Funkcje ochrony ładowarki akumulatora

Niezależnie od tego, czy używasz ładowarki samochodowej, czy baterii do innych celów, ważne jest, aby wiedzieć, jak chronić baterię. Obejmuje to rozpoznanie, co powoduje przeładowanie, jak uniknąć ucieczki termicznej i nie tylko.

Zabezpieczenie nadprądowe jest ważną częścią wszystkich obwodów elektrycznych. Chroni sprzęt przed przeciążeniami prądowymi i zwarciami doziemnymi.

Oprócz zapewniania ochrony, urządzenia nadprądowe mogą być również używane do diagnozowania sytuacji przeładowania. Wyłączniki automatyczne, bezpieczniki i łączniki topikowe są najczęstszymi urządzeniami zabezpieczającymi przed przetężeniem. Urządzenia te są połączone szeregowo z obwodem, który chronią.

Bezpieczniki i wyłączniki automatyczne są przeznaczone do przerywania obwodu, gdy prąd przekroczy zadaną wartość progową. Są powszechnie stosowane w systemach niskiego napięcia. Bezpiecznik składa się z dwóch drutów lub pasków zamkniętych w izolatorze. Stopione połączenie taśmy utrwalającej może wygiąć się w poprzek i stopić.

Bezpieczniki i wyłączniki można znaleźć w prawie wszystkich produktach elektronicznych. Służą do ochrony personelu, przewodów i sprzętu przed przetężeniem lub zwarciem. Jeśli obwód nie działa, bezpieczniki przepalą się i urządzenie przestanie działać.

Akumulatory należy chronić przed przetężeniami i przepięciami. Warunki przeładowania i przepięcia mogą powodować awarie baterii, eksplozje i toksyczne opary. Zwłaszcza akumulatory litowo-jonowe powinny być monitorowane i chronione.

Obwody ładowania akumulatorów są podatne na problemy, takie jak przeciążenie źródła zasilania, niedopasowane obciążenie i obwód ładowania, który pobiera więcej prądu niż jest to dozwolone. Aby chronić baterię i sprzęt przed tymi zagrożeniami, zestaw baterii powinien być wyposażony w funkcję zabezpieczenia nadprądowego.

Akumulatory litowo-polimerowe są zwykle wyposażone w obwód ochronny, który ma zapobiegać przeładowaniu i nadmiernemu rozładowaniu. Jednak są one również podatne na nadużycia. Ładowanie akumulatora litowo-polimerowego powyżej jego pojemności może spowodować niekontrolowany wzrost temperatury i inne problemy związane z bezpieczeństwem. W idealnym przypadku akumulator nie powinien być ładowany ponad 1,5-krotnością prądu zabezpieczenia nadprądowego akumulatora.

Testowanie funkcji zabezpieczenia nadprądowego pakietu akumulatorów polega na sprawdzeniu odpowiedzi obwodu na warunki przetężenia i przepięcia. Badania te należy przeprowadzić w laboratorium.

Funkcja zabezpieczenia nadprądowego ładowania jest testowana przy użyciu źródła prądu stałego. Dane są zbierane przez godzinę po zakończeniu ładowania. W tym czasie mierzona jest temperatura akumulatora i poziom SOC. Gdy poziom SOC osiągnie 130 procent lub więcej, test zostaje zakończony. Pozwala to na dokładniejszą ocenę odporności akumulatora na przetężenia i przepięcia.

Zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem jest jedną z funkcji bezpieczeństwa ładowarki do akumulatorów litowo-jonowych. Występuje, gdy napięcie baterii litowej spada poniżej pewnego progu. Jeśli napięcie osiągnie poziom poniżej tego progu, ładowanie akumulatora zostanie przerwane. Akumulator ostatecznie stanie się potencjalnym zagrożeniem pożarowym.

Zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem realizowane jest w postaci wyłącznika zabezpieczającego przed przeładowaniem. Przełącznik jest podłączony szeregowo między dodatnią stroną akumulatorów a zaciskiem wyjściowym akumulatora.

