Меню

Устройство контроля заряда для зарядного устройства

Устройство контроля заряда для зарядного устройства

Top Power ASIC TP5000

Михаил Гурович, США

В последние несколько лет, став доступными и популярными, получили широкое распространение литий-ионные (Li-Ion) и литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы. Эти аккумуляторы, выпускаемые в различных форм-факторах и с разной емкостью, имеют замечательные электрические характеристики: высокую удельную емкость, низкое внутреннее сопротивление, постоянство напряжения во время разряда, очень низкий саморазряд, большое максимальное количество циклов заряд-разряд, высокую термостабильность и очень большой срок службы.

Но наряду со всеми этими достоинствами у LiFePO4 батарей есть и один серьезный недостаток – они очень капризны к режиму заряда и разряда. Эти батареи не любят превышения максимально допустимого для данного типа батареи напряжения в процессе зарядки и падения напряжения на батарее ниже минимально допустимого уровня при разряде на нагрузку. Нарушение этих требований обычно приводит к резкому снижению емкости батареи и уменьшению ее срока службы (максимального количества циклов заряд-разряд), а в ряде случаев и к воспламенению батареи (особенно это относится к Li-Ion батареям).

Чтобы обеспечить батарее оптимальные условия при заряде и разряде, используют специальные электронные устройства, объединенные под названием BMS (Battery Management System , т.е. система управления батареей), которые сегодня являются неотъемлемой частью любого устройства с батарейным питанием при использовании батарей с химией типа Li-Ion или LiFePO4. Назначение этих устройств состоит именно в обеспечении безопасного режима заряда и разряда батареи. BMS может быть построена различными способами, в зависимости от конструкции батареи, способа соединения и количества банок, может быть встроена в корпус батареи или быть частью зарядного устройства. Одна из характерных особенностей систем BMS – это обеспечение индивидуального контроля каждой банки в составе батареи, т.е. напряжение каждой банки находится под постоянным контролем, и система в любой момент времени точно знает, в каком состоянии находится каждая банка, и может перераспределить зарядный ток между банками, если обнаруживается разбаланс из-за того, что банки немного отличаются друг от друга и заряжаются разными темпами. Кроме того, BMS следит за напряжением каждой банки во время разряда и сигнализирует и/или отключает нагрузку, если напряжение на банке падает ниже минимально допустимого уровня. Вопросы контроля напряжения банок в процессе разряда выходят за рамки данной статьи и далее не рассматриваются.

Все эти особенности и требование надежности в работе делают системы BMS достаточно сложными устройствами.

В статье рассказывается о зарядном устройстве для батареи, составленной из четырех последовательно соединенных банок LiFePO4 (конфигурация типа 4S1P). Каждая такая банка имеет номинальное напряжение 3.2 В и, соответственно, номинальное выходное напряжение всей батареи равно 12.8 В, что делает ее идеально подходящей для замены обычных кислотных 12-вольтовых аккумуляторов.

Описываемое зарядное устройство использует индивидуальный подход к заряду каждой банки и не требует сложной схемы балансировки зарядных токов.

Зарядное устройство рассчитано на зарядку батареи, которая является съемной, т.е. в процессе эксплуатации подключается и вставляется в устройство для работы и отключается и извлекается из него, и подключается к зарядному устройству для заряда. Такие батареи используются в шуруповертах, электродрелях, электрогайковертах, в пылесосах с батарейным питанием и других подобных устройствах.

В зарядном устройстве использованы модули TP5000, которые специально разработаны для зарядки одной банки типа LiFePO4 постоянным током до 2 А (ток заряда можно изменять подбором величины токоизмерительного резистора на плате модуля) и отключением заряда при достижении напряжения на банке, равного 3.60 — 3.65 В. Cразу отметим, что модуль TP5000 может работать и с батареями типа Li-Ion; для этого на самом модуле надо установить перемычку. При этом максимальное напряжения заряда поднимается до 4.2 В, а максимальный ток заряда не изменяется.

Кроме того, преимущество модуля TP5000 еще и в том, что по окончании заряда он контролирует напряжение на банке и при необходимости автоматически подзаряжает банку, если напряжение на ней упало. Для нормальной работы модуля TP5000 необходимо постоянное входное напряжение +5 … +9 В и ток 2 А. Сам модуль TP5000 представляет собой преобразователь постоянного входного напряжения в постоянный выходной ток с контролем напряжения на выходе модуля. В зависимости от напряжения на выходе модуля (напряжения на заряжаемой банке), микросхема TP5000 выбирает один из возможных режимов работы устройства: подготовка к заряду, заряд или поддержание.

TP5000 имеет два светодиода для индикации текущего режима работы; один светодиод горит в режимах подготовки к зарядке и зарядки, второй горит в режиме поддержания. Если выход TP5000 не подключен, микросхема TP5000 чувствует отсутствие нагрузки, выходное напряжение равно входному, и светодиоды включаются и выключаются поочередно (мерцают). Кроме того, модуль TP5000 имеет вход для подключения датчика температуры заряжаемой батареи, но в данном проекте он не используется.

Вид модуля TP5000 показан на Рисунке 1.

Петля обратной связи операционного усилителя.
Рисунок 1. Модуль TP5000 – вид сверху.

Основная идея, положенная в основу зарядного устройства, состоит в таком использовании нескольких модулей TP5000, чтобы каждый модуль контролировал одну банку в батарее. Такой подход обеспечивает индивидуальный контроль напряжения заряда и поддержания. Поскольку зарядное устройство рассчитывалось на работу с батареей из четырех последовательно соединенных банок, оно состоит из четырех независимых каналов заряда. В каждом канале есть источник питания AC2DC, преобразующий переменное напряжение сети в постоянное напряжение +5 В с максимальным током в 2 А. Это напряжение подается на вход модуля TP5000. Выходные провода TP5000 подключаются к выводам заряжаемой банки. Для нормальной работы зарядного устройства необходимо, чтобы батарея имела разъем с выводами от каждой банки.

