Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов 18650 (своими руками + схема контроллера)

Принципы зарядки литий-ионных аккумуляторов

В первую очередь стоит заметить, что полностью заряженный литиевый аккумулятор имеет номинальное напряжение холостого хода 3,7 вольт. При этом заряжать его надо до 4,2 вольта. Противоречия тут нет – заряжать надо на самом деле до указанного порога, а по окончании зарядки за счет саморазряда выходной уровень быстро (максимум – за несколько часов) упадет до 3,7 вольта. После процесс саморазряда резко замедлится, и АКБ будет стабильно держать свои 3,7 вольт.

В отличие от многих типов АКБ, аккумуляторы выполненные по Li-ion технологии в идеале должны заряжаться в два этапа:

зарядка стабильным током (для его поддержания надо постоянно увеличивать напряжение);
вторая стадия – дозарядка стабильным напряжением (ток при этом падает).

Профессиональные ЗУ работают по подобному алгоритму.

Классический график заряда литий-ионных батарей.

На этом и последующих графиках не указан предварительный этап, который применяется для глубоко разряженных элементов. Его смысл в том, что такой аккумулятор малым током дотягивается до минимального состояния, а дальше АКБ заряжается, как обычно.

На практике часто используется принцип дозаряда батареи импульсами тока постоянной амплитуды. При достижении определенного уровня напряжения на элементе (обычно 4,15 вольт) зарядник отключается. Напряжение холостого хода недозаряженной АКБ быстро спадает, ЗУ видит это и вновь подает импульс тока до достижения порога 4,15 вольт. С каждым импульсом батарея дозаряжается, и спад происходит все медленнее. Также следующий и дальнейшие импульсы тока будут все короче. За счет этого реализуется псевдостабилизация напряжения в определенных пределах. Плюс такого алгоритма в том, что перезаряд невозможен в принципе, и держать батарею в ЗУ можно сколь угодно долго – при саморазряде она будет периодически подзаряжаться.

Зарядка импульсным током.

Еще один способ реализации второго этапа – зарядка ступенчатым током. На первый взгляд, этот алгоритм усложнен.

Зарядка ступенчатым током.

Но он может быть вырожден до одной ступени – просто снижается напряжение, подводимое к элементу. Зарядный ток остается стабильным, хотя его амплитуда уменьшается. Такой принцип имеет право на жизнь в недорогих зарядных устройствах. Вторая стадия имеет место, в отличие от совсем уж простых зарядников, в которых реализуется только первый этап. Хотя и в этом ничего плохого не происходит – просто емкость АКБ используется не полностью. К тому же в интернете гуляет распространенное, но ничем не подтвержденное утверждение, что заряжать литий-ионные элементы надо только до 90%. Доказательств этому никто не предоставил, верить или нет – личный выбор каждого.

Зарядка одноступенчатым током.

Что такое PCB, BMS и PCM

Прежде чем выяснить, как правильно заряжать литийионные аккумуляторы, разберёмся с аббревиатурами PCB, BMS и PCM, которые неразрывно связаны с источниками тока этого типа.

PCB

Как мы выяснили, литиевые источники не терпят глубокой разрядки и перезаряда. И в том, и в другом случае они катастрофически теряют электрическую ёмкость и выходят из строя. А в случае перезаряда могут даже загореться.

Для контроля за состоянием батареи в неё нередко встраивается модуль PCB — Power Control Board. Его задача — не допустить глубокой разрядки и перезаряда аккумулятора.

Принцип работы такого модуля достаточно прост. Помещённый на небольшой плате контроллер мониторит напряжение на клеммах аккумулятора. Как только оно упадёт ниже 2,8 В, микросхема закрывает соответствующий ключ, отключая элемент питания от нагрузки. При этом зарядка этого элемента разрешена.

Если напряжение на клеммах элемента становится выше 4,2 В (заряжен полностью), эта же схема другим ключом отключает элемент от зарядного устройства, но питание нагрузки разрешено. Таким образом, аккумулятор невозможно ни перезарядить, ни разрядить до критического значения.

Такие платы защиты встраиваются в большинство литиевых батарей. Исключение составляют лишь элементы, предназначенные для устройств с собственными системами контроля за состоянием аккумуляторов. В качестве примера можно взять батарею ноутбука, собранную из шести аккумуляторов 18650 без встроенной защиты.

Важно! Прежде чем покупать аккумулятор, необходимо выяснить, оснащён ли он модулем PCB. Если нет, то за состоянием элемента придётся следить самостоятельно. Большинство элементов с модулем PCB имеют на корпусе соответствующую маркировку.

PCM

Модуль PCM (Power Charge Module) обычно встраивается не в элемент, а в устройство, в котором элемент работает. К примеру, в смартфон. Если плата PCB следит только за уровнем зарядки аккумулятора, то блок PCM полностью управляет процессом зарядки — обеспечивает необходимый ток, контролирует температуру элемента, напряжение на нём.

Это как раз тот узел, который мы называем контроллером зарядки. Он является основным «управляющим» — отключает зарядку, когда батарея зарядилась, принудительно отключает мобильное устройство, если величина напряжения на аккумуляторе критически низкая. В этом случае модуль PCB будет только дополнительной защитой — практически никогда не срабатывает. Впрочем, существуют модули PCM, которые отвечают лишь за правильную зарядку, но не контролируют разряд. В этом случае в работу включается модуль PCB — встроенный в элемент или дополнительный.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос

Важно! Не следует путать контроллер зарядки с зарядным устройством (адаптером) для того же смартфона. Зарядное устройство — это обычный пятивольтовый источник питания. Управляет же процессом зарядки батареи схема, встроенная в сам смартфон. Исключение составляют лишь интеллектуальные зарядные устройства, предназначенные именно для зарядки литиевых батарей (в том числе и без модуля контроля).

BMS

Блок BMS (Battery Monitoring System) можно найти в аккумуляторах, составленных из батарей, включённых последовательно. Он есть, например, в АКБ любого ноутбука. Задача узла — контроль за состоянием каждой отдельной батареи и организация слаженной их работы. Разберём задачу, которую он выполняет, подробно. Итак, мы имеем аккумулятор, составленный из четырёх последовательно соединённых батарей.

Предположим, все элементы полностью заряжены. Напряжение на каждом из них — 4,2 В, на всей батарее 16,8 В. Начинаем разрядку. Через все элементы течёт одинаковый разрядный ток, а значит, разряжаются они одинаково. Но это только в теории. При эксплуатации аккумуляторы теряют ёмкость по-разному, то есть даже при одинаковом токе один элемент разрядится быстрее, другой медленнее. В результате какой-то из аккумуляторов будет уже глубоко разряжен, тогда как остальные ещё «тянут» и выходное напряжение всей батареи вроде ещё в норме.

То же самое произойдёт и во время зарядки. Элемент с наименьшей ёмкостью зарядится быстрее и, пока остальные набирают нужную ёмкость, перезарядится и выйдет из строя. Задача модуля BMS — контроль за состоянием каждого элемента и принятием тех или иных мер, если напряжение на каком-либо из них станет критическим. Если оно ниже, вся батарея отключается от нагрузки. Если выше, то соответствующий элемент отключается от зарядного устройства, когда остальные продолжают заряжаться.

Полезно! Нередко блок BMS называют балансиром, а выполняемая им задача балансировкой. При последовательном соединении аккумуляторов в батарею схема балансировки должна быть обязательно. В противном случае элементы питания быстро выйдут из строя, а возможно, и загорятся.

Что понадобиться для самодельного ЗУ

В первую очередь, потребуется выбрать схему зарядки для элементов 18650. Ее выбирают по необходимым параметрам, а также по доступности деталей. Во вторую очередь – навыки чтения схем, изготовления печатных плат в домашних условиях (или, хотя бы, заказа в Китае, что сейчас не так уж дорого), пайки микросхем и других элементов, поиска ошибок и неисправностей. Если этого нет, не стоит и читать, что понадобятся:

радиоэлементы согласно схеме;
паяльник с набором расходников;
плата или заготовка для нее и аксессуары для самостоятельного изготовления.

Также потребуется кейс для установки аккумуляторов на зарядку (с ним удобнее подключить аккумулятор к ЗУ).

Как правильно выбрать, что нужно учесть

При покупке нового гаджета рекомендуется приобретать лучшие зу для акб 18650. Хорошим зарядным устройством будет то, которое идет в комплекте с гаджетом, четко понимает, какая мощность нужна для аккумулятора, своевременно останавливает зарядку. Оригинальные зарядки сначала проводят подзарядку сильным током, а в конце подзарядки уменьшают ток. Это позволяет не перегревать элемент и продлить его срок службы. Если нужно купить зарядный прибор отдельно, следует обратить внимание на основные функции зарядки.

Схемы контроллеров заряда

Зарядное устройство на LM317.

Несложное самодельное ЗУ можно собрать на широко распространенной и недорогой микросхеме LM317. В данном случае она включена по схеме стабилизатора напряжения, и АКБ заряжается падающим током. Такой алгоритм не позволяет полностью использовать возможности АКБ, и в этом состоит основной недостаток схемы. Другой недостаток – подавать на схему напряжение ниже 8 вольт нельзя. Поэтому запитать ЗУ от порта USB не выйдет.

Во время процесса контролируется ток в виде падения напряжения на резисторе R1. Как только оно уменьшится до определенного уровня, транзистор VT1 закрывается, и светодиод гаснет, сигнализируя об окончании зарядки. Процесс при этом не прекращается, поэтому следить за состоянием надо самостоятельно. Можно модернизировать схему, включив вместо светодиода реле, которое при выключении своими контактами размокнет силовую цепь.

Несколько сложнее зарядное устройство, позволяющее без всяких контроллеров реализовать алгоритм зарядки импульсным током.

Схема ЗУ с функцией импульсной дозарядки.

На первом этапе аккумулятор заряжается стабильным током, величину которого определяет напряжение питания и номинал резистора RD. Когда напряжение достигает порога 4,15 вольт, срабатывает компаратор и транзистор VT1 запирается. Напряжение на элементе скоро упадет до уровня ниже порога, и транзистор вновь откроется. Эта процедура будет продолжаться циклически, но, по мере заряда, паузы будут все дольше, а импульсы все короче. В итоге аккумулятор зарядится до напряжения 4,15 вольт, которое выставляется резистором R1.

Анализ схемы показывает, что ее можно легко упростить, не снижая функциональности. Так, вместо трансформатора со средней точкой и выпрямителя можно взять любой источник питания с напряжением 5 вольт (сильно увеличивать напряжение не надо, элементы силовой цепи будут греться, приближая тепловую смерть вселенной). Транзистор можно заменить на биполярный (подойдет и отечественный КТ827).

Упрощенная схема ЗУ.

Детектор напряжения можно заменить на KIA742, KIA719, KIA739. В итоге схема примет следующий вид.

Также можно использовать специализированные микросхемы, специально разработанные для создания подобных зарядных устройств. Одна из них — MCP73831.

Алгоритм зарядки, реализуемый на MCP73831 (на примере АКБ емкостью 180 мА*ч).

Она поддерживает правильный двухэтапный режим зарядки. Ток задается номиналом резистора, подключаемого между выводами 5 и 2. Единственный недостаток – наибольший ток, который можно снять с микросхемы – 500 мА. Этого не всегда достаточно, элементы большой емкости будут заряжаться долго.

Типовая схема включения MCP73831.

Также можно собрать зарядник на других специализированных микросхемах, специально разработанных для подобной цели. Помимо классической MAX1555, это могут быть:

LP2951;
LTC4054;
TP4056;
LTC1734;
MCP73812;
NCP1835;
другие микросхемы.

У каждого элемента есть свои плюсы и минусы. Чтобы в них разобраться и сделать правильный выбор, надо читать даташиты.

Конструктивные особенности ЗУ

Классическая схема зарядного устройства для литиевого аккумулятора 18650 включает в себя две основные детали:

Трансформатор;
Выпрямитель.

Используется он для выработки постоянного тока с напряжением 14,4В. Такое значение параметра выбрано не случайно. Оно необходимо для того, чтобы ток смог проходить через разряженный аккумулятор. А так как в это время напряжение батареи составляет около 12В, то зарядить ее устройством, у которого на выходе такое же значение невозможно. Вот поэтому и была выбрана величина в 14,4В.

В чем отличие контроллера заряда и схемы защиты

У некоторых пользователей периодически возникает вопрос, вынесенный в заголовок раздела – зачем нужен контроллер заряда, если есть схема защиты (индивидуальная или общая в виде платы балансировки). Дело в том, что эти устройства решают разные задачи:

защитный модуль предохраняет элемент от перезаряда, не дает уйти в глубокий разряд, отключает батарею при превышении допустимой температуры;
контроллер заряда формирует правильный режим пополнения энергии – стабилизирует ток на заданном уровне, осуществляет дозаряд по различным алгоритмам.

А путаница может возникнуть из-за того, что встречаются случаи, когда часть функций этих устройств дублируется. Так, защита от перегрева может быть встроена как в плату защиты, так и в контроллер заряда. А предохранять от перезаряда может как встроенная плата (отключая батарейку), так и зарядное устройство (завершая процесс пополнения энергии).