Przełącznikowi towarzyszy obwód sterujący, który włącza i wyłącza przełącznik, gdy napięcie baterii osiągnie określoną minimalną wartość zadaną. Dołączony jest również obwód opóźniający, aby zapobiec przedwczesnemu wyłączeniu FET.

Oprócz wyłącznika zabezpieczającego przed przeładowaniem, istnieje również obwód wykrywania napięcia, który monitoruje napięcie akumulatora. Obwód ten składa się z trójzaciskowego sterownika układu scalonego (IC). Jak pokazano na rys. 2, układ scalony steruje wyłącznikiem zabezpieczającym przed nadmiernym rozładowaniem, przerywając napięcie wyjściowe, gdy napięcie ogniwa spadnie poniżej progu nadmiernego rozładowania.

Obwód ten zawiera również diodę pasożytniczą, która utrzymuje FET w stanie włączonym w odniesieniu do prądu wstecznego. Uzupełnia go kondensator C21, który dodaje niewielką ilość czasu do wzrostu napięcia na bramce FET.

Gdy wyłącznik zabezpieczający przed nadmiernym rozładowaniem jest wyłączony, napięcie po stronie wyjściowej przełącznika wzrasta do napięcia po stronie ładowania. Wyłącznik termiczny służy również do wyłączania wejścia baterii.

Kolejnym wspomnianym elementem jest funkcja ochrony przed przegrzaniem. To urządzenie nie jest tak wyrafinowane, jak funkcja ochrony przed nadmiernym rozładowaniem.

Alternatywnym projektem dla funkcji ochrony przed nadmiernym rozładowaniem byłby mikrokontroler odczytujący temperaturę akumulatorów i wyłączający wyjście. Jednak ta opcja wymaga dużo programowania, co może być niepraktyczne w przypadku niektórych aplikacji.

Niemniej jednak istnieją pewne opcje ochrony przed nadmiernym rozładowaniem, które są przydatne i można je dostosować do konkretnego zastosowania. Na przykład w wieloogniwowej ładowarce do akumulatorów litowo-jonowych mechanizm wykrywania nadmiernego rozładowania można ustawić tak, aby monitorował wszystkie ogniwa w zestawie akumulatorów.

Funkcje ochrony przed przegrzaniem ładowarek do akumulatorów mają kluczowe znaczenie dla wydajności i niezawodności systemów zarządzania energią akumulatorów. Nadmierna temperatura nie tylko zagraża bezpieczeństwu, ale może również mieć negatywny wpływ na żywotność baterii. Aby zapobiec wystąpieniu niekontrolowanego wzrostu temperatury, akumulator musi zostać wyłączony, zanim temperatura osiągnie niemożliwy do osiągnięcia poziom.

Schematy ochrony baterii zazwyczaj oferują dwa poziomy ochrony. Jeden to bezpiecznik termiczny, a drugi to funkcja wyłączania termicznego.

Bezpiecznik termiczny to urządzenie, które automatycznie wyłącza ładowarkę, jeśli temperatura akumulatora przekroczy zadaną wartość progową. Inne funkcje ładowarek obejmują ochronę przed przepięciami i odwrotną polaryzacją.

Istnieją inne ładowarki do akumulatorów, które oferują funkcje wyłączania termicznego. Jednak urządzenia te są zbyt drogie, aby można je było wbudować w standardową ładowarkę i wymagają starannego zaprojektowania, aby uniknąć wyłączenia termicznego. Zamiast tego można zaimplementować funkcję wyłączenia termicznego, podłączając termistor NTC do dedykowanego styku przyłączeniowego. Obwód wykrywający napięcie może następnie monitorować rezystancję termistora, aby określić, czy temperatura jest wystarczająco wysoka, aby wyłączyć akumulator.

Baterie mają duży zakres temperatur. Różnica między temperaturą akumulatora i ładowarki może być ogromna. Ta różnica może spowodować przeładowanie lub niedoładowanie. Oba te czynniki mogą prowadzić do uszkodzenia akumulatora.

