Akumulatora lādētāja aizsardzības funkcijas

Neatkarīgi no tā, vai automašīnai izmantojat akumulatora lādētāju vai akumulatoru citiem mērķiem, ir svarīgi saprast, kā aizsargāt akumulatoru. Tas ietver pārmaksas cēloņu atpazīšanu, to, kā izvairīties no termiskās avārijas un daudz ko citu.

Pārstrāvas aizsardzība ir svarīga visu elektrisko ķēžu sastāvdaļa. Tas aizsargā aprīkojumu no strāvas pārslodzes un zemējuma defektiem.

Papildus aizsardzības nodrošināšanai pārslodzes ierīces var izmantot arī pārslodzes situācijas diagnosticēšanai. Strāvas slēdži, drošinātāji un kausējamās saites ir visizplatītākās pārstrāvas aizsardzības ierīces. Šīs ierīces ir savienotas virknē ar ķēdi, ko tās aizsargā.

Drošinātāji un automātiskie slēdži ir paredzēti ķēdes pārtraukšanai, ja strāva pārsniedz iepriekš iestatīto sliekšņa vērtību. Tos parasti izmanto zemsprieguma sistēmās. Drošinātājs sastāv no diviem vadiem vai sloksnēm, kas ir ietvertas izolatorā. Kausētāja sloksnes izkusušais savienojums var izlocīt šķērsām un izkust.

Drošinātāji un automātiskie slēdži ir atrodami gandrīz visos elektronikas izstrādājumos. Tos izmanto, lai aizsargātu personālu, vadītājus un aprīkojumu no pārslodzes vai īssavienojumiem. Ja ķēde nedarbosies, drošinātāji izdegs un ierīce nedarbosies.

Baterijas ir jāaizsargā pret pārspriegumu un pārspriegumu. Pārlādēšanas un pārsprieguma apstākļi var izraisīt akumulatora darbības traucējumus, sprādzienus un toksiskus izgarojumus. Jo īpaši ir jāuzrauga un jāaizsargā litija jonu akumulatori.

Akumulatora uzlādes ķēdes ir neaizsargātas pret tādām problēmām kā strāvas avota pārslodze, neatbilstoša slodze un uzlādes ķēde, kas patērē vairāk strāvas, nekā atļauts. Lai aizsargātu akumulatoru un aprīkojumu no šiem apdraudējumiem, akumulatora komplektā jāiekļauj pārslodzes aizsardzības funkcija.

Litija polimēru akumulatoru komplekti parasti ir aprīkoti ar aizsargshēmu, kas paredzēta, lai novērstu pārlādēšanu un pārmērīgu izlādi. Tomēr tie ir arī pakļauti nepareizai lietošanai. Litija polimēru akumulatora uzlādēšana, pārsniedzot tā ietilpību, var izraisīt termisku izplūdi un citus drošības apsvērumus. Ideālā gadījumā akumulatoru nevajadzētu uzlādēt vairāk nekā 1,5 reizes vairāk nekā akumulatora pārslodzes lādēšanas aizsardzības strāva.

Akumulatora bloka pārslodzes aizsardzības funkcijas pārbaude ietver ķēdes reakcijas uz pārstrāvas un pārsprieguma apstākļiem pārbaudi. Šie testi jāveic laboratorijā.

Pārstrāvas uzlādes aizsardzības funkcija tiek pārbaudīta, izmantojot līdzstrāvas barošanas avotu. Dati tiek vākti vienu stundu pēc uzlādes pārtraukšanas. Šajā laikā tiek mērīta akumulatora temperatūra un SOC līmenis. Kad SOC līmenis sasniedz 130 procentus vai vairāk, tests tiek pārtraukts. Tas ļauj precīzāk novērtēt akumulatora spēju izturēt pārstrāvu un pārspriegumu.

Aizsardzība pret pārmērīgu izlādi ir viena no litija jonu akumulatora lādētāja drošības funkcijām. Tas notiek, kad litija akumulatora spriegums nokrītas zem noteikta sliekšņa. Ja spriegums sasniedz līmeni zem šī sliekšņa, akumulators pārtrauks uzlādi. Akumulators galu galā kļūs par potenciālu ugunsgrēka risku.

