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

• Модули защиты Li-Ion аккумуляторов
• Как работает электронная плата защиты
• Пороговые напряжения
• Выводы

Для надежной и безопасной работы Li-Ion аккумуляторов важно исключить риск их перезаряда, глубокого разряда и перегрева. Если рабочее напряжение элемента питания выходит за допустимые пределы (2,5–4,2 В), он выходит из строя или теряет свою исходную емкость. Восстановить такие ячейки проблематично. Чтобы уберечь Li-Ion аккумуляторы от перенапряжения, перегрева и других опасных факторов, их оснащают электронными платами защиты.

Модуль защиты литий-ионного аккумулятора выполняет следующие функции:

1. при критическом разряде разрывает цепь, защищая элемент питания от опасного снижения напряжения;
2. поддерживает работу элемента питания в безопасном диапазоне напряжений;
3. оберегает ячейку от токовой перегрузки и короткого замыкания.

Модули защиты Li-Ion аккумуляторов

Часто модули защиты Li-Ion аккумуляторов называют контроллерами заряда-разряда, хотя это разные элементы. Никакие контроллеры заряда-разряда в ячейки не устанавливаются, т.к. управлять процессом разряда не нужно – разрядный ток зависит исключительно от нагрузки. Но в процессе разряда аккумулятора нужно контролировать напряжение на нем, чтобы предотвратить глубокий разряд. Для этого и используется защитный модуль (альтернативное название – электронная плата).

Контроллеры заряда, отслеживающие процесс подзарядки литиевых элементов питания, устанавливаются непосредственно в зарядные устройства. Они задают необходимый ток заряда, определяют длительность его подачи, контролируют нагрев.

Главная задача контроллера – обеспечивать правильную схему подзарядки, обычно по схеме CC/CV – постоянный ток/постоянное напряжение. Контроллер ограничивает зарядный ток и тем самым регулирует количество энергии, поступающей в ячейку за единицу времени. Избыточная энергия проявляется в виде нагрева контроллера. Поэтому он встраивается в зарядное устройство, а не в аккумулятор.

Как работает электронная плата защиты

Модуль защиты 18650 или другого типоразмера отслеживает напряжение на аккумуляторе и в случае его выхода за установленные рамки – размыкает выходные ключи. В результате ячейка отключается от внешней нагрузки или зарядного устройства. Аналогично срабатывает и защита от короткого замыкания – в такой ситуации напряжение резко уменьшается, и срабатывает защита от критического разряда.

Защитная плата в аккумуляторе и контроллер в зарядном устройстве имеют схожий верхний порог срабатывания – около 4,2 В. Но плата полностью отключает ячейку от внешних клемм, а контроллер – переключает в режим стабилизации напряжения и инициирует плавное уменьшение зарядного тока.

Пороговые напряжения

На литий-ионных «банках» формата 18650 часто используются защитные платы с пороговыми напряжениями 2,4 и 4,25 В. Это расширенный диапазон, т.к. рекомендуемые граничные напряжения для самих аккумуляторов составляют 3,0 и 4,2 В. Если на ячейки ставятся платы с такими же значениями, это приводит к искусственному занижению емкости и преждевременному отключению схемы – до того, как аккумулятор отдал или восполнил запас энергии.

При корректной эксплуатации аккумулятора 18650 модуль защиты вообще не срабатывает – в этом нет надобности. Уровень заряда контролирует зарядное устройство, а процесс разряда – нагрузка. При мощной нагрузке потребляются высокие токи, и выходное напряжение элемента питания начинает сильнее зависеть от внутреннего сопротивления. Производители раздвигают границы допустимых напряжений в платах защиты, чтобы аккумуляторы могли использоваться при нагрузках разной мощности.

Выводы

Модули защиты привариваются точечной сваркой к контактам аккумуляторов 18650 и оберегают их от глубокого разряда, размыкая выходные ключи. В целом процесс разряда зависит от нагрузки. Контроллер заряда встраивается в зарядные устройства и отвечает за подачу нужного зарядного тока, прекращение его подачи, отслеживание уровня нагрева. Но при использовании аккумуляторов не стоит полагаться только на встроенные схемы защиты. Нужно соблюдать рекомендованные производителем условия эксплуатации и не доводить источники питания до критических условий.

Обзор аккумуляторных батарей для электроинструментов представлен здесь.