3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Дорабока контроллера аккумуляторов мобильных телефонов

Модули защиты и контроллеры заряд/разряд для Li-ion аккумуляторов

Для начала нужно определиться с терминологией.

Как таковых контроллеров разряда-заряда не существует. Это нонсенс. Нет никакого смысла управлять разрядом. Ток разряда зависит от нагрузки — сколько ей надо, столько она и возьмет. Единственное, что нужно делать при разряде — это следить за напряжением на аккумуляторе, чтобы не допустить его переразряда. Для этого применяют защиту от глубокого разряда.

При этом, отдельно контроллеры заряда не только существуют, но и совершенно необходимы для осуществления процесса зарядки li-ion аккумуляторов. Именно они задают нужный ток, определяют момент окончания заряда, следят за температурой и т.п. Контроллер заряда является неотъемлемой частью любого зарядного устройства для литиевого аккумулятора.

Другими словами, когда говорят о контроллере заряда/разряда, речь идет о встроенной почти во все литий-ионные аккумуляторы защите (PCB- или PCM-модулях). Вот она:

И вот тоже они:

Очевидно, что платы защиты представлены в различных форм-факторах и собраны с применением различных электронных компонентов. В этой статье мы как раз и рассмотрим варианты схем защиты Li-ion аккумуляторов (или, если хотите, контроллеров разряда/заряда).

Контроллеры заряда-разряда

Раз уж это название так хорошо укрепилось в обществе, мы тоже будем его использовать. Начнем, пожалуй, с наиболее распространенного варианта на микросхеме DW01 (Plus).

DW01-Plus

Такая защитная плата для аккумуляторов li-ion встречается в каждом втором аккумуляторе от мобильника. Чтобы до нее добраться, достаточно просто оторвать самоклейку с надписями, которой обклеен аккумулятор.

Сама микросхема DW01 — шестиногая, а два полевых транзистора конструктивно выполнены в одном корпусе в виде 8-ногой сборки.

Вывод 1 и 3 — это управление ключами защиты от разряда (FET1) и перезаряда (FET2) соответственно. Пороговые напряжения: 2.4 и 4.25 Вольта. Вывод 2 — датчик, измеряющий падение напряжения на полевых транзисторах, благодаря чему реализована защита от перегрузки по току. Переходное сопротивление транзисторов выступает в роли измерительного шунта, поэтому порог срабатывания имеет очень большой разброс от изделия к изделию.

Паразитные диоды, встроенные в полевики, позволяют осуществлять заряд аккумулятора, даже если сработала защита от глубокого разряда. И, наоборот, через них идет ток разряда, даже в случае закрытого при перезаряде транзистора FET2.

Вся схема выглядит примерно вот так:

Правая микросхема с маркировкой 8205А — это и есть полевые транзисторы, выполняющие в схеме роль ключей.

S-8241 Series

Фирма SEIKO разработала специализированные микросхемы для защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов от переразряда/перезаряда. Для защиты одной банки применяются интегральные схемы серии S-8241.

Ключи защиты от переразряда и перезаряда срабатывают соответственно при 2.3В и 4.35В. Защита по току включается при падении напряжения на FET1-FET2 равном 200 мВ.

AAT8660 Series

Решение от Advanced Analog Technology — AAT8660 Series.

Пороговые напряжения составляют 2.5 и 4.32 Вольта. Потребление в заблокированном состоянии не превышает 100 нА. Микросхема выпускается в корпусе SOT26 (3х2 мм, 6 выводов).

FS326 Series

Очередная микросхема, используемая в платах защиты одной банки литий-ионного и полимерного аккумулятора — FS326.

В зависимости от буквенного индекса напряжение включения защиты от переразряда составляет от 2.3 до 2.5 Вольт. А верхнее пороговое напряжение, соответственно, — от 4.3 до 4.35В. Подробности смотрите в даташите.

LV51140T

Аналогичная схема протекции литиевых однобаночных аккумуляторов с защитой от переразряда, перезаряда, превышения токов заряда и разряда. Реализована с применением микросхемы LV51140T.

