Зарядное устройство для литий-полимерных (LiPo) аккумуляторов. Зарядное устройство для LiPo батарей Схемы зу для li po аккумуляторов

На данный момент написания этой статьи литий — полимерные аккумуляторы (LiPo) лидеры по отдаче тока и поэтому моделисты всех стран с радостью перешли именно на них. Что такое LiPo аккумулятор, это специальный полимер который насыщен литий содержащим раствором.

Преимущество LiPo:

1. Так например LiPo при одинаковом весе способны отдавать больше энергии чем NiCd в 4-5 раз, а NiMH в 3-4 раза.
2. Количество рабочих циклов 500-600. За два года аккумулятор теряет всего ~ 20% ёмкости.
3. Бывает два типа — быстро разрядные (Hi) и обычные. Если например в обозначении есть 3С 1000мА, это говорит о том, что такая батарея способна без вреда для себя отдавать ток до 3А, а если 40С 1000мА, то ток в 40А не проблема для такого аккумулятора. Можете себе представить сколько ампер сможет отдавать аккумулятор 40С 3S 5000мА, ему под силу крутить стартер настоящего автомобиля, только подключать его надо в параллель штатному свинцовому аккумулятору и делать очень короткие толчки, чтобы тонкие проводки не пыхнули огнем!
4. Обычные же Липошки (простонародное название LiPo) применяют в электронике не требующей больших разрядных токов, мобильных устройствах, инструментах и в обозначении таких не применяется боква (С). Буква (S) в обозначении указывает сколько банок в аккумуляторе.

Что боятся LiPo:

1. Высокая температура аккумулятора намного страшнее чем низкое напряжение. Не следует при разряде допускать нагрев аккумулятора более чем 60°С (произойдет самовозгорание или взрыв!)
2. При использовании на воздухе в холодный сезон обязательно выдержать аккумуляторы в тепле перед использованием.
3. Вздутие аккумулятора, как результат химических процессов внутри него, как следствие деградация, физическое старение, уменьшение ёмкости.
4. При нарушении достаточно мягкой оболочки батареи, или изменении её формы возможны возгорание и даже взрыв! Даже если кажется, что после крушения самолета ничего не произошло с батареей, но ЧП может произойти при последующей зарядке!

Разрядка LiPo:

1. Минимальное напряжение разряженной банки аккумулятора не должно опускаться ниже 2.5B, но лучше не рисковать и не опускать ниже 3.3В иначе начинается отложение солей и количество циклов уменьшается, а также возможно внутреннее короткое замыкание и соответственно вызовет сильный разогрев, возгоранию и даже взрыв. Поэтому в обязательном порядке надо использовать звуковые индикаторы , которые издают громкий писк при подходе аккумулятора к минимальным значениям напряжения в любой из банок.
2. Для совершенно новых аккумуляторов, первые три разрядки надо сделать током 3-5C. Это позволит расконсервировать элементы (выработать ингибитор), выровнять напряжение по банкам и набрать полную емкость.

Зарядка LiPo:

Осторожно! Лично я всегда заряжаю аккумуляторы вне дома, чего и всем рекомендую, это связано с большим количеством самовозгораний!

Хранение LiPo:

1. Температура хранения от 5 до 28°С, по другим источникам от 0 до 10°С. Моделисты считают, что хранение аккумуляторов в холодильнике, есть лучший вариант и так они прослужат значительно дольше.
2. Напряжение на банках 3.7-3.85В, это ~40% от полного заряда, именно с таким напряжением поставляются производителями LiPo аккумуляторы. В интеллектуальных ЗУ есть режим перевода LiPo в режим хранения. При хранении с другим уровнем заряда, они теряют свою ёмкость гораздо быстрее, которая затем не восстанавливается.
3. LiPo аккумуляторы стареют, даже когда не используются, поэтому не надо покупать аккумуляторы про запас. При покупке обязательно проверить дату производства, ведь двух летний аккумулятор уже потерял как минимум 20% ёмкости.