Рисунок 2. Блок схема зарядного устройства вместе с заряжаемой батареей.

Блок схема зарядного устройства вместе с заряжаемой батареей показана на Рисунке 2. Банки заряжаемой батареи обозначены как Cell_1, Cell_2, Cell_3, Cell_4. Модули TP5000 самого зарядного устройства на Рисунке 2 обозначены как TP_5000_1, TP_5000_2, TP_5000_3, TP_5000_4. Источники питания каждого канала обозначены как AC2DC_1, AC2DC_2, AC2DC_3, AC2DC_4. Цифра в конце обозначения соответствует номеру канала зарядного устройства. Напряжение переменного тока подается на схему через разъем «Вход AC» и предохранитель F1.

Рисунок 3. Принципиальная схема зарядного устройства.

Теперь перейдем к принципиальной схеме всего зарядного устройства (Рисунок 3) и его компонентов. Назначение блоков TP_5000_1, TP_5000_2, TP_5000_3, TP_5000_4, AC2DC_1, AC2DC_2, AC2DC_3, AC2DC_4 было обсуждено выше. Для подключения к заряжаемой батарее используется разъем «К батарее». В схеме предусмотрен дополнительный разъем «К вольтметру», все контакты которого подключены параллельно контактам разъема «К батарее», и назначение которого – подключение внешнего вольтметра для контроля работы устройства. Монтировать этот разъем не обязательно.

Если зарядное устройство планируется использовать только для зарядки батарей конфигурации 4S, то разъемы «К батарее» и «К вольтметру» должны иметь только 5 контактов. Автор использовал разъемы с 26 контактами, так как планировал дальнейшую модификацию этого зарядного устройства.

Рассмотрим схему блока TP_5000_1 (остальные блоки идентичны первому). Схема блока показана на Рисунке 4. Линии Charger_Plus и Charger_Minus подают напряжение +5 В от источника питания канала на модуль TP5000. Линии Cell_Plus и Cell_Minus идут на разъемы «К батарее» и «К вольтметру», и далее к заряжаемой банке в батарее. Блокировочные конденсаторы C2 , C5 уменьшают возможные ВЧ помехи на линиях. Светодиоды LED_CHARGE_ON_1 и LED_IDLE_1 показывают текущее состояние модуля TP5000.

Рисунок 4. Схема блока TP_5000_1.

Теперь рассмотрим блок AC2DC_1 (остальные блоки абсолютно идентичны первому). Его схема показана на Рисунке 5.

Рисунок 5. Схема блока AC2DC_1.

Как видно из схемы, блок предельно прост. Он состоит из источника постоянного тока AC1 типа HAW10-220S05, который подключается к сети переменного тока (линии AC_N_IN и AC_L_IN) и выдает на выход (линии DC_Minus и DC_Plus) постоянное напряжение +5 В с максимальным током 2 А.

Собранное устройство - вид сверху.
Рисунок 6. Собранное устройство – вид сверху.

Теперь несколько слов о конструкции устройства. Готовое устройство показано на Рисунке 6 (вид сверху), Рисунке 7 (вид снизу) и Рисунке 8.

Собранное устройство - вид снизу.
Рисунок 7. Собранное устройство – вид снизу.

На Рисунке 8 изображено зарядное устройство в работе с подключенной батарей LiFePO4 конфигурации 4S1P и вольтметром, подключенным ко второму разъему и показывающим напряжение на каждой банке и общее напряжение на батарее. Видно, что батарея еще не полостью заряжена – напряжение на ней равно 14.3 В, тогда как напряжение на полностью заряженной батарее должно быть в диапазоне 14.4-14.6 В. Видно также, что в каждом из каналов горит светодиод LED_CHARGE_ON, показывающий, что канал находится в режиме зарядки.

Зарядное устройство в работе.
Рисунок 8. Зарядное устройство в работе.

Рекомендации по сборке устройства

Kак видно из принципиальной схемы, ключевой элемент устройства – зарядный модуль TP5000. На рынке представлено несколько вариантов этого модуля. Все они собраны на микросхеме TP5000 и имеют одинаковую принципиальную схему, но расположением выводов и размерами могут отличаться.

Второй по значимости элемент – источник питания AC_1. Автор использовал источник типа HAW10-220S05 с выходными параметрами +5 В/ 2 А. Любой другой источник с аналогичными параметрами подойдет для работы в данном проекте. Такие источники продаются в разных вариантах исполнения с разным расположением выводов и габаритами. Остальные элементы проекта стандартные, и их конкретный выбор – дело вкуса и возможностей.

Учитывая разницу в расположении выводов и габаритах используемых компонентов, при повторении конструкции автор рекомендует, прежде всего, приобрести компоненты, и уже после этого решать, каким образом их скомпоновать.

Зарядное устройство было собрано в двух экземплярах. Оба модуля используются для зарядки батарей конфигурации 4S1P емкостью 2 А·ч и 20 А·ч уже более года без проблем или нареканий.

Источник



Как выбрать или сделать самому контроллер заряда автоаккумулятора?

