Функции защиты зарядного устройства аккумулятора

Независимо от того, используете ли вы зарядное устройство для своего автомобиля или аккумулятор для других целей, важно понимать, как защитить аккумулятор. Это включает в себя определение того, что вызывает перезарядку, как избежать теплового разгона и многое другое.

Защита от перегрузки по току является важной частью всех электрических цепей. Он защищает оборудование от токовых перегрузок и замыканий на землю.

В дополнение к обеспечению защиты устройства перегрузки по току также могут использоваться для диагностики ситуации перезарядки. Автоматические выключатели, плавкие предохранители и плавкие вставки являются наиболее распространенными устройствами защиты от перегрузки по току. Эти устройства соединены последовательно с цепью, которую они защищают.

Предохранители и автоматические выключатели предназначены для разрыва цепи, когда ток превышает заданное пороговое значение. Они обычно используются в системах низкого напряжения. Предохранитель состоит из двух проводов или полосок, заключенных в изолятор. Расплавленное соединение плавкой ленты может дуговать и плавиться.

Предохранители и автоматические выключатели можно найти почти во всех электронных продуктах. Они используются для защиты персонала, проводников и оборудования от перегрузки по току или короткого замыкания. Если цепь не работает, предохранители перегорают, и устройство становится неработоспособным.

Батареи должны быть защищены от перегрузки по току и перенапряжения. Условия перезарядки и перенапряжения могут привести к выходу из строя батареи, взрыву и выделению токсичных паров. В частности, следует контролировать и защищать литий-ионные батареи.

Цепи зарядки аккумуляторов подвержены таким проблемам, как перегрузка источника питания, несогласованная нагрузка и цепь зарядки, которая потребляет больше тока, чем разрешено. Чтобы защитить батарею и оборудование от этих опасностей, аккумуляторная батарея должна иметь функцию защиты от перегрузки по току.

Литий-полимерные аккумуляторные батареи обычно оснащены защитной схемой, предназначенной для предотвращения перезарядки и чрезмерной разрядки. Однако они также подвержены неправильному использованию. Зарядка литий-полимерного аккумулятора сверх его емкости может привести к тепловому разгону и другим проблемам безопасности. В идеале аккумулятор не должен заряжаться более чем в 1,5 раза от тока защиты аккумулятора от перегрузки по току.

Тестирование функции защиты от перегрузки по току аккумуляторной батареи включает проверку реакции цепи на условия перегрузки по току и перенапряжению. Эти тесты должны проводиться в лаборатории.

Функция защиты от перегрузки по току проверяется с использованием источника постоянного тока. Данные собираются в течение одного часа после прекращения зарядки. В это время измеряются температура батареи и уровень SOC. Когда уровень SOC достигает 130 процентов или более, тест прекращается. Это позволяет более точно оценить способность батареи противостоять перегрузкам по току и перенапряжению.

Защита от переразряда является одной из функций безопасности зарядного устройства для ионно-литиевых аккумуляторов. Это происходит, когда напряжение литиевой батареи падает ниже определенного порога. Если напряжение достигает уровня ниже этого порога, зарядка аккумулятора прекращается. Аккумулятор в конечном итоге станет потенциальной опасностью возгорания.

Защита от переразряда реализована в виде выключателя защиты от перезаряда. Переключатель подключается последовательно между положительной стороной батареи и выходной клеммой батареи.

Переключатель сопровождается схемой управления, которая включает и выключает переключатель, когда напряжение батареи достигает определенного минимального заданного значения. Также включена схема задержки для предотвращения преждевременного отключения полевого транзистора.

В дополнение к выключателю защиты от перезарядки имеется также схема обнаружения напряжения, которая контролирует напряжение батареи. Эта схема состоит из трехполюсного контроллера интегральной схемы (ИС). Как показано на рис. 2, микросхема управляет переключателем защиты от переразряда, прерывая выходное напряжение, когда напряжение элемента падает ниже порога переразряда.