Пороговые напряжения: 2.5 и 4.25 Вольта. Вторая ножка микросхемы — вход детектора перегрузки по току (предельные значения: 0.2В при разряде и -0.7В при зарядке). Вывод 4 не задействован.

R5421N Series

Схемотехническое решение аналогично предыдущим. В рабочем режиме микросхема потребляет около 3 мкА, в режиме блокировки — порядка 0.3 мкА (буква С в обозначении) и 1 мкА (буква F в обозначении).

Серия R5421N содержит несколько модификаций, отличающихся величиной напряжения срабатывания при перезарядке. Подробности приведены в таблице:

SA57608

Очередной вариант контроллера заряда/разряда, только уже на микросхеме SA57608.

Напряжения, при которых микросхема отключает банку от внешних цепей, зависят от буквенного индекса. Подробности см. в таблице:

SA57608 потребляет достаточно большой ток в спящем режиме — порядка 300 мкА, что отличает ее от вышеперечисленных аналогов в худшую сторону (там потребляемые токи порядка долей микроампера).

LC05111CMT

Ну и напоследок предлагаем интересное решение от одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов On Semiconductor — контроллер заряда-разряда на микросхеме LC05111CMT.

Решение интересно тем, что ключевые MOSFET’ы встроены в саму микросхему, поэтому из навесных элементов остались только пару резисторов да один конденсатор.

Переходное сопротивление встроенных транзисторов составляет

11 миллиом (0.011 Ом). Максимальный ток заряда/разряда — 10А. Максимальное напряжение между выводами S1 и S2 — 24 Вольта (это важно при объединении аккумуляторов в батареи).

Микросхема выпускается в корпусе WDFN6 2.6×4.0, 0.65P, Dual Flag.

Схема, как и ожидалось, обеспечивает защиту от перезаряда/разряда, от превышения тока в нагрузке и от чрезмерного зарядного тока.

Контроллеры заряда и схемы защиты — в чем разница?

Важно понимать, что модуль защиты и контроллеры заряда — это не одно и то же. Да, их функции в некоторой степени пересекаются, но называть встроенный в аккумулятор модуль защиты контроллером заряда было бы ошибкой. Сейчас поясню в чем разница.

Важнейшая роль любого контроллера заряда заключается в реализации правильного профиля заряда (как правило, это CC/CV — постоянный ток/постоянное напряжение). То есть контроллер заряда должен уметь ограничивать ток зарядки на заданном уровне, тем самым контролируя количество «заливаемой» в батарею энергии в единицу времени. Избыток энергии выделяется в виде тепла, поэтому любой контроллер заряда в процессе работы достаточно сильно разогревается.

По этой причине контроллеры заряда никогда не встраивают в аккумулятор (в отличие от плат защиты). Контроллеры просто являются частью правильного зарядного устройства и не более.

Кроме того, ни одна плата защиты (или модуль защиты, называйте как хотите) не способен ограничивать ток заряда. Плата всего лишь контролирует напряжение на самой банке и в случае выхода его за заранее установленные пределы, размыкает выходные ключи, отключая тем самым банку от внешнего мира. Кстати, защита от КЗ тоже работает по такому же принципу — при коротком замыкании напряжение на банке резко просаживается и срабатывает схема защиты от глубокого разряда.

Путаница между схемами защиты литиевых аккумуляторов и контроллеров заряда возникла из-за схожести порога срабатывания (

4.2В). Только в случае с модулем защиты происходит полное отключение банки от внешних клемм, а в случае с контроллером заряда происходит переключение в режим стабилизации напряжения и постепенного снижения зарядного тока.

Не выбрасывайте аккумуляторы от телефонов

Зачастую аккумулятор в телефоне меняется после потери им менее половины емкости. Они еще могут прослужить несколько лет.

В итоге имеем компактный легкий и бесплатный источник автономного питания. Не требующий отсека под себя в отличие от пальчиковых элементов питания.

