыкания, и ограничивает максимальный ток разряда. Дополнительно на плате заряда с защитой кроме контроллера TP4056 еще установлена микросхема DW01 и мосфет S-8205A для управления нагрузкой. Микросхема DW01 не дает аккумулятору разрядиться ниже 2.5В, отключает нагрузки с помощью мосфета при КЗ и при увеличении тока разряда более 3А. Платы заряда с защитой можно встретить с разъемом Micro-USB и Type-C для подключения питающего напряжения.
Характеристики модулей TP4056 с защитой аккумулятора и без защиты
Модули TP4056 с защитой и без отличаются только функцией защиты аккумуляторов, а характеристики, касающиеся заряда литиевых аккумуляторов у них идентичные. Естественно, габариты у них тоже отличаются.
Характеристики модуля TP4056 без защиты:
Рекомендуемое входное напряжение: 5 В
Диапазон входных напряжений: 4.5 – 8 В
Максимальный ток заряда по умолчанию: 1000 мА
Напряжение прекращения заряда: 4.2 В (± 1%)
Размер платы: 23 мм x 17 мм
Статусы светодиодов: красный – заряд, синий (зеленый) – заряд окончен
Характеристики модуля TP4056 с защитой:
Рекомендуемое входное напряжение: 5 В
Диапазон входных напряжений: 4.5 – 8 В
Максимальный ток заряда по умолчанию: 1000 мА
Напряжение отключения аккумулятора при разряде: 2.5 В
Максимально допустимый ток разряда: 3 А
Напряжение прекращения заряда: 4.2 В (± 1%)
Размер платы: 27 мм x 17 мм
Статусы светодиодов: красный – заряд, синий (зеленый) – заряд окончен
Принципиальная схема модуля TP4056 с защитой и без
Типовая принципиальная схема модуля TP4056, которую можно найти в datasheet, предусматривает подключение датчика температуры, для измерения температуры аккумулятора.
Продаваемые на АлиЭкспресс модули TP4056 не предусматривают возможности подключения датчиков температуры, но при желании можно все-же подпаяться в нужные места на плате. Вот принципиальная схема модулей TP4056 с AliExpress.
Принципиальная схема модуля TP4056 с защитой дополняется еще схемой защиты.
Подключение модуля заряда TP4056 с защитой и без защиты
Подключение модулей TP4056 с защитой и без защиты к источнику питания и к аккумулятору, а также в последствии к потребителю, немного отличается. Плата заряда без защиты имеет четыре вывода, два для входного напряжения и два для подключения аккумулятора, а также разъем для подключения питания. Питание подается на IN+ и на IN-, а аккумулятор подключается к выводам BAT+ и BAT-.
У модуля TP4056 с защитой выводов больше, так как здесь аккумулятор и нагрузка подключаются на разные выводы. Питание подается на IN+ и на IN-, аккумулятор необходимо подключать к B+ и B-, а нагрузка подключается к выводам OUT+ и OUT-. При этом выводы B+ и OUT+ совмещенные.
Принцип работы модуля TP4056 с защитой и без
Литиевые аккумуляторы очень требовательны к методам их заряда. Их нельзя заряжать выше 4.2 В и не желательно заряжать большим тока, чем меньше ток заряда, до разумных пределов, тем дольше проживут аккумуляторы. Контроллер TP4056 как раз обеспечивает правильный заряд литиевых аккумуляторов методом CC/CV. CC означает заряд постоянным током, а CV означает заряд постоянным напряжением.
Модули TP4056 с защитой и без защиты производят заряд литиевых аккумуляторов методом CC/CV, обеспечивая постоянный заданный ток заряда в начале заряда, и постоянное напряжение заряда 4.2В в конце заряда. Дополнительно в контроллере реализован метод TC, при котором сильно разряженный аккумулятор заряжается током 1/10 от номинального до достижения аккумулятором напряжения 2.9 В.
По умолчанию на всех модулях заряда TP4056 настроен максимальный ток заряда 1 А. Если напряжение на аккумуляторе более 2.9 В, то заряд аккумулятора сразу равен 1 А, и держится на таком уровне практически до полного заряда. В этот момент на плате горит красный светодиод. Когда напряжение на аккумуляторе приближается к номинальному, ток заряда начинает уменьшаться, при этом поддерживается постоянное напряжение на выходе зарядного устройства 4.2 В. Кривые заряда литиевых аккумуляторов тока и напряжения по методу CC/CV можно посмотреть на графике ниже.
Когда ток заряда снижается до 100 мА, контроллер TP4056 прекращает процесс заряда. В этот момент гаснет красный светодиод и загорается синий.