01.06.2021 4 699 АКБ

Аккумулятор вместе с генератором являются устройствами, обеспечивающими автомобиль электропитанием. От степени зарядки батареи зависит успешный старт машины и работа приборов, входящих в электрическую сеть при выключенном двигателе. Поэтому важно следить за ее зарядкой. Для контроля зарядки предназначен контроллер заряда автомобильной АКБ. В статье описывается принцип действия устройства, дается инструкция по изготовлению своими руками.

Если не контролировать зарядку, то недозаряд аккумулятора грозит тем, что в один прекрасный момент может не завестись двигатель, особенно в зимний период. Проверить напряжение на клеммах устройства можно с помощью мультиметра. Если говорит контрольная лампа заряда аккумуляторной батареи на приборной панели, это говорит о том, что у батареи низкая зарядка. Но горение лампочки малоинформативно.

Читайте также:  Как пользоваться зарядным устройством орион pw160

Что такое контролер заряда аккумулятора и какие функции он выполняет?

Контроллер заряда аккумулятора — это специальное устройство, которое автоматически регулирует уровень тока и напряжения в устройстве. Заряд аккумулятора определяется разницей напряжения между двумя клеммами. Таким образом, контроллер предохраняет аккумулятор от избыточного перенапряжения и соответственно повреждения.
Однако, если рассуждать логически, многие приборы могут с легкостью обойтись без контроллера. Если подсоединить устройство напрямую к источнику напряжения, при этом контролируя силу тока и значение напряжения, можно избежать повреждений. Хотя в этом случае заряд устройства будет ниже — 70% от общей емкости аккумулирующего устройства. Таким образом, можно сделать вывод, что контроллер заряда позволяет зарядить устройство на 100%.

Если говорить о том, какие задачи выполняет контроллер, можно сказать:

  • Модуль защиты аккумулятора оптимизирует всю систему питания, что позволяет устройству сохранить свои внутренние ресурсы.
  • Кроме этого, контроллер позволяет избежать перегрузки системы, что может привести к поломкам основных механизмов.

Параметры выбора

Критериев выбора всего два:

  1. Первый и очень важный момент – это входящее напряжение. Максимум данного показателя должен быть выше примерно на 20% от напряжения холостого хода солнечной батареи.
  2. Вторым критерием является номинальный ток. Если выбирается типаж PWN, то его номинальный ток должен быть выше, чем ток короткого замыкания у батареи примерно на 10%. Если выбирается МРРТ, то его основная характеристика – это мощность. Этот параметр должен быть больше, чем напряжение всей системы, умноженной на номинальный ток системы. Для расчетов берется напряжение при разряженных аккумуляторах.

Что такое контроллер и какие разновидности этого устройства существуют?

Стандартных схем контроллеров не существует, однако все они имеют схожие черты. Как правило, большинство из них включают в себя два подстроечных резистора, который контролируют максимумы и минимумы напряжения. Кроме этого, в каждом контроллере есть обмотка реле, которое контролирует диапазон границ. Таким образом, если в аккумуляторе установлена максимальная граница в 15 В, устройство не сможет генерировать энергию выше этого предела.

В зависимости от строения контроллеры могут быть:

  • простой контроллер или универсальный;
  • гибридный контроллер.

Среди устройств, позволяющих контролировать данные параметры, различают:

  • контроллеры типа ВКЛ/ВЫКЛ;
  • Pulse width modulation (PWM) контроллер, или широтно-импульсный модулятор;
  • Maximum power point tracking (MPPT) контроллер или контроллер, который следит за направлением солнечных лучей.

Контроллеры типа ВКЛ/ВЫКЛ

Этот модуль выполняет функцию выключения аккумуляторов от источника при предельных нагрузках. На сегодняшний день, эти контроллеры используются довольно редко и считаются одним из самых примитивных. Принцип действия контроллера построен на постоянном контроле определенных значений генератора и плеча аккумулирующего устройства. Включение контроллера происходит тогда, когда напряжение на батарее будет ниже номинала, либо будет находиться в пределах параметров напряжения. Выключение устройства происходит в том случае, если напряжение превышает лимит нагрузки, которую может выдержать контроллер. Такие контроллеры широко используются в системах с прогнозируемой нагрузкой, к примеру, в системах аварийного освещения и сигнализации (контроллер заряда-разряда hcx-2366).

Функции

Контролеры созданы для:

  1. Наблюдения за процессом зарядки. При восстановлении емкости от 0 до 10% работает предварительное накопление емкости. От 10 до 70-80% происходит увеличение скорости наполнения постоянным током. Дозарядка проходит медленнее, из-за увеличившегося сопротивления в цепи.
  2. Регулировки просадок. Защищает электрическую цепь от короткого замыкания, просадок напряжения.
  3. Блокировки перезаряда. У каждой батареи есть лимит максимального напряжения (у Li-Ion он составляет около 4,2 В). Достигнув указанной цифры, питание автоматически отключается, препятствуя вздутию и взрыву АКБ.
  4. Защиты от глубокой разрядки. Если напряжение аккумулятора падает ниже критического значения (3 В в Li-Ion), происходит потеря номинальной емкости, уменьшается время автономной работы.
  5. Балансировки. Следит за равномерной зарядкой всех звеньев электросхемы, увеличивая срок службы элемента питания.
  6. Наблюдения за температурой. При перегреве или переохлаждении срабатывает терморезистор, который отключает питание, поданное на батарею.

Все параметры задают микросхеме или контролеру на этапе производства.