Переносное зарядное устройство — это способ зарядить LiPo аккумуляторы в поле, чтобы дольше летать. Ниже мы рассмотрим способы и решения зарядки аккумуляторов в поле. Я считаю, что это выгоднее и проще, чем покупать кучу аккумуляторов.

Когда я иду летать, я запросто могу разрядить за день более 20 аккумуляторов, летая на гоночном. Можно, конечно, купить столько батарей, сколько нужно для сеанса полетов, но я считаю, что зарядка в поле является более экономичным и практичным решением.

Что входит в полевое (переносное) зарядное устройство

• Зарядник iSDT SC-200 (banggood)
• 1 LiPo аккумулятор 6S 10000mAh (aliexpress)
• Адаптер XT90 на XT60 (banggood)
• Параллельная плата зарядки (Parallel Charging Board) (banggood)
• Вольтметр (banggood)

Давайте я расскажу, почему мне так нравится полевая зарядка и почему она выгоднее.

Полевая зарядка — это дешево

Как вы уже наверное знаете, полностью заряженные LiPo не рекомендуется оставлять на хранение, это приводит к ухудшению характеристик батарейки, а главное, это небезопасно, так как возможно воспламенение.

Поэтому, если вы зарядили лишние аккумуляторы и не успеете их отлетать, вам придется их разряжать зарядником.

Но в полевой сборке, вы сможете «вернуть» заряд обратно в большой аккумулятор-донор или подзарядить совсем разряженные батареи, а также зарядить очки или шлем.

Портативность

Вес полевой зарядки ниже, чем 18 аккумуляторов, да и места занимает намного меньше.

• Общий вес 18 4S примерно 3.4кг
• Вес 8 4S + 1 большая + ЗУ + параллельная плата = 1513г + 1211г + 451г = 3,1 кг

Общая экономия веса конечно не такая большая, но тут больше играет роль экономия места. 6S чуть чуть больше, чем четыре 4S аккумуляторов.

Полевая зарядка безопаснее

Так как вместо 18 батареек, у нас 8, то по сути шанс воспламенения или любой другой опасной неполадки сокращается в 2 раза.

Минусы полевого зарядного устройства

У любой вещи есть свои минусы, в нашем случае их несколько:

• Нужно купить новое зарядное устройство для LiPo, которое будет поддерживать подключение в качестве источника аккумулятор LiPo. Если оно у вас уже есть, то этот минус исключается.
• Такая зарядка актуальна для тех, кто много летает. Если вы разряжаете менее 15-20 аккумуляторов за сеанс, то это будет уже не так привлекательно для вас.
• Чтобы обеспечить параллельный заряд, ваши батареи должны быть на одинаковом уровне напряжения. Это означает, что вы должны уделять дополнительное внимание напряжению во время полета и решать, когда вы должны приземлиться. Это просто сделать, если у вас есть OSD, которое отображает количество потребленного тока.

Выбор зарядного устройства для полевой зарядки

Зарядник нужен такой, который сможет работать на постоянном токе.Диапазон входного напряжения должен быть широким, чтобы можно было подключать любой аккумулятор в качестве источника питания.

Мне особенно нравятся серии iSDT (SC608, Q6, SC620) для зарядки батарей LiPo в полевых условиях из-за их компактных и легких конструкций. Они поддерживают вход 9V-32V и поставляются с разъемом XT60, который позволяет использовать LiPo-батареи в качестве источника питания. Они также отлично подходят для повседневной зарядки.

Выбор источника питания для полевой зарядки

Для такой зарядки, вам понадобится какой-нибудь емкий источник питания, ниже таблица с вариантами:

Для зарядки некоторые используют автомобильный аккумулятор, но это не рекомендуется делать, так как вы его просто испортите. Вместо него нужно использовать аккумуляторы глубокого разряда.

Если у вас много аккумуляторов и летаете вы всегда с кем-то, то отличным решением будет купить все же генератор на бензине или ДТ. Они мощные и часто выдают постоянный ток, который совместим с большим диапазоном зарядных устройств. Но они дорогие и шумные, в отличие от других источников питания.

