Самодельное зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов. Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов

У многих, наверное, возникает проблема с зарядкой Li-Ion аккумулятора без контроллера, у меня возникла такая ситуация. Достался убитый ноутбук, в аккумуляторе 4 банки SANYO UR18650A оказались живые.
Решил заменить в светодиодном фонарике, вместо трех батареек ААА. Встал вопрос об их зарядке.
Покопавшись в инете нашел кучу схемок, но с деталями у нас в городе туговато.
Пробовал заряжать от зарядки сотового, проблема в контроле заряда, нужно постоянно следить за нагревом, чуть начинает нагреваться нужно отключать от зарядки иначе аккумулятору каюк в лучшем случае, а то и можно устроить пожар.
Решил сделать самостоятельно. Купил в магазине постельку под аккумулятор. На барахолке купил зарядку. Для удобства отслеживания окончания заряда желательно найти с двухцветным светодиодом который сигнализирует о конце заряда. Он переключается с красного на зеленый при окончании зарядки.
Но можно и обычную. Зарядку можно заменить на шнур USB, и заряжать от компьютера или зарядки с USB выходом.
Моя зарядка только для аккумуляторов без контроллера. Контроллер я взял от старого аккумулятора сотового телефона. Она следит за тем, чтобы аккумулятор не был перезаряжен выше напряжения 4.2 В, либо разряжен меньше 2…3 В. Также схема защиты спасает от коротких замыканий, отключая саму банку от потребителя в момент короткого замыкания.
На нем стоят микросхема DW01 и сборка двух MOSFET-транзисторов (M1,M2) SM8502A. Есть и с другими маркировками, но схемы подобны этой, и работает аналогично.

Контроллер заряда от аккумулятора сотового телефона.

Схема контроллера.

Ещё одна схема контроллера.
Главное не перепутать полярность припайки контроллера с постелькой и контроллера с зарядкой. На платке контроллера указаны контакты «+» и «-» .

В постельке возле плюсового контакта желательно сделать явно заметный указатель, красной краской или самоклеющейся пленкой, во избежание переполюсовки.
Собрал всё воедино и вот что получилось.

Заряжает замечательно. При достижении напряжения 4,2 вольта контроллер отключает аккумулятор от зарядки, и переключается светодиод с красного на зелёный. Зарядка закончена. Заряжать можно и другие Li-Ion аккумуляторы, только применить другую постельку. Всем удачи.

Современные электронные устройства (типа сотовых телефонов, портативных компьютеров или планшетов) питаются от литий-ионных аккумуляторов, которые пришли на смену щелочным аналогам. Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные акб уступили место Li─Ion батареям за счет лучших технических и потребительских качеств последних. Имеющийся от момента производства заряд в таких батареях составляет от четырех до шести процентов, после чего начинает снижаться по мере использования. В течение первых 12 месяцев емкость аккумуляторов снижается от 10 до 20 %.

Оригинальные зарядные устройства

Зарядные агрегаты для ion аккумулятора весьма похожи на аналогичные устройства для свинцово-кислотных, однако у них на элементах питания, названных за внешнюю схожесть «банками», напряжение выше, поэтому существуют более строгие требования к допуску (например, допустимое расхождение в напряжении всего 0,05 в). Чаще всего встречается формат банки ионных аккумуляторов 18650, это значит, что у нее диаметр – 1,8 см, а высота –6,5 см.

На заметку. Стандартная литий-ионная батарея требует для зарядки до трех часов, а более точно время определяется изначальной ее емкостью.

Производители Li-ion аккумуляторов рекомендуют для зарядки использовать только оригинальные зарядные устройства, которые гарантированно дадут нужное напряжение для батареи и не погубят часть ее емкости перезарядкой элемента и нарушением химической системы, также нежелательна полная зарядка батареи.

Обратите внимание! При длительном хранении литиевые аккумуляторы должны оптимально иметь маленький (не более 50%) заряд, также необходимо вытащить их из агрегатов.

Если у литиевых аккумуляторах имеется плата защиты, то перезарядка им не грозит.

