Меню

Как работает плата защиты литиевой батареи?

Литиевые аккумуляторные батареи обладают большой энергоёмкостью и малыми размерами. Применяются во многих устройствах с автономным питанием, например, электроинструменте.

Особенностью данного типа аккумуляторов является их пожароопасность. Они способны воспламеняться и взрываться при нарушении условий их эксплуатации.

Чтобы обезопасить литиевые аккумуляторы и батареи, в них встраивают специальные электронные платы. Защитная плата для одного аккумулятора обычно называется PCM (Protection Circuit Module), – модуль защиты, защитная плата.

Защитная плата для литиевой батареи, которая состоит из нескольких аккумуляторов называется PCB (Protection Circuit Board) или BPU (Battery Protection Unit), – блок защиты батареи.

Плата защиты внутри литиевой батареи.

Иногда такие платы называют BMS (Battery Management System) – система управления аккумулятором. Но, самые простые платы, которые выполняют лишь защитные функции трудно назвать BMS, так как системы управления батареей, как правило, имеют схему балансировки (балансир).

Функции, которые выполняет схема защиты батареи:

  • Защита аккумулятора от чрезмерного заряда (перезаряда);
  • Защита от чрезмерного разряда (переразряда);
  • Защита от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке;
  • Защита от перегрузки по току при заряде и разряде;
  • Защита от перегрева, контроль температуры.

Это основные функции защитной платы или модуля. Естественно, существуют и более сложные платы, имеющие дополнительный функционал, но мы рассмотрим самую простую, которая присутствует в любой литиевой АКБ для электроинструмента и других приборов.

Разбираться с работой какой-либо схемы проще и интересней на конкретном примере. В качестве образца для исследований возьмём плату защиты от аккумуляторной батареи для дрели-шуруповёрта «Варяг» Professional ДА-16/2П.

Плата защиты TL181203-V4S-WKS_V1.0 «Варяг» ДА-16/2П

Плата маркирована, как TL181203-V4S-WKS_V1.0. Она не имеет балансира, а выполняет лишь защитные функции.

Защитная плата на микросхеме CM1041-DS.

Электронная плата следит за состоянием четырёх литиевых аккумуляторов типоразмера 18650. Функции контроллера, который является “мозгом” всей схемы, выполняет микросхема CM1041-DS. Это, так называемая Battery protection IC.

Схема защитной платы от аккумуляторной батареи «Варяг» Professional ДА-16/2П. По клику откроется в полном разрешении.

Принципиальная схема защитной платы от аккумулятора «Варяг» Professional ДА-16/2П

Защитная плата аккумуляторной батареи выполнена по типовой схеме с разделением цепи заряда и разряда, представленной в даташите на микросхему CM1041.

Схема дополнена. На ней указаны номиналы SMD-резисторов, маркировка транзисторов и диодов, а также изображены те элементы, которые отсутствуют на схеме из даташита, но присутствуют на плате. О них я расскажу чуть позднее.

Заряд аккумулятора осуществляется через отдельный разъём (контакты Charge: CH+ и CH-), к которому подключается зарядное устройство. Подключение батареи к нагрузке осуществляется через клеммы Power: P+ и P-.

Микросхема CM1041-DS (U1) получает напряжение питания непосредственно от самой аккумуляторной батареи, которую защищает. Плюсовое напряжение подаётся на вывод 1 (VCC), а минусовое на вывод 7 (VSS).

Таким образом, плата защиты работает всегда, пока подключена к батарее, даже, когда она лежит полгода в кейсе вместе с инструментом или где-нибудь в дальнем углу вашего гаража.

У аккумуляторной батареи есть два основных режима работы:

  • Режим заряда (“Charge”), когда аккумуляторная батарея заряжается;
  • Режим разряда (“Discharge”), когда происходит разряд аккумулятора при использовании электроинструмента.

Потребление и отдача тока в этих двух режимах регулируется двумя MOSFET-транзисторами, которые выполняют роль ключа и находятся в открытом или закрытом состоянии. Работой MOSFET-транзисторов управляет контроллер защиты CM1041-DS.