Модуль TP4056 с защитой контролирует также и разряд литиевого аккумулятора. Аккумулятор защищается от короткого замыкания, при этом, если замкнуть выводные контакты платы, нагрузка будет просто отключаться от аккумулятора, пока не исчезнет КЗ. Во время разряда аккумулятора контролируется ток разряда и напряжение. Ток разряда ограничивается на уровне 3 А, если протекающий ток становится больше, нагрузка отключается от аккумулятора. При понижении напряжения на клеммах аккумулятора ниже 2.5 В нагрузка также отключается от аккумулятора, защищая его от переразряда.
Как изменить ток заряда на плате TP4056
По умолчанию все платы TP4056 заряжают литиевые аккумуляторы током 1 А, т.е. максимально допустимым током для контроллера TP4056. Уровень тока задается резистором, и при желании его можно заменить, изменив таким образом ток заряда литиевого аккумулятора. Резистор по умолчанию имеет сопротивление 1.2 кОм.
Для задания на плате TP4056 необходимого тока заряда можно воспользоваться таблицей, в которой указаны сопротивления резисторов, и соответствующий им ток заряда, при их установке на плате.
| Резистор (кОм) | Ток заряда (мА) |
| 30 | 50 |
| 20 | 70 |
| 10 | 130 |
| 5 | 250 |
| 4 | 300 |
| 3 | 400 |
| 2 | 580 |
| 1.66 | 690 |
| 1.5 | 780 |
| 1.33 | 900 |
| 1.2 | 1000 |
Параллельное и последовательное подключение TP4056
Платы TP4056 удобно встраивать для заряда литиевых аккумуляторов в различные самодельные устройства. Но такие устройства не всегда ограничивается только одним аккумулятором на 3.7 В, иногда требуется подключать целые аккумуляторные сборки на более высокое напряжение. При этом для заряда хочется использовать дешевые платы TP4056. Если посмотреть характеристики такой зарядной платы с защитой, то там четко написано, что она предназначена для заряда аккумулятора 3.7 В, т.е. представляет собой плату BMS 1S.
Параллельное соединение плат TP4056
Такие платы можно соединять параллельно и это приведет к увеличению тока заряда, а в случае соединения плат с защитой и к увеличению контролируемого тока разряда. При параллельном соединении TP4056 без защиты нужно соединять вместе одинаковые выводы плат. Такое соединение приведет к увеличению тока заряда кратно количеству соединенных плат, т.е. соединив таким способом две платы, мы получим ток заряда 2 А.
Платы с защитой подключаются практически также. Отличие заключается в том, что у них имеются контакты для подключения аккумуляторов и для подключения нагрузки. При параллельном соединении модулей TP4056 с защитой соединяются вводные контакты, контакты для подключения нагрузки, и контакты для подключения аккумуляторов. Такое соединение приводит не только к увеличению тока заряда, но и к увеличению тока разряда, кратно количеству установленных плат.
Последовательное соединение плат TP4056
При сборке литиевых аккумуляторных батарей на 8.4 В, 12.6 В и большее напряжение многие надеются использовать модули TP4056 с защитой для их контроля и зарядки напряжением 5 В. При последовательном соединении таких плат с защитой, действительно можно получить напряжение больше, чем на одном аккумуляторе, и при этом каждый аккумулятор будет защищен. Разъемы плат для входного напряжения при таком способе надеются соединять, как при параллельном соединении, т.е. объединять вместе все плюсовые вводы и соединять между собой все минусовые вводы. Но как только они будут соединены, модули будут работать неадекватно. Нормальная их работа возможна при условии, что платы не будут связаны между собой, кроме как выводными контактами при последовательном соединении.
Получается, что при последовательном соединении модулей TP4056 для их нормальной работы каждому таком модулю требуется отдельный источник питания для заряда конкретного аккумулятора, т.е. блоки питания должны быть с гальванической развязкой.
Для того, чтобы подключить все последовательно соединенные платы TP4056 к одному источнику питания и заряжать аккумуляторы, необходимо внедрить некоторые изменения в схему подключения. Нужно установить переключатель, который в момент переключения будет менять схему подключения с последовательной на параллельную. Только такой способ позволит заряжать все аккумуляторы в сборке от одного источника питания. Так для трех аккумуляторов, подключенных к последовательно соединенным платам TP4056 с защитой, потребуется тумблер с шестью выводами, т.е. с двумя перекидными контактами. Также это можно реализовать с помощью реле, которое автоматически будет переключать в режим заряда при подаче питающего напряжения.
В начальном положении при последовательном соединении трех аккумуляторов на выходе сборки будет 12.6 В при полностью заряженных аккумуляторах. После переключения тумблера связь между выводами плат разрывается, а вводные контакты плат соединяются последовательно. Теперь можно будет заряжать все аккумуляторы от одного источника 5 В. Каждый аккумулятор будет заряжаться независимо от других.
