Защита акб от глубокого разряда. Схемы защиты Li-ion аккумуляторов от переразряда (контроллеры разряда) Блок защиты акб

04.08.2023 | Права автовладельцев

Возникла у меня необходимость защиты аккумулятора от глубокого разряда. И основное требование к схеме защиты, что бы после разряда аккумулятора, она отключила нагрузку, и не смогла ее самостоятельно включить, после того как аккумулятор немного наберет напряжение на клеммах, без нагрузки.

За основу схемы здесь взят 555-й таймер, включенный в качестве генератора одиночного импульса, который после достижения минимального порогового напряжения, закроет затвор транзистора VT1 и отключит нагрузку. Схема сможет включить нагрузку только после отключения, и повторного подключения питания.

Плата (Зеркалить не нужно):

Плата SMD (Нужно зеркалить):

Все SMD резисторы — 0805. Корпус MOSFET — D2PAK, но можно и DPAK.

При сборке, стоит обратить внимание на то, что под микросхемой (в плате на DIP компонентах) есть перемычка и про нее главное не забыть!

Настраивается схема следующим образом: резистор R5 выставляется в верхнее по схеме положение, далее подключаем ее к источнику питания с выставленным на нем напряжением, при котором она должна отключить нагрузку. Если верить википедии , то напряжение полностью разряженного 12-и Вольтового аккумулятора соответствует 10,5 Вольт, это и будет нашим напряжением отключения нагрузки. Далее вращаем регулятор R5 до тех пор, пока нагрузка не отключится. Вместо транзистора IRFZ44 можно использовать практически любой мощный низковольтный MOSFET, необходимо только учитывать, что он должен быть рассчитан на ток, раза в 2 больше, чем будет максимальный ток нагрузки, а напряжение затвора должно быть в пределах напряжения питания.

При желании, подстроечный резистор можно заменить на постоянный, номиналом 240 кОм и при этом резистор R4 необходимо заменить на 680 кОм. При условии, что порог у TL431 2,5 Вольта.

Потребляемый ток платой — около 6-7 mA.

Есть две вещи, которые очень не любят аккумуляторы: перезарядка и переразрядка. И если первую проблему успешно решают современные зарядные устройства (кроме простейших выпрямителей), то с разрядом ниже критического уровня дела обстоят хуже - почти никогда питаемые от батарей устройства не обеспечивают предохранение от сверхразрядки. Не исключается и случайный разряд - когда просто забыли отключить прибор и он разряжается, разряжается... Для решения этой проблемы предлагается к самостоятельной сборке простой низковольтный модуль отключения цепи. Такая схема довольно проста и применима к любой литиевой или свинцово-кислотной аккумуляторной батарее. Естественно порог отключения можно настроить соответственно АКБ.

Схема блока защиты АКБ

Как это работает. Когда кнопка сброса нажата, положительное напряжение поступает на затвор N-канального MOSFET силового транзистора.

Если напряжение на выходе стабилитрона U1 выше 2.5 вольт, а это определяется делителем напряжения, состоящим из R4, R5 и R6, катод U1 оказывается подключен к его аноду, что делает его отрицательным по отношению к его эмиттеру, R2 ограничивает базовый ток до безопасного значения и обеспечивает достаточный ток для работы U1. И транзистор Q1 будет удерживать схему открытой, даже когда вы отпустите кнопку сброса.

Если напряжение на U1, падает ниже 2,5 вольт, стабилитрон отключается и подтягивает положительное напряжение эмиттера R1, выключив его. Резистор R8 также выключает полевой транзистор, приводя к отключению нагрузки. Причём нагрузка не будет включена снова до нажатия кнопки сброс.

Большинство малогабаритных полевых транзисторов рассчитаны только для +/- 20 вольт на затворе - источник напряжения, а это означает, что схема блока подходит для не более чем 12 вольтовых устройств: если требуется рабочее напряжение выше, необходимо будет добавить дополнительные элементы схемы, чтобы сохранить безопасность работы полевика. Пример использования такой схемы: простой контроллер заряда солнечных батарей показанный на фото.

Если требуется более низкое напряжение, чем 9 вольт (или выше 15) - надо будет пересчитывать значения резисторов R4 и R6, чтобы изменить диапазон регулировки.

В схему можно поставить практически любой кремниевый PNP транзистор с номиналом не менее 30 вольт и любой N-канальный MOSFET с номинальным напряжением не менее 30 вольт и током более чем в 3 раза от того, что вы собираетесь коммутировать. Проходное сопротивление доли Ома. Для прототипа использовался F15N05 - 15 ампер, 50 вольт. Для высоких токов подойдут транзисторы IRFZ44 (50 А Макс.) и PSMN2R7-30PL (100 А Макс.). Также можно параллельно соединить несколько однотипных полевых транзисторов по мере необходимости.

Это устройство не должно оставаться подключенным к АКБ долговременно, так как потребляет само несколько миллиампер из-за светодиода и тока потребления U1. В выключенном состоянии его ток потребления ничтожно мал.

