Обзор платы защиты Li-ion-аккумулятора и индикатора уровня заряда: тонкости функционирования, очевидные и не очень

В одних устройствах, питающихся от литий-ионных аккумуляторов, имеется вся необходимая для аккумуляторов обвязка: индикатор уровня заряда и контроллер заряда/разряда, включающий защиту от превышения токов и напряжений.

Но во многих «упрощенных» конструкциях нет какой-то части их этих компонентов или даже всех. В этом случае, чтобы аккумуляторы жили долго и счастливо, об их защите и индикации следует позаботиться самому пользователю.

Также и в конструкциях DIY («сделай сам») их автору тоже придётся самостоятельно об этом позаботиться.

Плата защиты аккумулятора является обязательным компонентом: она спасёт не только сам аккумулятор, но и, в случае короткого замыкания или иных чрезвычайных ситуаций, много другого добра.

Плата индикации уровня заряда в конструкциях не столь обязательна, но позволит исключить ситуацию внезапного отключения аппаратуры в самый неудобный момент (именно так чаще всего и бывает).

Конструкция, технические параметры, схемотехника и тест платы защиты li-ion аккумулятора

Плата защиты представляет собой узкую и тонкую полоску с элементами, которая по габаритам легко помещается на мизинце: размеры платы 38 * 7 * 2 мм.

 На плате расположены шесть транзисторных сборок 8205, контроллер DW01B и минимальная обвязка.

 Схема платы — очень простая (взята из технического описания контроллера DW01B):

В каждой транзисторной сборке на плате содержатся по два последовательных MOSFET-а (как на схеме); и все шесть сборок запараллелены. Такая конструкция обеспечивает ток до 15 А, после чего должна срабатывать защита (отключение), причём независимо от направления тока (заряд или разряд).

У того же продавца имеются в продаже платы с тремя или четырьмя транзисторными сборками на борту. Вариант платы должен выбираться не принципу «больше-лучше», а исходя из реальных токов в системе (чтобы защита сработала вовремя, а не тогда, когда от схемы одни угольки остались).

 Теперь можно изложить и обсудить параметры контроллера DW01B:

Итак, что мы видим в параметрах?

Системы защиты по напряжениям работают с некоторым гистерезисом: возврат схемы к исходному состоянию происходит немного при другом напряжении, нежели первоначальное срабатывание.

Кроме того, срабатывание происходит с некоторой задержкой по времени.

Все эти меры приняты для того, чтобы не было ложных срабатываний от кратковременных помех или колебаний потребления питаемой схемы. В общем, в этой части всё сделано по-умному.

А вот некоторые вопросы и сомнения вызывают номиналы напряжений защиты от перезаряда и переразряда, которые здесь составляют 4.3 В и 2.5 В соответственно.

Они отличаются от рекомендуемых для лития 4.2 В и 3.0-3.2 В.

Тем не менее, в процессе теста вопросы по завышенному напряжению заряда удастся полностью снять, а вот с защитой от переразряда всё окажется не так радужно.

Интересным образом в контроллере защиты организовано измерение втекающего/вытекающего тока аккумулятора: для этого в схеме нет резистора-«пробника» или шунта. Ток измеряется по падению напряжения при его протекании через открытые MOSFET-ы. С одной стороны, это упрощает схему; но, с другой стороны, при этом будет иметь значение разброс параметров применённых транзисторов.

Перед тестом, просто для порядка, посмотрим на обратную сторону платы:

Здесь всё хорошо: широкие печатные проводники для сильноточных цепей и обширные контактные площадки для внешних соединений.

Теперь переходим к тестам.

Первый тест: разряд Li-ion аккумулятора через тестируемую плату защиты. Использовался аккумулятор 18650 относительно небольшой ёмкости (2000 мАч), разряд производился на мощный резистор 2 Ом. Для съёма осциллограммы тока использовался резистор сопротивлением ~0.12 Ом («самокрутка» из нихромовой проволоки). Кривые снимались осциллографом Fnirsi-1013D.

Посмотрим на осциллограмму финишного участка процесса разряда. На осциллограмме желтая кривая — напряжение на на аккумуляторе (нулевая линия внизу скриншота); голубая линия — ток разряда (нулевая линия — посередине скриншота), развёртка 50 секунд / деление:  

Теперь обсудим результаты.