Встроенная плата защиты отсекает чрезмерное напряжение (более 3,7 вольт на банку) во время зарядки и отключает аккумулятор, если уровень заряда упал до минимального, обычно до 2,4 вольт. Контроллер заряда определяют момент, когда напряжение на банке достигает 3,7 вольт, и отключает зарядное устройство от аккумулятора. Также это необходимое устройство контролирует температуру батареи, чтобы исключить перегрев и перегрузку по току. Защита компонуется на базе микросхемы ДВ01-П. После того, как цепь прерывается контроллером, ее восстановление осуществляется автоматически при нормализации параметров.

На микросхеме красный индикатор означает заряд, а зеленый или голубой сигнализирует о том, что акб заряжена.

Как правильно заряжать литиевые аккумуляторы

Известные производители li-ion аккумуляторов (например, такие, как «Сони») применяют в своих зарядниках двух или трех этапный принцип зарядки, что позволяет значительно продлить срок службы батарей.

На выходе зарядник имеет напряжение в пять вольт, а величина тока колеблется от 0,5 до 1,0 номинальной емкости акб (например, для элемента, имеющего емкость 2200 миллиампер-час, ток зарядного устройства должен быть от 1,1 ампер.)

В начальный этап, после подключения зарядки для литиевых аккумуляторов, величина тока составляет от 0,2 до 1,0 номинальной емкости, при этом напряжение 4,1 вольт (на одну банку). В таких условиях батареи заряжаются от 40 до 50 минут.

Для достижения постоянства тока схема зарядного устройства должна быть в состоянии поднять напряжение на клеммах батареи, в это время зарядник для большинства литий ионных аккумуляторов работает в качестве обычного стабилизатора напряжения электротока.

Важно! Если необходима зарядка литий-ионных батарей, у которых имеется встроенная плата защиты, то напряжение холостого хода не должно быть больше шести-семи вольт, иначе она испортится.

В то время, как напряжение достигнет 4,2 вольт, емкость аккумулятора составит от 70 до 80 процентов емкости, что будет сигналом об окончании начального этапа зарядки.

Следующий этап осуществляется при наличии постоянного напряжения.

Дополнительная информация. В некоторых агрегатах для более быстрой зарядки применяется импульсный метод. Если в литий-ионном аккумуляторе имеется графитовая система, то для них необходимо соблюдать ограничение напряжения в 4,1 вольта на одну банку. При превышении этого параметра энергетическая плотность акб возрастет и запустит окислительные реакции, сокращающие срок эксплуатации аккумулятора. В современных моделях батарей применяют специальные добавки, которые позволяют повышать напряжение при подключении зарядного устройства для li ion аккумуляторов до 4,2 вольт плюс/минус 0,05 вольт.

В простых литиевых батареях зарядные устройства держат уровень напряжения в 3,9 вольт, что для них является надежной гарантией долгой службы.

При выдаче тока в 1 величину емкости акб время получения оптимально заряженного аккумулятора составит от 2 до 3 часов. Как только заряд станет полным, напряжение достигнет нормы отсечки, величина тока стремительно падает и остается на уровне пары процентов от начального значения.

Если зарядный ток искусственно увеличивать, что время использования зарядного устройства для питания литий ионных аккумуляторов почти не уменьшится. В таком случае первоначально быстрее растет напряжение, но в то же время увеличивается длительность второго этапа.

Некоторые зарядные устройства могут полностью зарядить акб за 60-70 минут, в процессе такой зарядки исключен второй этап, и аккумулятор можно использовать уже после начальной стадии (уровень зарядки также будет на уровне 70 процентов емкости).

На третьем завершающем этапе зарядки проводится компенсирующий заряд. Он осуществляется не каждый раз, а всего один раз в 3 недели, при хранении (а не использовании) аккумуляторов. В условиях хранения батарей невозможно использовать струйную зарядку, потому что в таком случае происходит металлизация лития. Однако небольшие по времени подзарядки током постоянного напряжения помогают избежать потерь заряда. Прекращение зарядки заканчивается, как только напряжение достигнет 4,2 вольт.

Металлизация лития опасна выделением кислорода и резким нагнетением давления, что может привести к воспламенению и даже взрыву.