Эта схема также включает в себя паразитный диод для поддержания полевого транзистора во включенном состоянии по отношению к обратному току. Он дополнен конденсатором С21, добавляющим небольшое время к нарастанию напряжения на затворе полевого транзистора.

Когда переключатель защиты от переразряда выключен, напряжение на выходе переключателя повышается до напряжения на конце заряда. Для отключения входа батареи также используется тепловой автоматический выключатель.

Еще одним вышеупомянутым компонентом является функция защиты от перегрева. Это устройство не такое сложное, как функция защиты от переразряда.

Альтернативной конструкцией функции защиты от переразряда может быть микроконтроллер, считывающий температуру батарей и отключающий выход. Однако этот вариант требует большого объема программирования, что может быть нецелесообразно для некоторых приложений.

Тем не менее, есть несколько полезных опций защиты от переразряда, которые можно настроить в соответствии с конкретным приложением. Например, в зарядном устройстве для многоэлементных литий-ионных аккумуляторов механизм обнаружения чрезмерного разряда может быть настроен на контроль всех элементов в аккумуляторном блоке.

Функции защиты от перегрева зарядных устройств имеют решающее значение для производительности и надежности систем управления питанием аккумуляторов. Состояние перегрева представляет собой не только угрозу безопасности, но и может отрицательно сказаться на сроке службы батареи. Чтобы предотвратить возникновение теплового разгона, аккумулятор должен быть отключен до того, как температура достигнет уровня, который невозможен.

Схемы защиты аккумуляторов обычно предлагают два уровня защиты. Один из них представляет собой термопредохранитель, а другой — функцию отключения при перегреве.

Термопредохранитель — это устройство, которое автоматически отключает зарядное устройство, если температура аккумуляторной батареи превышает заданный порог. Другие функции зарядных устройств включают защиту от перенапряжения и обратной полярности.

Существуют и другие зарядные устройства для аккумуляторов, которые предлагают функцию отключения при перегреве. Однако эти устройства слишком дороги для включения в стандартное зарядное устройство и требуют тщательной разработки, чтобы избежать отключения из-за перегрева. Вместо этого можно реализовать функцию отключения при перегреве, подключив термистор NTC к специальному соединительному контакту. Затем схема обнаружения напряжения может контролировать сопротивление термистора, чтобы определить, достаточно ли высока температура, чтобы отключить батарею.

Аккумуляторы имеют большой температурный диапазон. Разница между температурой аккумуляторной батареи и зарядного устройства может быть огромной. Эта разница может привести к чрезмерной или недостаточной зарядке. И то, и другое может привести к повреждению аккумулятора.

В дополнение к термопредохранителю зарядное устройство может включать регулятор напряжения. Это позволяет зарядному устройству поддерживать постоянное напряжение, сохраняя при этом ток, протекающий в аккумулятор, ниже максимально допустимого значения.

Зарядные устройства обычно имеют запатентованную конструкцию пластикового профиля, обеспечивающую быстрое рассеивание тепла. Он также включает в себя световой индикатор, отображение скорости зарядки и шесть встроенных функций защиты.

Батарея также может включать термистор, чтобы определить, слишком ли горячая среда для запуска, чтобы батарея могла поглотить заряд. Это измерение температуры полезно для мониторинга цепей и, в свою очередь, запускает действие по включению охлаждающего вентилятора или прекращению зарядки.

В зависимости от технологии батареи и химического состава аккумуляторной батареи существует несколько различных защитных функций. Некоторые реализованы как часть системы управления питанием батареи, а другие интегрированы в само зарядное устройство.

Термический разгон — это опасное состояние, которое может возникнуть в аккумуляторе. Это вызывает перегрев электролита в батарее и может привести к пожару, который невозможно потушить. Это состояние может быть результатом внутреннего короткого замыкания или внешнего короткого замыкания. К счастью, зарядное устройство имеет встроенную защиту от теплового разгона.