Основным препятствием является сложность зарядки литиевых аккумуляторов. Конечно, можно и спаять зарядку, но проще решить эту проблему поможет дядюшка Ляо.

Сейчас на Али стоимость платы для зарядки от USB менее 50 центов с доставкой, при покупке же сразу нескольких цена становится менее 30 центов за штуку.

Плата компактна, имеются варианты исполнения, как с микро так и мини USB.

Максимальный ток зарядки как правило около 500-700мА. Индикатор заряда и окончания заряда.

Закрепить в корпусе можно просто вклеив с помощью термоклея. (Заменил свинцовую батарею в старом фонаре)

Безусловно, что бы клей нормально держался, необходимо обязательно обезжирить все поверхности изопропиловым спиртом, в крайнем случае, бензином или специальным очистителем (к сожалению качество бензина со строительного рынка отвратительно), простой спирт не пригоден, поскольку не растворяет масленую пленку. А также дождаться прогрева клея, т.е. клеить не сразу как клей начал выдавливаться из термопистолета, а дать еще минуту две на перегрев.

Также эти зарядки могут заряжать различные пальчиковые литиевые аккумуляторы. Для подключения к аккумулятору удобно использовать контактники сделанные из неодимовых магнитов (под рукой для фото к сожалению был только АА элемент).

При пайке магнитов необходимо избегать их нагрева, иначе они потеряют свои свойства. Покрытие магнитов никель, поэтому для лужения желательно использовать активный флюс. Дополнительно для теплоотвода я зажимал магнит в плоскогубцы.

Если для питания самоделки требуется более высокое напряжение, то можно прикупить DC-DC Step UP преобразователь. Цена на Али начинается примерно с 50 центов.

Приведенная для примера плата имеет крайне компактные размеры. Для нее указывается максимальное напряжение 28в и максимальный ток 2А. Но необходимо учитывать, что указанный ток в 2А это ток ключа. Для долговременного использования желательно по входу не превышать ток в 1А и в зависимости от того, на сколько вы увеличиваете напряжение выходной ток уменьшается примерно пропорционально, т.е. например, при выходном напряжении 15В максимальный долговременный ток нагрузки не должен превышать 200ма.

Как пример привожу вариант фонаря в экстремально минималистическом стиле. Все компоненты приклеены прямо к аккумулятору.

Мощный светодиод наклеен на алюминиевую пластину, служащую радиатором.

Со второй стороны приклеена плата USB зарядки и плата источника тока для светодиода на ток 350мА.

Некоторые моменты в использовании литиевых аккумуляторов

При глубоком разряде аккумулятора некоторые схемы зашиты полностью блокируют аккумулятор, как на разряд, так и на заряд.

И зарядить штатно аккумулятор не получится. Для восстановления придется вскрыть корпус аккумулятора и подключится на прямую к литиевому элементу. Я встречал рекомендации заряжать при глубоком разряде слабым током 10-50ма до достижения напряжения 3.3-3.5в, далее уже можно заряжать штатно.

Для новых аккумуляторов важен правильный старт, особенно для устройств с высоким потреблением.

Производители для увеличения срока хранения новых аккумуляторов в электролит вносят добавки. Эти добавки помимо значительного уменьшения тока саморазряда, также увеличивают внутреннее сопротивление аккумулятора. Что при высоких токах потребления приводит к чрезмерному разогреву, что может в итоге повредить аккумулятор. Помимо этого аккумулятор не может выдать в нагрузку полную емкость. При зарядке эти добавки в электролит распадаются. Для полного разложения добавок необходимо держать аккумулятор включенным в зарядку не менее 12 часов.

Что делает контроллер батареи в телефоне на самом деле?

Здесь мы вкратце рассмотрим принцип работы контроллера батареи и узнаем его назначение .

🤦‍♂️ PS: Всё нижесказанное относится именно к плате на аккумуляторе, а не к системному контроллеру заряда в ОС телефона!

Что такое контроллер батареи?