PWM контроллер

Микросхемы управления типа PWM являются самыми современными и многофункциональными с технической точки зрения. Такие устройства позволяют в автоматическом режиме отслеживать значения напряжения и силы тока. После того, как достигается максимально возможное значение, контроллер фиксирует его на плате для стабилизации аккумулирующего устройства. Благодаря этому, достигается максимальная емкость аккумулятора. Данный тип контроллеров имеет и другое название, которое встречается чаще — это ШИМ-контроллеры. Если расшифровать сокращенную аббревиатуру, то получится такое понятие как широтно-импульсный модулятор. Чаще всего такие устройства встречаются в теле- и радиотехнике. Кроме этого, их можно найти в некоторых бытовых приборах и импульсных блоках питания.

Принцип действия PWM контроллера

Напряжение от стандартной солнечной панели переходит по двум проводникам к стабилизирующему элементу. За счет этого, происходит выравнивание потенциалов входного напряжения. После этого напряжение поступает в транзисторы, которые стабилизируют входящие напряжение и ток. Вся система управляется за счет драйвера. Схема устройства включает в себя датчик температуры и драйвер. Данные устройства контролируются силовыми транзисторами, количество которых зависит от мощности устройства. Датчик температуры отвечает за состояние нагрева элементов контроллера. Обычно он находится на радиаторах силовых транзисторов, либо внутри корпуса. От этого его функциональность не меняется. Если температура превышает заданные границы, устройство автоматически отключается.

Способы подключения

Подключение завит от типа устройства.

Специально для пользователей, рядом с клеммами есть обозначения, что к ним подключать. Необходимо учесть строгую последовательность: 1. Подключите аккумулятор. 2. Включите предохранитель на плате, рядом с «+». 3. Вставьте контакты солнечных батарей. 4. Подсоедините контрольную лампу с напряжением 12 или 24 В.

Важно производить подключение в строгой последовательности, учитывая маркировки, нанесенные на клеммы и полярность проводов.

Подключение заметно отличается от ШИМ:

  1. Солнечную панель подключают к инвертору.
  2. От него плюс заводят в прибор. На минусовой кабель ставят предохранитель.
  3. Ко второму плюсу и минусу подключают АКБ с использованием предохранителей.
  4. Инвертор и контроллер подключают к заземлению.

Последовательность и тип подключения будет незначительно отличаться:

  1. Переведите клеммы в неактивное положение.
  2. Достаньте предохранители.
  3. Подсоедините батареи.
  4. Подключите солнечные батареи.
  5. Позаботьтесь о заземлении.
  6. Добавьте в цепь датчик температуры.
  7. Верните предохранители, активируйте клеммы.

Широтно-импульсный модулятор

MPPT контроллер — это модуль контроля электричества, который используется для генерации энергии на солнечных электростанциях. Микросхема устройства работает с максимальными значениями КПД и дает высокие показатели на выходе. Микросхема, в которую входит контроллер данного типа, достаточно сложная и включает в себя ряд устройств, которые выстраивают необходимый порядок контроля. Эта последовательность позволяет контролировать уровни напряжения и тока постоянно, при этом выдавая максимум мощности устройства на выходе. Главным отличием в конфигурации широтно-импульсного модулятора от PWM устройств считается то, что они способны активизировать свой солнечный модуль под погодные условия. Таким образом, мощность при любой погоде будет максимальная, независимо от продолжительности нахождения на солнце.

Изготовление платы

Для работы потребуется:

  • Стеклотекстолит фольгированный;
  • Наждачная бумага (очень мелкозернистая и нулёвка);
  • Растворитель для обезжиривания;
  • Глянцевая бумага для лазерного принтера (1 лист);
  • Утюг;
  • Лимонная кислота;
  • Перекись водорода;
  • Соль пищевая;

Для платы понадобится кусок текстолита размером 4Х6 сантиметра. Обрезать её в нужный размер лучше ножовкой по металлу. Потому что при работе ножницами текстолит может расслоиться и появятся грубые заусенцы.

Обязательно обрабатываем кромку мелкой наждачной шкуркой. Чтобы снять слой оксидной плёнки, очень аккуратно обрабатываем поверхность нулёвкой.

Последний подготовительный этап – обезжиривание. Но это перед тем как приложить распечатанную схему.

Как грамотно выбрать контроллер заряда аккумулятора?

Для того, чтобы выбрать нужный контроллер, необходимо определиться с функцией, которую будет нести данное устройство и с масштабом всей установки. Если предполагается сборка небольшой солнечной системы, которая будет контролировать бытовые приборы с мощностью не более двух киловатт, то достаточно установки PWM контроллера. Если же речь идет о более мощной системе, которая будет контролировать сетевое электричество и работать в автономном режиме, тогда необходима установка MTTP контроллера. Все зависит от напряжения которое поступает на контроллер аккумулирующего устройства. PWM-контроллера способны выдержать показатели до 5 кВт, в свою очередь MTTP-модули выдерживают до 50 кВт.

Режим КТЦ АКБ

При старте программы включается заряд АБ с током Is. Через 1 сек АБ переключается на разряд с током Ii. Еще через 1 сек АБ снова переключается на заряд. Так продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет Umax – программа останавливается. Индикация КТЦ выкл. Если напряжение стало выше Umax на 0.2 – остановка программы, индикация ERROR. Если ток заряда или разряда превысил установленные на 0.2 – остановка программы, индикация ERROR.

Если истекло время заряда (параметр H) – остановка программы, индикация ERROR в верхней строке. В нижней строке надпись Time out.

Выбранный режим после отключения от сети не запоминается. При включении всегда режим зарядка.

Как работают электронные модули солнечной батареи?

