Zaštitne funkcije punjača baterije

Bez obzira koristite li punjač akumulatora za svoj automobil ili koristite akumulator u druge svrhe, važno je razumjeti kako zaštititi akumulator. To uključuje prepoznavanje uzroka preopterećenja, kako izbjeći toplinski bijeg i još mnogo toga.

Prekostrujna zaštita je važan dio svih električnih krugova. Štiti opremu od strujnih preopterećenja i uzemljenja.

Osim pružanja zaštite, prekostrujni uređaji mogu se koristiti i za dijagnosticiranje situacije prenapunjenosti. Prekidači strujnog kruga, osigurači i topljivi međusklopci najčešći su uređaji za prekostrujnu zaštitu. Ti su uređaji spojeni u seriju s krugom koji štite.

Osigurači i prekidači strujnog kruga dizajnirani su za prekid strujnog kruga kada struja prijeđe unaprijed postavljenu vrijednost praga. Obično se koriste u niskonaponskim sustavima. Osigurač se sastoji od dvije žice ili trake obložene izolatorom. Otopljeni spoj trake za topljenje može zalučiti poprijeko i rastopiti se.

Osigurači i prekidači mogu se naći u gotovo svim elektroničkim proizvodima. Koriste se za zaštitu osoblja, vodiča i opreme od prekomjerne struje ili kratkog spoja. Ako krug ne radi, osigurači će pregorjeti i uređaj neće raditi.

Baterije treba zaštititi od prekomjerne struje i prenapona. Uvjeti prenapunjenosti i prenapona mogu uzrokovati kvarove baterije, eksplozije i otrovne pare. Osobito treba nadzirati i zaštititi litij-ionske baterije.

Krugovi za punjenje baterije osjetljivi su na probleme kao što su preopterećenje izvora napajanja, neusklađeno opterećenje i krug punjenja koji troši više struje od dopuštene. Kako bi zaštitili bateriju i opremu od ovih opasnosti, baterija bi trebala uključivati ​​funkciju zaštite od prekomjerne struje.

Paketi litij-polimerskih baterija obično su opremljeni zaštitnim krugom koji je dizajniran da spriječi prekomjerno punjenje i prekomjerno pražnjenje. Međutim, oni su također podložni zlouporabi. Punjenje litij-polimerske baterije iznad njenog kapaciteta može rezultirati toplinskim bijegom i drugim sigurnosnim problemima. U idealnom slučaju, baterija se ne bi trebala puniti više od 1,5 puta veće od prekostrujne zaštitne struje baterije.

Ispitivanje funkcije zaštite od prekomjerne struje baterije uključuje provjeru odgovora kruga na uvjete prekomjerne struje i prenapona. Ove testove treba provesti u laboratoriju.

Funkcija zaštite od prekostrujnog punjenja testirana je pomoću istosmjernog izvora napajanja. Podaci se prikupljaju jedan sat nakon prestanka punjenja. Za to vrijeme se mjeri temperatura baterije i razina SOC. Kada razina SOC dosegne 130 posto ili više, ispitivanje se prekida. To omogućuje točniju procjenu sposobnosti baterije da se odupre prekomjernoj struji i prenaponu.

Zaštita od prekomjernog pražnjenja jedna je od sigurnosnih funkcija punjača litij-ionskih baterija. To se događa kada napon litijske baterije padne ispod određenog praga. Ako napon dosegne razinu ispod ovog praga, baterija će se prestati puniti. Baterija će s vremenom postati potencijalna opasnost od požara.

Zaštita od pretjeranog pražnjenja implementirana je u obliku prekidača za zaštitu od prenapunjenja. Prekidač je spojen u seriju između pozitivne strane baterija i izlaznog terminala baterije.

Prekidač je popraćen kontrolnim krugom koji ga uključuje i isključuje kada napon baterije dosegne određenu minimalnu zadanu vrijednost. Krug odgode također je uključen kako bi se spriječilo prerano isključivanje FET-a.

Osim prekidača za zaštitu od preopterećenja, postoji i krug detekcije napona koji prati napon baterije. Ovaj sklop se sastoji od kontrolera integriranog kruga (IC) s tri priključka. Kao što je prikazano na slici 2, IC kontrolira zaštitni prekidač od prekomjernog pražnjenja prekidanjem izlaznog napona kada napon ćelije padne ispod praga prekomjernog pražnjenja.

Ovaj sklop također uključuje parazitsku diodu za održavanje FET-a u uključenom stanju s obzirom na povratnu struju. Dopunjen je kondenzatorom C21 koji dodaje malu količinu vremena porastu napona na vratima FET-a.

Kada je zaštitni prekidač od prekomjernog pražnjenja isključen, napon na izlaznoj strani prekidača se podiže na napon na kraju punjenja. Termalni prekidač također se koristi za onemogućavanje ulaza baterije.

Još jedna gore spomenuta komponenta je funkcija zaštite od previsoke temperature. Ovaj uređaj nije tako sofisticiran kao funkcija zaštite od prekomjernog pražnjenja.

Alternativni dizajn za funkciju zaštite od prekomjernog pražnjenja bio bi mikrokontroler koji očitava temperaturu baterija i onemogućuje izlaz. Međutim, ova opcija zahtijeva puno programiranja, što može biti nepraktično za neke aplikacije.

Unatoč tome, postoje neke mogućnosti zaštite od prekomjernog pražnjenja koje su korisne i mogu se prilagoditi za određenu primjenu. Na primjer, u višećelijskom punjaču Li-ion baterija, mehanizam za otkrivanje prekomjernog pražnjenja može se postaviti da nadzire sve ćelije u baterijskom paketu.

Zaštitne funkcije punjača baterija od previsoke temperature ključne su za izvedbu i pouzdanost sustava za upravljanje napajanjem baterije. Stanje previsoke temperature nije samo opasnost po sigurnost, već može biti i štetno za vijek trajanja baterije. Kako bi se spriječila pojava toplinskog bijega, baterija se mora isključiti prije nego što temperatura dosegne razinu koja je neizvediva.

Sheme zaštite baterije obično nude dvije razine zaštite. Jedan je toplinski osigurač, a drugi je značajka toplinskog isključivanja.

Termalni osigurač je uređaj koji automatski isključuje punjač ako temperatura akumulatorske baterije prijeđe unaprijed određeni prag. Ostale značajke punjača za baterije uključuju zaštitu od prenapona i obrnutog polariteta.

Postoje i drugi punjači baterija koji nude značajke termičkog isključivanja. Međutim, ti su uređaji preskupi za ugradnju u standardni punjač i zahtijevaju pažljiv dizajn kako bi se izbjeglo termičko isključivanje. Umjesto toga, funkcija toplinskog isključivanja može se implementirati spajanjem NTC termistora na namjenski priključni pin. Krug za detekciju napona tada može nadzirati otpor termistora kako bi utvrdio je li temperatura dovoljno visoka da isključi bateriju.

Baterije imaju veliki temperaturni raspon. Razlika između temperature akumulatora i punjača može biti ogromna. Ova razlika može uzrokovati prekomjerno ili premalo punjenje. Oboje može dovesti do oštećenja baterije.

Uz toplinski osigurač, punjač može uključivati ​​regulator napona. To omogućuje punjaču održavanje konstantnog napona dok struja koja teče u bateriju održava ispod najveće dopuštene vrijednosti.

Punjači baterija obično uključuju patentirani dizajn plastičnog profila koji se odlikuje brzim odvođenjem topline. Također uključuje svjetlosni indikator, prikaz brzine punjenja i šest ugrađenih zaštitnih funkcija.

Baterija također može sadržavati termistor kako bi se utvrdilo je li početno okruženje prevruće da bi baterija apsorbirala naboj. Ovo mjerenje temperature korisno je u nadziranju strujnih krugova i pokretanju radnje za uključivanje ventilatora za hlađenje ili prekidanje punjenja.

Ovisno o tehnologiji baterije i kemijskom sastavu akumulatorske baterije, postoji nekoliko različitih zaštitnih funkcija. Neki su implementirani kao dio sustava za upravljanje napajanjem baterije, a drugi su integrirani u sam punjač.

Toplinski bijeg je opasno stanje koje se može dogoditi u bateriji. To uzrokuje pregrijavanje elektrolita u bateriji i može dovesti do požara koji se ne može ugasiti. Ovo stanje može biti rezultat unutarnjeg kratkog spoja ili vanjskog kratkog spoja. Srećom, punjač baterija ima ugrađenu zaštitu od toplinskog bijega.

