Układ zabezpieczający akumulator li-ion przed nadmiernym rozładowaniem

[karol9966]

W pewnym robocie zasilanym akumulatorem li-ion 4.2V chciałbym zastosować układ, którego zadaniem będzie nadzorowanie stanu naładowania akumulatora i odcięcie, jeżeli napięcie spadnie poniżej 3.1V. Jak mógłbym to najprościej rozwiązać? Zależy mi na prostocie i jak najmniejszym możliwym poborze prądu. Widziałem rozwiązania z układem TL431, myślicie, że to dobry pomysł? Nie wiem ile taki układ pobierał by prądu. Na pewno diody musiałbym zastąpić mosfetem, który rozłączał by akumulator od obciążenia, nie wiem tylko jak dobrać wartości elementów.

[deshipu]

A może po prostu użyjesz gotowego modułu? Przecież jest tego na pęczki za grosze.

[karol9966]

Są np. od razu z ładowarką tp4056, ale on odcina dopiero przy ~2.5V, a to już chyba trochę za późno, co byś polecił w takim razie?

[deshipu]

Nic nie polecę, bo nie robiłem przeglądu wszystkich dostępnych modułów tego typu. Widzę tylko, że jest ich bardzo dużo. Wydaje mi się też, że łatwiej będzie wymienić jeden rezystor żeby zmienić napięcie odcięcia, niż specjalnie budować cały układ.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[karol9966]

A jakiś przykładowy możesz podlinkować? Bo szukam i nie widzę niczego zadowalającego.

[deshipu]

https://www.aliexpress.com/wholesale?SearchText=lipo+protection+board

[marek1707]

Jeśli to nie jest robot zostawiany bez nadzoru to może prościej mierzyć napięcie jednym z wejść analogowych procesora i w przypadku rozładowania poniżej pewnego progu odmawiać dalszej jazdy? Można włączyć czerwoną diodkę, piskać jakimś bipczakiem itp. Oczywiście to będzie nadal pobierało prąd, ale przecież będziesz w pobliżu. Nie wymaga to wymyślania niczego nowego, tylko dopisania kilku linijek kodu.

Układy nadzoru baterii służą do ich nadzoru*. Wyłączają przy przeładowaniu, przy zwarciu lub nadmiernym prądzie i przy rozładowaniu poniżej progu. Wybierz sobie coś:

http://www.ti.com/power-management/battery-management/monitor-protection-authentication/products.html#p404=Protection

Pamiętaj, że napięcie Twojego ogniwo pod obciążeniem jest niższe i to nie jest nic złego. Gdy tylko wyłączysz silniki zawsze trochę podskakuje, tak więc próg 2.5V jest niezły. Jeśli jednak chcesz mieć ustawialny swój własny, musisz znaleźć scalak to umożliwiający lub zrobić to samemu.

Pytanie czy chcesz wbudować ten układ w robota - wtedy pobór prądu w stanie wyłączenia ma mniejsze znaczenie i możesz to zrobić "na piechotę", bo po zabawie ogniwo raczej nie będzie długo tam kisło w stanie rozładowania, czy chcesz to związać z akumulatorem. Wtedy nawet świeżo naładowany może po tygodniu leżenia mieć tylko ułamek ładunku właśnie z powodu kiepskiego zabezpieczacza. Co gorsza sam układ nadzoru może wtedy szybko ogniwo popsuć drenując go do zera.

Typowe scalaki tego typu biorą mikroampery, ale kupisz przecież i komparatory ciągnące z zasilania <1uA. Ja bym zrobił jak radzi deshipu, kupił gotowy moduł. Tu masz całą masę tylko do 1S w różnych formach, do ogniw płaskich, cylindrycznych i na różne prądy (to też ważny parametr). Używałem, działają:

https://www.bto.pl/kat/240/36v37v-(1s)?kategoria_wielopoziomowa_id=240

W odróżnieniu od Dalekiego Wschodu masz tu prawdziwe karty katalogowe, a w przypadku wątpliwości zawsze można zadzwonić i wypytać o szczegóły.