Через MOSFET-транзистор Q2 (NCE3404Y) протекает ток заряда аккумуляторной батареи. Его я буду называть транзистором заряда. Он управляется микросхемой CM1041-DS по выводу 15 (CO).

Через MOSFET-транзистор Q3 (NCE3080K, FM3080K) протекает ток разряда. Назовём его транзистором разряда. Управляется микросхемой CM1041-DS по выводу 14 (DO).

Вот так выглядит транзистор заряда и разряда на печатной плате. Тот, что поменьше, это транзистор заряда.

MOSFET-транзисторы заряда и разряда на плате модуля защиты Li-ion.

Схема дополнена диодом Шоттки D3 (SS34), который является защитным. При неправильной подаче напряжения от зарядного устройства (блока питания), этот диод не пропустит ток, так как будет включен в обратном направлении.

Защитные диоды на плате PCB.

При штатном подключении диод D3 не оказывает какого-либо сопротивления, он включен в прямом направлении. Диод рассчитан на прямой ток (IF(AV)) в 3 ампера и имеет низкое падение напряжения на переходе в прямом включении (VF) в 500 mV.

Также на плате имеется диод D2 (RS1M), который обратновключен между плюсовой «+» (P+) и минусовой «-» клеммой (P-) АКБ.

Назначение данного диода мне не совсем понятно. Но, в случае, если будет подано напряжение неправильной полярности от зарядного устройства и диод Шоттки D3 (SS34) пробьёт, то ток потечёт через него и внутренний диод MOSFET-транзистора Q2.

Далее ток пойдёт через диод D2 (RS1M), так как в таком случае он будет включен в прямом направлении. При этом сработает защита от перегрузки по току или сгорит защитный предохранитель в зарядном устройстве. АКБ при этом будет защищена.

Диод D2 также защитит батарею, если реализован её заряд через клеммы подключения нагрузки (P+, P-), то есть по типовой схеме включения микросхемы с общими цепями заряда и разряда (приводится в даташите на CM1041-DS).

В таком случае, при неправильном подключении зарядного устройства, когда на клемму P+ подано отрицательное, а на P- положительное напряжение от зарядного устройства, диод D2 будет открыт и спровоцирует сгорание предохранителя или срабатывание защиты в зарядном устройстве.

Контроль температуры аккумуляторной батареи осуществляется следующим образом.

К выводу 11 (RTS) подключается NTC-резистор, – это терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом (ТКС). С его помощью контроллер блока защиты измеряет температуру аккумуляторов при заряде и разряде.

На печатной плате он выполнен в виде чип-терморезистора, что на мой взгляд не очень практичное решение.

Обычно температурный датчик устанавливается на один из аккумуляторов сборки, чтобы как можно точнее отслеживать температуру. Здесь же он запаян на печатную плату, причём даже не со стороны батарейного блока.

Терморезистор на плате защиты от АКБ.

Изучая даташит на CM1041 я наткнулся на интересную функцию.

Оказывается, если по какой-либо причине произойдёт отключение NTC-резистора от микросхемы, то она полностью отключает батарею, – закрывает транзистор заряда и разряда. Это приведёт к полной блокировке АКБ. То есть пока не будет восстановлено соединение терморезистора с микросхемой защиты, она не даст ни зарядить АКБ, ни разрядить её.

Наверняка, аналогичная функция есть и в других микросхемах защиты. Поэтому всегда проверяйте исправность терморезистора и надёжность его соединения с микросхемой-контроллером. Во многих батареях для электроинструмента терморезистор имеет форму капли с двумя длинными проводниками, которые запаиваются на плату защиты.

Алгоритм работы микросхемы CM1041-DS следующий.

Как уже говорилось, аккумуляторная батарея имеет два режима работы: заряда, когда батарея подключена к зарядному устройству и разряда, когда от батареи потребляется ток во время работы электроинструмента или иной нагрузки.

Стоит отметить, что выпускается несколько модификаций микросхемы CM1041. Связано это с тем, что существует несколько типов литий-ионных аккумуляторов. Например, литий-железо-фосфатные (LFP), литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA), литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC). Их параметры отличаются, порой очень сильно.