Системы, в состав которых входят аккумуляторы, нуждаются в установке оборудования для защиты батарей от глубокого разряда. Это позволяет избежать потери емкости накопителя и сокращения его срока службы. Нередко после 4-5 глубоких разрядов батареи престают справляться с возложенными на них задачами.

Цена: от 3 728 руб.

Функция Smart BatteryProtect отключает неосновные нагрузки от батареи, не допуская ее глубокого разряда (что привело бы к повреждению батареи) или сохраняя необходимый заряд для вращения стартера.

Бренд:	Victron

Цена: от 5 736 руб.

Концерн Victron Energy разработал уникальные интеллектуальные устройства защиты аккумуляторов BatteryProtect. Модели выполнены в водонепроницаемом корпусе. Это позволяет использовать оборудование не только в помещениях, но и на различных транспортных средствах (автомобили, катера, яхты и т. д.).

Доступны для заказа несколько модификаций:

BatteryProtect-65A;
BatteryProtect-100A;
BatteryProtect-220A.

Модели отличаются друг от друга по:

максимальному непрерывному току нагрузки (65, 100 и 220 А);
габаритными размерам (40*48*106, 59*42*115 и 62*123*120 мм);
значению пикового тока (BP-65A — 300 A; BP-100A/220A — 600 A);
весу (0,2, 0,5, и 0,8 кг);
типу соединения (BP-65A — M6; BP-100A/220A — M8).

Остальные технические характеристики идентичны.

Диапазон входного напряжения устройств защиты аккумуляторов — 6-35 В. Системное напряжение (12 или 24 В) определяется автоматически.
При полной нагрузке оборудование стабильно работает при температуре от - 40 до +40° C.
По умолчанию производителем установлены следующие параметры 12-вольтовых и 24-вольтовых устройств: Engage — 12 В или 24 В; Disengage — 10,5 В или 21 В.
Задержки:
- выхода сигнализации — 12 с;
- повторного подключения нагрузки — 30 с;
- отключения нагрузки — 90 с (при VE.Bus BMS происходит немедленно).
Потребляемый ток — 1,5 мА (вкл.), 0,6 мА (выкл.).
Максимальная нагрузка на выход сигнала тревоги составляет 50 мА.

Необходимость защиты аккумуляторов от глубокого разряда

Глубокий разряд аккумулятора — это враг батареи. В критической ситуации плотность электролита падает ниже минимально допустимого значения, т. к. большая часть кислоты оседает на диоксидных пластинах в виде солей. С течением времени их становится все больше.

Глубокий длительный разряд аккумулятора приводит к тому, что далеко не все кристаллы солей растворяются при подпитке от ЗУ. Емкость батареи значительно сокращается. Даже кратковременный глубокий разряд аккумулятора отнимает около 3-5 % от срока службы оборудования. Минимизируется соприкосновение пластин с жидкостью, нарушается работа АКБ.

Именно поэтому необходимо не допускать снижения плотности электролита ниже допустимого значения. Для этого к аккумуляторам дополнительно присоединяют специальные защитные устройства. Лучшее подобное оборудование выпускает концерн Victron Energy.

При уменьшении напряжения на аккумуляторе до определенного уровня BatteryProtect отключит нагрузку автоматически. При этом останется резерв, необходимый для запуска двигателя. Предлагаемые нами модели отличаются высокой надежностью. В состав оборудования не входят механические реле. Принцип работы этих устройств, обеспечивающих сохранение ресурса аккумуляторов, основан на MOSFET-выключателях.

Особенности инсталляции и программирования устройств защиты аккумуляторов от глубокого разряда BatteryProtect

Рекомендуется доверить установку оборудования квалифицированным специалистам, т. к. работа с аккумуляторами небезопасна.
Следует использовать разъемы хорошего качества и провода достаточного сечения.
Подключение происходит через предохранитель с соответствующим номиналом.
Токоведущие провода не должны соприкасаться с корпусом устройства, присоединяемого к аккумулятору, и/или автомобилем.

Неправильное подключение может привести к повреждению электронной схемы. Рекомендуется размещать устройства, предназначенные для защиты аккумулятора от глубокого разряда в непосредственной близости от батареи (до 0,5 м). Это позволит снизить потери напряжения.

Удаленное управление

К устройству защиты аккумулятора BatteryPortect можно присоединить удаленный переключатель. Задержка до включения/отключения оборудования — 1 с.

Для организации системы может быть использован слаботочный переключатель, т. к. ток коммутации имеет очень маленькую величину.

Программирование

Для запуска режима перепрограммирования нужно соединить Input + и Program Input. После этого начнет мигать светодиод. Количество вспышек означает программную позицию. Как только необходимый режим работы будет установлен, следует удалить соединение.

Преимущества устройств защиты аккумулятора от глубокого разряда BatteryProtect

Программируемые уровни отключения

Оборудование может быть настроено на один из десяти режимов работы. Регулируется напряжение, при котором BatteryPortect будет отключать батарею.

Защита от перенапряжения

Нагрузка автоматически отключится, если напряжение превысит:

16 В (для 12-вольтовых систем);
32 В (для 24-вольтовых систем).