Контроллер заряда аккумулятора — простыми словами, это печатная плата внутри элемента питания (иногда крепится прямо на его корпусе). Правильное её название « BMS-плата » ( Battery Management System ), то есть плата системы управления аккумулятором.

⚠ Прежде всего, контроллер нужен для сохранения дорогостоящего аккумулятора от критических отклонений напряжения от номинальных 3,7 Вольт путём отключения.

На BMS-плате распаяны электронные компоненты для защиты устройства от неисправностей по электроцепи питания. Без неё работать литий-ионные аккумуляторы теоретически могут , но это приведёт к их скорейшему выходу из строя с высокой вероятностью взрыва .

Из чего состоит контроллер батареи?

Электросхема очень простая и не требует глубоких познаний в схемотехнике. Хотя производители дорогостоящих смартфонов и пытаются усовершенствовать её, но принцип конструкции остаётся одинаковым для всех.

На печатной плате контроллера батареи в большинстве случаев размещаются:

  • резистор в схеме питания,
  • накопительный конденсатор,
  • непосредственно сам контроллер защиты в виде микросхемы,
  • резистор в схеме защиты,
  • терморезистор,
  • MOSFET-транзисторы.

В ряде случаев контроллер распаян на три контакта вместо двух — тогда помимо традиционных «плюса» и «минуса» производитель применяет так называемый «информационный контакт».

Принцип работы контроллера батареи в гаджетах

Каких-то редких узлов контроля цепи питания на аккумуляторах в телефонах, планшетах и ноутбуках вы не встретите, поэтому можно условиться, что все они выполняют примерно одинаковые задачи в мобильных устройствах.

1. Контролирует процесс заряда устройства.

При зарядке с 0% включает режим предварительной зарядки до примерно 10%. Затем увеличивает скорость заполнения ёмкости аккумулятора и постоянным током заряжает до 70-85%. Далее снижает напряжение для завершающего этапа в режиме дозарядки — процесс замедляется для меньшей нагрузки на элемент питания.

Бывает, что контроллер неправильно определяет пограничные значения процента заряда и требует « калибровки ».

2. Не даёт аккумулятору перезарядиться.

Есть установленное максимальное значение напряжения для Li-Ion — 4,15-4,2 В . При достижении такой высокой цифры питание отключается (иначе батарея вздуется или даже взорвётся).

3. Защищает батарею от глубокого разряда

Есть также пороговое минимальное значение напряжения для Li-Ion — 2,9-3 В . Более низкие значения приводят к потере ёмкости и другим неприятным последствиям.

4. Ограничивает ток

Принципиальная функция для защиты по току электросиловой цепи («просадки» напряжения на 150 мВ и более), без которой срок службы аккумулятора уменьшится, а также от короткого замыкания.

5. Оптимизация батареи

Её ещё называют «балансировка аккумулятора» — система из последовательно установленных электронных компонентов. Нужна для равномерной зарядки каждого элемента электросхемы, что увеличивает срок службы слабых звеньев элемента питания, а значит и его самого.

6. Отслеживание температуры

Присутствует в виде терморезистора во всех аккумуляторных контроллерах. Функция слежения за температурой необходима для защиты от перегрева или переохлаждения. Операционная система также получает эту информацию для наблюдения за состоянием батареи.

💡 Все значения однократно вносятся в контроллер ещё на производстве. Подстройка через ОС или «перешивка» значений встречается крайне редко.

Также производители нередко удешевляют конструкцию контроллера для аккумуляторов телефона и урезают принцип работы в том или ином виде.

Ответы от руководителя Neovolt

К нам поступало много вопросов по контроллерам, которые размещаются на самом аккумуляторе. Ответил на них руководитель интернет-магазина Neovolt Роман Кусакин .

1. Зачем нужен контроллер аккумулятора в мобильном устройстве?

💬 « Нужен для защитной функции аккумулятора, чтобы он был безопасен. Назначение его простое — защищает от перезаряда, короткого замыкания, перегрева и так далее. Это для литиевых элементов питания.»