Когда система начнет заряжать аккумулятор, она сначала начнет контролировать напряжение аккумулятора. Если напряжение не увеличивается, система предполагает, что аккумулятор находится в режиме теплового разгона. Затем зарядный ток будет увеличиваться до тех пор, пока батарея не достигнет заданного зарядного напряжения.

Когда зарядный ток достигает заданного уровня, система начинает снижать скорость заряда. Это снижает зарядный ток до значения, безопасного для аккумулятора. Как только текущий уровень достигает определенного порога, батарея будет полностью заряжена.

Чтобы предотвратить возможность теплового разгона, зарядное устройство будет контролировать напряжение и рабочий цикл зарядного тока. Если есть отклонения в зарядных характеристиках, система расценит аномалию как проблему и снизит скорость зарядки.

Программное обеспечение зарядного устройства также будет контролировать электрические параметры зарядки аккумулятора. Когда напряжение батареи достигает заданного значения, оно будет проверено, чтобы определить, есть ли условия теплового разгона.

В режиме постоянного тока рабочий цикл проверяется через каждые три или четыре последовательных значения. Когда рабочий цикл уменьшается, счетчик di/dt уменьшается, а предел DT увеличивается.

В режиме работы с постоянным напряжением счетчик di/dt устанавливается на номинальное значение. Кривая напряжения будет иметь положительный наклон. Состояние теплового разгона считается, когда напряжение не увеличивается, а счетчик di/dt достигает отрицательного значения.

В зарядном устройстве постоянного напряжения рабочий цикл проверяется через фиксированные промежутки времени. В заданное время система уменьшит зарядный ток, а затем снова проверит рабочий цикл, чтобы увидеть, не уменьшился ли он.

Тепловой разгон может произойти в литиевых батареях. Хотя они являются чрезвычайно эффективными накопителями энергии, их емкость может уменьшиться, если их оставить в теплой среде. Кроме того, известно, что они воспламеняются при контакте с гидроксидом лития. По этой причине литий-ионные аккумуляторы необходимо хранить при температуре, безопасной для аккумулятора.

Защита от перенапряжения на выходе зарядного устройства — это функция, которая помогает гарантировать, что ток, протекающий через аккумулятор, остается в заданных пределах. Это означает, что схема зарядки может отключить выход на определенное время, чтобы избежать неисправности, которая может привести к взрыву.

Аккумуляторы могут быть очень чувствительными, и выход из строя цепи зарядки может привести к взрыву. К счастью, есть несколько способов предотвратить это. Во-первых, аккумулятор должен заряжаться с постоянной скоростью. Скорость зависит от химического состава батареи и степени ее истощения. Во-вторых, схема должна быть рассчитана на работу в ненормальных условиях.

Типичная система управления батареями состоит из блока контроля батареи и схемы защиты от перенапряжения. Защитный механизм защищает аккумулятор от повреждений в процессе зарядки и от проблем с электропитанием. Он может быть интегрирован в схему зарядки или может быть реализован как часть системы управления батареями. Как правило, в этом типе зарядного устройства используется конструкция линейного регулятора, целью которой является удержание тока в диапазоне огибающей напряжения на клеммах аккумулятора.

Другим вариантом является система управления батареями, которая объединяет функции непрерывного контроля и контроля ограничения. Это позволяет уменьшать ток заряда, когда нагрузка превышает ограничение тока USB. Кроме того, стабилизированный выходной источник питания 3,3 В может использоваться для обеспечения активного сигнала обнаружения пониженного напряжения.

Еще одним вариантом защиты от перенапряжения является схема компаратора. Используя операторы сравнения в коде микроконтроллера, можно добиться того, чтобы подаваемое напряжение было ниже максимально допустимого напряжения. Компаратор INA300 23 с измерением тока может потреблять намного меньше максимума 1 мА.

Функция идеального диода также может использоваться для приостановки процесса зарядки, когда выходное напряжение падает ниже заданного уровня. В этом случае идеальным диодом является высокопроизводительный диод, который позволяет подключить второй внешний PFET между OUT и BAT. Когда напряжение OUT падает ниже напряжения BAT, активируется идеальный диод.