Kada sustav počne puniti bateriju, prvo će početi pratiti napon baterije. Ako se napon ne poveća, sustav pretpostavlja da je baterija u termalnom režimu rada. Tada će se struja punjenja povećavati sve dok baterija ne dostigne unaprijed određeni napon punjenja.

Kada struja punjenja dosegne unaprijed određenu razinu, sustav počinje smanjivati ​​brzinu punjenja. To smanjuje struju punjenja na iznos koji je siguran za bateriju. Kada trenutna razina dosegne određeni prag, baterija će biti potpuno napunjena.

Kako bi se spriječila mogućnost toplinskog odlaska, punjač baterije će pratiti napon i radni ciklus struje punjenja. Ako postoji odstupanje u karakteristikama punjenja, sustav će tretirati anomaliju kao problem i smanjit će brzinu punjenja.

Softver punjača također će pratiti parametre električnog punjenja baterije. Kada napon baterije dosegne unaprijed postavljenu vrijednost, provjerit će se da bi se utvrdilo postoji li stanje toplinskog odstupanja.

U načinu rada s konstantnom strujom, radni ciklus se provjerava svake tri ili četiri uzastopne vrijednosti. Kada se radni ciklus smanji, di/dt brojač se smanjuje, a DTlimit se povećava.

Tijekom rada s konstantnim naponom, di/dt brojač je postavljen na nominalnu vrijednost. Krivulja napona će imati pozitivan nagib. Stanje toplinskog odlaska smatra se kada napon ne uspije porasti i di/dt brojač dosegne negativnu vrijednost.

U punjaču baterija konstantnog napona radni ciklus se provjerava u fiksnim intervalima. U unaprijed postavljeno vrijeme, sustav će smanjiti struju punjenja i zatim ponovno provjeriti radni ciklus da vidi je li se smanjio.

U litijskim baterijama može doći do toplinskog odlaska. Iako su iznimno učinkoviti uređaji za pohranu energije, njihov se kapacitet može smanjiti ako se ostave u toplom okruženju. Štoviše, poznato je da se zapale kada su izložene litijevom hidroksidu. Iz tog razloga, Li-ion baterije moraju biti pohranjene na temperaturi koja je sigurna za bateriju.

Zaštita izlaznog prenapona punjača baterija značajka je koja pomaže osigurati da struja koja teče u bateriju ostane unutar unaprijed određene granice. To znači da krug punjenja može isključiti izlaz na određeno vrijeme kako bi se izbjegao kvar koji može uzrokovati eksploziju.

Baterije mogu biti vrlo osjetljive, a kvar na strujnom krugu za punjenje može dovesti do eksplozije. Srećom, postoji više načina da se to spriječi. Prvo, baterija se mora puniti konstantnom brzinom. Brzina ovisi o kemiji baterije i o tome koliko je ispražnjena. Drugo, krug mora biti dizajniran tako da može izdržati nenormalne radne uvjete.

Tipični sustav upravljanja baterijom sastoji se od bloka za nadzor baterije i strujnog kruga zaštite od prenapona. Zaštitni mehanizam štiti bateriju od oštećenja tijekom procesa punjenja i od problema s napajanjem. Može se integrirati s krugom za punjenje ili se može implementirati kao dio sustava za upravljanje baterijom. Tipično, ova vrsta punjača baterija koristi dizajn linearnog regulatora, koji ima za cilj zadržati struju unutar raspona ovojnice napona terminala baterije.

Druga opcija je sustav upravljanja baterijom koji integrira funkcije kontinuirane kontrole i kontrole ograničenja. To omogućuje smanjenje struje punjenja kada opterećenje premaši ograničenje USB struje. Također, regulirani izlazni napon od 3,3 V može se koristiti za pružanje signala detekcije aktivnog niskog napona.

Druga mogućnost zaštite od prenapona je komparatorski krug. Korištenjem operatora usporedbe u kodu mikrokontrolera moguće je osigurati da je utisnuti napon manji od maksimalno dopuštenog napona. INA300 23 komparator za mjerenje struje može trošiti znatno ispod maksimalnog 1mA.

