Что-то попаять захотелось… Не отказывать же себе в таком удовольствии 🙂

Защита аккумулятора от разряда (BMS)

Предыстория такова. Собираю квадрокоптер 🙂 Нужны хорошие аккумуляторы: большой ёмкости, с хорошей токоотдачей, лёгкие. Т.е. литий-ионные. Была закуплена пара аккумуляторов и было решено их протестировать. Я в последнее время проверяю всё что покупаю в Китае. Гораздо лучше собирать устройство из заведомо исправных деталей: во-первых, есть время перезаказать детальку если пришла дохлая, во-вторых, на столе элемент проверить проще чем в устройстве и не придётся выдирать его из недр в случае чего. Входной контроль — это правильно!

Итак, проверяю мои батарейки и обнаруживаю что они показывают ёмкость заметно меньше заявленной. Ну, бывает, полежали на складе и всё такое (хотя напряжение было в норме и это должно было насторожить). Помню что аккумуляторы можно «потренировать», т.е. провести несколько циклов разряд-заряд и тогда ёмкость может восстановиться.

Ставлю одну батарею на зарядник iMax B6, который умеет автоматически управлять процессами разряда и заряда. Процесс долгий… что делать со второй? Ага, мысль! Давай-ка я её по-старинке, лампочкой разряжу! Да, я знаю что литий-ионные аккумуляторы нельзя разряжать ниже примерно 3 Вольт на элемент («банку»), но у меня же есть тестер, я буду контролировать напряжение прям на балансировочном разъёме… В общем, плохая идея. Я, конечно закрутился и угандошил батарейку в ноль 🙁

Я думал — ничего страшного. Прошлый опыт с никель-кадмием говорит что полный разряд это плохо, но не смертельно. Ан нет! Моему аккумулятору хватило одного раза чтобы один элемент из трёх вздулся и сдох (пришлось его ампутировать и теперь у меня есть 2S аккумулятор). Т.е. литий-ионный аккумулятор разряжать ниже 3В на элемент не просто нельзя, а совсем, вообще нельзя!

Так, думаем дальше. Далеко не во всех приборах, особенно самодельных есть контроллер, который не даст разрядить батарею до опасного уровня. Значит нужно некое устройство, которое будет следить за напряжением и предупредит в случае чего. Моделисты всего мира в голос ржут надо мной за такую свежую идею  😀

Как это сделать? Мысль потекла в какие-то влажные дали, в сторону схемы на микроконтроллере с поэлементным контролем батареи… И тут на глаза попалось видео, в котором была предложена очень простая аналоговая схемка, которая отключает питание при снижении напряжения ниже заданного порога. Правда, она следит только за общим напряжением на батарее и не контролирует отдельные «банки»…. но мы же заряжаем наш аккумулятор по-честному, на балансирующем заряднике, поэтому при работе достаточно знать общее напряжение.

Пока я размышляю, китайцы действуют! И вот один из них накосячил вместо заказанных «кренок» (L7805) прислал мощные МОП-транзисторы (они же MOSFET). Нууууу… раз столько всего сошлось — пора браться за паяльник 🙂

Так, схема годная. Но есть нюанс (c). В ней есть кнопка запуска. Т.е. чтобы включить нагрузку, надо подать напряжение и кратковременно нажать кнопку. Неудобно: два действия вместо одного. Хочу без кнопки!

Смотрим исходную схему. Если напряжение АКБ выше порога срабатывания стабилитрона, он открыт. Через базу транзистора VT1 течёт ток и он тоже открыт. На затвор VT2 попадает напряжение и он тоже открыт. На нагрузку идёт питание. Если напряжение на АКБ падает ниже порога, стабилитрон закрывается, VT1 и VT2 — тоже. Но в изначальном состоянии если схема обесточена, VT2 закрыт, цепь разорвана и ток через стабилитрон возникнуть не может. Для решения этой проблемы автор применил хак в виде кнопки, которая «обходит» VT2 и запускает схему.

Что нам нужно чтобы избавиться от кнопки. Надо чтобы при подаче напряжения через базу потёк ток, хотя бы кратковременно. Дальше схема запустится и будет работать как задумано. Нужна как бы перемычка между базой VT1 и минусом АКБ, которая возникнет в момент включения питания и исчезнет через некоторое время. На эту роль хорошо подходит… конденсатор. Известно что при подаче напряжения на разряженный конденсатор через него течёт ток… М… Как ток может течь через конденсатор если это по сути разрыв? Парадокс, но может. Сейчас запутаю ещё больше. На самом деле ток через конденсатор не течёт, но он течёт через цепь конденсатора. За подробностями — в любую книжку по аналоговой схемотехнике или сюда.

Теперь смотрим мою схему в заголовке статьи. Рядом со стабилитроном конденсатор. Это и есть наша умная перемычка-времянка для старта схемы. Мне под руку попался конденсатор на 20 мкФ, но думаю можно и поменьше.

Ещё одно усовершенствование, которое я сделал — добавил индикацию срабатывания защиты. Т.е. напряжение на АКБ просело, схема отключила нагрузку и зажёгся светодиод. Теперь пользователь точно знает почему упал его вертолёт что это сработала защита, а отвалилось что-то плохо припаянное. На моей схеме это цепь VT1-R1-HL1 (да, надо было сохранить нумерацию оригинала… но переделывать уже лень). Если индикация не требуется, эти элементы можно исключить.

И ещё маленький нюанс. На исходной схеме в цепи стабилитрона стоят резисторы R3-R4 по 10 кОм. Это много. Предположим, напряжение отсечки 9В. При этом напряжении через стабилитрон течёт ток 9 В / 20 кОм = 0.45 мА. Этого мало. Стабилитрону для нормальной работы требуется чтобы ток через него был не ниже определённого значения. Я сходу не нашёл какой минимальный ток допустим для 1N4739A, но уменьшил сопротивления резисторов так чтобы ток был чуть больше 1 мА.

Я спаял эту схему на макетке, всё работает как и задумано.

Ссылки:
Схема в формате DipTrace
Библиотеку для DipTrace можно забрать здесь

Видео Алекса Гайвера
Здесь человек предлагает использовать эту схему для автомобиля