Oprócz bezpiecznika termicznego ładowarka może zawierać regulator napięcia. Dzięki temu ładowarka utrzymuje stałe napięcie przy jednoczesnym utrzymaniu prądu płynącego do akumulatora poniżej maksymalnej dopuszczalnej wartości.

Ładowarki do akumulatorów zazwyczaj zawierają opatentowany profil z tworzywa sztucznego, który charakteryzuje się szybkim rozpraszaniem ciepła. Zawiera również lampkę kontrolną, wskaźnik szybkości ładowania i sześć wbudowanych funkcji zabezpieczających.

Akumulator może również zawierać termistor, który określa, czy środowisko rozruchu jest zbyt gorące, aby akumulator mógł wchłonąć ładunek. Ten pomiar temperatury jest przydatny w monitorowaniu obwodów i wyzwalaniu akcji w celu włączenia wentylatora chłodzącego lub odcięcia ładowania.

W zależności od technologii baterii i składu chemicznego baterii istnieje kilka różnych funkcji ochronnych. Niektóre są realizowane jako część systemu zarządzania energią akumulatora, a inne są zintegrowane z samą ładowarką.

Ucieczka termiczna to niebezpieczny stan, który może wystąpić w akumulatorze. Powoduje to przegrzanie elektrolitu w akumulatorze i może doprowadzić do pożaru, którego nie da się ugasić. Ten stan może być wynikiem wewnętrznego zwarcia lub zewnętrznego zwarcia. Na szczęście ładowarka ma wbudowane zabezpieczenie przed ucieczką termiczną.

Gdy system rozpocznie ładowanie akumulatora, najpierw rozpocznie monitorowanie napięcia akumulatora. Jeśli napięcie nie wzrośnie, system zakłada, że ​​akumulator jest w trybie niekontrolowanej temperatury. Następnie prąd ładowania będzie wzrastał, aż akumulator osiągnie z góry określone napięcie ładowania.

Gdy prąd ładowania osiągnie określony poziom, system zaczyna zmniejszać szybkość ładowania. Zmniejsza to prąd ładowania do wartości bezpiecznej dla akumulatora. Gdy poziom prądu osiągnie określony próg, akumulator zostanie w pełni naładowany.

Aby zapobiec możliwości przegrzania, ładowarka będzie monitorować napięcie i cykl pracy prądu ładowania. Jeśli wystąpi odchylenie w charakterystyce ładowania, system potraktuje anomalię jako problem i zmniejszy szybkość ładowania.

Oprogramowanie ładowarki będzie również monitorować parametry ładowania elektrycznego akumulatora. Kiedy napięcie akumulatora osiągnie ustawioną wartość, zostanie sprawdzone, czy występuje stan niekontrolowanej temperatury.

W trybie stałoprądowym cykl pracy jest sprawdzany co trzy lub cztery kolejne wartości. Gdy cykl pracy maleje, licznik di/dt jest zmniejszany, a DTlimit jest zwiększany.

Podczas pracy w trybie stałonapięciowym licznik di/dt ustawiany jest na wartość nominalną. Krzywa napięcia będzie miała dodatnie nachylenie. Warunek niekontrolowanej temperatury jest brany pod uwagę, gdy napięcie nie wzrasta, a licznik di/dt osiąga wartość ujemną.

W ładowarce stałonapięciowej cykl pracy jest sprawdzany w stałych odstępach czasu. O ustawionej godzinie system zmniejszy prąd ładowania, a następnie ponownie sprawdzi cykl pracy, aby zobaczyć, czy się zmniejszył.

W bateriach litowych może wystąpić niekontrolowany wzrost temperatury. Chociaż są to niezwykle wydajne urządzenia do magazynowania energii, ich pojemność może ulec zmniejszeniu, jeśli zostaną pozostawione w ciepłym otoczeniu. Ponadto wiadomo, że palą się pod wpływem wodorotlenku litu. Z tego powodu akumulatory litowo-jonowe należy przechowywać w temperaturze bezpiecznej dla akumulatora.