Микроконтроллеры, или электронные модули, которые являются неотъемлемым элементом солнечной батареи, предназначены для ряда функций, позволяющих сохранять энергию солнечной панели. Генерация энергии солнечной батареей обусловлена падением на ее поверхность солнечных лучей. Благодаря фотоэлементам, солнечных свет генерирует электрический ток. Полученная энергия попадает на контроллер заряда аккумулятора, который отслеживает потребление энергии. Данное устройство регулирует и устанавливает предельное значение силы тока и пропускает ее в аккумулятор-накопитель. Чисто теоретически, без контроллера заряда можно было бы обойтись. Таким образом, вся полученная энергия напрямую бы попадала в аккумулятор. однако, при этом возникал бы риск постоянных перегрузок системы, которые бы в скором времени выводили устройство из строя. Самым ярким примером такого устройства является литий-ионный аккумулятор, который устанавливается в телефонах, планшетах, зарядных устройствах для ноутбуков и других современных гаджетах.

Читайте также:  Аккумуляторное автономное зарядное устройство

Как сделать своими руками

Если нет возможности приобрести уже готовый продукт, то его можно создать своими руками. Но если разобраться в том, как работает контроллер заряда солнечной батареи довольно просто, то вот создать его будет уже сложнее. При создании стоит понимать, что такой прибор будет хуже аналога, произведенного на заводе.

Источник

Контроллер заряда аккумулятора

Пост опубликован: 22 апреля, 2020

Самодельный контроллер для зарядки аккумулятора – простой и надёжный

Купить контроллер для зарядки АКБ чрезвычайно просто, стоит он дёшево, но надёжность таких устройств внушает опасения. Неизвестно на чём в этот раз сэкономят китайские производители. А вот собранный своими руками контроллер зарядки аккумулятора, будет безотказным! Ведь собрали его не для продажи, а для долгой эксплуатации.

Назначение и схема зарядного контролера

Предлагаемый к самостоятельной сборке контроллер чрезвычайно простой, и поэтому безотказный. Он прекрасно дополняет альтернативные источники энергии, такие как ветрогенераторы или солнечные панели. Особых знаний в схемотехнике и пайке не потребуется. Разумеется, что если паяльник вы не пользовались по назначению, то лучше потренироваться на каких-то ненужных проводках, чтобы случайно не перегреть рабочие детали.

В базовую схему добавлены несколько элементов, которые делают работу контролера более стабильной. Например, сопротивления 15-18 , подбирались эмпирически. Они устранили спонтанный нагрев таймера-микросхемы ( 3 ) и сделали установку значений подстроечных резисторов ( 1 и 2 ) более точной. Дополнительно, реле ( 10 ) было припаяно «навесным монтажом». Для неопытных радиолюбителей это будет существенным подспорьем в работе, и такой вариант делает плату универсальной, т.е. с реле можно экспериментировать в процесс эксплуатации.

Установка полевого транзистора IRF 540 обусловлена тем, что сигнал от таймера NE 555 выходит с напряжением 5V, а реле 1N4007 12-тивольтовое.

Принципы работы контроллера заряда АКБ

После выставления нужных параметров на подстроечных резисторах и включении прибора в систему, работа контроллера происходит следующим образом:

  1. Аккумулятор получает зарядный ток до достижения выставленного уровня напряжения. Затем зарядка останавливается, а напряжение с альтернативного источника энергии направляется только к потребителю.
  2. При разрядке аккумулятора до нижнего предела, выставленного в подстроечном резисторе ( 1 ), автоматически включается зарядка.

Обратите внимание, что в автоматическом режиме, во время зарядки питание к потребителю от АКБ не подаётся. Для того чтобы подать напряжение, есть кнопки 11 и 13 , которые работают в ручном режиме.

ВАЖНО: данный контроллер заряда аккумулятора ориентирован за продление ресурса работы АКБ! Он строго лимитирует превышение уровня зарядки и разрядки. С этой задачей такая схема справляется на 100%!

Список деталей контроллера зарядки АКБ

Каждая деталь пронумерована в снимке, а на схеме видно размещение резисторов 12 и 12/1 , они припаяны с обратной стороны платы.

1 Подстроечный резистор (установка нижнего предела ≈11,8 V);

2 Подстроечный резистор (установка верхнего предела ≈14,4 V (оба резистора на 10 kOm);

3 Таймер — Микросхема NE 555 + гнездо для микросхемы;

4 Стабилизатор напряжения LM7805 (5V);

5 Конденсатор неполярный 330 nF (на вход);

6 Конденсатор неполярный 100 nF (на выход);

7 Полевой транзистор IRF 540;

8 Биполярный NPN транзистор 2N3904;

9 Светодиоды индикации: синий и красный;

10 Реле 1N4007 (12 вольт 10 ампер);

11 Резистор 300 Om + провод для отключения «Режима заряда»(оформляется на корпусе);

12/12-1 Резисторы 100 Om + 330 Om (припаяны с обратной стороны);

13 На кнопку включения «Режима зарядки» (оформляется на корпусе);

14 Радиатор;

15 Резистор 1,5 kOm;

16 Резистор 39 kOm;

17 Резистор 6,2 kOm;

18 Резистор 30 kOm;

19/20/21 Резистор 1 kOm;

На этой схеме обозначены места фиксации каждой детали.

Изготовление платы

Для работы потребуется:

  • Стеклотекстолит фольгированный;
  • Наждачная бумага (очень мелкозернистая и нулёвка);
  • Растворитель для обезжиривания;
  • Глянцевая бумага для лазерного принтера (1 лист);
  • Утюг;
  • Лимонная кислота;
  • Перекись водорода;
  • Соль пищевая;

Для платы понадобится кусок текстолита размером 4Х6 сантиметра. Обрезать её в нужный размер лучше ножовкой по металлу. Потому что при работе ножницами текстолит может расслоиться и появятся грубые заусенцы.

