Литий-ионные и литий-полимерные батареи все чаще применяются в портативных устройствах (смартфоны, ноутбуки, планшеты). Эти аккумуляторные батареи способны хранить большой объем энергии при небольших габаритных размерах, по сравнению с другими типами аккумуляторов.
Тем не менее, такая высокая эффективность хранения энергии имеет и свои минусы, такие как сверхчувствительность к перегревам, взрыво- и пожароопасность, а также другие негативные факторы. В целях безопасности некоторые схемы защиты разрабатываются отдельно под каждое изделие. В данной статье мы рассмотрим один из таких подходов.
Форм-факторы литий-ионных батарей
Смартфоны и ноутбуки – основные пользователи литий-ионных аккумуляторов. Но диапазон их применения охватывает куда больший спектр. Другие продукты, использующие литий-ионные аккумуляторы включают – садовые инструменты, бытовые электроприборы, роботы, внешние аккумуляторы, беспилотные летательные аппараты, электромобили и множество других устройств.
Внешний аккумулятор – это портативная вторичная батарея, которая заряжает ваш смартфон или ноутбук при отсутствии источника переменного тока. Внешние аккумуляторы, как правило, заряжаются через порт USB ПК, а также через стандартный разъем типа A USB, используемый для подключения к смартфону или ноутбуку через стандартный кабель зарядки телефона.
Внешний аккумулятор состоит из модуля, содержащего в себе батарею, схемы защиты и контроля заряда/разряда батареи. Батарея состоит из последовательно включенных ячеек. Одна ячейка 1S, две 2S, и так до 15S и более.
Аккумуляторные батареи
Защита аккумуляторных батарей состоит из двух основных пунктов – защита по напряжению и току. Защита по напряжению использует компаратор для сравнения напряжения отдельных клеток. Это необходимо для сравнения его значения с неким эталонным значением, относительно которого будет определяться перенапряжения клетки или пониженное его значение. Измерение тока производится путем включения последовательно в цепь резистора очень малого сопротивления, на котором измеряется падение напряжения пропорциональное току и сравнивается с заданным эталонным, относительно которого определяются сверхтоки или сверхнизкие токи. Большинство батарей используют MOSFET транзисторы для управления зарядкой и разрядкой. Они также разрывают цепь в случае превышения допустимых порогов токов или напряжений.
К тому же, блоки батарей, как правило, включают в себя еще и терморезисторы для измерения температуры ячеек. Это необходимо для предупреждения перегрева. Некоторые пакеты мульти-ячеечных батарей поддерживают функции обнаружения открытой цепи (англ. OCD), способ мониторинга напряжений отдельных элементов схемы, что обеспечивает клеточную балансировку для равномерного распределения заряда на каждой ячейке. Это повышает срок службы и производительность аккумуляторов.
Схема уровня заряда показывает энергию, которая находится в батарее в любой момент времени. Калибровочная схема контролирует напряжение, ток и температуру. После чего данные оцифровываются на одном или нескольких АЦП и отправляются во встроенный или внешний микроконтроллер. В контроллере реализован алгоритм, определяющий состояние батареи и дальнейшие действия по предотвращению аварийных ситуаций.
Реализация функций защиты аккумуляторной батареи
Когда дело доходит до реализации любого вида защиты, мониторинга и измерений, решение должно быть максимально простым и дешевым. Решение может быть реализовано и одним мульти-чипом. Например, Bq77905 – микросхема с низким энергопотреблением для реализации защиты аккумуляторов по напряжению, току, а также перегреву без микроконтроллера. Наращиваемый интерфейс устройства обеспечивает простое масштабирование для поддержки аккумуляторов мобильных устройств от 3S до 20S или более. Микросхема обеспечивает балансировку клеток, что положительно влияет на производительность и срок службы батареи.
Пороги защит и задержек программируются на заводе и доступны в различных конфигурациях. Разделение повышенных и пониженных температур для порогов заряда и разряда позволяют увеличить гибкость. Основные технические характеристики включают:
- Ток стока в нормальном режиме 6 мкА;
- Мониторинг трех, пяти клеток;
- Точность защиты по напряжению ±10 мВ;
- Диапазон повышенного напряжения ячейки от 3 В до 4,575 В;
- Диапазон пониженного напряжения ячейки от 1,2 В до 3 В;
- Обнаружение открытой ячейки/провода;
Bq77905 обеспечивает защиту через встроенный независимые CHG (заряд) и DSG (разряд) с драйверами MOSFET, которые могут быть отключены через два контакта управления. Эти контакты могут быть использованы для решения задач клеточной защиты более высоких серий (6S и выше). Для уменьшения количества компонентов все ошибки защиты используют внутренние таймеры. На рисунке ниже показана схема bq77905 с внешними полевыми транзисторами, контролирующими процессы разряда/заряда.
Модуль оценки (EVM) доступен для bq77905 3-5S с низким энергопотреблением. Он реализует комплексную систему для литий-ионных аккумуляторов. Модуль оценки включает в себя одну интегральную микросхему bq77905, измерительный резистор, термистор, два транзистора CSD18534Q5A, и другие компоненты, необходимые для коммутации токов заряда и разряда.
Модуль подключается между источником «батареи» и «пакета» нагрузки. В дополнение к току и напряжения, приложенного к модулю, пользователь может удалить на плате перемычки для имитации завышения или занижения температурных условий для исследования процессов контроля транзисторов при различных условиях заряда и разряда.