2. Можно ли было обойтись без контроллера вообще?

💬 «К сожалению, для литиевых аккумуляторов невозможно, причины в первом пункте.»

3. Правда ли, что все контроллеры выполняют примерно одну и ту же функцию — защиту от слишком высокого и слишком низкого напряжения.

💬 «Да, но с нюансами. Не только для защиты от критических отклонений напряжения. Перегрев и короткое замыкание тоже едва ли безопасные процессы.»

4. Какие контроллеры использует Neovolt в своих аккумуляторах и чем они лучше других?

💬 «У нас заказывают сами аккумуляторы для замены без контроллеров — они остаются от прежних элементов питания. Но мы планируем производить новые аккумуляторы уже с контроллерами».

5. Другие производители экономят на контроллере и что урезают?

💬 «Нет, не экономят. Просто это небезопасно, поэтому так не делают.»

6. Встречались ли вам странные/необычные контроллеры и где?

«Очень серьёзные контроллеры устанавливают в аккумуляторах Apple. Как и в ноутбуках, они «умеют» считать количество циклов, определять ёмкость и другие подобные значения. Там даже прошита информация о дате изготовления, самом производителе и так далее.»

«Любопытными показались решения для контроллеров у аккумуляторов Samsung для пылесосов — очень серьёзные контроллеры с управлением прямо от пылесоса.»

‍ Рекомендуем посмотреть стороннее от нашего проекта видео с YouTube-канала Energy DIY, в котором наглядно показано то, о чём мы здесь рассказали вкратце.

Теперь вы знаете, что такое контроллер батареи в мобильном устройстве и сможете разобраться, является ли причиной неполадки одна из его функций. Например, это может быть перегрев , либо неисправный адаптер питания со слишком высоким значением напряжения.

Хотите добавить что-то важное о контроллерах? Оставьте информацию или вопрос в комментарии.

Использование Li аккумуляторов от мобильных.

Озаботился я использованием аккумуляторов от мобильных телефонов. Насмотрелся страшилок, как они хорошо горят.
Начитался статей и форумов, и понял — информации нет.
Собрал у знакомых около 20 убитых телефонов и начал препарировать батарейки.

Итак, в большинстве случаев, аккумулятор состоит из батареи, маленькой платки и выглядит примерно так:

Но случаются исключения:
1. Пример максимализма(детали и с другой стороны)

2. Пример минимализма — просто батарея и пленочка с напылением (вероятно термодатчик и/или предохранитель).

Два вечера Гугл бился под пытками и признался про пять SMD кодов (заказные изделия). Ни на одной плате все детали опознать не удалось.
Это оказались: полевые транзисторы, компаратор с ИОН, стабилизатор напряжения 4,7 В и контроллер заряда батарей со злоеб фирменным интерфейсом в корпусе «попробуй припаять».

Как с этим бороться
Встроенную плату в помойку.
Заряжать только специализированным контроллером.
При разряде до трёх Вольт — отключать нагрузку.

  • Li-Ion
  • +1
  • 03 мая 2012, 22:49
  • N_D

Комментарии ( 41 )

  • dipspb
  • 03 мая 2012, 22:53
  • abigsam
  • 03 мая 2012, 23:07
  • N_D
  • 03 мая 2012, 23:23

Подключу я контроллер заряда с хитрым алгоритмом к плате и что она сделает с алгоритмом? С алгоритмом не знаю, но думаю как минимум защитит батарею. И окружающих 🙂

А что есть хитрый алгоритм для Li-Pol? Это просто вопрос. Может я чего-то не знаю.