Сначала плата защиты отключает нагрузку при падении напряжения на аккумуляторе до 2.6 В. Затем через некоторое время аккумулятор без нагрузки сам по себе немного восстанавливается до 2.9 В, и плата вновь подключает нагрузку; через несколько секунд напряжение падает, нагрузка отключается, и далее это повторяется ещё несколько раз до полного «успокоения» системы на уровне напряжения аккумулятора в пределах 2.85 — 2.9 В.

Если же нагрузку после первого срабатывания защиты совсем отключить, то самовосстановление аккумулятора продолжается и далее, останавливаясь на напряжении 3.1 В. Здесь важна только величина напряжения; практической же пользы из такого восстановления извлечь не получится: слишком мала величина восстановившегося заряда.

В  итоге, в случае, если нагрузка не отключена, то остаточное напряжение аккумулятора оказывается несколько ниже общепринятого порога допустимого разряда.

Если же нагрузка будет полностью отключена, то остаточное напряжение худо-бедно всё-таки попадёт в рекомендуемый интервал.

Второй тест: зарядка аккумулятора через данную плату. Использовался тот же стенд, но теперь мощный резистор 2 Ом использовался для ограничения тока заряда от источника напряжением 5 В. Фактически, добавление этого резистора превратило плату защиты в простой, но полноценный контроллер заряда Li-ion аккумулятора.

Финишный участок процесса заряда (напряжение на аккумуляторе и ток заряда) представлен на следующей осциллограмме (ток аккумулятора поменял знак, естественно):

На осциллограмме видно, что, через небольшое время после отключения тока платой защиты, напряжение на аккумуляторе, лишенном подпитки, чуть-чуть (на 0.1 В) просело.

Этого «чуть-чуть» оказалось вполне достаточно, чтобы напряжение из завышенного (4.3 В) попало в рамки допустимого (4.2 В).

Так что по части защиты от перезаряда констатируем отсутствие каких-либо претензий к тестируемой плате защиты лития. Всё получилось тютелька-в-тютельку!

И, последний по порядку, но не по важности, пункт: проверка на защиту от короткого замыкания.

В течение теста несколько раз при разных напряжениях на аккумуляторе делалось короткое замыкание (без отключения нагрузки).

Защита работала надёжно, напряжение на нагрузке каждый раз сбрасывалось до нуля.

Но есть нюанс: после устранения короткого замыкания напряжение на нагрузке не восстанавливалось. Для восстановления требовалось полное отключение нагрузки хотя бы на долю секунды.

Теперь переходим к следующему герою обзора, который, по идее, должен работать в связке с первым героем.

Конструкция, технические параметры, схемотехника и тест индикатора уровня заряда Li-ion аккумулятора

Индикатор уровня заряда представляет собой небольшую плату с 4-уровневым светодиодным индикатором. Точнее, уровней индикации здесь целых пять; поскольку рамка вокруг четырёх основных индикаторов, как выяснилось в процессе тестирования, тоже участвует в индикации, а не просто служит декорацией.

Электроника индикатора, расположенная на обратной стороне, очень проста:

Здесь расположены: неопознанная микросхема контроллера, линейный стабилизатор напряжения SE8530 (на 3 В), диод «защиты от дурака» (от переполюсовки) T4 и немного всякой мелочи.

Важно: на плате есть контакты S1 — S8 для установки перемычки, обозначающей число секций в аккумуляторе, с которым работает этот индикатор. В процессе теста он проверялся на простом односекционном аккумуляторе 18650, упомянутом в предыдущей части обзора.

Когда напряжение аккумулятора в пределах нормы, то столбик из 4-х светодиодов отображает уровень заряда, а рамка светится просто «для красоты»:

 Если напряжение аккумулятора составляет от 3.0 до 3.3 В, то в индикаторе светится только рамка:

А вот в интервале свыше 2.7 и до 3.0 В рамка становится активным участником системы индикации уровня заряда: она мигает, недвусмысленно намекая на катастрофическое падение заряда (недокументированная функция).

При напряжении 2.7 В и ниже рамка просто гаснет: похоже, контроллеру на плате просто не хватает питания.