EDIT:

---------------

* - To zabrzmiało dość głupio, ale chodziło mi o to, że to nie są układy cackające się a akumulatorem jak np. ładowarka lub sam procesor. Te elementy mogą robić jakieś inteligentne rzeczy np. w przypadku dochodzenia do 0% rozładowania (przykład z robotem lub każdy telefon). Układy zabezpieczeń montowane na ogniwach to raczej ostatnie deski ratunku: gdy już telefon dawno sygnalizował na pasku, piszczał, potem ściemnił ekran a potem się wyłączył i nadal nikt go nie dokarmił, wyłączają ogniwo żeby nie doprowadzić do jego nieodwracalnego uszkodzenia. Dlatego też przyjęto niski próg 2.5V by inna elektronika miała szansę zrobić coś wcześniej.

Niemniej są też przykłady skrajne: najtańsza chińska taniocha używa tego jako normalnej funkcjonalności: w helikopterku za 99zł ładowarką jest zwykły opornik z USB, który ładuje LiPola 1S aż do rozłączenia (overvoltage 4.5V) a na pokładzie nie ma żadnej kontroli napięcia i zabawkę używać można do zadziałania blokady 2.5V. Wniknąłem w to kiedyś gdy przerabiałem komuś takie cudo na większy aku. Dokupiłem oczywiście modelarskie 180mAh bez żadnych zabezpieczeń i okazało się, że przeróbka musi objąć także samą ładowarkę co sprowadziło się wywalenia jakiegoś żółtego badziewia i dokupienia normalnego modułu ładującego z USB za 3zł i ustawienia w nim prądu 150mA. Na szczęście sam heli i tak nie latał poniżej 3.2V więc tutaj było łatwiej - wbudowano ograniczenie w samą fizykę zabawki 🙂

[karol9966]

Okej, rozumiem co chciałeś mi przekazać. Taki układ odcinający zasilanie od akumulatora często jest już wbudowany w sam pakiet, tylko właśnie często jest to ok. 2.5V, co wydaje mi się już takim granicznym poziomem, kiedy dla samego bezpieczeństwa powinno zostać odcięcie obciążenie. Ja chciałbym móc kontrolować to chwilę wcześniej, czyli ok. 3V, bo wydaje mi się, że wtedy jest to jeszcze napięcie bezpieczne, które nie wpłynie na żywotność samego akumulatora li-ion, jeżeli się mylę to poprawcie. Prąd jaki będzie pobierał robot to maksymalnie 100mA. Chciałbym też, żeby ten układ posłużył mi w innych konstrukcjach w przyszłości. Mogę to napięcie mierzyć na pinie adc mikrokontrolera, ale sama sygnalizacja, czy brzęczyk nie wystarczy, chciałbym, żeby odcięcie wykonywało się automatycznie, a sygnalizacja wizualna, czy dźwiękowa była tylko dodatkiem. Często w gotowych już urządzeniach, np. kontrolerach do gier, wygląda to tak, że po wciśnięciu przycisku zasilania, kiedy bateria jest już poniżej ustalonego progu, miga jedynie czerwona dioda i elektronika nie pozwala dalej się uruchomić. Czy jest tam jakieś dodatkowe źródło podtrzymania dla układu nadzorującego. Szukam najprostszego rozwiązania, które pozwoli mi na automatyczne odcięcie zasilania przy bezpiecznym napięciu, rozumianym jako takie, które nie wpłynie na żywotność akumulatora.

[marek1707]

To może coś takiego:

1. Po podpięciu akumulatora nic się nie dzieje, cały robot jest domyślnie w stanie wyłączonym bo szeregowo z zasilaniem wstawiłeś tranzystor sterowany przez niezasilany procesor.

2. Włączając przycisk zmuszasz "ręcznie" tranzystor do załączenia zasilania. Procesor startując włącza swój sygnał "równolegle" podtrzymujący tranzystor i dalej robot pracuje samodzielnie. Jednocześnie program na bieżąco kontroluje stan napięcia aku znając kilka predefinowanych progów:

- najwyższy, ostrzeżenie np. zmianą koloru diody z zielonej na żółtą,
- średni, kolor czerwony,
- niski, odpala np. piszczenie,
- krytyczny, odmowa współpracy, wyłączenie sygnału podtrzymania zasilania i tym samym odcięcie jakiegokolwiek obciążenia akumulatora.

Jeżeli pomiary napięcia zrobisz także na samym początku, system nie musi w ogóle startować z napędami itp tylko od razu się wyłączać, mrugając przy tym czerwoną diodą lub piszcząc krótko.

Powyższy schemat stosuję dość często. Ma to tę zaletę, że nie musisz kombinować z jakąś niskomocową elektroniką. Nie trzeba właściwie niczego budować prócz klucza MOSFET, bo procesor i pomiary i tak masz a wcześniejsza reakcja może być dużo bardziej inteligentna niż trywialne odłączenie. Oczywiście kupienie i wbudowanie zabezpieczenia do samego ogniwa nie zaszkodzi. Ja bym niczego nie spawał z oporników i komparatorów, skoro za parę złotych można kupić bardzo dobrą, ostatnią deskę ratunku.

[deshipu]

Dodatkowo taki układ pozwala wyłączyć robota zdalnie, albo kiedy przez dłuższy czas nic się nie dzieje.

A co do tego, że 2.5V jest za niskie, to przecież są moduły z wyższym napięciem, na przykład tam gdzie podlinkowałem jest https://www.aliexpress.com/item/10PCS-LOT-Protection-Circuit-Module-1S2A-BMS-PCM-PCB-Battery-Protection-Board-For-3-7V-Li/32816624135.html

[karol9966]

Rozwiązanie mi się bardzo podoba, tylko wydaje mi się, że z moją wiedzą nie jestem w stanie dobrać mosfeta do tego zastosowania, mając na uwadze minimalny pobór prądu. Czy możesz, możecie jakoś mnie nakierunkować, na które parametry powinienem zwracać szczególną uwagę.

[marek1707]

Minimalny pobór prądu przez co?

[karol9966]

Przez chwilę miałem w głowie inny układ, które pobierają jakiś minimalny prąd, tu to odpada rozumiem.

[marek1707]

W tym przypadku, mając aku tylko 1S powinieneś zwrócić uwagę głównie na napięcie progowe (Vth). Wybrany MOSFET musi mieć je znacząco niższe (np. 1V) niż napięcie w miarę rozładowanego ogniwa, po to by umiał dobrze załączyć resztę układów już poniżej 3V.

Dla poboru prądu rzędu 100mA (jakiś strasznie lichy ten robot..) to praktycznie każdy będzie za duży. Szukaj jakichś nowych, małych, niskonapięciowych (20V?) w obudowie SOT223, SOT89 lub nawet w SOT23. Jak coś znajdziesz (a nawet gdy nie), zapodaj typ i wrzuć schemat. Zobaczymy co wymyśliłeś 🙂

EDIT: Tu masz przykład fajnego. Obudowa SO8 i już przy -2.5V na bramce ma jakieś 18mΩ. Może nawet za dobry..

https://www.tme.eu/pl/details/ao4437/tranzystory-z-kanalem-p-smd/alpha-omega-semiconductor/

A ten jeszcze mniejszy (SOT23):

https://www.tme.eu/pl/details/dmp1045u-7/tranzystory-z-kanalem-p-smd/diodes-incorporated/

[karol9966]

Zacząłem coś rzeźbić, ale nie robiłem nigdy układów z mosfetów, więc brakuje mi elementarnych podstaw jak różne parametry liczyć i jak dobierać wartości.