Idealna funkcija diode također se može koristiti za pauziranje procesa punjenja kada izlazni napon padne ispod određene razine. U ovom slučaju, idealna dioda je dioda visokih performansi koja omogućuje povezivanje drugog vanjskog PFET-a između OUT-a i BAT-a. Kada OUT napon padne ispod BAT napona, idealna dioda postaje aktivna.

Neki kemijski sastavi baterija vrlo su osjetljivi na napon. Na primjer, litij-ionske punjive baterije dizajnirane su za punjenje na samo jedan stupanj C. Kada napon na terminalu padne ispod ove razine, krug punjenja se mora odspojiti. Slično, druge kemije očekuju vrlo mali napon plovka. Međutim, kada napon padne prenisko, stopa samopražnjenja se povećava. Ove kemije također zahtijevaju da se strujni krug punjenja prekine kada se postigne napon na terminalu.

Drugi problemi mogu nastati zbog upotrebe nereguliranih AC/DC adaptera. Mnogi elektronički uređaji, uključujući zrakoplove, staklene ploče, pa čak i IC-ove za punjenje, podložni su oštećenju kada se priključe na neregulirano napajanje.

Jedno od rješenja je korištenje prekidačkog napajanja. Ove vrste izvora napajanja koriste prekidač za nadzor napona. Ako napon raste prebrzo, prekidač će ponovno provjeriti napon. Ali ako je napajanje neispravno, prekidački izvor napajanja može se oštetiti.

Zaštita od preniskog i prenaponskog ulaza punjača

Zaštita od podnapona i prenapona ulaza punjača baterija važna je značajka za razne primjene. Kada ulazni napon prijeđe određeni prag, IC punjača će onemogućiti napajanje. To može zaštititi opterećenje, uređaj ili mikrokontroler sustava od oštećenja. Ovisno o dizajnu IC punjača, mogu se također implementirati temperaturni pragovi.

Prenaponska zaštita je rjeđa od podnaponske zaštite. Međutim, u nekim slučajevima stanje može uzrokovati neispravan rad kruga. Ovu vrstu zaštite najbolje je provoditi s oprezom. Postoji niz čimbenika koje treba uzeti u obzir, kao što su struja i temperatura punjenja baterije, količina energije potrebna za održavanje napona baterije i vrsta uređaja koji se koristi. U idealnom slučaju, IC punjača će implementirati konfigurabilne odgovore na situaciju prenapona. IC punjača će također morati moći regulirati svoj radni raspon.

Zaštita od preniskog napona često je manje složena od zaštite od prenapona. Većina dizajnera jednostavno se ne bavi ovim aspektom svog dizajna. Umjesto toga, fokusiraju se na druge aspekte svojih projekata. U većini slučajeva uvjeti pod naponom ne uzrokuju štetu. No, neki uvjeti mogu zahtijevati više pažnje.

Za provedbu zaštite od preniskog napona, strujni krug se postavlja preko izvora napajanja. Zatim se koristi mjerač vremena. Ovaj mjerač vremena automatski će isključiti opterećenje ako baterija padne ispod postavljenog praga. Krug je jednostavan i lak za implementaciju. Tajmer se može prilagoditi različitim vrijednostima napona.

Druga mogućnost je korištenje strujnog kruga poluge. Krug pajsera sličan je pajseru. Međutim, pajser ne uzima u obzir mogućnost oštećenja napajanja. Umjesto toga, funkcija poluge je spriječiti pojavu situacije prenapona.

Općenito, značajka zaštite od prenapona punjača baterija temeljit će se na standardu baterije JEITA. Kao rezultat toga, proizvođač baterije će imati specificirane pragove za različite razine struje punjenja. Na primjer, IC punjača može konfigurirati minimalni ulazni napon na 4,5 V, maksimalni ulazni napon na 20 V i prag podnapona na 3 V.

Druge značajke zaštite od prenapona uključuju toplinsku regulaciju i otkrivanje nedostatka baterije. IC punjača također može spriječiti previsoku temperaturu reguliranjem struje punjenja. Ove sigurnosne značajke osigurat će da se baterija ne ošteti tijekom punjenja.