Заряд нескольких аккумуляторов платой TP4056
Заряд нескольких параллельно соединенных аккумуляторов модулем TP4056
Для различных самоделок, в которые устанавливается литиевый аккумулятор, устанавливается также модуль заряда TP4056. Как правило это один модуль для одного аккумулятора 18650. Но к такой плате заряда можно подключать неограниченное количество параллельно соединенных аккумуляторов. Неудобство будет лишь в том, что одна плата заряда может заряжать током 1 А, и большое количество аккумуляторов будет заряжаться очень долго. Таким образом можно подключать несколько параллельно соединенных аккумуляторов к плате TP4056 с защитой, и к плате TP4056 без защиты.
Заряд нескольких последовательно соединенных аккумуляторов модулем TP4056
Если с параллельным соединением аккумуляторов все понятно, то с последовательным, одни вопросы. Плата TP4056 заряжает аккумулятор до напряжения 4.2 В, а при подключении большего количества последовательно соединенных аккумуляторов напряжение будет уже значительно больше. Естественно, заряжаться они уже не будут и на плате будет всегда светиться синий светодиод, как будто аккумуляторы уже заряжены.
Чтобы заряжать последовательно соединенные литиевые аккумуляторы одной платой TP4056, их необходимо подключать параллельно. Это можно реализовать с помощью тумблера с перекидными контактами и с большим количеством выводов. Например, для трех аккумуляторов потребуется тумблер на 12 выводов, или два тумблера по 6 выводов.
Недостатком данного способа будет незащищенность аккумуляторов, они напрямую будут подключаться к нагрузке и следить за уровнем напряжения придется самостоятельно. В момент переключения тумблера все аккумуляторы соединяются параллельно. Получается, что во время заряда им не требуется балансировка.
Платы заряда литиевых аккумуляторов TP4056, которые можно купить на AliExpress
TP4056 без защиты
Входное напряжение: 5В
Напряжение заряда: 4.2В
Ток заряда: 1А
Средняя цена US $0.24
TP4056 с защитой
Входное напряжение: 5В
Напряжение заряда: 4.2В
Ток заряда: 1А
Напряжение отсечки: 2.5А
Ток разряда: 3А
Средняя цена US $0.28
Обзор платы защиты Li-ion-аккумулятора и индикатора уровня заряда: тонкости функционирования, очевидные и не очень
В одних устройствах, питающихся от литий-ионных аккумуляторов, имеется вся необходимая для аккумуляторов обвязка: индикатор уровня заряда и контроллер заряда/разряда, включающий защиту от превышения токов и напряжений.
Но во многих «упрощенных» конструкциях нет какой-то части их этих компонентов или даже всех. В этом случае, чтобы аккумуляторы жили долго и счастливо, об их защите и индикации следует позаботиться самому пользователю.
Также и в конструкциях DIY («сделай сам») их автору тоже придётся самостоятельно об этом позаботиться.
Плата защиты аккумулятора является обязательным компонентом: она спасёт не только сам аккумулятор, но и, в случае короткого замыкания или иных чрезвычайных ситуаций, много другого добра.
Плата индикации уровня заряда в конструкциях не столь обязательна, но позволит исключить ситуацию внезапного отключения аппаратуры в самый неудобный момент (именно так чаще всего и бывает).
Содержание
Конструкция, технические параметры, схемотехника и тест платы защиты li-ion аккумулятора
Плата защиты представляет собой узкую и тонкую полоску с элементами, которая по габаритам легко помещается на мизинце: размеры платы 38 * 7 * 2 мм.
На плате расположены шесть транзисторных сборок 8205, контроллер DW01B и минимальная обвязка.
Схема платы — очень простая (взята из технического описания контроллера DW01B):
В каждой транзисторной сборке на плате содержатся по два последовательных MOSFET-а (как на схеме); и все шесть сборок запараллелены. Такая конструкция обеспечивает ток до 15 А, после чего должна срабатывать защита (отключение), причём независимо от направления тока (заряд или разряд).
У того же продавца имеются в продаже платы с тремя или четырьмя транзисторными сборками на борту. Вариант платы должен выбираться не принципу «больше-лучше», а исходя из реальных токов в системе (чтобы защита сработала вовремя, а не тогда, когда от схемы одни угольки остались).
Теперь можно изложить и обсудить параметры контроллера DW01B:
| Over voltage charging protection threshold | 4.3 V ±50 mV |
| Over voltage charging restore threshold | 4.1 V ±50 mV |
| Over voltage discharge protection threshold | 2.5 V ±75 mV |
| Over voltage discharge recovery threshold | 2.9 V ±75 mV |
| Discharge overcurrent detection voltage | 0.15 V ±20 mV |
| Over voltage charging protection delay time | 110 ms ±30% |
| Over voltage discharge protection delay time | 55 ms ±30% |
| Over current discharge protection delay time | 7 ms ±30% |
Итак, что мы видим в параметрах?
Системы защиты по напряжениям работают с некоторым гистерезисом: возврат схемы к исходному состоянию происходит немного при другом напряжении, нежели первоначальное срабатывание.
Кроме того, срабатывание происходит с некоторой задержкой по времени.
Все эти меры приняты для того, чтобы не было ложных срабатываний от кратковременных помех или колебаний потребления питаемой схемы. В общем, в этой части всё сделано по-умному.
А вот некоторые вопросы и сомнения вызывают номиналы напряжений защиты от перезаряда и переразряда, которые здесь составляют 4.3 В и 2.5 В соответственно.
Они отличаются от рекомендуемых для лития 4.2 В и 3.0-3.2 В.
Тем не менее, в процессе теста вопросы по завышенному напряжению заряда удастся полностью снять, а вот с защитой от переразряда всё окажется не так радужно.
Интересным образом в контроллере защиты организовано измерение втекающего/вытекающего тока аккумулятора: для этого в схеме нет резистора-«пробника» или шунта. Ток измеряется по падению напряжения при его протекании через открытые MOSFET-ы. С одной стороны, это упрощает схему; но, с другой стороны, при этом будет иметь значение разброс параметров применённых транзисторов.
Перед тестом, просто для порядка, посмотрим на обратную сторону платы:
Здесь всё хорошо: широкие печатные проводники для сильноточных цепей и обширные контактные площадки для внешних соединений.
Теперь переходим к тестам.
Первый тест: разряд Li-ion аккумулятора через тестируемую плату защиты. Использовался аккумулятор 18650 относительно небольшой ёмкости (2000 мАч), разряд производился на мощный резистор 2 Ом. Для съёма осциллограммы тока использовался резистор сопротивлением
0.12 Ом («самокрутка» из нихромовой проволоки). Кривые снимались осциллографом Fnirsi-1013D.
Посмотрим на осциллограмму финишного участка процесса разряда. На осциллограмме желтая кривая — напряжение на на аккумуляторе (нулевая линия внизу скриншота); голубая линия — ток разряда (нулевая линия — посередине скриншота), развёртка 50 секунд / деление:
Теперь обсудим результаты.
Сначала плата защиты отключает нагрузку при падении напряжения на аккумуляторе до 2.6 В. Затем через некоторое время аккумулятор без нагрузки сам по себе немного восстанавливается до 2.9 В, и плата вновь подключает нагрузку; через несколько секунд напряжение падает, нагрузка отключается, и далее это повторяется ещё несколько раз до полного «успокоения» системы на уровне напряжения аккумулятора в пределах 2.85 — 2.9 В.
Если же нагрузку после первого срабатывания защиты совсем отключить, то самовосстановление аккумулятора продолжается и далее, останавливаясь на напряжении 3.1 В. Здесь важна только величина напряжения; практической же пользы из такого восстановления извлечь не получится: слишком мала величина восстановившегося заряда.
В итоге, в случае, если нагрузка не отключена, то остаточное напряжение аккумулятора оказывается несколько ниже общепринятого порога допустимого разряда.
Если же нагрузка будет полностью отключена, то остаточное напряжение худо-бедно всё-таки попадёт в рекомендуемый интервал.
Второй тест: зарядка аккумулятора через данную плату. Использовался тот же стенд, но теперь мощный резистор 2 Ом использовался для ограничения тока заряда от источника напряжением 5 В. Фактически, добавление этого резистора превратило плату защиты в простой, но полноценный контроллер заряда Li-ion аккумулятора.
Финишный участок процесса заряда (напряжение на аккумуляторе и ток заряда) представлен на следующей осциллограмме (ток аккумулятора поменял знак, естественно):
На осциллограмме видно, что, через небольшое время после отключения тока платой защиты, напряжение на аккумуляторе, лишенном подпитки, чуть-чуть (на 0.1 В) просело.
Этого «чуть-чуть» оказалось вполне достаточно, чтобы напряжение из завышенного (4.3 В) попало в рамки допустимого (4.2 В).
Так что по части защиты от перезаряда констатируем отсутствие каких-либо претензий к тестируемой плате защиты лития. Всё получилось тютелька-в-тютельку!
И, последний по порядку, но не по важности, пункт: проверка на защиту от короткого замыкания.
В течение теста несколько раз при разных напряжениях на аккумуляторе делалось короткое замыкание (без отключения нагрузки).
Защита работала надёжно, напряжение на нагрузке каждый раз сбрасывалось до нуля.
Но есть нюанс: после устранения короткого замыкания напряжение на нагрузке не восстанавливалось. Для восстановления требовалось полное отключение нагрузки хотя бы на долю секунды.
Теперь переходим к следующему герою обзора, который, по идее, должен работать в связке с первым героем.
Конструкция, технические параметры, схемотехника и тест индикатора уровня заряда Li-ion аккумулятора
Индикатор уровня заряда представляет собой небольшую плату с 4-уровневым светодиодным индикатором. Точнее, уровней индикации здесь целых пять; поскольку рамка вокруг четырёх основных индикаторов, как выяснилось в процессе тестирования, тоже участвует в индикации, а не просто служит декорацией.
Электроника индикатора, расположенная на обратной стороне, очень проста:
Здесь расположены: неопознанная микросхема контроллера, линейный стабилизатор напряжения SE8530 (на 3 В), диод «защиты от дурака» (от переполюсовки) T4 и немного всякой мелочи.
Важно: на плате есть контакты S1 — S8 для установки перемычки, обозначающей число секций в аккумуляторе, с которым работает этот индикатор. В процессе теста он проверялся на простом односекционном аккумуляторе 18650, упомянутом в предыдущей части обзора.
Когда напряжение аккумулятора в пределах нормы, то столбик из 4-х светодиодов отображает уровень заряда, а рамка светится просто «для красоты»:
Если напряжение аккумулятора составляет от 3.0 до 3.3 В, то в индикаторе светится только рамка:
А вот в интервале свыше 2.7 и до 3.0 В рамка становится активным участником системы индикации уровня заряда: она мигает, недвусмысленно намекая на катастрофическое падение заряда (недокументированная функция).
При напряжении 2.7 В и ниже рамка просто гаснет: похоже, контроллеру на плате просто не хватает питания.
Теперь — табличка напряжений переключения сегментов индикатора в зависимости от числа секций:
Измерения в односекционном варианте подтвердили указанные значения с высокой точностью (не хуже 2%).
Переключение сегментов в зависимости от уровня заряда не имеет гистерезиса или длительного усреднения показаний; поэтому, если напряжение аккумулятора находится на пограничном уровне между двумя сегментами, то они несколько раз могут перескакивать туда-обратно.
И — ещё немного технических мелочей:
Габариты: 43.5 x 20 x 8 мм;
Ток потребления — не более 5 мА;
Диапазон рабочих температур: -20. +50°С.
Теперь — о технических ограничениях индикатора.
Этот индикатор, в отличие, например, от индикаторов пауэрбанков, не видит, идёт в аккумулятор ток зарядки или нет, и потому никак не может обозначить факт продолжения зарядки.
В пауэрбанках индикаторы интегрированы в контроллер заряда, и потому видят, идёт зарядка или нет. Факт продолжения зарядки они отображают миганием сегментов или миганием цифр (в цифровых индикаторах).
Описанная проблема не является недостатком индикатора, а является следствием принципа его работы: он подключается к схеме только двумя проводами, и ничего, кроме напряжения, «не видит».
В дополнение надо сказать, что у многих продавцов на Алиэкспресс есть почти такой же индикатор, но без возможности назначения количества секций в подключаемом аккумуляторе и с другим контроллером (14-выводная микросхема). На него этот обзор не распространяется (хотя вполне вероятно, что он функционирует точно так же).
Заключение, итоги и выводы
Протестированные устройства — не слишком сложные по функционированию, но, как оказалось, имеют свои «тонкости» в применении.
Плата защиты Li-ion аккумулятора показала свою высокую эффективность в отношении предотвращения перезаряда и защиты от короткого замыкания, но в отношении защиты от переразряда остались некоторые сомнения. Плата позволяет разрядиться аккумулятору несколько сильнее, чем это принято по современным манерам хорошего тона в электронике.
В принципе, подход производителя контроллера защиты DW01B ясен: они учли явления небольшого падения напряжения в аккумуляторе после отключения зарядки и, наоборот, небольшого восстановления напряжения после отключения нагрузки. Это позволит потребителю по максимуму зарядить аккумулятор и также по максимуму использовать его заряд.
Но если по поводу зарядки аккумулятора всё получилось отлично, то по поводу разрядки вопросы остались. Весьма вероятно, что не стоило допускать такого сильного падения напряжения.
Не факт, что это приведёт к каким-то разрушительным последствиям (не так уж велика реальная разница с общепринятым значением), да и в некоторых статьях вообще утверждается, что литий можно безопасно разряжать аж до 2.5 В. К сожалению, из-за разночтений в разных источниках по этому вопросу окончательно установить справедливость подхода производителя контроллера защиты довольно сложно.
Точно можно сказать, что если уж получилась такая разрядка, то не следует оставлять аккумулятор надолго в разряженном состоянии; а надо при первой же возможности его подзарядить.
Тем не менее, возможность такого сильного разряда в процессе работы приведёт, по крайней мере, к несогласованности с индикаторами заряда, подобными описанному в этом обзоре.
При сильном разряде в небольшом интервале напряжений (ниже 2.7 В и до срабатывания защиты от переразряда) возникнет ситуация, когда аккумулятор ещё работает, но индикатор уже ничего не показывает.
Ладно, слишком много слов сказано о плате защиты, надо что-то и об индикаторе заряда сказать.
Что касается индикатора, то при его применении следует помнить, что при подключении к источнику питания он светится постоянно. Если такая ситуация является неприемлемой, то надо задуматься о его кратковременном подключении по команде пользователя, например, банальной кнопкой для проверки заряда.
В целом же к нему никаких претензий нет: он работает, добросовестно выполняя свой алгоритм.
Купить плату защиты литий-ионного аккумулятора можно на Алиэкспресс, например, здесь. Там же имеются платы на более низкие токи (выбирать надо под реальный ток в системе, а не «больше-лучше»). Цена на момент составления обзора — от $1 до $2 в зависимости от конфигурации и способа доставки (может меняться).
Индикатор заряда литий-ионного аккумулятора купить можно, например, здесь. Цена на момент обзора — около $1 с учётом доставки (тоже может меняться).
Как самостотяельно подключить BMS плату — инструкция
Для долгой и безопасной работы литий-ионных аккумуляторов важно не допускать их глубокого разряда и избыточного заряда – не выходить за рамки диапазона 2,5–4,2 В. Контроль соблюдения этих условий возлагается на особую электронную систему – BMS плату. Она следит за рабочими характеристиками аккумуляторной батареи, не допускает возникновения опасных ситуаций, управляет процессом зарядки, распределяет нагрузку и продлевает срок службы АКБ.
В зависимости от функционала, БМС плата может обеспечивать защиту Li-ion батареи:
- от избыточного и критически малого напряжения – отключает зарядник при достижении верхнего предела и не дает подключить потребляющее устройство, если батарея разряжена;
- от токовых перегрузок и КЗ – при превышении допустимого тока отключает источник потребления энергии, разомкнув цепь;
- от дисбаланса между «банками» в сборке – при помощи балансировочного шлейфа выравнивается их уровень заряда;
- от перегрева – терморезистор отключает нагрузку, если температура АКБ превышает допустимое значение.
Подготовка АКБ к подключению BMS платы
Перед подключением БМС платы важно корректно собрать аккумуляторную батарею – соединить элементы питания в единый блок. Схема BMS их соединения зависит от заданных характеристик собираемой батареи. При параллельном соединении ячеек суммируется емкость, а при последовательном – наращивается напряжение АКБ.
Чаще всего используется параллельно-последовательное соединение: вначале «банки» соединяются параллельно, а затем полученные сборки – последовательно. Например, по схеме 9S4P последовательно соединяется 9 параллельных сборок, каждая из которых состоит из 4 аккумов. При последовательной сборке элементов между ними обязательно размещаются изолирующие прослойки, например, из стеклотекстолита толщиной 0,5 мм. БМС плата воспринимает параллельно соединенные «банки» как 1 аккумулятор.
Схема подключения BMS контроллера
Платы защиты АКБ бывают разной конструкции, но большинство из них похожи. Чтобы подключить BMS плату для 18650 или других элементов питания в сборке, используют 2 основные набора проводов – тонкие (балансировочные) и толстые (силовые, предназначенные для подключения нагрузки и зарядного устройства). Обычно БМС плата имеет 3 толстых провода – В, Р и С.
Проще подключить BMS (PCM) плату, к которой уже припаяны толстые провода. В противном случае нужно припаять их самостоятельно. Вначале нужно взять отрезок провода, припаять его к В-колодке на плате, а его свободный конец – подключить к контактам АКБ на отрицательном терминале 1-й группы элементов. В результате плата защиты будет подключена к минусовому полюсу АКБ.
Далее устанавливаются балансировочные провода. Если их число на 1 больше, чем количество последовательных ячеек, то все проводки соединяются с «+» терминалами параллельных групп аккумуляторов, за исключением первого – он соединяется с «-» полюсу первой параллельной группы. Если число балансировочных проводов равно количеству последовательных элементов, то каждый проводок подключается к «+» терминалу каждой группы аккумуляторов.
После проводов баланса подключается Р-провод. Он обеспечивает минусовое разрядное соединение – идет к контроллеру или другому устройству, к которому подключается питание. Далее подключается С-провод, обеспечивающий соединение с зарядным устройством, и устанавливается разъем ЗУ. Провода «+» заряда и разряда обычно подключаются напрямую к АКБ – к «+» выводу последней группы.
Как правильно подключить плату BMS
Рассмотрим схему подключения BMS платы симметричной конфигурации:
При подсоединении этой электронной системы важно соблюдать последовательность действий:
- Подсоединить балансировочный шлейф. Взять тонкий черный проводок, идущий от точки «В-» шлейфа. Подсоединить его к «-» клемме 1-го элемента сборки. Второй проводок шлейфа подсоединить к «+» клемме 1-го элемента. Далее последовательно подсоединить остальные тонкие проводки шлейфа балансировки к «+» клеммам каждого элемента.
- Проконтролировать последовательность подсоединения проводов.
- Измерить напряжение на клеммах разъема – поместить «-» мультиметра на черный проводок шлейфа балансировки, а «+»– на красный.
- Поместить разъем в гнездо БМС модуля.
- Подсоединить силовой провод «В-» к «-» клемме 1-го элемента. Черный силовой провод «Р-» – это «минус» АКБ, идущий на зарядник и потребляющее оборудование.