Обязательно обрабатываем кромку мелкой наждачной шкуркой. Чтобы снять слой оксидной плёнки, очень аккуратно обрабатываем поверхность нулёвкой.

Последний подготовительный этап – обезжиривание. Но это перед тем как приложить распечатанную схему.

На лазерном принтере, перед распечаткой схемы, надо убрать функцию «Экономия тонера», чтобы отпечаток был насыщенным. Использование глянцевой бумаги предпочтительнее потому, что она менее гигроскопичная, и тонер не будет впитываться в структуру материала.

СОВЕТ: распечатайте на одном листе несколько одинаковых рисунков. Если что-то пойдёт не так, но под рукой всегда окажется дубликат.

Полученное изображение обрезаем в размер, не касаясь пальцами лицевой стороны снимка.

Расстелите на ровный стол салфетку, совместите снимок с текстолитом и аккуратно уложите этот «бутерброд» на подготовленную подложку.

Максимально разогретым утюгом придавите на 30-40 секунд заготовку. Без всяких движений, чтобы не было смещения, поднимите утюг. Теперь накройте бумажной салфеткой в 3-4 слоя, и ещё раз прижмите утюгом, примерно на 1 минуту.

Затем можно сделать несколько разглаживающих движений. Утюг снимаем, текстолит с пристывшим к нему листом фотобумаги на 2-3 минут опускаем в тёплую воду, чтобы отмокла целлюлозная основа.

Аккуратно снимаем бумагу и ватной палочкой смоченной в спирте удаляем её остатки. На фольгированном стеклотекстолите должен остаться тонер на месте будущих дорожек.

Травление платы контроллера зарядки АКБ

Предлагаемый состав для травления состоит из наиболее доступных реактивов и обладает хорошей химической активностью. Единственный его недостаток перед растворами на основе хлорного железа и медного купороса, это невозможность длительного хранения.

В 100 мл перекиси сначала растворяют 30 гр. лимонной кислоты, затем добавляют поваренную соль и перемешивают до тех пор, пока не останется кристаллов.

СОВЕТ: если нет перекиси водорода, то растворите 6 таблеток Гидроперита в 100 мл. воды.

Готовый реактив наливаем в пластиковый контейнер и аккуратно опускаем заготовку платы.

Лучше её положить лицевой стороной вверх, потому что образующиеся газовые пузырьки будут изменять скорость реакции на разных участках текстолита.

Рекомендуется чуть шевелить заготовку, касаясь её края зубочисткой или соломинкой. Можно чуть «помочь» травлению кисточкой. При температуре раствора 25-30˚C, процесс занимает 25-35 минут.

Протравленную заготовку промываем под струёй холодной воды, высушиваем и удаляем тонер нулёвкой. Работать абразивной шкуркой надо без нажима и фанатизма. Достаточно нескольких лёгких движений.

ВАЖНО: следите чтобы не удалить слой медной фольги!

Можно сделать несколько движений наждачной бумагой, а потом тщательно протереть поверхность салфеткой смоченной в уайт-спирите.

Финишная подготовка платы

Для сверления отверстий используют сверло 0,8 мм. Стеклотекстолит сверлиться достаточно легко, но всё равно следите, чтобы дрель была направлено строго вертикально, а рука не дрожала.

СОВЕТ: положите плату на деревянный брусок, просверлите два угловых отверстия по диагонали и через них зафиксируйте заготовку тонким сапожным гвоздиком или отточенной скрепкой. Остальные отверстия можно сверлить, удерживая дрель двумя руками.

После сверления нулёвкой надо аккуратно удалить заусенцы.

Для более лёгкого лужения дорожек, рекомендуется приготовить спирто-канифольный флюс. Для этого 5 гр. порошка канифоли, растворяют в 20 мл. спирта. Удобнее это делать в пузырьке от «лака для ногтей».

Спирто-канифольным флюсом покрывают всю поверхность платы, а затем тонким слоем наносят припой на медные дорожки.

По окончании лужения, канифоль необходимо удалить с поверхности платы. Так как канифоль на 90% состоит из дитерпеновых кислот, то её остатки вызывают коррозию металлов. Удаляют канифоль спиртом или ацетоном.

Пайка деталей на плату

Этот процесс описывать невозможно, необходимо просто по очереди устанавливать детали в свои гнёзда, и припаивать их. Если вы никогда до этого не паяли, то потренируйтесь на обрезках стеклотекстолита и кусочке медного проводка.

Очень важно не допустить перегрева деталей и не залить припоем соседние гнёзда и дорожки, чтобы не сформировалась перемычка. Тщательно контролируйте этот аспект пайки.

Перед установкой радиодеталей в посадочные гнёзда, нанесите на них спирто-канифольный флюс.

Сборка в корпус и проверка

Корпус подбирается индивидуально. Его можно склеить самостоятельно из пластика, или купить что-то более-менее подходящее. Места для вывода светодиодов и кнопок ручного управления определяют после фиксации платы. При желании, можно сделать отверстие для подстроечного резистора.

Не старайтесь сразу брать очень маленький корпус.

Для проверки контроллера заряда аккумулятора потребуется регулируемый преобразователь DC\DC, которым будет имитироваться напряжение на клеммах АКБ.

Нормально разомкнутый вывод реле, подключается к мультиметру в режиме прозвонки.

Когда аккумулятора заряжен, и нагрузка к нему подключена, то мультиметр подаёт непрерывный сигнал, а на контроллер горит синий светодиод.

Как только напряжение упадёт ниже выставленного предела, то включается зарядка. На контроллере заряда загорается красный светодиод, а на табло мультиметра меняется индикация.