  • abigsam
  • 03 мая 2012, 23:36
  • tvmaster1975
  • 04 мая 2012, 06:09

мог бы написать, какие батареи имеют простой монитор, а в каких контроллер стоити при каких напряжениях они срабатывают реально

  • kalobyte-ya
  • 03 мая 2012, 23:23
  • kalobyte-ya
  • 03 мая 2012, 23:24
  • WildCat
  • 04 мая 2012, 00:50
  • tvmaster1975
  • 04 мая 2012, 06:06
  • abigsam
  • 04 мая 2012, 09:15
  • cahbtexhuk
  • 04 мая 2012, 01:22
  • tvmaster1975
  • 04 мая 2012, 06:50

Ребятки что вы ахинею несете? какой спецалгоритм? какой умрет?
ЗАЧЕМ родные платки в мусор-то.

Литий боится трёх вещей — переток заряда/разряда, перенапряжение заряда переразряд по напряжению!

весь алгоритм заряда лития — удержание тока в пределах 1с от ёмкости(некоторые допускают 2с-10с) и напряжения 4.1 или 4.2 максимум на банке… весь супер пупер алгоритм реализуется парой тройкой резюков парой стабилитронов и биполярником.

4.2 вольта это предельнокритическая напруга которая при любых температурах заведомо ниже предела допустимого химией LiPo/LiIo (yf которых написано 3.7) есть ещё другой тип-3.6 — тем максимум 4.0 4.1 можно давать… токи такие же

родная платка следит за ТОКОМ(в случае КЗ или двукратного превышения — вырубает полевик до подачи заряда) а так же вырубает при напруге(правда слишком заниженной) 2.5 вольта — это очень мало и ведет к деградации банки но… это защита а не эксплуатация… по превышению напруги — 4.25 обычно отрубает…
я три года как сделал папе «зарядку» от ЮСБ — резюк на 10 омм
аккум жив на 100%. недавно проверял ёмкость на умном зарядо-разряднике. 99% от заявленной при 1с заряд-разряд

это кислотники и Металгидриды требуют особого алгоритма… но на малых токах этим можно пренебречь просто подав через резистор заряд и последствий тяжелых не будет один будет потихоньку кипеть и рекомбинировать второй — просто греться и обратимо-газообразовываться… но при желании нормальным током заряжать и до полного уровня нужны очень хитрые алгоритмы особенно кислотникам…

а литий и родная платка — то что надо… с ней аккум убить можно только разряжая до отсечки малым током… всё остальное платка сделать не даст

другое дело если платка умная и не даёт напруги на клеммах пока не получит определенного резюка на сенсорном выводе или это вообще выводк какого-то 1wire и тут полёт фантазии неограничен ничем :))

  • clawham
  • 04 мая 2012, 09:34
  • tvmaster1975
  • 04 мая 2012, 10:21

e меня есть 4 одинаковых телефона у меня друга подруги и брата… нокия… с аккум-защитой… родная зарядка… у всех один и тот же режим использования — наночь зарядка день — почти до нуля вечером наночь — зарядка… результат — через год подулось 3 из 4х… поменяли… второй год и китайские LiPo банки не надулись… та родная уже 4-й год в 4-м телефоне так и работает но потеряла 30% ёмкости… телефоны — нокии 3250 — тоесть нагрузка на акб максимум что можно придумать 🙂 смартфон…
у папы ещё китофон есть… зарядка не работала с коробки — сделал «кредл» чтоб когда без задней крышки вставляеш — две проволочки прям к контактам АКБ конектятся — ну а дальше резюк и в юсб… за ночь заряжало… третий год полёт нормальный… батарея не потеряла ничего… емкость 1600 у батареи…
дует их от переразряда, перезаряда и перетока(если был перегрев)

сам занимаюсь авиамоделизмом и в эксплуатации находится с штук 20 разных паков по 3-6 батарей LiPo от 800 до 4000 миллиамперчасов…
дует их от перенапряжения и переразряда… при перетоке(вместо 30 ампер зохаваю 50 например) то их надувает вконце разряда и нагревает НО… по прошествии часа и аккуратной зарядки — сдуваются назад в нормальное положение… отходили по 200 циклов некоторые — разницы нет. 3 года…
токи разряда от 10с до 30с кстати… заряд не менее 2с… а то и 4с

0 0 vote
Article Rating
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
×
×
Adblock
detector