Теперь — табличка напряжений переключения сегментов индикатора в зависимости от числа секций:

Измерения в односекционном варианте подтвердили указанные значения с высокой точностью (не хуже 2%).

Переключение сегментов в зависимости от уровня заряда не имеет гистерезиса или длительного усреднения показаний; поэтому, если напряжение аккумулятора находится на пограничном уровне между двумя сегментами, то они несколько раз могут перескакивать туда-обратно.

И — ещё немного технических мелочей:
Габариты: 43.5 x 20 x 8 мм;
Ток потребления — не более 5 мА;
Диапазон рабочих температур: -20...+50°С.

Теперь — о технических ограничениях индикатора.

Этот индикатор, в отличие, например, от индикаторов пауэрбанков, не видит, идёт в аккумулятор ток зарядки или нет, и потому никак не может обозначить факт продолжения зарядки.

В пауэрбанках индикаторы интегрированы в контроллер заряда, и потому видят, идёт зарядка или нет. Факт продолжения зарядки они отображают миганием сегментов или миганием цифр (в цифровых индикаторах).

Описанная проблема не является недостатком индикатора, а является следствием принципа его работы: он подключается к схеме только двумя проводами, и ничего, кроме напряжения, «не видит».

В дополнение надо сказать, что у многих продавцов на Алиэкспресс есть почти такой же индикатор, но без возможности назначения количества секций в подключаемом аккумуляторе и с другим контроллером (14-выводная микросхема). На него этот обзор не распространяется (хотя вполне вероятно, что он функционирует точно так же).

Заключение, итоги и выводы

Протестированные устройства — не слишком сложные по функционированию, но, как оказалось, имеют свои «тонкости» в применении.

Плата защиты Li-ion аккумулятора показала свою высокую эффективность в отношении предотвращения перезаряда и защиты от короткого замыкания, но в отношении защиты от переразряда остались некоторые сомнения. Плата позволяет разрядиться аккумулятору несколько сильнее, чем это принято по современным манерам хорошего тона в электронике.

В принципе, подход производителя контроллера защиты DW01B ясен: они учли явления небольшого падения напряжения в аккумуляторе после отключения зарядки и, наоборот, небольшого восстановления напряжения после отключения нагрузки. Это позволит потребителю по максимуму зарядить аккумулятор и также по максимуму использовать его заряд.

Но если по поводу зарядки аккумулятора всё получилось отлично, то по поводу разрядки вопросы остались. Весьма вероятно, что не стоило допускать такого сильного падения напряжения.

Не факт, что это приведёт к каким-то разрушительным последствиям (не так уж велика реальная разница с общепринятым значением), да и в некоторых статьях вообще утверждается, что литий можно безопасно разряжать аж до 2.5 В. К сожалению, из-за разночтений в разных источниках по этому вопросу окончательно установить справедливость подхода производителя контроллера защиты довольно сложно.

Точно можно сказать, что если уж получилась такая разрядка, то не следует оставлять аккумулятор надолго в разряженном состоянии; а надо при первой же возможности его подзарядить.

Тем не менее, возможность такого сильного разряда в процессе работы приведёт, по крайней мере, к несогласованности с индикаторами заряда, подобными описанному в этом обзоре.

При сильном разряде в небольшом интервале напряжений (ниже 2.7 В и до срабатывания защиты от переразряда) возникнет ситуация, когда аккумулятор ещё работает, но индикатор уже ничего не показывает.

Ладно, слишком много слов сказано о плате защиты, надо что-то и об индикаторе заряда сказать.

Что касается индикатора, то при его применении следует помнить, что при подключении к источнику питания он светится постоянно. Если такая ситуация является неприемлемой, то надо задуматься о его кратковременном подключении по команде пользователя, например, банальной кнопкой для проверки заряда.

В целом же к нему никаких претензий нет: он работает, добросовестно выполняя свой алгоритм.

Купить плату защиты литий-ионного аккумулятора можно на Алиэкспресс, например, здесь. Там же имеются платы на более низкие токи (выбирать надо под реальный ток в системе, а не «больше-лучше»). Цена на момент составления обзора — от $1 до $2 в зависимости от конфигурации и способа доставки (может меняться).

Индикатор заряда литий-ионного аккумулятора купить можно, например, здесь. Цена на момент обзора — около $1 с учётом доставки (тоже может меняться).

Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158