Зарядное устройство для батарей LiFePO4 с индивидуальным контролем заряда каждой банки

Top Power ASIC TP5000

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2019

Михаил Гурович, США

В последние несколько лет, став доступными и популярными, получили широкое распространение литий-ионные (Li-Ion) и литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы. Эти аккумуляторы, выпускаемые в различных форм-факторах и с разной емкостью, имеют замечательные электрические характеристики: высокую удельную емкость, низкое внутреннее сопротивление, постоянство напряжения во время разряда, очень низкий саморазряд, большое максимальное количество циклов заряд-разряд, высокую термостабильность и очень большой срок службы.

Но наряду со всеми этими достоинствами у LiFePO4 батарей есть и один серьезный недостаток – они очень капризны к режиму заряда и разряда. Эти батареи не любят превышения максимально допустимого для данного типа батареи напряжения в процессе зарядки и падения напряжения на батарее ниже минимально допустимого уровня при разряде на нагрузку. Нарушение этих требований обычно приводит к резкому снижению емкости батареи и уменьшению ее срока службы (максимального количества циклов заряд-разряд), а в ряде случаев и к воспламенению батареи (особенно это относится к Li-Ion батареям).

Чтобы обеспечить батарее оптимальные условия при заряде и разряде, используют специальные электронные устройства, объединенные под названием BMS (Battery Management System , т.е. система управления батареей), которые сегодня являются неотъемлемой частью любого устройства с батарейным питанием при использовании батарей с химией типа Li-Ion или LiFePO4. Назначение этих устройств состоит именно в обеспечении безопасного режима заряда и разряда батареи. BMS может быть построена различными способами, в зависимости от конструкции батареи, способа соединения и количества банок, может быть встроена в корпус батареи или быть частью зарядного устройства. Одна из характерных особенностей систем BMS – это обеспечение индивидуального контроля каждой банки в составе батареи, т.е. напряжение каждой банки находится под постоянным контролем, и система в любой момент времени точно знает, в каком состоянии находится каждая банка, и может перераспределить зарядный ток между банками, если обнаруживается разбаланс из-за того, что банки немного отличаются друг от друга и заряжаются разными темпами. Кроме того, BMS следит за напряжением каждой банки во время разряда и сигнализирует и/или отключает нагрузку, если напряжение на банке падает ниже минимально допустимого уровня. Вопросы контроля напряжения банок в процессе разряда выходят за рамки данной статьи и далее не рассматриваются.

Все эти особенности и требование надежности в работе делают системы BMS достаточно сложными устройствами.

В статье рассказывается о зарядном устройстве для батареи, составленной из четырех последовательно соединенных банок LiFePO4 (конфигурация типа 4S1P). Каждая такая банка имеет номинальное напряжение 3.2 В и, соответственно, номинальное выходное напряжение всей батареи равно 12.8 В, что делает ее идеально подходящей для замены обычных кислотных 12-вольтовых аккумуляторов.

Описываемое зарядное устройство использует индивидуальный подход к заряду каждой банки и не требует сложной схемы балансировки зарядных токов.

Зарядное устройство рассчитано на зарядку батареи, которая является съемной, т.е. в процессе эксплуатации подключается и вставляется в устройство для работы и отключается и извлекается из него, и подключается к зарядному устройству для заряда. Такие батареи используются в шуруповертах, электродрелях, электрогайковертах, в пылесосах с батарейным питанием и других подобных устройствах.

В зарядном устройстве использованы модули TP5000, которые специально разработаны для зарядки одной банки типа LiFePO4 постоянным током до 2 А (ток заряда можно изменять подбором величины токоизмерительного резистора на плате модуля) и отключением заряда при достижении напряжения на банке, равного 3.60 - 3.65 В. Cразу отметим, что модуль TP5000 может работать и с батареями типа Li-Ion; для этого на самом модуле надо установить перемычку. При этом максимальное напряжения заряда поднимается до 4.2 В, а максимальный ток заряда не изменяется.