Зарядка для аккумулятора своими руками

Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов стоит недорого, но при наличии небольших познаний в электронике можно изготовить ее самостоятельно. Если нет точной информации о происхождении элементов АКБ, и есть сомнения в точности работы измерительных приборов, следует выставить порог заряда в районе от 4,1 до 4,15 вольт. Это особенно актуально, если акб не имеет защитной платы.

Для сборки зарядки для литиевых аккумуляторов своими руками хватит одной упрощенной схемы, которых очень много в свободном доступе в Интернете.

Для индикатора можно использовать светодиод зарядного типа, который подсвечивает, когда зарядка аккумулятора значительно снижена, и гаснет при разрядке в «ноль».

Сборка зарядного устройства производится в следующем порядке:

• находится подходящий корпус;
• монтируется блок питания на пять вольт и другие детали схемы (строго следить за последовательностью!);
• вырезается пара латунных полосок и крепится на гнездные отверстия;
• с помощью гайки определяется расстояние между контактами и подключаемым аккумулятором;
• устанавливается переключатель для изменения полярности (опционально).

Если ставится задача собрать своими руками зарядку для аккумуляторов 18650, то потребуются более сложная схема и больше технических навыков.

Все литий-ионные аккумуляторы время от времени требуют подзарядки, однако, следует избегать слишком полной зарядки, а также полной разрядки. Поддержание работоспособности батарей и сохранение их рабочей емкости в течение длительного времени возможно с помощью специальных зарядных устройств. Зарядники желательно использовать оригинальные, но можно собрать их самостоятельно.

Видео

Практически у всех современных литий-ионных аккумуляторов отличная энергоёмкость, а также высокие малогабаритные показатели. Именно с их помощью можно питать устройства высокой мощности с наибольшей эффективностью. И совершенно не обязательно для этого покупать готовое зарядное устройство в магазине, ведь есть вариант более бюджетный, который особенно понравится радиолюбителям - собрать зарядное для литий-ионных аккумуляторов своими руками.

Меры предосторожности: перезаряд недопустим

Крайне важно перед началом сборки АКБ для батарей запомнить одну простую вещь - литиевые аккумуляторы строго запрещено перезаряжать. У них очень строгие требования к режиму зарядки и эксплуатации, поэтому их нельзя заряжать до напряжения больше 4,2 В. А ещё лучше руководствоваться информацией о безопасном пороге для каждой отдельно взятой банки. Кстати, там может быть указан даже меньший порог, который считается допустимым для этого экземпляра.

Ещё лучше, если вы собираетесь делать зарядку для литиевых аккумуляторов своими руками, несколько раз проверить используемые материалы и оборудование. Если у вас сомнения относительно точности показаний вашего вольтметра или происхождения банок, а также максимально допустимой мощности их заряда, лучше ставить порог ещё меньше. Оптимально будет в пределах 4.1–4.15 В. В этом случае заряжать АКБ, у которых нет встроенной платы защиты, будет безопасно для вас.

В противном случае велика вероятность сильного нагрева и вздутия банок, обильного выделения газа с резким неприятным запахом и даже их последующего взрыва. Проверьте все несколько раз перед тем, как приступать к сборке и зарядке.

Собираем зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками

Чтобы собрать зарядное устройство для литиевых аккумуляторов, достаточно будет одной упрощённой схемы. ЗУ, созданное по такой схеме, практически не нужно будет регулировать, а для работы вам понадобится:

• Задать Uвых=4.2 В без подключённой батареи (с помощью R8);
• Установить зарядный ток, используя R6 и R

В роли индикатора работы ЗУ отлично проявит себя светодиод типа «заряд». Он будет подсвечивать, если подключённый к нему аккумулятор разряжен , и погаснет, когда тот полностью зарядится.

Последовательность сбора зарядки литиевых аккумуляторов своими руками такова:

1. подбираете подходящий корпус;
2. крепите к нему блок питания (5 В) и элементы указанной схемы (обязательно в правильном порядке);
3. берете латунь и вырезаете из неё две полоски, крепите их на гнёзда;
4. используя гайку, устанавливаете расстояние между контактами и АКБ, которые собираетесь подключать;
5. крепите переключатель, если хотите впоследствии иметь возможность изменять полярность на гнёздах (если - нет, оставляете все как есть).

Как собрать зарядку для литий-ионных аккумуляторов своими руками?