Некоторые химические элементы аккумуляторов очень чувствительны к приложенному напряжению. Например, литий-ионные аккумуляторы предназначены для зарядки только при одном градусе Цельсия. Когда напряжение на клеммах падает ниже этого уровня, цепь зарядки должна отключиться. Точно так же другие химические вещества предполагают очень маленькое плавающее напряжение. Однако, когда напряжение падает слишком низко, скорость саморазряда увеличивается. Эти химические реакции также требуют отключения цепи зарядки при достижении напряжения на клеммах.

Другие проблемы могут возникнуть из-за использования нерегулируемых адаптеров переменного/постоянного тока. Многие электронные устройства, в том числе самолеты, стеклянные панели и даже микросхемы зарядки, могут быть повреждены при подключении к нерегулируемому источнику питания.

Одним из решений является использование импульсного источника питания. В этих типах блоков питания используется переключатель для контроля напряжения. Если напряжение повышается слишком быстро, переключатель повторно проверит напряжение. Но если блок питания неисправен, импульсный блок питания может быть поврежден.

Защита входа зарядного устройства от пониженного и перенапряжения

Защита от пониженного и повышенного напряжения на входе зарядного устройства является важной функцией для различных приложений. Когда входное напряжение превышает определенный порог, микросхема зарядного устройства отключает источник питания. Это может защитить нагрузку, устройство или системный микроконтроллер от повреждения. В зависимости от конструкции ИС зарядного устройства также могут быть реализованы температурные пороги.

Защита от перенапряжения менее распространена, чем защита от пониженного напряжения. Однако в некоторых случаях это состояние может привести к сбоям в работе цепи. Лучше всего применять этот тип защиты с осторожностью. Необходимо учитывать ряд факторов, таких как зарядный ток и температура батареи, количество энергии, необходимой для поддержания напряжения батареи, и тип используемого устройства. В идеале микросхема зарядного устройства реализует настраиваемые реакции на перенапряжение. Микросхема зарядного устройства также должна иметь возможность регулировать рабочий диапазон.

Защита от пониженного напряжения часто менее сложна, чем защита от перенапряжения. Большинство дизайнеров просто не заботятся об этом аспекте своих проектов. Скорее, они сосредотачиваются на других аспектах своих проектов. В большинстве случаев пониженное напряжение не приводит к повреждению. Но некоторые условия могут потребовать большего внимания.

Для реализации защиты от пониженного напряжения цепь подключается к источнику питания. Затем используется таймер. Этот таймер автоматически отключит нагрузку, если заряд батареи упадет ниже установленного порога. Схема проста и легка в реализации. Таймер можно настроить для работы с различными значениями напряжения.

Еще один вариант — использовать ломовую схему. Схема ломика похожа на ломик-капля. Однако лом не учитывает возможность повреждения блока питания. Скорее, функция лома состоит в том, чтобы предотвратить возникновение ситуации перенапряжения.

Как правило, функция защиты от перенапряжения зарядного устройства основывается на стандарте аккумуляторов JEITA. В результате производитель аккумуляторной батареи устанавливает пороговые значения для различных уровней зарядного тока. Например, микросхема зарядного устройства может настроить минимальное входное напряжение на 4,5 В, максимальное входное напряжение на 20 В и пороговое значение пониженного напряжения на 3 В.

Другие функции защиты от перенапряжения включают терморегуляцию и обнаружение отсутствия батареи. Микросхема зарядного устройства также может предотвратить перегрев, регулируя зарядный ток. Эти функции безопасности гарантируют, что батарея не будет повреждена во время зарядки.

Существует несколько типов микросхем зарядных устройств, включая понижающие, повышающие и повышающе-понижающие зарядные устройства. Зарядные устройства Buck-boost обеспечивают непрерывную зарядку, ограничивая максимальный зарядный ток до определенного порога. И понижающее, и повышающее зарядные устройства имеют более высокое рабочее напряжение, чем понижающее зарядное устройство. Следовательно, они требуют более крупного корпуса ИС. Их можно использовать в портативных приложениях.

