Зарядка для аккумуляторов LiFeP04 с индивидуальным контролем заряда каждой банки
Зарядка для аккумуляторов LiFeP04 — в последние несколько лет, став доступными и популярными, получили широкое распространение литий-ионные (Li-Ion) и литий-железо-фосфатные (LiFeP04) 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 LiFePO,, 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 такому моменту, когда зарядка для аккумуляторов выполняет процесс восстановления Li-Ion батарей.
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 LiFeP04. 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 как зарядка для аккумуляторов только в модульном варианте. Одна из характерных особенностей систем BMS-это обеспечение индивидуального контроля каждой банки в составе батареи.
То-есть, 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 LiFePOd (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.
Описываемая зарядка для аккумуляторов 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.
Представленная здесь зарядка для аккумуляторов использует модули ТР5000, которые специально разработаны для зарядки одной банки типа LiFePOj постоянным током до 2 А (ток заряда можно изменять подбором величины токоиз-мерительного резистора на плате модуля) и отключением заряда при достижении напряжения на банке, равного 3.60 — 3.65 В. Сразу отметим, что модуль ТР5000 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 ТР5000 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 ТР5000 необходимо постоянное входное напряжение +5 … +9 В и ток 2 А. Сам модуль ТР5000 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 ТР5000 выбирает один из возможных режимов работы устройства: подготовка к заряду, зарядили поддержание.
ТР5000 имеет два светодиода для индикации текущего режима работы; один светодиод горит в режимах подготовки к зарядке, второй горит в режиме поддержания. Если выход ТР5000 не подключен, микросхема ТР5000 чувствует отсутствие нагрузки, выходное напряжение равно входному, и светодиоды включаются и выключаются поочередно (мерцают). Кроме того, модуль ТР5000 имеет вход для подключения датчика температуры заряжаемой батареи, но в данном проекте он не используется.
Вид модуля ТР5000 показан на Рисунке 1.
Основная идея, которую воплотила в себя зарядка для аккумуляторов, состоит в таком использовании нескольких модулей ТР5000, 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 ТР5000. Выходные провода ТР5000 подключаются к выводам заряжаемой банки.
Для нормальной работы зарядки для аккумуляторов необходимо, чтобы батарея имела разъем с выводами от каждой банки.
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 ТР5000 самого зарядного устройства на Рисунке 2 обозначены как ТР_5000_1, ТР_5000_2, ТР_5000_3, ТР_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 АС» и предохранитель F1.
Теперь перейдем к принципиальной схеме всего зарядного устройства (Рисунок 3) и его компонентов. Назначение блоков ТР_5000_1, ТР_5000_2, ТР_5000_3, ТР_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 этой зарядки для аккумуляторов.
Рассмотрим схему блока ТР_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 ТР5000. Линии Cell_Plus и Cell_Minus идут на разъемы «К батарее» и «К вольтметру», и далее к заряжаемой банке в батарее. Блокировочные конденсаторы С2 , С5 уменьшают возможные ВЧ помехи на линиях. Све-тодиоды LED_CHARGE_ON_1 и LED_IDLE_1 показывают текущее состояние модуля ТР5000.
Теперь рассмотрим блок AC2DC_1 (остальные блоки абсолютно идентичны первому). Его схема показана на Рисунке 5.
Как видно из схемы, блок предельно прост. Он состоит из источника постоянного тока АС1 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. Теперь несколько слов о конструкции устройства. Готовое устройство показано на Рисунке 6 (вид сверху), Рисунке 7 (вид снизу) и Рисунке 8.
На Рисунке 8 изображено зарядное устройство в работе с подключенной батарей LiFePOa 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.
Зарядка для аккумуляторов — рекомендации по сборке устройства
Как видно из принципиальной схемы, ключевой элемент устройства — зарядный модуль ТР5000. На рынке представлено несколько вариантов этого модуля. Все они собраны на микросхеме ТР5000 и имеют одинаковую принципиальную схему, но расположением выводов и размерами могут отличаться.
Второй по значимости элемент- источник питания АС_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 Ач и 20 А-ч уже более года без проблем или нареканий.
Материалы по теме
1. Datasheet Top Power ASIC TP50Q0