Поскольку Li-Ion батареи чувствительны к резкому напряжению во время зарядки , в фирменных АКБ встроены специальные микросхемы. Они обеспечивают контроль напряжения и не позволяют превышать допустимые пределы. Поэтому для того чтобы собрать зарядку для литиевых аккумуляторов 18650 своими руками, нужна более сложная схема, чем та, о которой шла речь выше.

Такой вариант АКБ будет создать намного сложнее, чем предыдущий и в домашних условиях это возможно, только если есть определённые навыки и соответствующий опыт. В теории вы сможете получить зарядное устройство , которое по характеристикам ничем не будет уступать фирменным АКБ. Но на практике это далеко не всегда так.

Аккумуляторы играют важную роль в любом механизме, работающим не от сети. Перезаряжаемые аккумуляторные батареи стоят довольно дорого, из-за того, что вместе с ними нужно приобретать зарядное устройство. В аккумуляторных батареях используются разные комбинации проводниковых материалов и электролитов – свинцово-кислотные, никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-ионполимерные (Li-Po).

Я использую литий-ионные аккумуляторы в своих проектах, поэтому решил сделать зарядку для литиевых аккумуляторов 18650 своими руками, а не покупать дорогое, так что приступим.

Шаг 1: Видео

В видео показана сборка зарядного устройства.
Ссылка на youtube

Шаг 2: Список электрокомпонентов

Показать еще 3 изображения

Список компонентов, необходимых для сборки зарядного устройства для аккумуляторных батареек 18650:

• Модуль зарядного устройства на базе чипа TP4056 с защитой аккумулятора
• Стабилизатор напряжения 7805, вам понадобится 1 шт
• Конденсатор 100 нФ, 4 шт (не нужен, если есть 5В блок питания)

Шаг 3: Список инструментов

Для работы вам будут нужны следующие инструменты:

• Горячий нож
• Пластиковая коробочка 8х7х3 см (или близкая по размерам)

Теперь, когда все нужные инструменты и компоненты подготовлены к работе, займемся модулем ТР4056.

Шаг 4: Модуль зарядного устройства Li-io аккумуляторов на основе чипа ТР4056

Немного подробнее об этом модуле. На рынке представлены два варианта этих модулей: с защитой аккумулятора и без нее.

Коммутационная плата, содержащая схему защиты, осуществляет контроль напряжения с помощью фильтра цепи питания DW01A (интегральная схема защиты батареи) и FS8205A (N-канальный транзисторный модуль). Таким образом, коммутационная плата содержит три интегральных схемы (TP4056+DW01A+FS8205A), в то время как модуль зарядного устройства без защиты батареи содержит лишь одну интегральную схему (TP4056).

TP4056 – модуль заряда одноэлементных Li-io аккумуляторов с линейным зарядом постоянного тока и напряжения. Корпус SOP и малое число внешних компонентов делают этот модуль прекрасным вариантом для использования в самодельных электроприборах. Он заряжает через USB так же хорошо, как через обычный блок питания. Распиновка модуля TP4056 прилагается (рис.2), как и график цикла зарядки (рис.3) с кривыми постоянного тока и постоянного напряжения. Два диода на коммутационной плате показывают текущий статус заряда – заряд, прекращение заряда и тд (рис.4).

Чтобы не повредить аккумулятор, заряд 3,7 В литий-ионных аккумуляторов должен осуществляться при значении постоянного тока 0,2-0,7 от их емкости, пока выходное напряжение не достигнет 4,2 В, после чего заряд будет осуществляться постоянным напряжением и постепенно снижающимся (до 10% от первоначального значения) током. Мы не можем прервать заряд при напряжении 4,2 В, так как уровень заряда будет 40-80% от полной емкости аккумулятора. За этот процесс отвечает модуль TP4056. Еще один важный момент – резистор, соединенный с выводом PROG, определяет зарядный ток. В модулях, представленных на рынке, обычно с этим выводом соединен 1,2 КОм резистор, что соответствует зарядному току 1А (рис.5). Чтобы получить другие значения зарядного тока, можно попробовать ставить другие резисторы.

DW01A – интегральная схема защиты батареи, на рис.6 показана обычная схема подключения. Полевые МОП-транзисторы М1 и М2 соединены внешне интегральной схемой FS8205A.

Эти компоненты установлены на коммутационной плате модуля заряда литий-ионных батарей TP4056, ссылка на который есть в Шаге 2. Мы должны сделать только две вещи: дать напряжение в диапазоне 4-8 В на входной разъем, и соединить полюса аккумулятора и контактами + и – модуля TP4056.

После этого продолжим сборку зарядного устройства.

Шаг 5: Схема проводки

Чтобы завершить сборку электрокомпонентов, спаяем их в соответствии со схемой. Я приложил схему в программе Fritzing и фото физического соединения.

1. + контакт разъема питания соединяем с одним из контактов выключателя, а – контакт разъема питания соединяем с пином GND стабилизатора 7805
2. Второй контакт выключателя соединяем с пином Vin стабилизатора 7805
3. Устанавливаем три конденсатора 100 нФ параллельно между Vin и GND пинами стабилизатора напряжения (для этого используйте макетную плату)
4. Устанавливаем конденсатор 100 нФ между пинами Vout и GND стабилизатора напряжения (на макетной плате)
5. Соедините Vout пин стабилизатора напряжения с IN+ пином модуля TP4056
6. Соедините пин GND стабилизатора напряжения с IN- пином модуля TP4056
7. Соедините + контакт батарейного отсека с B+ пином модуля TP4056, а – контакт батарейного отсека соедините с В- пином модуля TP4056

На этом соединения завершены. Если вы используете 5 В блок питания, пропускайте все пункты с подключениями к стабилизатору напряжения 7805, и подключайте + и – блока напрямую к IN+ и IN- пинам модуля TP4056 соответственно.
Если вы будете использовать 12В блок питания, при прохождении тока 1А стабилизатор 7805 будет нагреваться, это можно исправить теплоотводом.

Шаг 6: Сборка, часть 1: прорезаем отверстия в корпусе

Показать еще 7 изображений

Для того, чтобы правильно уместить все электрокомпоненты в корпусе, в нем нужно прорезать отверстия:

1. Лезвием ножа отметьте на корпусе границы батарейного отсека (рис.1).
2. Горячим ножом прорежьте отверстие по сделанным меткам (рис.2 и 3).
3. После прорезания отверстия, корпус должен выглядеть как на рис.4.
4. Отметьте место, где будет находиться USB-разъем модуля TP4056 (рис.5 и 6).
5. Горячим ножом прорежьте в корпусе отверстие для USB-разъема (рис. 7).
6. Отметьте места на корпусе, где будут находиться диоды модуля TP4056 (рис. 8 и 9).
7. Горячим ножом прорежьте отверстия под диоды (рис. 10).
8. Таким же образом сделайте отверстия под разъем питания и выключатель (рис.11 и 12)

Шаг 7: Сборка, часть 2: устанавливаем электрокомпоненты

Следуйте инструкции, чтобы установить компоненты в корпусе:

1. Установите батарейный отсек так, чтобы монтажные точки были снаружи отсека/корпуса. Клеевым пистолетом приклейте отсек (рис.1).
2. Установите на место модуль TP4056 так, чтобы USB0разъем и диоды попали в соответствующие отверстия, зафиксируйте термоклеем (рис.2).
3. Установите на место стабилизатор напряжения 7805, зафиксируйте термоклеем (рис.3).
4. Установите на свои места разъем питания и выключатель, зафиксируйте их термоклеем (рис.4).
5. Расположение компонентов должно выглядеть так же, как на рис.5.
6. Нижнюю крышку закрепите на месте винтами (рис.6).
7. Позже я закрыл неровности, оставшиеся от горячего ножа, черной изолентой. Также их можно сгладить наждачкой.

Завершенное зарядное устройство показано на рис.7. теперь его нужно испытать.

Шаг 8: Испытание

Установите разряженный аккумулятор в зарядное устройство. Включите питание в разъем 12В или USB. Красный диод должен моргать, это значит, что идет процесс заряда.

Когда заряд будет завершен, должен загореться синий диод.
Прикладываю фото зарядного устройства в процессе заряда и фото с заряженным аккумулятором.
На этом работа завершена.