Еще важно знать 3 нюанса о «продлении жизни» 18650

Если аккумулятор нужно будет оставить на какое-то время без работы, то элементы питания желательно хранить в отдельности от устройства, которое они будут питать. Если элемент полностью заряжен, то со временем он утратит какую-то часть своего заряда. В том случае, когда элемент заряжается очень мало, или полностью разряжен, то работоспособность может совсем исчезнуть. Особенно это заметно в период длительной спячки.
Хранение 18650 следует осуществлять на уровне заряда, не падающего ниже 50%. Полной зарядки и перезарядки элемента ни в коем случае нельзя допускать. Эффект памяти у этого оборудования отсутствует. Зарядку нужно производить до того момента, как заряд полностью иссякнет. Таким образом, работоспособность аккумулятора продлится.
Аккумулятор запрещено оставлять в слишком холодных или жарких помещениях. Подходящей температурой для хранения является + 10 — + 25 градусов по Цельсию. Если поместить элемент питания на холод, то не только уменьшится время работы, но и испортится химическая система. Все наверняка замечали, что при эксплуатации мобильного телефона зимой заряд батареи резко падает.

Общий принцип сборки для любого зарядного для 18650

В первую очередь надо изготовить плату. Ее можно разработать самостоятельно (в программах типа Sprint LayOut), можно найти готовую в интернете. Дальше два пути:

Изготовить плату методом ЛУТ или по другой домашней технологии.
Заказать плату в Китае.

Во втором варианте плата будет заведомо качественнее, но обойдется дороже, да и подождать придется не один день.

При сборке зарядки для аккумуляторов типоразмера 18650 на специализированных микросхемах, надо иметь в виду, что их корпуса зачастую сверхминиатюрны, и для пайки таких элементов нужны отдельные навыки.

Зарядка для пальчиковых батареек

Этот прибор является необходимым предметом для людей, предпочитающих активный образ жизни, которые перевели максимальное количество используемых гаджетов на работу от аккумуляторов. Одним из самых распространенных среди таких приборов является мобильный телефон.

Все они оснащены батареями на литиевой основе. Поэтому для них рекомендуют приобретать зарядное устройство для литиевого аккумулятора 18650. Так как попытка восстановить емкость батареи используя прибор неподходящей модели приведет к ее порче.

Обычно для зарядки аккумуляторов на литиевой основе используют устройства с маркировкой EP. В мобильном телефоне батарея считается самым уязвимым местом. И при использовании неподходящей зарядки срок ее службы может сократиться, она начнет быстро разряжаться, что доставим массу неудобных моментов. Чтобы избежать этого необходимо правильно подбирать оборудование для восстановления. Причем не обязательно приобретать готовую модель можно сделать зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками. Такой прибор обойдется дешевле, чем промышленное изделие.

Разновидности зарядных устройств

Существует простая методика, как заряжать аккумулятор 18650 зарядным устройством. Для этого потребуется купить определенный тип устройства. В продаже представлен большой выбор зарядной техники для батарей этого типа. Самым простым и недорогим является прибор для одного аккумулятора. Уровень тока в нем может достигать 1 А.

Большой популярностью пользуются приборы, в которые можно поместить сразу несколько аккумуляторов. Чаще всего подобные конструкции снабжены индикатором. Некоторые модели могут применяться и для других разновидностей батарей литий-ионного типа. Их посадочные гнезда имеют соответствующую конструкцию. Такие приборы отличаются приемлемой стоимостью и высокой функциональностью.

Также в продаже представлены универсальные зарядные устройства. Они могут заряжать батареи не только литий-ионного типа, но и прочие разновидности. Подобные агрегаты нужно правильно настроить перед проведением процедуры.

Принцип работы ЗУ

Восстановление емкости батареи начинается при включении ЗУ в сеть. При этом внутреннее сопротивление аккумулятора растет, а ток снижается. Как только напряжение на батарее достигнет отметки в 12В, ток приблизится к нулевой отметке. Такие параметры говорят о том, что зарядка аккумулятора выполнена успешно и устройство может быть отключено.

Кроме обычного процесса, занимающего довольно продолжительное время, существует и ускоренный. Стремительная зарядка значительно сокращает сроки, но в то же время негативно влияет на работу батареи, поэтому пользоваться этим методом специалисты не рекомендуют.