Кроме того, преимущество модуля TP5000 еще и в том, что по окончании заряда он контролирует напряжение на банке и при необходимости автоматически подзаряжает банку, если напряжение на ней упало. Для нормальной работы модуля TP5000 необходимо постоянное входное напряжение +5 … +9 В и ток 2 А. Сам модуль TP5000 представляет собой преобразователь постоянного входного напряжения в постоянный выходной ток с контролем напряжения на выходе модуля. В зависимости от напряжения на выходе модуля (напряжения на заряжаемой банке), микросхема TP5000 выбирает один из возможных режимов работы устройства: подготовка к заряду, заряд или поддержание.

TP5000 имеет два светодиода для индикации текущего режима работы; один светодиод горит в режимах подготовки к зарядке и зарядки, второй горит в режиме поддержания. Если выход TP5000 не подключен, микросхема TP5000 чувствует отсутствие нагрузки, выходное напряжение равно входному, и светодиоды включаются и выключаются поочередно (мерцают). Кроме того, модуль TP5000 имеет вход для подключения датчика температуры заряжаемой батареи, но в данном проекте он не используется.

Вид модуля TP5000 показан на Рисунке 1.

Петля обратной связи операционного усилителя.
Рисунок 1. Модуль TP5000 – вид сверху.

Основная идея, положенная в основу зарядного устройства, состоит в таком использовании нескольких модулей TP5000, чтобы каждый модуль контролировал одну банку в батарее. Такой подход обеспечивает индивидуальный контроль напряжения заряда и поддержания. Поскольку зарядное устройство рассчитывалось на работу с батареей из четырех последовательно соединенных банок, оно состоит из четырех независимых каналов заряда. В каждом канале есть источник питания AC2DC, преобразующий переменное напряжение сети в постоянное напряжение +5 В с максимальным током в 2 А. Это напряжение подается на вход модуля TP5000. Выходные провода TP5000 подключаются к выводам заряжаемой банки. Для нормальной работы зарядного устройства необходимо, чтобы батарея имела разъем с выводами от каждой банки.

Блок схема зарядного устройства вместе с заряжаемой батареей.
Рисунок 2. Блок схема зарядного устройства вместе с заряжаемой батареей.

Блок схема зарядного устройства вместе с заряжаемой батареей показана на Рисунке 2. Банки заряжаемой батареи обозначены как Cell_1, Cell_2, Cell_3, Cell_4. Модули TP5000 самого зарядного устройства на Рисунке 2 обозначены как TP_5000_1, TP_5000_2, TP_5000_3, TP_5000_4. Источники питания каждого канала обозначены как AC2DC_1, AC2DC_2, AC2DC_3, AC2DC_4. Цифра в конце обозначения соответствует номеру канала зарядного устройства. Напряжение переменного тока подается на схему через разъем «Вход AC» и предохранитель F1.

Принципиальная схема зарядного устройства.
Рисунок 3. Принципиальная схема зарядного устройства.

Теперь перейдем к принципиальной схеме всего зарядного устройства (Рисунок 3) и его компонентов. Назначение блоков TP_5000_1, TP_5000_2, TP_5000_3, TP_5000_4, AC2DC_1, AC2DC_2, AC2DC_3, AC2DC_4 было обсуждено выше. Для подключения к заряжаемой батарее используется разъем «К батарее». В схеме предусмотрен дополнительный разъем «К вольтметру», все контакты которого подключены параллельно контактам разъема «К батарее», и назначение которого – подключение внешнего вольтметра для контроля работы устройства. Монтировать этот разъем не обязательно.

Если зарядное устройство планируется использовать только для зарядки батарей конфигурации 4S, то разъемы «К батарее» и «К вольтметру» должны иметь только 5 контактов. Автор использовал разъемы с 26 контактами, так как планировал дальнейшую модификацию этого зарядного устройства.

