Тюмень-Космопоиск
Главная страница Написать письмо
Контроллер разряда Li-Ion, Li-Pol, Li-FePO4 аккумуляторов на дискретных элементах. Версия 2016 года.
10.10.2016 14:30

Представляем усовершенствованную версию нашего контроллера. За прошедшие годы схема неоднократно изменялась, тестировалась в разных условиях и снова изменялась. Главным отличием нового варианта является его модульность, возможность контроля каждого элемента в батарее, настройка параметров для защиты аккум. с любым хим. составом, доступность электронных компонентов.

Базовая схема

Благодаря своей модульности, контроллер может быть скомпонован для батареи с любым количеством элементов. Мы решили ограничиться четырьмя, т.к. в настоящее время 4 и менее - наиболее частые варианты.

Принцип работы

Включение

При подключении батареи напряжение на конденсаторе С1 (и на базе VT5) близко к нулю, VT5 закрыт, плюс батареи через R10 поступает на затвор VT8. Он открывается и подключает нижний (по схеме) контакт нагрузки к минусу батареи. Контроллер включился.

В базовой схеме предусмотрен выключатель S1. Он позволяет управлять мощной нагрузкой. Очень актуально для шуруповертов, аккумуляторных пылесосов и др., т.к. при коммутации такой нагрузки неизбежно возникает дребезг контактов, который расценивается контроллером, как короткое замыкание. Ток через S1 не превышает нескольких микроампер, поэтому можно использовать различные микрокнопки и другую слаботочную коммутацию. Также его можно выносить на тонких проводах далеко от основной платы.

Работа контроллера при полном разряде

Минимальное рабочее напряжение определяется хим. составом аккумуляторов. Для Li-Ion и Li-Pol это 2,8В. Для LiFePO4 это 2В. Порог срабатывания задается резистором R7 (описание ниже) и является одинаковым для всех элементов. Нельзя использовать аккум. разных типов в одной батарее. Далее для примера будем говорить о Li-Ion аккум. с нижней границей 2,8В.

Когда напряжение на одном (или нескольких) элементах уменьшится до 2,8В, напряжение на базе, ток базы и ток коллектора VT4 уменьшаются, напряжение коллектора VT4 увеличивается. Начинается заряд С1. Как только напряжение на С1 (и на базе VT5) достигнет 0,5В, VT5 открывается, напряжение затвора VT8 уменьшается. Напряжение на стоке VT8 (относительно истока) увеличивается, что ведёт к форсированному открытию VT5 и закрытию VT8. Нагрузка отключается. Для приведения контроллера в исходное состояние нужно отключить нагрузку и зарядить батарею.

Работа контроллера при максимальном токе и коротком замыкании в нагрузке

Запредельные токи возникают не только при коротком замыкании, но и при работе с энергоёмкими потребителями (электролитический конденсатор в момент заряда, мощный двигатель в момент пуска, и т. д.).

Ток нагрузки создаёт падение напряжения на R15, которое через R14 подаётся на базу VT7. Если ток превышает предельную величину (задается R15, описание ниже), VT7 открывается. Напряжение на затворе VT8 уменьшается, VT8 переходит в режим источника тока (ток поддерживается постоянным даже при коротком замыкании). Напряжение на стоке VT8 увеличивается (при к.з. до напряжения батареи), через R13 начинается заряд С1. Если бросок тока кратковременный (например, при раскрутке двигателя), падение напряжения на R15 уменьшается, VT7 закрывается (VT5 остаётся закрытым), VT8 открывается.

Если ток не уменьшается (при низкоомной нагрузке или коротком замыкании), то через определённое время (доли секунды) открывается VT5, VT8 форсированно закрывается, контроллер отключает нагрузку. Время задержки определяется номиналом C1. Режим ограничения тока - кратковременный, угрозы перегрева VT8 нет.

Конструкция и детали

Компактная печатная плата

Для базовой схемы разработана компактная печатная плата с применением SMD компонентов. Размер платы 19х38мм (по рамке). Формат PNG, разрешение 600dpi.

Схема монтажа

Транзисторы SMD в корпусе SOT23:

VT1-VT3 - 2SA733; VT4, 5, 7 - 2SC945 или аналоги.

VT6 - 15N03 в корпусе TO251 или TO252 с припаянными выводами, можно любой N - типа с пороговым напряжением 1 - 3В.

VT8 - 06N03L в корпусе TO262 или TO263 с припаянными выводами, можно любой N - типа с пороговым напряжением 1 - 3В и максимальным током в 2 - 3 раза большим, чем ток короткого замыкания. Годятся полевики с материнских плат компьютеров.

Диод VD1-1N4148. Конденсатор C1 - SMD керамический.

Все резисторы - SMD 1206 (кроме R1 - импортный 0,125Вт). Резистор R15 0,1Ом и более - обычный мощностью 0,5 - 1Вт. Меньше 0,1Ом - можно использовать отрезки фторопластового провода подходящей длины. R2-R5 желательно подобрать с точностью 1%, от этого зависит точность отключения при понижении напряжения. Подбор резисторов R7 и R15 описан ниже в разделе настройка.

Печатная плата без SMD

По просьбам трудящихся был также разработан вариант с обычными деталями. Размер платы 40х40мм. Формат PNG, разрешение 600dpi.

Схема монтажа

Транзисторы в корпусе TO92:

VT1-VT3 - 2SA733; VT4, 5, 7 - 2SC945 или аналоги.