Zabezpieczenie przed nadmiernym napięciem wyjściowym ładowarki akumulatora to funkcja, która pomaga zapewnić, że prąd płynący do akumulatora pozostaje w określonym z góry limicie. Oznacza to, że obwód ładowania może odciąć wyjście na określony czas, aby uniknąć awarii, która może spowodować wybuch.

Akumulatory mogą być bardzo wrażliwe, a awaria obwodu ładowania może doprowadzić do wybuchu. Na szczęście istnieje wiele sposobów, aby temu zapobiec. Po pierwsze, akumulator musi być ładowany ze stałą szybkością. Szybkość zależy od chemii baterii i stopnia jej wyczerpania. Po drugie, obwód musi być zaprojektowany tak, aby był w stanie wytrzymać nienormalne warunki pracy.

Typowy system zarządzania baterią składa się z bloku monitorowania baterii i obwodu ochrony przeciwprzepięciowej. Mechanizm zabezpieczający chroni akumulator przed uszkodzeniem podczas procesu ładowania oraz przed problemami z zasilaniem. Może być zintegrowany z układem ładowania lub może być realizowany w ramach systemu zarządzania baterią. Zazwyczaj ten typ ładowarki do akumulatorów wykorzystuje konstrukcję regulatora liniowego, którego celem jest utrzymanie prądu w zakresie obwiedni napięcia na zaciskach akumulatora.

Inną opcją jest system zarządzania baterią, który integruje funkcje kontroli ciągłej i kontroli ograniczającej. Umożliwia to zmniejszenie prądu ładowania, gdy obciążenie przekroczy limit prądu USB. Regulowane zasilanie wyjściowe 3,3 V może również służyć do dostarczania aktywnego sygnału wykrywania niskiego napięcia.

Inną opcją ochrony przed przepięciem jest obwód porównawczy. Za pomocą operatorów porównania w kodzie mikrokontrolera można zapewnić, że podawane napięcie jest niższe od maksymalnego dopuszczalnego napięcia. Komparator prądowy INA300 23 może pobierać dużo poniżej maksimum 1mA.

Idealną funkcję diody można również wykorzystać do wstrzymania procesu ładowania, gdy napięcie wyjściowe spadnie poniżej określonego poziomu. W tym przypadku idealną diodą jest dioda o wysokiej wydajności, która umożliwia podłączenie drugiego zewnętrznego PFET między OUT a BAT. Gdy napięcie OUT spadnie poniżej napięcia BAT, dioda idealna staje się aktywna.

Niektóre składy chemiczne akumulatorów są bardzo wrażliwe na wywierane napięcie. Na przykład akumulatory litowo-jonowe są zaprojektowane do ładowania tylko w temperaturze jednego stopnia Celsjusza. Gdy napięcie na zaciskach spadnie poniżej tego poziomu, obwód ładowania musi się rozłączyć. Podobnie inne chemikalia oczekują bardzo małego napięcia pływaka. Jednak gdy napięcie spada zbyt nisko, szybkość samorozładowania wzrasta. Te chemikalia wymagają również odłączenia obwodu ładowania po osiągnięciu napięcia na zaciskach.

Inne problemy mogą wynikać z używania nieregulowanych zasilaczy AC/DC. Wiele urządzeń elektronicznych, w tym samoloty, panele szklane, a nawet układy scalone do ładowania, jest podatnych na uszkodzenia, gdy są podłączone do nieuregulowanego źródła zasilania.

Jednym z rozwiązań jest zastosowanie zasilacza impulsowego. Tego typu zasilacze wykorzystują przełącznik do monitorowania napięcia. Jeśli napięcie wzrośnie zbyt szybko, przełącznik ponownie sprawdzi napięcie. Ale jeśli zasilacz jest uszkodzony, zasilacz impulsowy może zostać uszkodzony.