Рассмотрим схему блока TP_5000_1 (остальные блоки идентичны первому). Схема блока показана на Рисунке 4. Линии Charger_Plus и Charger_Minus подают напряжение +5 В от источника питания канала на модуль TP5000. Линии Cell_Plus и Cell_Minus идут на разъемы «К батарее» и «К вольтметру», и далее к заряжаемой банке в батарее. Блокировочные конденсаторы C2 , C5 уменьшают возможные ВЧ помехи на линиях. Светодиоды LED_CHARGE_ON_1 и LED_IDLE_1 показывают текущее состояние модуля TP5000.

Схема блока TP_5000_1.
Рисунок 4. Схема блока TP_5000_1.

Теперь рассмотрим блок AC2DC_1 (остальные блоки абсолютно идентичны первому). Его схема показана на Рисунке 5.

Схема блока AC2DC_1.
Рисунок 5. Схема блока AC2DC_1.

Как видно из схемы, блок предельно прост. Он состоит из источника постоянного тока AC1 типа HAW10-220S05, который подключается к сети переменного тока (линии AC_N_IN и AC_L_IN) и выдает на выход (линии DC_Minus и DC_Plus) постоянное напряжение +5 В с максимальным током 2 А.

Собранное устройство - вид сверху.
Рисунок 6. Собранное устройство – вид сверху.

Теперь несколько слов о конструкции устройства. Готовое устройство показано на Рисунке 6 (вид сверху), Рисунке 7 (вид снизу) и Рисунке 8.

Собранное устройство - вид снизу.
Рисунок 7. Собранное устройство – вид снизу.

На Рисунке 8 изображено зарядное устройство в работе с подключенной батарей LiFePO4 конфигурации 4S1P и вольтметром, подключенным ко второму разъему и показывающим напряжение на каждой банке и общее напряжение на батарее. Видно, что батарея еще не полостью заряжена  – напряжение на ней равно 14.3 В, тогда как напряжение на полностью заряженной батарее должно быть в диапазоне 14.4-14.6 В. Видно также, что в каждом из каналов горит светодиод LED_CHARGE_ON, показывающий, что канал находится в режиме зарядки.

Зарядное устройство в работе.
Рисунок 8. Зарядное устройство в работе.

Рекомендации по сборке устройства

Kак видно из принципиальной схемы, ключевой элемент устройства – зарядный модуль TP5000. На рынке представлено несколько вариантов этого модуля. Все они собраны на микросхеме TP5000 и имеют одинаковую принципиальную схему, но расположением выводов и размерами могут отличаться.

Второй по значимости элемент – источник питания AC_1. Автор использовал источник типа HAW10-220S05 с выходными параметрами +5 В/ 2 А. Любой другой источник с аналогичными параметрами подойдет для работы в данном проекте. Такие источники продаются в разных вариантах исполнения с разным расположением выводов и габаритами. Остальные элементы проекта стандартные, и их конкретный выбор – дело вкуса и возможностей.

Учитывая разницу в расположении выводов и габаритах используемых компонентов, при повторении конструкции автор рекомендует, прежде всего, приобрести компоненты, и уже после этого решать, каким образом их скомпоновать.

Зарядное устройство было собрано в двух экземплярах. Оба модуля используются для зарядки батарей конфигурации 4S1P емкостью 2 А·ч и 20 А·ч уже более года без проблем или нареканий.

Материалы по теме

  1. Datasheet Top Power ASIC TP5000
Купить TP5000 на РадиоЛоцман.Цены — от 5,61 до 6,04
Клеммы и наконечники, , RED тестовый контакт на плату, ,
ЗУМ-СМД
Россия
L-KLS8-TP50005,61 ₽
Элитан
Россия
KLS8-TP50006,04 ₽
ЭлектроПласт
Россия
TP5000-60-25Cпо запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя