Grundlegendes zur LiPo-Lade- / Schutzschaltung

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Ich bin gerade dabei zu lernen, Leiterplatten zu entwerfen und das Elektronikdesign zu verstehen. Für ein Projekt muss ich einen 3,7-V-LiPo-Akku aufladen. Ich möchte es auch vor Überladung / Überentladung schützen.

Ich habe mit Karten experimentiert, die den TP4056 zusammen mit einem DW01-Batterieschutz-IC und einem FS8205A-Doppel-N-Kanal-MOSFET verwenden.

Die Datenblätter finden Sie hier:

Die vorgefertigten Module sind sehr billig - hier ein Beispiel für AliExpress :

Bild des Batterielademoduls basierend auf TP4056 + DW01 + FS8205A

Sie scheinen zu funktionieren, aber ich würde gerne wissen, was die Schaltung tatsächlich tut, bevor ich sie benutze :)

Ich habe nur einen Schaltplan mit diesen drei Komponenten zusammen gefunden:

schematische Darstellung

Es fällt mir schwer herauszufinden, ob diese Schaltung korrekt ist. Wenn ich das richtig verstehe, besteht der Dual-N-Kanal-MOSFET im Grunde aus 2 Schaltern in einem Gehäuse. Diese beiden MOSFETs werden durch die Pins 1 und 3 des DW01 ausgelöst, die wie folgt beschrieben werden:

  • DW01 Pin 1: MOSFET-Gate-Verbindungsstift zur Entladungssteuerung
  • DW01 Pin 3: MOSFET-Gate-Verbindungsstift zur Ladesteuerung

Grundsätzlich schalten die beiden MOSFETs im FS8205A den Fluss auf B- ab, wenn DW01 sie dazu auffordert.

Ich verstehe, dass dies funktionieren würde, wenn die Überentladungssteuerung aktiviert wird und kein Strom von B- nach OUT- fließen würde.

Was ich jedoch nicht verstehe, ist, wie dies mit dem Überladungsschutz funktionieren würde. Wenn dies eintritt, sollte kein Strom vom Ladegerät zum Akku fließen. Das an OUT + und OUT- angeschlossene Gerät sollte jedoch weiterhin funktionieren, aber es scheint, als würde B- OUT- nicht erreichen.

ErikL
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Das Ladegerät ist an out + und out- angeschlossen. Der Überladungsschutz funktioniert nur, wenn die Spannung von out + nach out- über dem Grenzwert liegt, der etwa 4,25 V betragen kann. Nur der Schutz-IC und die FETs sollten an B- angeschlossen werden. Der Schutz-IC wird also immer mit Strom versorgt, es sei denn, die Zellenspannung ist extrem niedrig.
Mkeith
"Das an OUT + und OUT- angeschlossene Gerät sollte jedoch weiterhin funktionieren" - das PCM schützt nicht nur vor Überladung, sondern auch vor Überstrom und Überentladung. Es hat nur einen Schalter, daher muss die Zelle getrennt werden, unabhängig davon, welcher Fehler erkannt wurde (was möglicherweise sogar eine Überspannung ist, die von der Last zurückkommt). Der Hauptzweck besteht darin, zu verhindern, dass die Batterie explodiert. Es sollte nicht auslösen, es sei denn, ein Teil des Geräts (Ladegerät, Niederspannungsabschaltung usw.) fällt aus. In diesem Fall ist es wünschenswert, das Gerät funktionsunfähig zu machen.
Bruce Abbott

Antworten:

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Schutzschaltungen unterscheiden sich normalerweise von Ladekreisen. Viele Akkus sind so konzipiert, dass sie von einem speziellen Gerät aufgeladen werden können, das den Ladevorgang steuert.

Der Ladevorgang kann einen Zellausgleich beinhalten. Wenn die Packung eine große Anzahl von Zellen in Reihe enthält, erfordern im Allgemeinen 4+ Zellen in Reihe (4S, 14,4 V) nominal einen Ausgleich, 3S und weniger. Es ist auch eine gute Idee, für die Gesundheit auszugleichen und Langlebigkeit Ihrer Batterie, aber nicht unbedingt erforderlich. Ausgleichsschaltungen können kompliziert werden und umfassen normalerweise ein BMS (Batteriemanagementsystem), das aus einem dedizierten IC und mehreren externen Mosfets besteht. Es gibt ein Projekt auf Github, das versucht, ein openBMS-System zu erstellen . Dies kann eine gute Ressource sein, wenn Sie nach weiteren Informationen suchen.

Der Ladezyklus für Lithium-Ionen-Batterien kann sehr komplex sein, insbesondere bei mehreren in Reihe geschalteten Zellen, umfasst jedoch normalerweise vier grundlegende Schritte:

  • Wenn die Spannung unter einem bestimmten Wert liegt (normalerweise 2,8 V oder so für Zellen auf Li-Basis), beginnen Sie mit der Erhaltungsladung, bis die Zelle einen sicheren Ladepegel erreicht. Dadurch wird eine Beschädigung der Zelle vermieden.
  • Konstantstromladung: Die Zelle wird mit einem konstanten Strom geladen, typischerweise 0,5 ° C bis 1 ° C für normales Laden, z. B. für 1000-mAh-Akkus, und zwischen 500 mA und 1000 mA.
  • Laden mit konstanter Spannung: Sobald der Akku einen bestimmten Punkt erreicht hat (normalerweise etwa 60% der Gesamtladung (3,8 V oder so)), beginnt der Ladevorgang mit der Zielendspannung (4,2 V für eine normale Lebensdauer von 1000 Ladezyklen) Sie erhalten eine längere Batterielebensdauer, verkürzen jedoch die Lebensdauer der Batterie.
  • Wartungsladung: Die Batterie hat eine natürliche Entladerate in der Nähe von 8% bei 21 ° C pro Monat. Wenn die Batterie unter 10% der vollen Ladung fällt, wird die Ladung unter Verwendung einer Konstantspannungsladung auf die Zielspannung aufgeladen. Dies ist je nach Anwendung konfigurierbar.

Hinweise: Es gibt ICs, die den Großteil davon für Sie erledigen. Andernfalls müssen Sie einen MCU-gesteuerten Schaltkreis mit externem Boost / Buck-Wandler oder Linearregler entwerfen.

Die Schutzschaltung (PCM) ist ziemlich einfach und oftmals direkt in die einzelnen Zellen integriert. Diese Zellen sind normalerweise gekennzeichnet: geschützt oder ungeschützt. Das PCM überwacht Dinge wie: Eingangsspannung, Ausgangsstrom, Zellenspannung, Temperatur usw. Sie sind oftmals nicht so robust und sollten als letzter Ausweg in einem kritischen System betrachtet werden. Alarme sollten ausgelöst werden, wenn das PCM jemals ausgelöst wird.

Um Ihre spezielle Frage zu beantworten: Der DW01 ist so optimiert, dass er das Ladegerät im Falle einer Überladung bevorzugt, sodass das Ladegerät an den Stromkreis angeschlossen bleibt und die erforderliche Spannung liefert, während der Akku abgeklemmt ist 8V und als lineares Ladegerät leitet es überschüssige Spannung als Wärme ab. Diese ICs sind häufig thermisch geschützt und schalten sich bei Überstrom oder Spannung automatisch ab. Wenn es zu einer Überladung kommt, bedeutet dies, dass der Stromkreis wahrscheinlich zerstört wird. Daher ist es in diesem Fall hilfreich, die Batterie abzuklemmen, da dies ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen würde.

Denken Sie auch daran, dass Mosfets interne Dioden enthalten. Selbst wenn der Ladungsschutz-Mosfet ausgeschaltet würde, würde die Batterie an den Stromkreis angeschlossen bleiben, solange die Spannung auf der Drain-Seite des Mosfets unter einer bestimmten Spannung liegt.

John Evans
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Betreff: "Schutzschaltungen unterscheiden sich normalerweise von Ladekreisen" In diesem Fall können Sie die Schutzschaltung bequem umgehen, indem Sie R5 entfernen und B- binden, wenn Sie die kleine Platine nur als Ladegerät verwenden (wie es viele Leute tun). zu OUT-. Dies senkt das B- auf Massepotential, was beispielsweise zum Hinzufügen einer Voltmeteranzeige nützlich sein könnte.
David M. Perlman
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Typischerweise ionisiert der anfängliche konstante Strom die Batteriechemie und der Spannungszyklus erhöht das Potential. Wenn das Ladegerät nicht genügend Strom hat, kann der Spannungszyklus einen größeren Widerstand finden und daher versuchen, mehr Spannung zu drücken, als der Akku benötigt, um Probleme zu verursachen. Das Ladegerät soll für den ersten Chemiezyklus bei LiPos ausreichend Strom haben.

Anil
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