Aizsardzība pret pārmērīgu izlādi tiek īstenota pārlādēšanas aizsardzības slēdža veidā. Slēdzis ir virknē savienots starp akumulatoru pozitīvo pusi un akumulatora izejas spaili.

Slēdzim ir pievienota vadības ķēde, kas ieslēdz un izslēdz slēdzi, kad akumulatora spriegums sasniedz noteiktu minimālo iestatīto punktu. Ir iekļauta arī aizkaves ķēde, lai novērstu FET priekšlaicīgu izslēgšanos.

Papildus pārlādēšanas aizsardzības slēdzim ir arī sprieguma noteikšanas ķēde, kas uzrauga akumulatora spriegumu. Šī shēma sastāv no trīs spaiļu integrētās shēmas (IC) kontrollera. Kā parādīts 2. attēlā, IC kontrolē pārmērīgas izlādes aizsardzības slēdzi, pārtraucot izejas spriegumu, kad elementa spriegums nokrītas zem pārmērīgas izlādes sliekšņa.

Šajā shēmā ir iekļauta arī parazitārā diode, lai uzturētu FET ieslēgtā stāvoklī attiecībā pret reverso strāvu. To papildina kondensators C21, kas nedaudz palielina sprieguma pieaugumu pie FET vārtiem.

Kad pārmērīgas izlādes aizsardzības slēdzis ir izslēgts, spriegums slēdža izejas pusē tiek paaugstināts līdz spriegumam uzlādes galā. Lai atspējotu akumulatora ieeju, tiek izmantots arī termiskais ķēdes pārtraucējs.

Vēl viena iepriekš minētā sastāvdaļa ir pārkaršanas aizsardzības funkcija. Šī ierīce nav tik sarežģīta kā pārmērīgas izlādes aizsardzības funkcija.

Alternatīva konstrukcija aizsardzībai pret pārmērīgu izlādi būtu mikrokontrolleris, kas nolasa bateriju temperatūru un atspējo izvadi. Tomēr šī opcija prasa daudz programmēšanas, kas dažām lietojumprogrammām var būt nepraktiska.

Tomēr ir dažas pārmērīgas izlādes aizsardzības iespējas, kas ir noderīgas un kuras var pielāgot konkrētai lietojumprogrammai. Piemēram, vairāku šūnu litija jonu akumulatoru lādētājā pārmērīgas izlādes noteikšanas mehānismu var iestatīt, lai uzraudzītu visas akumulatora bloka šūnas.

Akumulatoru lādētāju aizsardzības funkcijas pret pārmērīgu temperatūru ir ļoti svarīgas akumulatora jaudas pārvaldības sistēmu veiktspējai un uzticamībai. Pārmērīga temperatūra ir ne tikai drošības apdraudējums, bet arī var pasliktināt akumulatora darbības laiku. Lai novērstu termisku aizbēgšanu, akumulators ir jāizslēdz, pirms temperatūra sasniedz līmeni, kas nav iespējams.

Akumulatora aizsardzības shēmas parasti piedāvā divus aizsardzības līmeņus. Viens ir termiskais drošinātājs, bet otrs ir termiskās izslēgšanas funkcija.

Termiskais drošinātājs ir ierīce, kas automātiski izslēdz lādētāju, ja akumulatora temperatūra pārsniedz iepriekš noteiktu slieksni. Citas akumulatoru lādētāju funkcijas ietver pārsprieguma un apgrieztās polaritātes aizsardzību.

Ir arī citi akumulatoru lādētāji, kas piedāvā termiskās izslēgšanas funkcijas. Tomēr šīs ierīces ir pārāk dārgas, lai tās iekļautu standarta lādētājā, un tām ir nepieciešama rūpīga konstrukcija, lai izvairītos no termiskās izslēgšanas. Tā vietā termiskās izslēgšanas funkciju var īstenot, pievienojot NTC termistoru speciālai savienojuma tapai. Pēc tam sprieguma noteikšanas ķēde var uzraudzīt termistora pretestību, lai noteiktu, vai temperatūra ir pietiekami augsta, lai izslēgtu akumulatoru.

Baterijām ir liels temperatūras diapazons. Atšķirība starp akumulatora un lādētāja temperatūru var būt milzīga. Šī atšķirība var izraisīt pārmērīgu vai nepietiekamu uzlādi. Abas šīs darbības var izraisīt akumulatora bojājumus.

Papildus termiskajam drošinātājam lādētājā var būt iekļauts sprieguma regulators. Tas ļauj lādētājam uzturēt nemainīgu spriegumu, vienlaikus saglabājot akumulatorā ieplūstošo strāvu zem maksimāli pieļaujamās vērtības.

Akumulatoru lādētājiem parasti ir patentēts plastmasas profila dizains, kas nodrošina ātru siltuma izkliedi. Tajā ir arī indikators, uzlādes ātruma displejs un sešas iebūvētas aizsardzības funkcijas.

Akumulatorā var iekļaut arī termistoru, lai noteiktu, vai palaišanas vide nav pārāk karsta, lai akumulators absorbētu lādiņu. Šis temperatūras mērījums ir noderīgs, lai uzraudzītu ķēdes un savukārt aktivizētu darbību, lai ieslēgtu dzesēšanas ventilatoru vai pārtrauktu uzlādi.

Atkarībā no akumulatora tehnoloģijas un akumulatora ķīmiskās sastāva ir vairākas dažādas aizsardzības funkcijas. Daži no tiem ir ieviesti kā daļa no akumulatora jaudas pārvaldības sistēmas, bet citi ir integrēti pašā lādētājā.

Termiskā bēgšana ir bīstams stāvoklis, kas var rasties akumulatorā. Tas izraisa akumulatorā esošā elektrolīta pārkaršanu un var izraisīt ugunsgrēku, ko nevar nodzēst. Šo stāvokli var izraisīt iekšējs īssavienojums vai ārējs īssavienojums. Par laimi, akumulatora lādētājam ir iebūvēta aizsardzība pret termisku aizbēgšanu.

Kad sistēma sāk uzlādēt akumulatoru, tā vispirms sāks uzraudzīt akumulatora spriegumu. Ja spriegums nepalielinās, sistēma pieņem, ka akumulators atrodas termiskā palaišanas režīmā. Tad uzlādes strāva palielināsies, līdz akumulators būs pie iepriekš noteiktā uzlādes sprieguma.

Kad uzlādes strāva sasniedz iepriekš noteiktu līmeni, sistēma sāk samazināt uzlādes ātrumu. Tas samazina uzlādes strāvu līdz tādam līmenim, kas ir drošs akumulatoram. Kad pašreizējais līmenis sasniegs noteiktu slieksni, akumulators tiks pilnībā uzlādēts.

Lai novērstu termiskas izplūdes iespēju, akumulatora lādētājs uzraudzīs uzlādes strāvas spriegumu un darba ciklu. Ja rodas uzlādes raksturlielumu novirze, sistēma uztvers anomāliju kā problēmu un samazinās uzlādes ātrumu.

Akumulatora lādētāja programmatūra arī uzraudzīs akumulatora elektriskās uzlādes parametrus. Kad akumulatora spriegums sasniegs iepriekš iestatīto vērtību, tas tiks pārbaudīts, lai noteiktu, vai nav termiskās izplūdes stāvokļa.

Pastāvīgas strāvas režīmā darba cikls tiek pārbaudīts ik pēc trim vai četrām secīgām vērtībām. Kad darba cikls samazinās, di/dt skaitītājs tiek samazināts un DTlimit tiek palielināts.

Pastāvīga sprieguma darbības režīmā di/dt skaitītājs tiek iestatīts uz nominālo vērtību. Sprieguma līknei būs pozitīvs slīpums. Tiek uzskatīts, ka spriegums nepalielinās un di/dt skaitītājs sasniedz negatīvu vērtību.

Pastāvīga sprieguma akumulatora lādētājā darba cikls tiek pārbaudīts noteiktos intervālos. Iepriekš iestatītā laikā sistēma samazinās uzlādes strāvu un pēc tam vēlreiz pārbaudīs darba ciklu, lai redzētu, vai tā ir samazinājusies.

Litija baterijās var rasties termiska noplūde. Lai gan tās ir ārkārtīgi efektīvas enerģijas uzkrāšanas ierīces, to ietilpība var tikt samazināta, ja tās atstāj siltā vidē. Turklāt ir zināms, ka tie sadedzina, pakļaujoties litija hidroksīda iedarbībai. Šī iemesla dēļ litija jonu akumulatori ir jāuzglabā akumulatoram drošā temperatūrā.

Akumulatora lādētāja izvades aizsardzība pret pārspriegumu ir funkcija, kas palīdz nodrošināt, ka akumulatorā ieplūstošā strāva nepārsniedz iepriekš noteiktu robežu. Tas nozīmē, ka uzlādes ķēde uz noteiktu laiku var izslēgt izeju, lai izvairītos no darbības traucējumiem, kas var izraisīt sprādzienu.

Baterijas var būt ļoti jutīgas, un uzlādes ķēdes atteice var izraisīt sprādzienu. Par laimi, ir vairāki veidi, kā to novērst. Pirmkārt, akumulators ir jāuzlādē ar nemainīgu ātrumu. Likme ir atkarīga no akumulatora ķīmiskās sastāva un tā, cik daudz no tā ir izlādējies. Otrkārt, ķēdei jābūt konstruētai tā, lai tā varētu izturēt neparastus darbības apstākļus.

Tipiska akumulatora vadības sistēma sastāv no akumulatora uzraudzības bloka un pārsprieguma aizsardzības ķēdes. Aizsardzības mehānisms aizsargā akumulatoru no bojājumiem uzlādes procesa laikā un no strāvas padeves problēmām. To var integrēt ar uzlādes ķēdi vai arī to var ieviest kā daļu no akumulatora vadības sistēmas. Parasti šāda veida akumulatora lādētājiem tiek izmantots lineārs regulators, kura mērķis ir saglabāt strāvu akumulatora spaiļu sprieguma diapazonā.

Vēl viena iespēja ir akumulatora vadības sistēma, kas apvieno nepārtrauktas kontroles un ierobežojošas vadības funkcijas. Tas ļauj samazināt uzlādes strāvu, kad slodze pārsniedz USB strāvas ierobežojumu. Arī regulēto 3,3 V izejas padevi var izmantot, lai nodrošinātu aktīva-zema zemsprieguma noteikšanas signālu.

Vēl viena pārsprieguma aizsardzības iespēja ir salīdzinājuma ķēde. Izmantojot salīdzināšanas operatorus mikrokontrollera kodā, ir iespējams nodrošināt, ka nospiestais spriegums ir zemāks par maksimāli pieļaujamo spriegumu. INA300 23 strāvas sensora komparators var patērēt krietni zem 1 mA maksimuma.

Ideālu diodes funkciju var izmantot arī, lai apturētu uzlādes procesu, kad izejas spriegums nokrītas zem noteiktā līmeņa. Šajā gadījumā ideālā diode ir augstas veiktspējas diode, kas ļauj otram ārējam PFET savienoties starp OUT un BAT. Kad OUT spriegums nokrītas zem BAT sprieguma, ideālā diode kļūst aktīva.

Dažas akumulatoru ķīmiskās vielas ir ļoti jutīgas pret spriegumu. Piemēram, litija jonu uzlādējamās baterijas ir paredzētas uzlādēšanai tikai ar vienu grādu C. Kad spailes spriegums nokrītas zem šī līmeņa, uzlādes ķēde ir jāatvieno. Tāpat citas ķīmijas sagaida ļoti mazu pludiņa spriegumu. Tomēr, ja spriegums nokrītas pārāk zems, pašizlādes ātrums palielinās. Šīs ķīmiskās vielas prasa arī uzlādes ķēdes atvienošanu, kad tiek sasniegts spailes spriegums.

Citas problēmas var rasties, izmantojot neregulētus maiņstrāvas/līdzstrāvas adapterus. Daudzas elektroniskās ierīces, tostarp lidmašīnas, stikla paneļi un pat uzlādes IC, var tikt bojātas, ja tās tiek pievienotas neregulētam barošanas avotam.

Viens risinājums ir izmantot slēdža režīma barošanas avotu. Šāda veida barošanas avoti izmanto slēdzi, lai uzraudzītu spriegumu. Ja spriegums paaugstinās pārāk ātri, slēdzis atkārtoti pārbaudīs spriegumu. Bet, ja strāvas padeve ir bojāta, var tikt bojāts komutācijas barošanas avots.

Akumulatora lādētāja ieejas zemsprieguma un pārsprieguma aizsardzība

Akumulatora lādētāja ieejas zemsprieguma un pārsprieguma aizsardzība ir svarīga funkcija dažādiem lietojumiem. Kad ieejas spriegums pārsniedz noteiktu slieksni, lādētāja IC atspējos strāvas padevi. Tas var aizsargāt slodzi, ierīci vai sistēmas mikrokontrolleri no bojājumiem. Atkarībā no lādētāja IC konstrukcijas var tikt ieviesti arī temperatūras sliekšņi.

Aizsardzība pret pārspriegumu ir retāk sastopama nekā aizsardzība pret zemsprieguma. Tomēr dažos gadījumos stāvoklis var izraisīt ķēdes darbības traucējumus. Vislabāk ir ieviest šāda veida aizsardzību piesardzīgi. Jāņem vērā vairāki faktori, piemēram, akumulatora uzlādes strāva un temperatūra, akumulatora sprieguma uzturēšanai nepieciešamais jaudas daudzums un izmantotās ierīces veids. Ideālā gadījumā lādētāja IC īstenos konfigurējamas reakcijas uz pārsprieguma situāciju. Lādētāja IC būs arī jāspēj regulēt tā darbības diapazonu.

Zemsprieguma aizsardzība bieži vien ir mazāk sarežģīta nekā aizsardzība pret pārspriegumu. Lielākā daļa dizaineru vienkārši neuztraucas par šo sava dizaina aspektu. Drīzāk viņi koncentrējas uz citiem savu projektu aspektiem. Vairumā gadījumu zemsprieguma apstākļi neizraisa bojājumus. Tomēr dažiem apstākļiem var būt nepieciešama lielāka uzmanība.

Lai ieviestu aizsardzību pret zemsprieguma līmeni, strāvas padevei tiek novietota ķēde. Pēc tam tiek izmantots taimeris. Šis taimeris automātiski atvienos slodzi, ja akumulators nokrīt zem iestatītā sliekšņa. Shēma ir vienkārša un viegli īstenojama. Taimeri var noregulēt, lai pielāgotos dažādām sprieguma vērtībām.

Vēl viena iespēja ir izmantot lauznis ķēdi. Lēņu ķēde ir līdzīga nolaižamajam lauznim. Tomēr lauznis neapsver iespēju sabojāt barošanas avotu. Drīzāk lauzņa funkcija ir novērst pārsprieguma situācijas rašanos.

Parasti akumulatora lādētāja pārsprieguma aizsardzības funkcija būs balstīta uz JEITA akumulatora standartu. Rezultātā akumulatora komplekta ražotājs būs norādījis sliekšņus dažādiem uzlādes strāvas līmeņiem. Piemēram, lādētāja IC var konfigurēt minimālo ieejas spriegumu līdz 4,5 V, maksimālo ieejas spriegumu līdz 20 V un zemsprieguma slieksni līdz 3 V.

Citas pārsprieguma aizsardzības funkcijas ietver termisko regulēšanu un trūkstošā akumulatora noteikšanu. Lādētāja IC var arī novērst pārmērīgu temperatūru, regulējot uzlādes strāvu. Šīs drošības funkcijas nodrošinās, ka akumulators netiek bojāts uzlādes laikā.

Ir vairāki lādētāju IC veidi, tostarp buck, boost un buck-boost lādētāji. Buck-boost lādētāji nodrošina nepārtrauktu uzlādi, vienlaikus ierobežojot maksimālo uzlādes strāvu līdz noteiktam slieksnim. Gan buksētajiem, gan pastiprinātajiem lādētājiem ir augstāks darba spriegums nekā lādētājam. Tāpēc tiem ir nepieciešama lielāka IC pakotne. Tos var izmantot pārnēsājamās lietojumprogrammās.

Dažiem lādētāju IC ir integrēts I2C interfeiss. Tas ļauj ierīcei viegli konfigurēt dažādus drošības līdzekļus. Viena no šādām funkcijām ir sargsuņa taimeris. Uzlādes procesa laikā MCU regulāri jāatiestata taimeris. Ja taimeris nedarbojas, sistēmas mikrokontrolleris nespēs reaģēt.

Cits akumulatora lādētāja IC veids ir pārslēgšanas lādētājs. Komutācijas lādētāji parasti ir efektīvāki un spēj apstrādāt lielāku strāvu. Lai gan šāda veida lādētājs var maksāt vairāk, tas var būt arī ērtāka izvēle dažām lietojumprogrammām.