Солнечные генераторы — отличный вариант, если там, где вы живете много солнца, ну или просто солнечный день во время полетов.

Я же предпочитаю заряжать с помощью большой Lipo батареи — это просто и дешево.

@@ Идея собрать что-нибудь своими руками для моделиста не чужда, даже можно сказать родна. Но когда речь идёт об электронике, то часто рядовой (тем более начинающий) моделист опускает/поднимает руки от, казалось бы, безвыходного положения чувствительных денежных затрат. Эти страхи не исключение и для тех, кто думает перейти на LiPo аккумуляторы.

@@ Зарядное устройство за приемлемую цену не гарантирует безопасную зарядку. На дорогой зарядник сразу как-то и денег жалко. Тем более, когда читаешь в форумах про профессиональные "умные" зарядники, которые тоже не всегда согласны с требованиями пользователя.

@@ А для начинающего моделиста мысли о бюджете зачастую одерживает верх над разумным заключением о том, что "бесплатный сыр есть только в мышеловке". По этой причине, а также желание прижечь пальчики паяльником подтолкнули меня к разработке своего, в меру "умного" зарядника.

@@ Поиски в интернете готовых схем показали, что их немало. Однако найти простой, в меру умный, не удалось. Вот тогда я окончательно и определился: собирать самому. Наковыряв информации по зарядке LiPo, принялся за железо. Особых знаний в электронике не имею, поэтому самому с нуля разработать схему было не по зубам. За основу был взят "апликейшин ноут" от AVR.

@@ Теперь нужно определиться с возможностями зарядника. Свободного времени крайне мало, поэтому сразу ограничил функции зарядного устройства. Плюс несложные мат. расчёты подвели к следующему:

Микроконтроллер ATtiny26
Выбор этого контроллера был не случаен. Он имел в наличии быстрый ШИМ-125KHz, что упрощало схему. Ну и ресурсов - тютелька в тютельку - для реализации поставленной задачи. Ах да... и цена.

Питание 10-12 вольт (для подзарядок в поле)
По началу колебался, а где взять больше 12 вольт, требуемые для заряда 3х банок. Пока не нашёл у себя в загашнике преобразователь 12->24 вольта для автомобиля. Схема оказалась на столько простой, что в принципе можно повторить и самому. Перепаял её на 14 вольт.

Мощность - максимум 1.5А - 1-3 банки LiPo (12.6 вольт)
Другие аккумуляторы даже и не были в планах...

Мозгами должен соображать, когда прекратить заряд и чтоб не вывести аккумулятор из строя (контроль температуры, времени, напряжения и силы тока)

Учет балансира при зарядке
Думал сначала встроить в зарядник, но потом решил сделать отдельным проектом - ведь девиз был: "будь проще!"

Визуальный контроль за всем происходящим (чтоб знать что там в коробке происходит).

@@ Собрал схему на макетке. Написал тест-программу, подсоединил резистор... В общем, работа пошла. 2КБ свободной памяти под программу стали стремительно уменьшаться, что свидетельствовало о свете в конце туннеля.

"""" Сразу столкнулся с проблемой - регулировка тока заряда никуда не годная - прыгает в пределах 30%. Много раз переписывал код, отвечающий за контроль и удержание тока заряда на заданном уровне - толком ничего не помогло. Дошло...Проблема не в программе. Померил осциллографом... Так у меня пульсации на шунтирующем резисторе под 2 вольта размахом. Что-то не так со схемой. Подбирал катушку и частоту включения силовика - не очень то и помогло. А вот увеличил выходной конденсатор с 470Мф до 2200Мф - всё встало на свои места. Вывод: где-то в Атмеловском апликейшн ноуте ошибка. Полазил по форумам - так оно и есть. Ну что-ж, пожалуй это была самая большая проблема.

@@ Ещё одна проблемка, но уже поменьше - это замер температуры. Вначале мне казалось, что это одна из самых простых задач. Дело в том, что терморезистор изменяет свои значения не линейно, а логарифмически. Это выглядит так:

"""" Этот график и взял время, так как в даташите на резистор было мало информации в отношении сопротивление=температура. А мне нужно было получить значения для каждого градуса. Пришлось задействовать Excel. Так что, если кто желает точных показаний температуры для своего резистора (что совершенно бессмысленно, так как аккумулятор не умрёт, если вместо 40 градусов он будет 42) может считать сам. Далее составляем таблицу значений ADC по формулам:

@@ V=5*(Rt/(Rt+1000)) , где Rt - сопротивление резистора при определённой температуре, взятое из графика.

@@ Полученное значение ADC и записываем в таблицу в файле ntc.inc. Так поступаем для всех значений температуры от 5 до 50 градусов с шагом в один градус. Больше особых проблем не предвидится, можно рисовать печатку. Делал это в WinQCad, а вообще это дело вкуса.

@@ У меня получился такой вариант:

"""" Рисунок печатной платы: лицевая сторона скачать архив (5 кБ) , обратная сторона скачать архив (2 кБ) . Как видно из рисунка, аналоговая земля отделена от основной земли и соединены резистором в 0 Ом.

"""" Как видно из рисунка, аналоговая земля отделена от основной земли и соединены резистором в 0 Ом. Расположение элементов на плате таково:

@@ Так как весь процесс изготовления предполагается для домашних условий, соответственно и плата тоже простая. Хоть она и двухсторонняя, но как видно вторая сторона не нуждается в прецизионном позиционировании с первой. И дырок минимальное число.

@@ Рисунок платы можно переносить любым доступным способом (утюг, фоторезист и т.д.).
Затем травим, сверлим дырочки и проводочками сквозь дырочки имитируем металлизацию отверстий. Вот плата и готова - можно напаивать остальной огород.
@@ Но перед напайкой резисторов R5, R6, R7, R8, R4, R9 почитайте раздел нижеследующее.

@@ Процесс настройки сводится к следующему:

1. Необходимо замерить точное сопротивление резисторов R5 и R6 в параллели;

2. Проверить сопротивление резисторов R7, R8, R4, R9;

INT(ConstVRef/80*((ResistorPos/ResistorGnd)*128+128)), где ConstVRef=3700 (напряжение с TL431 в милливольтах), ResistorPos=сопротивление резисторов R7 и R8 в омах, ResistorGnd= сопротивление резисторов R4 и R9 в омах;

4. Используя всё те же значения, рассчитываем коэффициент ConstImul по формуле:

ConstImul = INT(ConstVRef/(ResistorGnd/(ResistorPos+ResistorGnd)*ResistorSht)*8)

Где плюс к уже сказанному ResistorSht=сопротивление резисторов R5 и R6 в параллели умноженное на 100 (например, два резистора в 1 Ом = 0,5 Ом * 100 = 50);

5. Подставляем полученные коэффициенты в файле LiPoCharger.asm, в строчки:
.equ ConstVmul = 22229
.equ ConstImul = 2416

6. Компилируем в AVRStudio и заливаем в процессор;

7. Теперь на готовой и работающей плате, переменным резистором R14 выставляем напряжение в 3,7 вольта на 17 ноге процессора;

8. При желании можно экспериментальным путём выставить точную скорость процессора через OSCCAL. В моём случае это 0xA0.

@@ Далее - прошивка. Запрограммировать микроконтроллер можно стандартным способом (через SPI). Схемы программаторов и всё с этим связанное не входит в компетенцию данной статьи. Единственное замечание - при программировании микроконтроллера необходимо отключить напряжение заряда - 14 вольт (физически отсоединить провод).

@@ При правильном монтаже и соблюдении 8 пунктов настройки, зарядник начнёт работать сразу. Инструкцию по пользованию устройством написать никак руки не доходят, поэтому, если кто-нибудь, когда-нибудь повторит эту схему и напишет инструкцию - буду очень благодарен. Хотя пользование зарядником до смешного просто - всего две кнопки. Нет никаких скрытых "недокументированных" возможностей.

@@ Схема зарядника - скачать архив (24 кБ)