Zabezpieczenie wejściowe ładowarki przed zbyt niskim napięciem i przepięciem

Zabezpieczenie przed zbyt niskim napięciem i przepięciem na wejściu ładowarki jest ważną cechą dla różnych zastosowań. Gdy napięcie wejściowe przekroczy określony próg, układ scalony ładowarki wyłączy zasilanie. Może to chronić obciążenie, urządzenie lub mikrokontroler systemu przed uszkodzeniem. W zależności od konstrukcji układu scalonego ładowarki można również wprowadzić progi temperaturowe.

Ochrona przed przepięciami jest mniej powszechna niż ochrona podnapięciowa. Jednak w niektórych przypadkach stan ten może spowodować nieprawidłowe działanie obwodu. Najlepiej wdrażać ten rodzaj ochrony z ostrożnością. Należy wziąć pod uwagę wiele czynników, takich jak prąd ładowania i temperatura akumulatora, ilość energii potrzebna do utrzymania napięcia akumulatora oraz rodzaj używanego urządzenia. Idealnie, układ scalony ładowarki zaimplementuje konfigurowalne reakcje na sytuację przepięcia. Układ scalony ładowarki będzie również musiał mieć możliwość regulacji zakresu działania.

Zabezpieczenie podnapięciowe jest często mniej skomplikowane niż zabezpieczenie nadnapięciowe. Większość projektantów po prostu nie zajmuje się tym aspektem swoich projektów. Skupiają się raczej na innych aspektach swoich projektów. W większości przypadków warunki podnapięciowe nie powodują uszkodzeń. Jednak niektóre warunki mogą wymagać większej uwagi.

Aby wdrożyć zabezpieczenie podnapięciowe, obwód jest umieszczony w poprzek zasilacza. Następnie używany jest timer. Ten timer automatycznie odłączy obciążenie, jeśli bateria spadnie poniżej ustawionego progu. Obwód jest prosty i łatwy do wdrożenia. Timer można dostosować do różnych wartości napięcia.

Inną opcją jest użycie obwodu łomu. Obwód łomu jest podobny do łomu opadającego. Jednak łom nie uwzględnia możliwości uszkodzenia zasilacza. Funkcją łomu jest raczej zapobieganie wystąpieniu sytuacji przepięcia.

Zasadniczo funkcja ochrony przed przepięciem ładowarki do akumulatorów będzie oparta na standardzie akumulatorów JEITA. W rezultacie producent zestawu akumulatorów będzie miał określone progi dla różnych poziomów prądu ładowania. Na przykład układ scalony ładowarki może być w stanie skonfigurować minimalne napięcie wejściowe na 4,5 V, maksymalne napięcie wejściowe na 20 V, a próg zbyt niskiego napięcia na 3 V.

Inne funkcje ochrony przed przepięciami obejmują regulację termiczną i wykrywanie braku baterii. Ładowarka IC może również zapobiegać nadmiernej temperaturze poprzez regulację prądu ładowania. Te funkcje bezpieczeństwa zapewniają, że bateria nie zostanie uszkodzona podczas ładowania.

Istnieje kilka rodzajów układów scalonych ładowarek, w tym ładowarki buck, boost i buck-boost. Ładowarki Buck-boost umożliwiają ciągłe ładowanie przy jednoczesnym ograniczeniu maksymalnego prądu ładowania do określonego progu. Zarówno ładowarki buck, jak i boost mają wyższe napięcie robocze niż ładowarki buck. Dlatego wymagają większego pakietu IC. Mogą być używane w aplikacjach przenośnych.

Niektóre układy scalone ładowarek mają zintegrowany interfejs I2C. Dzięki temu urządzenie może łatwo konfigurować różne funkcje bezpieczeństwa. Jedną z takich funkcji jest zegar kontrolny. Podczas procesu ładowania MCU musi regularnie resetować timer. Jeśli timer nie zadziała, mikrokontroler systemowy nie będzie w stanie zareagować.