VT6 - 15N03 в корпусе TO251, можно TO252, но будет нужно удлинить выводы, или любой N - типа с пороговым напряжением 1 - 3В.

VT8 - 06N03L в корпусе TO220 или любой N - типа с пороговым напряжением 1 - 3В и максимальным током в 2 - 3 раза большим, чем ток короткого замыкания. Два параллельных VT8 предусмотрены для питания мощной нагрузки.

Диод - 1N4148. Конденсатор C1 - керамический.

Все резисторы (кроме R7 и R15) – импортные 0,125Вт.

Варианты

Можно варьировать количество элементов в батарее от 1 до 4, убирать или оставлять S1.

Рассмотрим несколько вариантов контроллера, которые были спаяны. Все они являются упрощением базовой схемы.

Первый вариант - отказ от выключателя S1. Он подходит в том случае, если не нужно коммутировать мощную нагрузку. Как видим, исчезают R12 и VT6.

Такая схема была собрана, вместо VT6 нужно просто впаять перемычку «сток-исток».

На фотографии резистор R15 выполнен из отрезка фторопластового провода.

Второй вариант - схема на 2 элемента с выключателем. Транзисторы VT2 и VT3 не нужны, вместо них ставим перемычку X7-X9.

Такая схема успешно работает в аккумуляторном пылесосе.

Ток между контактами X1 - X4 и батареей составляет микроамперы, поэтому можно использовать тонкие провода.

На фото видны тонкие провода к X1 и X2. Толстые провода идут к X5 и радиатору, который соединен со стоком VT8 (контакт X10). «+» батареи и нагрузка соединяются непосредственно в аккумуляторном блоке. Площадку с левого края контроллера можно использовать как контакт X10, но сначала ее нужно соединить со стоком VT8, как на фото.

Рабочий ток в этом пылесосе достигает 15 ампер, поэтому мы поставили два параллельных VT8 и снабдили их радиатором. Также используется выключатель S1.

Третий вариант самый простой - на один элемент без выключателя.

Перемычки вместо R1, VT6, VT1-VT3.

Вместо переменного резистора R7 здесь тоже стоит перемычка, т.к. был точно подобран R6. Так тоже можно делать.

Настройка

Настройка сводится к подбору R1, R7 и R15, а также проверке всех аварийных режимов.

Ток короткого замыкания Iкз выбирается примерно в 2 раза больше рабочего тока. Значение R15 подбирается по току короткого замыкания R15=0.5/Iкз

Например, в нашем пылесосе рабочий ток 15А. Мы приняли Iкз=25A, значит R15=0.5/25=0.02Ом

Такое сопротивление можно получить из отрезка провода. Компромиссом между длиной и нагревом является параллельное соединение нескольких отрезков. В нашем пылесосе это 2 параллельно соединённых отрезка фторопластового провода сечением 0,35 мм и длиной 250 мм.

Если по расчету R15 получается 0,1Ом и больше, можно использовать обычные резисторы, мощностью 0,5-1Вт. Например, в нашем контроллере на один элемент Iкз=5А. R15=0.5/5=0.1Ом

Для настройки нужно подключить контроллер к регулируемому источнику питания и установить напряжение 7,2В (для 2-х элементного контроллера).

Подключите нагрузку (0,1-0,2 от максимальной). Внимание! Сначала подключаем питание, потом нагрузку. Вообще все манипуляции с подключением контактов X1-X5 нужно проводить без нагрузки. Если нагрузка оказалась подключенной, контроллер может не включиться. Чтобы его запустить, достаточно отключить и снова подключить нагрузку.

Подключите вольтметр к выходу (параллельно нагрузке), убедитесь, что контроллер включился. Плавно вращая резистор 1К, зафиксируйте напряжение отключения (напряжение между Х1 и Х2). Повторите то же самое для Х2-Х5, поменяв местами резисторы. Разница напряжений отключения не должна превышать 0,05В. При большей разнице нужно подобрать R1.

Вращая R7, установите напряжение выключения 2,8В для всех входов. Для аккум. LiFePO4 устанавливайте значение 2В.

Подключите контроллер к аккумуляторной батарее через амперметр, а к выходу - регулируемую нагрузку. Мощность этой нагрузки должна быть достаточна для достижения предельного тока. Плавно (или ступенчато) уменьшая сопротивление нагрузки, зафиксировать ток, при котором контроллер выключится. Ток должен соответствовать расчетному значению Iкз.

Для проверки защиты от короткого замыкания подключите контроллер к батарее через амперметр, подключите нагрузку (0,1 от максимальной) и закоротите выход. Ток должен упасть до нуля и остаться нулевым после снятия короткого замыкания. Чтобы включить контроллер, нужно отключить и снова включить нагрузку.

После тестов с лабораторной нагрузкой, нужно проверить его с тем устройством, в котором ему предстоит работать. Иногда возникает необходимость поднять порог защиты по току, для этого надо уменьшить R15. А если срабатывает защита при включении (например, при пуске двигателя), то надо увеличить время защиты от короткого замыкания, увеличив C1. Следует иметь в виду, что при этом увеличивается время включения контроллера примерно до 1 и более секунды.

Следует обратить внимание на тепловой режим. При токе свыше 3-4А для VT8 необходим радиатор, а R15 должен быть соответствующей мощности.

Для работы вне помещений и при повышенной влажности плату следует залакировать по любой известной технологии.

Разработка схемы, печатных плат, опытных образцов - Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
Оформление, подача материала - Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
Тюмень-Космопоиск, 2016