Некоторые микросхемы зарядных устройств имеют встроенный интерфейс I2C. Это позволяет устройству легко настраивать различные функции безопасности. Одной из таких функций является сторожевой таймер. В процессе зарядки MCU должен регулярно сбрасывать таймер. Если таймер не сработает, системный микроконтроллер не сможет ответить.

Другим типом ИС зарядного устройства для аккумуляторов является импульсное зарядное устройство. Импульсные зарядные устройства, как правило, более эффективны и способны работать с более высокими токами. Хотя этот тип зарядного устройства может стоить дороже, он также может быть более удобным выбором для некоторых приложений.

Защита от короткого замыкания зарядного устройства и обратного соединения

Подключение аккумуляторов с обратной полярностью может привести к серьезному повреждению аккумуляторов и портативного электронного оборудования. Они могут произвести искру, газообразный водород или полностью разрядить аккумулятор. Все это может быть опасным для вашего здоровья и вашего оборудования. Вот как предотвратить обратное подключение батареи и как защитить зарядное устройство от последствий.

Чтобы предотвратить подключение батареи с обратной полярностью, важно соединить положительную и отрицательную клеммы батареи. Это делается для того, чтобы аккумулятор не перегревался. Кроме того, напряжение с отрицательной стороны батареи будет постепенно разряжать батарею, вызывая цикл разрядки, подобный тому, который происходит с конденсатором.

В зависимости от типа используемого устройства вам может понадобиться переключатель реверса батареи или механические защитные устройства. Они могут включать поляризованный разъем или односторонний разъем. Кроме того, вам может понадобиться надеть защитные очки или резиновые перчатки.

Еще один простой способ предотвратить переполюсовку батареи — использовать параллельную диодную схему. Его легко построить, и он может защитить батареи с высоким выходным импедансом от обратной установки. Тем не менее, он должен быть в состоянии справиться с высоким током. Подкачивающий насос также может быть полезным дополнением для защиты нагрузки.

Подключение батареи с обратной полярностью опасно, потому что электроны тянутся от отрицательной стороны батареи к положительной. Это может привести к разрядке аккумулятора и может сжечь аккумулятор. Как и в случае с другими батареями, это также может привести к быстрой разрядке и короткому сроку службы. Использование переключателя реверса батареи может защитить зарядное устройство и портативную электронику от последствий обратного подключения батареи.

Когда батарея заднего хода подключена, MP1 определяет это. Если MP1 не обнаружит соединение, он отключит первичное пропускное устройство MP2. При обратном подключении батареи MN1 будет генерировать много энергии. Это приводит к деактивации MP2, а затем отключается MP1. Точно так же, если батарея подключена, а MP2 отключен, MP1 остановит работу зарядного устройства.

Другой подход заключается в использовании схемы на основе NMOS. NMOS использует фиксирующий элемент памяти, чтобы определить, подключена ли задняя батарея. Хотя этот метод проще, чем подход на основе PMOS, он не всегда подключается к батарее. Даже если это произойдет, это не всегда достаточно быстро, чтобы предотвратить активацию MN1.

В качестве альтернативы вы можете попробовать схему защиты PMOS. В этом методе аккумулятор временно подключается к выходу зарядного устройства, когда зарядное устройство выключено. Сравнив напряжение с клеммы аккумулятора с напряжением на выходе зарядного устройства, можно определить, является ли соединение постоянным.

Наконец, очень важно отсоединить MN1 от аккумулятора до того, как он станет слишком горячим, чтобы его можно было отсоединить. Хоть это и не быстрый процесс, но очень важный. Для решения этой задачи было разработано несколько схем. Одна из лучших схем включает R3 и R4. Он наиболее эффективен для низковольтных литий-ионных аккумуляторов.