Innym typem układu scalonego ładowarki akumulatorów jest ładowarka przełączająca. Ładowarki przełączające są na ogół bardziej wydajne i zdolne do obsługi wyższych prądów. Chociaż ten typ ładowarki może kosztować więcej, może być również wygodniejszym wyborem w niektórych zastosowaniach.

Zabezpieczenie przed zwarciem ładowarki i odwrotnym podłączeniem

Odwrotne podłączenie baterii może spowodować poważne uszkodzenie baterii i przenośnego sprzętu elektronicznego. Mogą wytworzyć iskrę, wodór lub całkowicie rozładować akumulator. Wszystko to może być niebezpieczne dla zdrowia i sprzętu. Oto, jak zapobiegać odwrotnemu podłączaniu baterii i jak chronić ładowarkę przed skutkami.

Aby zapobiec odwrotnej polaryzacji połączeń akumulatora, ważne jest, aby podłączyć biegun dodatni do ujemnego akumulatora. Ma to na celu zapewnienie, że akumulator się nie przegrzeje. Ponadto napięcie z ujemnej strony akumulatora będzie stopniowo rozładowywać akumulator, powodując cykl rozładowania podobny do tego, który występuje w przypadku kondensatora.

W zależności od rodzaju używanego urządzenia może być potrzebny przełącznik zmiany kierunku baterii lub zabezpieczenia mechaniczne. Mogą to być złącza spolaryzowane lub złącza jednokierunkowe. Może być również konieczne noszenie okularów ochronnych lub gumowych rękawiczek.

Innym prostym podejściem do zapobiegania odwróceniu baterii jest użycie równoległego obwodu diodowego. Jest łatwy w budowie i może chronić akumulatory o wysokiej impedancji wyjściowej przed odwrotnymi instalacjami. Musi jednak wytrzymać duży prąd. Pompa ładująca może być również przydatnym dodatkiem pomagającym chronić ładunek.

Podłączenie akumulatora z odwrotną polaryzacją jest niebezpieczne, ponieważ elektrony są przeciągane z ujemnej na dodatnią stronę akumulatora. Może to spowodować rozładowanie baterii i spalenie baterii. Podobnie jak w przypadku innych baterii, może to również prowadzić do szybkiego rozładowania i krótkiej żywotności. Użycie odwrotnego przełącznika baterii może chronić ładowarkę i przenośną elektronikę przed skutkami odwrotnego podłączenia baterii.

Gdy podłączona jest bateria zwrotna, MP1 ją wykrywa. Jeśli MP1 nie wykryje połączenia, wyłączy główne urządzenie przepustowe MP2. Podczas odwrotnego podłączenia akumulatora, MN1 wygeneruje dużo mocy. Powoduje to dezaktywację MP2 i wyłączenie MP1. Podobnie, jeśli bateria jest podłączona, a MP2 jest wyłączony, MP1 zatrzyma ładowarkę.

Innym podejściem jest użycie obwodu opartego na NMOS. NMOS wykorzystuje zatrzaskowy element pamięci do określenia, czy podłączona jest tylna bateria. Chociaż ta metoda jest prostsza niż podejście oparte na PMOS, nie zawsze łączy się z baterią. Nawet jeśli tak się stanie, nie zawsze jest to wystarczająco szybkie, aby uniemożliwić aktywację MN1.

Alternatywnie możesz wypróbować obwód ochronny PMOS. W tej metodzie akumulator jest tymczasowo podłączony do wyjścia ładowarki, gdy ładowarka jest wyłączona. Porównując napięcie z zacisku akumulatora z napięciem z wyjścia ładowarki można stwierdzić, czy połączenie jest trwałe.

Wreszcie, konieczne jest odłączenie MN1 od akumulatora, zanim stanie się zbyt gorący, aby go odłączyć. Chociaż nie jest to szybki proces, jest bardzo ważny. Aby pomóc w tym zadaniu, opracowano kilka obwodów. Jeden z najlepszych obwodów obejmuje R3 i R4. Jest najbardziej skuteczny w przypadku akumulatorów litowo-jonowych o niższym napięciu.