Postoji nekoliko vrsta IC-ova punjača, uključujući buck, boost i buck-boost punjače. Buck-boost punjači omogućuju kontinuirano punjenje dok ograničavaju maksimalnu struju punjenja na određeni prag. I buck i boost punjači imaju viši radni napon od buck punjača. Stoga im je potreban veći IC paket. Mogu se koristiti u prijenosnim aplikacijama.

Neki IC-ovi punjača imaju integrirano I2C sučelje. To uređaju omogućuje jednostavno konfiguriranje različitih sigurnosnih značajki. Jedna takva značajka je sat čuvar. Tijekom procesa punjenja, MCU mora redovito resetirati mjerač vremena. Ako mjerač vremena ne radi, mikrokontroler sustava neće moći reagirati.

Druga vrsta IC punjača baterija je prekidački punjač. Preklopni punjači općenito su učinkovitiji i mogu podnijeti veće struje. Iako ova vrsta punjača može koštati više, može biti i praktičniji izbor za neke primjene.

Zaštita od kratkog spoja punjača baterije i obrnutog spoja

Obrnuti polaritet baterija može uzrokovati ozbiljna oštećenja baterija i prijenosne elektroničke opreme. Mogu proizvesti iskru, plin vodik ili potpuno isprazniti bateriju. Sve to može biti opasno za vaše zdravlje i vašu opremu. Evo kako spriječiti obrnuto spajanje baterije i kako zaštititi svoj punjač baterije od posljedica.

Kako biste spriječili spajanje baterije s obrnutim polaritetom, važno je spojiti pozitivne na negativne priključke baterije. Time se osigurava da se baterija neće pregrijati. Osim toga, napon s negativne strane baterije postupno će prazniti bateriju, uzrokujući ciklus pražnjenja sličan onom koji se događa kod kondenzatora.

Ovisno o vrsti uređaja koji koristite, možda će vam trebati prekidač za preokret baterije ili mehanička zaštita. Oni mogu uključivati ​​polarizirani konektor ili jednosmjerni konektor. Također, možda ćete morati nositi zaštitne naočale ili gumene rukavice.

Drugi jednostavan pristup za sprječavanje preokreta baterije je korištenje paralelnog diodnog kruga. Jednostavan je za izradu i može zaštititi baterije visoke izlazne impedancije od obrnutih instalacija. Međutim, mora moći podnijeti veliku struju. Pumpa za punjenje također može biti koristan dodatak za zaštitu tereta.

Spajanje baterije s obrnutim polaritetom opasno je jer se elektroni povlače s negativne na pozitivnu stranu baterije. To može uzrokovati pražnjenje baterije i pregorjeti bateriju. Kao i kod drugih baterija, to također može dovesti do brzog pražnjenja i kratkog vijeka trajanja. Korištenje prekidača za preokret baterije može zaštititi vaš punjač baterije i prijenosnu elektroniku od učinaka obrnute veze baterije.

Kada je spojena obrnuta baterija, MP1 to detektira. Ako MP1 ne otkrije vezu, onemogućit će MP2 primarni prolazni uređaj. Tijekom obrnutog spajanja baterije, MN1 će generirati puno energije. To uzrokuje deaktivaciju MP2 i MP1 će se zatim isključiti. Slično, ako je baterija priključena, a MP2 je onemogućen, MP1 će zaustaviti rad punjača.

Drugi pristup je korištenje NMOS sklopa. NMOS koristi memorijski element zabravljivanja kako bi utvrdio je li reverzna baterija priključena. Iako je ova metoda jednostavnija od pristupa temeljenog na PMOS-u, ne povezuje se uvijek s baterijom. Čak i ako se dogodi, nije uvijek dovoljno brzo da spriječi aktivaciju MN1.

Alternativno, možete isprobati PMOS zaštitni krug. U ovoj metodi, baterija je privremeno spojena na izlaz punjača dok je punjač isključen. Usporedbom napona s terminala baterije s naponom s izlaza punjača možete utvrditi je li veza trajna.

Konačno, bitno je odspojiti MN1 od baterije prije nego što postane prevruć da bi se isključio. Iako to nije brz proces, vrlo je važan. Razvijeno je nekoliko sklopova koji pomažu u ovom zadatku. Jedan od najboljih sklopova uključuje R3 i R4. Najučinkovitiji je za aplikacije litij-ionskih baterija nižeg napona.