Схема литий-ионного зарядного устройства
Основные компоненты зарядных устройств для Li-ion аккумуляторов
В состав ЗУ для литий-ионных элементов питания обычно входят:
- трансформатор, преобразующий напряжение сети до нужного значения;
- выпрямитель – он нужен для преобразования поступающего от трансформатора переменного тока в постоянный;
- фильтр – используется для устранения пульсаций из выпрямленного тока;
- регулятор напряжения и тока – поддерживает заданные значения зарядных параметров, обеспечивая эффективное и безопасное восполнение емкости;
- модуль защиты от избыточного заряда, перегрева, короткого замыкания;
- индикатор зарядки – отображает текущее состояние зарядного процесса;
- в некоторых моделях – микроконтроллер, позволяющий реализовать более сложное управление зарядным процессом, а также многоуровневую защиту и разнообразные алгоритмы зарядки.
Принцип работы Li-ion зарядки
Зарядные устройства для литий-ионных АКБ восполняют запас энергии элементов питания в режиме CC-CV:
- 1 стадия – СС (Constant Current) – с подачей постоянного тока до того момента, когда напряжение достигает порогового значения (для большинства Li-ion ячеек – 4,2±0,5 В);
- 2 стадия – CV (Constant Voltage ) – с поддержанием постоянного напряжения и постепенным снижением тока до момента полной зарядки.
Еще более совершенным считается алгоритм зарядки в 3 этапа – TC-CC-CV. В таком случае основным стадиям предшествует этап ТС – воздействие малым током для пробуждения аккумов и их плавной подготовки к последующей подзарядке. Предварительный заряд особенно актуален для сильно разряженных аккумуляторов, когда напряжение составляет менее 2,8 В на ячейку.
Кроме восполнения запаса емкости, необходимо обеспечивать сбалансированность ячеек в составе аккумуляторных батарей. Иначе, если напряжение на элементах будет разбегаться, одни из них систематически будут перезаряжаться, а другие – недозаряжаться. Это нежелательно с точки зрения эффективности использования АКБ и опасно из-за риска перегрева ячеек с избыточным уровнем заряда. Для выравнивания напряжения на элементах питания используют BMS платы с функциями балансировщика, а также активные и пассивные балансиры. Одни из них перераспределяют энергию между ячейками, а другие – рассеивают ее избыток в виде тепла.
Схема подключения компонентов ЗУ
Приведем в качестве примера простую схему зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов, составленную с учетом рекомендованного для них алгоритма зарядки. В роли источника питания здесь используется микросхема LM317, а источником опорного напряжения выступает TL431. Для индикации включения ЗУ в сеть предназначен светодиод D2, а для индикации зарядного процесса – D1.
По этой схеме вначале аккумулятор подзаряжается постоянным током, причем его значение (~ 0,5 А) можно менять, меняя сопротивление резистора R5. Когда напряжение на ячейках достигнет зарядного значения 4,15–4,2 В, начнется следующий этап – зарядка постоянным напряжением. Затем, когда зарядный ток снизится до минимума, светодиод D1 погаснет и тем самым сообщит о завершении зарядного цикла.
Перед использованием ЗУ выполняется настройка параметров: на выходе без нагрузки посредством резистора RV1 устанавливаем напряжение 4,15–4,2 В. Микросхему LM317 используем в корпусе ТО-220 и для профилактики перегрева устанавливаем на радиатор. Кроме того, ЗУ для Li-ion элементов питания можно собрать на базе платы TP4056 1A. Для стабилизации напряжения подойдет микросхема стабилитрона TL431, часто используемая в импульсных блоках питания. В роли усилителя нужен достаточно мощный транзистор обратной проводимости, например, КТ805, 815, 817 или 819.
Зарядный ток задается резистором R1, мощность которого должна составлять 1 Вт. Остальные резисторы можно взять мощностью 0,25 или 0,125 Вт. Переменный резистор на 22 кОм должен предусматривать точную регулировку сопротивления с возможностью его плавной подстройки. Это модели типа СП5-2 (импортный аналог 3296W).
Настройка резисторов выполняется так, чтобы получить на выходе напряжение заряженного Li-ion аккумулятора – 4,2 В. Для расчета напряжения стабилизации микросхемы TL431 можно воспользоваться одной из интернет-программ. Для точной настройки выходного напряжения резистор R2 можно заменить многооборотным сопротивлением 10 кОм.
Распространенные ошибки и диагностика неисправностей
Перед использованием самодельного зарядника для Li-ion аккумуляторов нужно убедиться в его корректной работе. Если устройство не заряжает, проверьте, есть ли на управляющем выводе микросхемы рабочее напряжение >2,5–3 В. Оптимальное Uвх – от 9 до 20 В, а Uвых настраивается резистором 22 кОм и должно составлять порядка 4,2 В на элемент.
Чтобы протестировать схему перед пайкой, желательно сконструировать простой тестовый стенд. Заряжать самодельными ЗУ можно только защищенные аккумуляторы, у которых есть BMS плата для контроля допустимых рабочих параметров. В фирменные зарядники для защиты от перегрузок и других рисков встраивают микросхемы с функциями контроллера заряда.
Вывод
Зарядное устройство для Li-ion аккумуляторов можно купить (нужной конструкции и функционала) или собрать самостоятельно, используя доступные радиодетали. Главное – выбрать корректную схему, внимательно проверить ее перед сборкой и тщательно протестировать после подключения компонентов.
Ранее в блоге VirtusTec вышла статья о различных аккумуляторных технологиях: AGM, GEL, Li-ion.