Соответственно, под каждый тип идёт своя версия микросхемы.

Далее все числовые значения уровней срабатывания защит, я буду приводить для микросхемы CM1041-DS/DT (буква D - указывает на версию, S и T – тип корпуса). Она подходит для литий-ионных аккумуляторов с рабочим диапазоном напряжений 2,7...4,2V, например, типа INR (литий-марганцевых).

Защита от глубокого разряда.

Глубокий разряд литиевого аккумулятора приводит к его деградации и последующему выходу из строя.

С помощью выводов VC1, VC2, VC3 и VC4 микросхема отслеживает напряжение на каждом из четырёх литиевых аккумуляторов составной батареи. Если напряжение хотя бы на любом из них упадёт до уровня 2,7V, то микросхема отключит транзистор разряда, чтобы защитить аккумуляторы от повреждения при чрезмерном разряде.

Пока напряжение на каждом аккумуляторе не вырастет хотя бы до уровня в 3V, которое считается минимальным рабочим напряжением аккумулятора, транзистор разряда будет закрыт. При этом АКБ будет отключена от нагрузки, в данном случае от дрели-шуруповёрта, и его мы использовать не сможем.

Защита от перезаряда.

Чрезмерный заряд литиевого аккумулятора приводит к его нагреву и тепловому выбросу, что повышает риск возгорания или взрыва.

При заряде аккумуляторной батареи микросхема отслеживает, не превышено ли напряжение на каждой из литиевых ячеек. Если оно достигнет напряжения в 4,25V, то контроллер отключает транзистор заряда и заряд аккумуляторной батареи прекращается.

Заряд батареи будет блокироваться до тех пор, пока напряжение на всех аккумуляторах не понизиться до уровня 4,15V.

Защита сбрасывается, если к литиевой батарее подключена нагрузка, – сработала цепь обнаружения нагрузки (VM, вывод 16) и напряжения на всех ячейках аккумуляторной батареи понизилось до уровня ниже 4,15V.

Защита от перегрузки по току и короткого замыкания.

Чрезмерный ток потребления от литиевого аккумулятора приводит к его нагреву. Это может привести к его повреждению, возгоранию или взрыву.

Поэтому, микросхема постоянно контролирует потребляемый от батареи ток. Реализовано три пороговых уровня, при которых микросхема отключает транзистор разряда.

Мониторинг ведётся по выводу VINI (13). С ростом потребляемого тока, напряжение на VINI растёт.

Для каждого уровня определена минимальная длительность события, – задержка срабатывания. Самая короткая задержка задана для уровня короткого замыкания (КЗ), всего лишь 100...600 микросекунд (μs).

  • Если напряжение на выводе VINI будет выше, чем 0,085...0,115V, а длительность составит не менее 0,5...1,5 секунды, то сработает защита по первому уровню.
  • Для второго уровня задан порог в 0,16...0,24V, а длительность – не менее 50...200 миллисекунд (ms).
  • Когда же напряжение на VINI будет выше 0,4...0,6V и длится не менее 100...600 микросекунд, то контроллер расценивает это, как короткое замыкание в нагрузке и отключает транзистор разряда.

Как видим, на каждом пороговом уровне напряжение растёт, что соответствует высокому пусковому току включения или большому току потребления, а длительность задержки уменьшается. При КЗ задержка срабатывания защиты самая короткая, так как ток замыкания будет максимально возможный.

Для сброса защиты от перегрузки по току необходимо отключить аккумуляторную батарею от нагрузки или устранить КЗ. По выводу 16 (VM) микросхема определяет, отключена нагрузка или нет.

Защита от перегрузки по току заряда.

Чрезмерный ток заряда, как и высокий ток потребления приводит к нагреву и повреждению литиевого аккумулятора. Это может привести к его самовозгоранию или взрыву.

Поэтому, микросхема защиты контролирует ток заряда литиевой батареи. При его превышении она отключает транзистор заряда. Контроль ведётся по выводу VINI.

Благодаря цепи обнаружения зарядного устройства и нагрузки (вывод 16, VM) микросхема определяет снята ли нагрузка и подключено ли к батарее зарядное устройство. Защита сбрасывается, если зарядное устройство отключено.