Всё, контроллер заряда аккумулятора готов, можно пользоваться.

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:

Спасибо, что дочитали до конца! Также Не забывайте подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!

Следите за нами в твиттере: https://twitter.com/Alter2201

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши комментарии

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.

Источник

Зарядное устройство для батарей LiFePO4 с индивидуальным контролем заряда каждой банки

Top Power ASIC TP5000

Михаил Гурович, США

В последние несколько лет, став доступными и популярными, получили широкое распространение литий-ионные (Li-Ion) и литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы. Эти аккумуляторы, выпускаемые в различных форм-факторах и с разной емкостью, имеют замечательные электрические характеристики: высокую удельную емкость, низкое внутреннее сопротивление, постоянство напряжения во время разряда, очень низкий саморазряд, большое максимальное количество циклов заряд-разряд, высокую термостабильность и очень большой срок службы.

Читайте также:  Выходное напряжение зарядных устройств сотовых телефонов

Но наряду со всеми этими достоинствами у LiFePO4 батарей есть и один серьезный недостаток – они очень капризны к режиму заряда и разряда. Эти батареи не любят превышения максимально допустимого для данного типа батареи напряжения в процессе зарядки и падения напряжения на батарее ниже минимально допустимого уровня при разряде на нагрузку. Нарушение этих требований обычно приводит к резкому снижению емкости батареи и уменьшению ее срока службы (максимального количества циклов заряд-разряд), а в ряде случаев и к воспламенению батареи (особенно это относится к Li-Ion батареям).

Чтобы обеспечить батарее оптимальные условия при заряде и разряде, используют специальные электронные устройства, объединенные под названием BMS (Battery Management System , т.е. система управления батареей), которые сегодня являются неотъемлемой частью любого устройства с батарейным питанием при использовании батарей с химией типа Li-Ion или LiFePO4. Назначение этих устройств состоит именно в обеспечении безопасного режима заряда и разряда батареи. BMS может быть построена различными способами, в зависимости от конструкции батареи, способа соединения и количества банок, может быть встроена в корпус батареи или быть частью зарядного устройства. Одна из характерных особенностей систем BMS – это обеспечение индивидуального контроля каждой банки в составе батареи, т.е. напряжение каждой банки находится под постоянным контролем, и система в любой момент времени точно знает, в каком состоянии находится каждая банка, и может перераспределить зарядный ток между банками, если обнаруживается разбаланс из-за того, что банки немного отличаются друг от друга и заряжаются разными темпами. Кроме того, BMS следит за напряжением каждой банки во время разряда и сигнализирует и/или отключает нагрузку, если напряжение на банке падает ниже минимально допустимого уровня. Вопросы контроля напряжения банок в процессе разряда выходят за рамки данной статьи и далее не рассматриваются.

Все эти особенности и требование надежности в работе делают системы BMS достаточно сложными устройствами.

В статье рассказывается о зарядном устройстве для батареи, составленной из четырех последовательно соединенных банок LiFePO4 (конфигурация типа 4S1P). Каждая такая банка имеет номинальное напряжение 3.2 В и, соответственно, номинальное выходное напряжение всей батареи равно 12.8 В, что делает ее идеально подходящей для замены обычных кислотных 12-вольтовых аккумуляторов.

Описываемое зарядное устройство использует индивидуальный подход к заряду каждой банки и не требует сложной схемы балансировки зарядных токов.

Зарядное устройство рассчитано на зарядку батареи, которая является съемной, т.е. в процессе эксплуатации подключается и вставляется в устройство для работы и отключается и извлекается из него, и подключается к зарядному устройству для заряда. Такие батареи используются в шуруповертах, электродрелях, электрогайковертах, в пылесосах с батарейным питанием и других подобных устройствах.

В зарядном устройстве использованы модули TP5000, которые специально разработаны для зарядки одной банки типа LiFePO4 постоянным током до 2 А (ток заряда можно изменять подбором величины токоизмерительного резистора на плате модуля) и отключением заряда при достижении напряжения на банке, равного 3.60 — 3.65 В. Cразу отметим, что модуль TP5000 может работать и с батареями типа Li-Ion; для этого на самом модуле надо установить перемычку. При этом максимальное напряжения заряда поднимается до 4.2 В, а максимальный ток заряда не изменяется.

Кроме того, преимущество модуля TP5000 еще и в том, что по окончании заряда он контролирует напряжение на банке и при необходимости автоматически подзаряжает банку, если напряжение на ней упало. Для нормальной работы модуля TP5000 необходимо постоянное входное напряжение +5 … +9 В и ток 2 А. Сам модуль TP5000 представляет собой преобразователь постоянного входного напряжения в постоянный выходной ток с контролем напряжения на выходе модуля. В зависимости от напряжения на выходе модуля (напряжения на заряжаемой банке), микросхема TP5000 выбирает один из возможных режимов работы устройства: подготовка к заряду, заряд или поддержание.

TP5000 имеет два светодиода для индикации текущего режима работы; один светодиод горит в режимах подготовки к зарядке и зарядки, второй горит в режиме поддержания. Если выход TP5000 не подключен, микросхема TP5000 чувствует отсутствие нагрузки, выходное напряжение равно входному, и светодиоды включаются и выключаются поочередно (мерцают). Кроме того, модуль TP5000 имеет вход для подключения датчика температуры заряжаемой батареи, но в данном проекте он не используется.

Вид модуля TP5000 показан на Рисунке 1.

Петля обратной связи операционного усилителя.
Рисунок 1. Модуль TP5000 – вид сверху.