Akumulatora lādētāja īssavienojuma un reversā savienojuma aizsardzība

Apgrieztas polaritātes akumulatoru savienojumi var izraisīt nopietnus akumulatoru un portatīvo elektronisko iekārtu bojājumus. Tie var radīt dzirksteles, ūdeņraža gāzi vai pilnībā izlādēt akumulatoru. Tas viss var būt bīstami jūsu veselībai un aprīkojumam. Tālāk ir norādīts, kā novērst apgrieztus akumulatora savienojumus un kā aizsargāt akumulatora lādētāju no ietekmes.

Lai novērstu apgrieztās polaritātes akumulatora savienojumus, ir svarīgi savienot pozitīvo ar akumulatora negatīvajiem spailēm. Tas ir nepieciešams, lai nodrošinātu, ka akumulators nepārkarst. Turklāt spriegums no akumulatora negatīvās puses pakāpeniski izlādēs akumulatoru, izraisot izlādes ciklu, kas ir līdzīgs tam, kāds notiek ar kondensatoru.

Atkarībā no izmantotās ierīces veida, iespējams, būs nepieciešams akumulatora maiņas slēdzis vai mehāniskie aizsargierīces. Tie var ietvert polarizētu savienotāju vai vienvirziena savienotāju. Tāpat, iespējams, būs jāvalkā aizsargbrilles vai gumijas cimdi.

Vēl viena vienkārša pieeja, lai novērstu akumulatora apvērsumu, ir izmantot paralēlo diožu ķēdi. To ir viegli uzbūvēt, un tas var aizsargāt augstas izejas pretestības akumulatorus no pretējās instalācijas. Tomēr tam ir jāspēj izturēt lielu strāvu. Uzlādes sūknis var būt arī noderīgs papildinājums, lai palīdzētu aizsargāt kravu.

Apgrieztās polaritātes akumulatora savienojums ir bīstams, jo elektroni tiek izvilkti no akumulatora negatīvās puses uz pozitīvo pusi. Tas var izraisīt akumulatora izlādi un var izdegt akumulatoru. Tāpat kā ar citām baterijām, tas var izraisīt arī ātru iztukšošanu un īsu kalpošanas laiku. Akumulatora maiņas slēdža izmantošana var aizsargāt akumulatora lādētāju un pārnēsājamo elektroniku no apgrieztā akumulatora savienojuma ietekmes.

Kad ir pievienots atpakaļgaitas akumulators, MP1 to nosaka. Ja MP1 neatklāj savienojumu, tas atspējos MP2 primārās caurlaides ierīci. Apgrieztā akumulatora pievienošanas laikā MN1 radīs daudz enerģijas. Tas izraisa MP2 deaktivizēšanu un MP1 pēc tam atslēgsies. Līdzīgi, ja ir pievienots akumulators un MP2 ir atspējots, MP1 pārtrauks lādētāja darbību.

Vēl viena pieeja ir izmantot uz NMOS balstītu shēmu. NMOS izmanto fiksējošo atmiņas elementu, lai noteiktu, vai ir pievienots reversais akumulators. Lai gan šī metode ir vienkāršāka nekā uz PMOS balstīta pieeja, tā ne vienmēr savienojas ar akumulatoru. Pat ja tā notiek, tas ne vienmēr ir pietiekami ātrs, lai neļautu MN1 aktivizēties.

Varat arī izmēģināt PMOS aizsardzības shēmu. Izmantojot šo metodi, akumulators tiek īslaicīgi pievienots lādētāja izejai, kamēr lādētājs ir izslēgts. Salīdzinot spriegumu no akumulatora spailes ar spriegumu no lādētāja izejas, varat noteikt, vai savienojums ir pastāvīgs.

Visbeidzot, ir svarīgi atvienot MN1 no akumulatora, pirms tas kļūst pārāk karsts, lai to atvienotu. Lai gan tas nav ātrs process, tas ir ļoti svarīgi. Lai palīdzētu veikt šo uzdevumu, ir izstrādātas vairākas shēmas. Viena no labākajām shēmām ietver R3 un R4. Tas ir visefektīvākais zemāka sprieguma litija jonu akumulatoriem.