- Плюсовой полюс АКБ подсоединить к «+» клемме последней ячейки АКБ. Вывести на потребляющее устройство и ЗУ.
- Измерить напряжение АКБ на клеммах, проверить крайние полюса батареи, напряжение через БМС, провод «Р-» и крайний плюсовой полюс. При отличиях в напряжении отследить последовательность подсоединения.
После того, как БМС плату подключили, ее нужно протестировать.
Алгоритм тестирования BMS платы
Аккумуляторную батарею нужно полностью зарядить. По завершении зарядного процесса на каждом элементе питания необходимо отследить напряжение отсечки БМС по верхнему пределу. Плата управления и защиты должна отключать ЗУ в момент, когда хотя бы на одном аккумуляторе из сборки напряжение достигнет максимума, и через небольшой временной промежуток снова включать его. Это необходимо для выполнения балансировки ячеек и недопущения их перезаряда. В рамках тестирования нужно проверить все элементы АКБ до достижения их полной балансировки.
Дальнейшее тестирование работы БМС платы выполняется в процессе разряда АКБ. Ее нужно разрядить и проконтролировать напряжение отсечки по нижней границе. После тестирования готовая батарея с BMS платой помещается в прочный защитный корпус и может использоваться по назначению.
О том, как выбрать зарядное устройство для титаната лития, читайте здесь.
WH-18650A. Плата защиты для аккумуляторов типа 18650
В названии явно обозначен типоразмер аккумулятора, но плата точно так же подойдет для большинства литиевых аккумуляторов с диаметром 18 мм, например 18350, 18490, 18500. А если не использовать возможность установки на батарею, то подойдёт для любого типоразмера, главное, чтобы предельные параметры подходили.
Тестирование
- Максимальное напряжение батареи: 4,275 В
- Минимальное напряжение батареи: 2,5 В
- Выходной ток: 4 А
Действительно, при достижении 2,5 В или чуть ниже плата отрубает вход, на выходе получается ноль, банка дальше не разряжается. Чтобы схема снова начала пропускать ток, входное напряжение должно быть поднято уже до 3 В. Такой гистерезис исключает лишние переключения при смене состояния.
Защиту от перезаряда проверить полностью не смог, но она кажется рабочей. Если заряжать простым источником напряжения через резистор. Для проверки заряда ближе к его концу плата отключает выход и, если напряжение на банке еще мало, включает зарядку дальше. Частота проверки — примерно раз в секунду. Протестировал зарядку через несколько своих зарядных устройств, везде поведение другое, зарядные устройства сами контролируют весь процесс, и плата им не мешает.
При превышении максимального тока (заявлено 4 А) плата отключается, на выходе нулевой ток. Чтобы плата снова заработала необходимо снять нагрузку. Замкнул аккумулятор с защитой на резистор в 1 Ом, ток на выходе пошел чуть больше 2,5 А, напряжение, соответственно, такое же. Это единственный сомнительный момент в данной плате. Получается, что как только я немного повышу нагрузку (понижу сопротивление), напряжение еще просядет, и плата вырубится по напряжению. Аккумулятор нормальный, способен отдавать до 2,8 А точно. Возможно, повлияли провода и мультиметр. Далее замыкаю выход платы, и она сразу вырубается. Чтобы сбросить защиту, нужно отключить нагрузку.
Подготовка к сборке
Схема подключения элементарна, контакты на плате подписаны, но фиксация платы на батарее — задача непростая, в основном из-за необходимости применения специальных материалов. Обязательно понадобится подходящая термоусаживаемая трубка, что-нибудь для прокладки между платой и батареей, а также плоский проводник, который протянется от плюса к минусу батареи.
Так как теперь на плюсе батареи будет пайка, необходимо добавить на плюс что-то более выпуклое, чтобы нагрузка не приходилась на место этой пайки, подобное я уже делал.
Электрические соединения, повторюсь, довольно простые. Зад платы полностью представляет собой контактную площадку, он же вывод «P-», его паять не нужно. Вывод «P+», как и вывод «B+», нужно соединить с плюсом батареи. Они уже соединены на плате, так что провод-ленту можно будет тянуть от любого из них. Еще один провод должен соединять «B-» с минусом батареи, он должен быть коротким и полностью помещаться в зазор между платой и батареей.
В качестве длинного проводника от платы к плюсу батареи лучше всего использовать металлическую ленту. Такие ленты можно даже купить на Ebay, но мне нужна всего пара полосок, есть смысл поискать в пределах видимости. Нашел такую медную полосу, толщина
0,1 мм, идеально. Необходимость использовать плоский проводник объясняется желанием сохранить габаритные размеры аккумулятора, часто в устройствах-потребителях не бывает лишнего зазора.
Плату надо как-то зафиксировать на минусовой площадке батареи. Здесь нужен компаунд, герметик, а может хватит и двухстороннего скотча. Всё зависит от того, планируете ли вы в будущем обслуживать данную схему. Дополнительным креплением станет термоусаживаемая трубка, поэтому абсолютная фиксация кажется необязательной.
Сборка и итоги
Решил сначала попробовать на убитом аккумуляторе. Так я без риска проверю все действия на ошибки.
Посмотрим, насколько изменится длина банки.
Пока заметно удлинение всего на пару миллиметров, но нужно учитывать, что будет еще пайка на минусовом контакте (можно сэкономить при пайке по краю, но сразу не догадался, но для того и тест на пробнике), а также прокладка между платой и батареей, бить чипы о железо не хочется. Её тоже можно сделать довольно тонкой, но крепкой, так как больших напряжений здесь нет, но физическая сила будет прилагаться часто. Пока решил поставить кусок старой термоусадки, довольно толстой. То есть сделал всё максимально толсто.
Берём ленту, отрезаем пару кусков. Длинный кусок пойдет вдоль всей батареи, короткий нужен только для замыкания площадки на плате с минусом банки, можно использовать даже кусок проволоки. Сразу всё лудим и припаиваем одним концом к плате.
Далее нужно короткий конец припаять к банке. Паять надо с минимальным количеством припоя, всё лишнее будет удлинять готовую сборку. У прокладки срезал немного один из боков, чтобы было место для ленты. Нужно соединять всё так, чтобы изгибы ленты не выходили за пределы батареи.
Теперь припаиваем оставшуюся ленту к плюсу банки. Здесь очень важно следить за тем, чтобы эта полоска не касалась корпуса банки. Добавьте под ленту какой-нибудь изолятор. Так как это проба на мертвой батарее, я поленился делать эту изоляцию (зря, ведь это также тест материалов). Эта изоляция — основа безопасности работы с батареей, так как при замыкании на корпус произойдет короткое замыкание батареи в обход защиты.
Далее остаётся натянуть трубку и усадить её так, чтобы она с обоих концов немного завернулась за край. И вот здесь проявилась главная проблема — трубка оказалась слишком хрупкой. Дополнительно неудачно вышло так, что сгиб трубки пришелся на один из краев ленты, и это сразу привело к разрыву. Края платы оказались слишком острыми, и они также порвали трубку.
Со стороны плюса всё отлично. Эта трубка боится перегрева, возможно это также повлияло на результат.
- Главное — лучше взять готовую банку с защитой, она будет точно такая же по конструкции. Вряд ли самому получится сделать лучше и дешевле.
- Термоусадку не перегревать. Сгибы держать подальше от металлической ленты.
- У провода-ленты убрать заусенцы. Максимально разгладить по поверхности банки. Лента должна быть хорошо изолирована от корпуса и внешней среды.
- Паять контакт к минусовому контакту около края, чтобы пайка не упиралась в центральную часть платы с чипами.
- Термоусадка достаточно сильно держит плату, беспокоиться за крепление платы к батарее не стоит. Но если есть подходящий компаунд, следует им воспользоваться.
- Желательно затупить края платы, например пустив по периметру слой изоленты или той же термоусадки.
- Как ни старайся, а 3-5 мм к батарее всё равно прибавится.
Вряд ли буду еще пробовать делать защищенный аккумулятор самостоятельно, слишком коряво у меня получается. Останусь с первоначальной идеей использования в составе устройств-потребителей, а не батареи.
Так и не понял, что за третий чип установлен на плату, маркировка 10DB или 100B, вторая строка G62S. Если кто знает, намекните в комментариях. Остальные два чипа — сборки полевых транзисторов, по два на каждую.
Главный итог здесь для меня такой. Защищенные аккумуляторы-банки имеют существенный конструктивный недостаток в виде проводящей ленты вдоль всего корпуса. Её повреждение или, что вероятнее из-за её острых краёв, повреждение изоляции под/над ней может привести к контакту ленты с корпусом, то есть короткому замыканию аккумулятора в обход защиты. Соответственно, вряд ли использование защищенных цилиндрических аккумуляторов, особенно самодельных, более безопасно для всех применений.
Техника безопасности
Не рекомендуется долго нагревать аккумулятор. В лучшем случае это ухудшит его характеристики. Если есть возможность, используйте точечную контактную сварку для аккумуляторов.
Но если такого оборудования нет, можно обойтись и паяльником. Чтобы уменьшить время нагрева при лужении, используйте активный флюс, обязательно потом очистите от него батарею. Маломощным паяльником с тонким жалом будет очень сложно лудить батарею, используйте соответствующий инструмент. Рассчитывайте на 1-2 секунды непрерывного контакта паяльника с батареей. Если не получается так быстро, дайте батарее остыть и скорректируйте набор инструментов и/или технику.
Я паял всё паяльником, не обращая внимание на небольшой перегрев, так как тестовая батарея всё равно убитая.