Задержка выхода тревоги

Тревожный выход включается только в том случае, если значение напряжения находится ниже заданного уровня более 15 секунд. Это позволяет избежать ложных сигналов. Устройство защиты аккумулятора не реагирует на запуск двигателя.

Сигнализация используется для запуска зуммера или/и лампочки. Через этот выход можно при помощи дополнительного реле подключить ЗУ.

Задержка отключения нагрузки

Нагрузка отключается только через 60 секунд после активации тревоги. Если за это время напряжение увеличится до нормального значения, то система продолжит работу.

Дистанционное управление

Добавление в систему удаленного выключателя значительно облегчит процесс эксплуатации.

Простое устройство, состоящее всего из двух транзисторов, поможет каждому автовладельцу защитить аккумулятор своей машины от полного разряда. Это особенно актуально для тех, чьи автомобили не оснащены сигнализатором непогашенного света фар.

Характеристики устройства.

Напряжение отключения - 10±0,5В.
Максимальный ток, работающего устройства- 1 мА.
Максимальный ток, отключенного устройства- 10 мкА.
Максимально допустимый проходящий ток через устройство - 5А.
Кратковременный ток – 10 А (не дольше 5 сек).
Время срабатывания при коротком замыкании в нагрузке не более - 100 мкс.

Электрическая схема.

В основе работы используется полевой транзисторN-канального типа, например,RFP50N06, который выполняет роль «ключа». При падении напряжения питания до 10,5 В., защита срабатывает и аккумулятор отключается от нагрузки. При подаче напряжения для заряда происходит автоматическое включение устройства.

Еще одна функция, которую осуществляет схема – защита от короткого замыкания.

Схема очень проста и содержит минимальное количество радиоэлементов, поэтому для ее повторения не требуется обязательного изготовления печатной платы. При наличии всех необходимых деталей, меньше чем за полчаса, сборка может быть осуществлена на специальной монтажной плате или с применением навесного монтажа.

Учитывая высокие токи проходящие через устройство, пайку необходимо производить тщательно. MOSFET-транзистор желательно закрепить на радиаторе, для предупреждения его перегрева и выхода из строя.

Наладка сводится к подбору сопротивления R3 и R4, которые отвечают за порог срабатывания (чем выше их значение, тем чувствительнее схема).

SW – микро переключатель без фиксации, небольших габаритов, для включения защты. При желании, можно не использовать, активируя устройство кратковременным замыканием клеммы (-) аккумулятора с выходом «минус».

Список необходимых запчастей и их ориентировочная стоимость:

Полевой транзистор – 1 шт (60руб) – RFP50N06 N-канал 60В 50А 170 град
Транзистор КТ 361 – 1 шт (5 руб).
Резисторы маломощные – 4 шт (по 1 руб) – 3 на 10 кОм, и 1 на 100 кОм
Стабилитрон – 1 шт – 6 руб

Таким образом, если не учитывать цену на расходные материалы (припой, электроэнергия для паяльника), себестоимость такого электронного защитного аппарата составляет менее 75 рублей.

Простой автоусилитель моноблок на TDA1560Q Автомобильный бездроссельный БП на IRS2153 для ноутбуков и мобильников Внешний USB-разъем в автомагнитоле

Представленная схема защищает аккумулятор от глубокого разряда (разряд ниже минимально допустимого напряжения) или отключает нагрузку от источника при понижении напряжения. После разряда батареи до минимального напряжения питания устройство отключает нагрузку от батареи. Подходит для защиты батарей, таких как свинцово-кислотных (Pb), NiCd, NiMH, Li-Ion и Li-Pol аккумуляторов.

Пороговое напряжение определяется суммой напряжений на стабилитроне ZD1, б-э- переходе транзистора Т1 и на резисторе R1. Для запуска схемы необходимо нажать кнопку TL1. Пока напряжение на аккумуляторе достаточно велико, T1 и T2 открыты. При уменьшении напряжения, ток прекращает течь через стабилитрон, транзисторы T1 и T2 закрываются. Т2 работает в ключевом режиме, таким образом, нет медленным постепенным закрытия транзистора.

На рис. 2 вы можете увидеть модифицированную схему, где кнопка TL1 позволяет включения и выключения нагрузки. Устройство, таким образом, служит не только в качестве защиты, но также в качестве выключателя питания.

Максимальное входное напряжение зависит от максимального напряжения V GS транзистора Т2. Минимальное входное напряжение зависит от напряжения, при котором Т2 открывается еще надежно. Обычно, для MOSFETов -это примерно 5В, низкое напряжение логические MOSFETы могут работать при более низких напряжениях. Это позволяет применить схему для работы с Li-Ion / Li-Pol , которых имеет мин. напряжение приблизительно 3,4 В. При небольшом напряжении стабилитрон ZD1 может быть заменен комбинацией последовательно соединенных диодов.

Я тестировал схему с IRF3205 и IPB06N03LA в зависимости от Т2. Примечание: желательно последовательно с батареей подключить предохранитель, в противном случае существует риск возгорания в случае неудачи.

Рис. 1 - Принципиальная схема защиты аккумулятора от глубокого разряда (пониженного).