Наверняка, каждый радиолюбитель сталкивался с проблемой, подключая литиевые аккумуляторы последовательно, замечал что один садиться быстро а другой еще вполне держит заряд, но из за другого севшего вся батарея не выдает нужного напряжения. Это происходит от того что при зарядке всего блока батарей, они заряжаются не равномерно, и часть батарей набирают полную емкость а часть нет. Это приводит не только к быстрому разряду, но и к выходу из строя отдельных элементов, из за постоянной не до зарядки.
Исправить проблему достаточно просто, на каждый аккумуляторный элемент нужен так называемый балансир, устройство которое после полной зарядки батареи блокирует ее дальнейший перезаряд, и управляющим транзистором обводит зарядный ток мимо элемента.
Схема балансира достаточно проста, собрана на прецизионном управляемом стабилитроне TL431A, и транзисторе прямой проводимости BD140.

После долгих экспериментов схема немного изменилась, в место резисторов было установлено 3 последовательно включенных диода 1N4007, работать балансир стал как по мне стабильней, диоды при зарядке ощутимо греются, это следует учитывать при разводке платы.

Принцип работы очень прост, пока напряжение на элементе меньше 4,2 вольта, идет зарядка, управляемый стабилитрон и транзистор закрыты и не влияют на процесс зарядки. Как только напряжение достигнет 4,2 вольта, стабилитрон начинает открывать транзистор, который через резисторы суммарным сопротивлением 4 Ома шунтирует аккумулятор, тем самым не давая напряжению подняться выше верхнего порога 4,2 вольта, и дает возможность зарядиться остальным аккумуляторам. Транзистор с резисторами спокойно пропускает ток около 500 мА, при этом он нагревается градусов до 40-45. Как только на балансире загорелся светодиод аккумулятор который к нему подключен полностью заряжен. То есть, если у вас соединено 3 аккумулятора, то окончанием заряда нужно считать загорание светодиодов на всех трех балансирах.
Настройка очень проста, подаем на плату (без аккумулятора) напряжение 5 вольт через резистор примерно 220 Ом, и меряем на плате напряжение, оно должно быть 4,2 вольта, если оно отличается то подбираем резистор 220 кОм в небольших пределах.
Напряжение для зарядки нужно подавать примерно на 0,1-0,2 вольта больше чем напряжение на каждом элементе в заряженном состоянии, пример: у нас 3 последовательно соединенных аккумулятора по 4,2 вольта в заряженном состоянии, суммарное напряжение 12,6 вольта. 12,6 + 0,1 + 0,1 + 0,1 = 12,9 вольта. Также следует ограничит ток заряда на уровне 0,5 А.
Как вариант стабилизатора напряжения и тока можно использовать микросхему LM317, включение стандартное с даташита, схема выглядит следующим образом.

Трансформатор нужно выбирать с расчета - напряжение заряженной батареи + 3 вольта по переменке, для корректной работы LM317. Пример у вас батарея 12,6 вольта + 3 вольт = трансформатор нужен 15-16 вольт переменного напряжения.
Так как LM317 линейный регулятор, и падение напряжения на нем превратится в тепло, обязательно устанавливаем ее на радиатор.
Теперь немного о том как рассчитать делитель R3-R4 для стабилизации напряжения , а очень просто по формуле R3+R4=(Vo/1.25-1)*R2 , величина Vo - это напряжение окончания заряда (максимальное выходное после стабилизатора).
Пример: нам нужно получить на выходе 12,9 вольта для 3-х. батарей с балансирами. R3+R4=(12.9/1.25-1)*240=2476,8 Ом. что примерно ровняется 2,4 кОм + у нас стоит подстроечный резистор, для точной подстройки (470 Ом), что позволит нам, без проблем установить расчетное выходное напряжение.
Теперь расчет выходного тока, за него отвечает резистор Ri, формула простая Ri=0.6/Iз , где Iз - максимальный ток заряда. Пример нам нужен ток 500 мА, Ri=0.6/0,5А= 1,2 Ом. Следует учитывать, что через данный резистор течет зарядный ток, потому мощность его стоит брать 2 Вт. Вот и все, платы я не выкладываю, они будут когда я соберу зарядное устройство с балансиром для своего металлоискателя.