Основная идея, положенная в основу зарядного устройства, состоит в таком использовании нескольких модулей TP5000, чтобы каждый модуль контролировал одну банку в батарее. Такой подход обеспечивает индивидуальный контроль напряжения заряда и поддержания. Поскольку зарядное устройство рассчитывалось на работу с батареей из четырех последовательно соединенных банок, оно состоит из четырех независимых каналов заряда. В каждом канале есть источник питания AC2DC, преобразующий переменное напряжение сети в постоянное напряжение +5 В с максимальным током в 2 А. Это напряжение подается на вход модуля TP5000. Выходные провода TP5000 подключаются к выводам заряжаемой банки. Для нормальной работы зарядного устройства необходимо, чтобы батарея имела разъем с выводами от каждой банки.

Рисунок 2. Блок схема зарядного устройства вместе с заряжаемой батареей.

Блок схема зарядного устройства вместе с заряжаемой батареей показана на Рисунке 2. Банки заряжаемой батареи обозначены как Cell_1, Cell_2, Cell_3, Cell_4. Модули TP5000 самого зарядного устройства на Рисунке 2 обозначены как TP_5000_1, TP_5000_2, TP_5000_3, TP_5000_4. Источники питания каждого канала обозначены как AC2DC_1, AC2DC_2, AC2DC_3, AC2DC_4. Цифра в конце обозначения соответствует номеру канала зарядного устройства. Напряжение переменного тока подается на схему через разъем «Вход AC» и предохранитель F1.

Рисунок 3. Принципиальная схема зарядного устройства.

Теперь перейдем к принципиальной схеме всего зарядного устройства (Рисунок 3) и его компонентов. Назначение блоков TP_5000_1, TP_5000_2, TP_5000_3, TP_5000_4, AC2DC_1, AC2DC_2, AC2DC_3, AC2DC_4 было обсуждено выше. Для подключения к заряжаемой батарее используется разъем «К батарее». В схеме предусмотрен дополнительный разъем «К вольтметру», все контакты которого подключены параллельно контактам разъема «К батарее», и назначение которого – подключение внешнего вольтметра для контроля работы устройства. Монтировать этот разъем не обязательно.

Если зарядное устройство планируется использовать только для зарядки батарей конфигурации 4S, то разъемы «К батарее» и «К вольтметру» должны иметь только 5 контактов. Автор использовал разъемы с 26 контактами, так как планировал дальнейшую модификацию этого зарядного устройства.

Рассмотрим схему блока TP_5000_1 (остальные блоки идентичны первому). Схема блока показана на Рисунке 4. Линии Charger_Plus и Charger_Minus подают напряжение +5 В от источника питания канала на модуль TP5000. Линии Cell_Plus и Cell_Minus идут на разъемы «К батарее» и «К вольтметру», и далее к заряжаемой банке в батарее. Блокировочные конденсаторы C2 , C5 уменьшают возможные ВЧ помехи на линиях. Светодиоды LED_CHARGE_ON_1 и LED_IDLE_1 показывают текущее состояние модуля TP5000.

Рисунок 4. Схема блока TP_5000_1.

Теперь рассмотрим блок AC2DC_1 (остальные блоки абсолютно идентичны первому). Его схема показана на Рисунке 5.

Рисунок 5. Схема блока AC2DC_1.

Как видно из схемы, блок предельно прост. Он состоит из источника постоянного тока AC1 типа HAW10-220S05, который подключается к сети переменного тока (линии AC_N_IN и AC_L_IN) и выдает на выход (линии DC_Minus и DC_Plus) постоянное напряжение +5 В с максимальным током 2 А.

Собранное устройство - вид сверху.
Рисунок 6. Собранное устройство – вид сверху.

Теперь несколько слов о конструкции устройства. Готовое устройство показано на Рисунке 6 (вид сверху), Рисунке 7 (вид снизу) и Рисунке 8.

Собранное устройство - вид снизу.
Рисунок 7. Собранное устройство – вид снизу.

На Рисунке 8 изображено зарядное устройство в работе с подключенной батарей LiFePO4 конфигурации 4S1P и вольтметром, подключенным ко второму разъему и показывающим напряжение на каждой банке и общее напряжение на батарее. Видно, что батарея еще не полостью заряжена – напряжение на ней равно 14.3 В, тогда как напряжение на полностью заряженной батарее должно быть в диапазоне 14.4-14.6 В. Видно также, что в каждом из каналов горит светодиод LED_CHARGE_ON, показывающий, что канал находится в режиме зарядки.

Зарядное устройство в работе.
Рисунок 8. Зарядное устройство в работе.

Рекомендации по сборке устройства

Kак видно из принципиальной схемы, ключевой элемент устройства – зарядный модуль TP5000. На рынке представлено несколько вариантов этого модуля. Все они собраны на микросхеме TP5000 и имеют одинаковую принципиальную схему, но расположением выводов и размерами могут отличаться.

Второй по значимости элемент – источник питания AC_1. Автор использовал источник типа HAW10-220S05 с выходными параметрами +5 В/ 2 А. Любой другой источник с аналогичными параметрами подойдет для работы в данном проекте. Такие источники продаются в разных вариантах исполнения с разным расположением выводов и габаритами. Остальные элементы проекта стандартные, и их конкретный выбор – дело вкуса и возможностей.

Учитывая разницу в расположении выводов и габаритах используемых компонентов, при повторении конструкции автор рекомендует, прежде всего, приобрести компоненты, и уже после этого решать, каким образом их скомпоновать.

Зарядное устройство было собрано в двух экземплярах. Оба модуля используются для зарядки батарей конфигурации 4S1P емкостью 2 А·ч и 20 А·ч уже более года без проблем или нареканий.

Источник