Температурная защита.

Как уже говорилось, контроль температуры батареи осуществляется с помощью терморезистивного датчика (NTC-резистора).

Если температура снижается до уровня -10°C, то заряд аккумулятора прекращается. При низкой температуре литиевые аккумуляторы теряют свою ёмкость и быстро разряжаются. Зарядка также происходит медленнее, так как снижается способность аккумулятора накапливать заряд. Это может привести к порче аккумуляторной батареи.

При высокой температуре блокируется и заряд и разряд аккумулятора. Но, сначала блокируется заряд батареи. Если температура повысится ещё на 20°C, то сработает защита от разряда при высокой температуре. Литиевая батарея будет полностью заблокирована. Ни зарядить, ни разрядить её будет нельзя.

В даташите на микросхему CM1041-DS приводится таблица соответствия RT (R11) и требуемой температуры срабатывания при высокой температуре заряда и разряда.

Там, в качестве NTC-термистора (RNTC) используется терморезистор на 100 кОм (при 25°C) с коэффициентом температурной чувствительности B = 3950. Из этого следует предположить, что на рассматриваемой нами плате используется терморезистор с такими же или близкими параметрами, но в корпусе SMD.

Исходя из номинала резистора R11, которым задаётся уровень срабатывания защиты от заряда при высокой температуре, следует предположить, что он равен 52...53°C, а защита от разряда при высокой температуре составляет 72...73°C.

Чтобы защита отключилась, необходимо, чтобы батарея остыла на 10°C и в том, и другом случае.

Защита от отключения.

В случае, если на одном из выводов VC1, VC2, VC3 и VC4 пропадёт напряжение, то микросхема расценивает это, как отключение ячейки батареи или то, что она пришла в негодность. При этом транзистор заряда и разряда отключаются, полностью блокируя заряд и разряд батареи.

Состояние блокировки будет действовать до тех пор, пока штатное соединение ячеек аккумуляторной батареи не будет восстановлено.

Как видим, микросхема обладает достаточным набором функций контроля, позволяющими предотвратить нештатный режим работы аккумуляторной батареи.

Микросхемы, аналогичные описанной, легко встретить во всевозможных устройствах с автономным питанием. Если бегло изучить даташиты на них, то можно заметить, что все они устроены схожим образом, имеют одинаковые узлы и обладают близкими параметрами.

Пример тому, микросхема S-8254A. Разница может быть в типе проводимости применяемых MOSFET-транзисторов заряда/разряда (N-канальные или P-канальные), количестве ячеек литиевой батареи, которые способна обслуживать микросхема защиты (2S, 3S и т.д.).

Стоит отметить, что рассмотренная плата защиты для литий-ионной АКБ шуруповёрта «Варяг» Professional ДА-16/2П довольно примитивна. Функции защиты она выполняет, но в ней, как и во внешнем зарядном устройстве нет балансира.

Со временем, из-за разности в параметрах литий-ионных аккумуляторов, которые входят в состав батареи, они начнут разряжаться и заряжаться неравномерно, что приведёт к срабатыванию защиты, в то время, когда некоторые из литиевых ячеек будут заряжены не полностью. Выровнять напряжения будет нечем, так как в схеме отсутствует балансир.

АКБ перестанет забирать и отдавать полную ёмкость, а часть аккумуляторов начнёт деградировать. Поэтому, спустя некоторое время потребуется ремонт литиевой АКБ и замена аккумуляторов в ней.

Причиной неисправности может стать и сама плата PCB. Про ремонт только что изученной нами платы от АКБ шуруповёрта «Варяг» Professional ДА-16/2П я уже рассказывал.

Эксплуатировать электроинструмент с литий-ионными батареями на морозе также не рекомендуется. Так, например, после глубокого разряда литиевой батареи на холоде, она может перестать корректно заряжаться.

Даже штатное зарядное устройство может не справиться и придётся восстанавливать батарею. Реальный пример из практики ремонта я приводил в статье про восстановление аккумулятора DCB145 от шуруповёрта DeWalt.

Главная » Мастерская » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Copyright © Go-Radio.ru