В предыдущей статье я постарался рассказать, чем защищенный li-ion аккумулятор отличается от незащищенного, и как устроена и работает плата защиты. А сейчас постараюсь наглядно показать, как самому можно сделать такие защищенные аккумуляторы. Кто-то даже, возможно, захочет повторить. И заодно проверим при каких параметрах на самом деле срабатывает плата защиты.

Предыстория

Однажды один из наших постоянных клиентов попросил подумать, не сможем ли по его заказу сделать для него партию аккумуляторов 18650 с защитой. Подумали и решили взяться. Прибыль не ахти какая, но, с другой стороны, новый опыт.

Почему бы просто не купить что-то готовое? Да просто потому, что попробуйте сначала найти в продаже что-то гарантированно хорошее в этом сегменте. Например, Samsung INR18650-35E, LG INR18650-MJ1, Sanyo NCR18650GA или что-то другое от ведущих производителей в комплекте с установленной платой защиты, и желательно по разумной цене. И вы поймете, что все не так просто. Из предложений защищенных аккумуляторов 18650 в основном ячейки непонятного происхождения, продающиеся под самыми разными брендами. И какая ячейка внутри, неизвестно.

Есть еще предложения от приличных перепаковщиков (KeePower, Vapcell и т.д.). Они даже часто указывают, какая ячейка внутри. Но в последнее время они все чаще предпочитают китайских производителей, правда вполне приличных (EVE, Lishen и т.д.). Но цены все равно не всегда особо приятные.

Поэтому мы и решились на эту авантюру.

Выбор модели аккумулятора

Тут все довольно просто. 18650 protected в основном требуются максимальной емкости и с довольно небольшими рабочими токами – единицы Ампер. Такие аккумуляторы в основном используются в маломощных устройствах.

Поэтому выбор пал на Samsung INR18650-35E и LG INR18650-MJ1. Оба аккумулятора имеют довольно схожие характеристики. Номинальная емкость 3500 mAh, максимальный ток 8 и 10 Ампер соответственно. Основное отличие – у Samsung внутреннее сопротивление поменьше, в районе 20 мОм, у LG 27-29 мОм. Из-за этого Samsung получше работает на сильном морозе (-15…-20 ⁰С и ниже). Да, да, на самом деле нормальный цилиндрический li-ion вполне неплохо работает даже на крайнем севере при температурах до -60 ⁰С. Речь в первую очередь про ручные и налобные фонари. Конечно, тут имеет место самоподогрев аккумуляторов под нагрузкой. Но даже промороженный пару суток li-ion вполне сносно работает. Единственное, в некоторых фонарях в этом случае могут не работать TURBO режимы (режим максимальной яркости). Все же просадка напряжения у аккумулятора при токе нагрузки 2-3 Ампера на морозе уже довольно большая.

Процесс

На днях нам прилетел небольшой заказ на несколько штук защищенных Samsung INR18650-35E и LG INR18650-MJ1. Решили заодно задокументировать процесс с небольшими пояснениями.

Немного напомню про схему типовой платы защиты li-ion. Большинство таких плат сделано на основе микросхем DW01 (или аналогов) разных производителей. Кроме самой микросхемы важный элемент - это сборка из двух транзисторов (FET1 и FET2 на схеме). Эти транзисторы выступают в роли ключей, отключающих ячейку при выходе параметров за допустимые пределы. Кроме того, величина протекающего в цепи аккумулятора тока измеряется путем измерения падения напряжения на этих транзисторах.

Итак, берем аккумуляторы. Кроме этого, нам понадобятся сами платы защиты, никелированная лента, круглые пластиковые изоляторы-держатели для платы, металлические «пипки» на плюсовой контакт (button top), каптоновый скотч, кружки-изоляторы для плюса и прозрачная ПВХ-термоусадка. Из оборудования и инструментов: точечная сварка, строительный термофен, ножницы. В принципе и все, это минимальный набор.

Первым делом с помощью точечной сварки привариваем к платам никелированную ленту. Для этого на платах уже припаяны небольшие металлические площадки (spot welding pad). Они как раз для точечной сварки.

На плате две таких площадки – «минус» и «плюс». Соответственно, минусовая и плюсовая ленты потом соединяются с минусом и плюсом самой ячейки. Таким образом, сама микросхема защиты со всей обвязкой будет находиться в разрыве цепи минуса.

Потом платы с приваренными полосками вставляются в пластиковые гнезда-изоляторы. Они нужны для надежной фиксации круглых платок и их изоляции от металлического корпуса самой ячейки. Альтернативный способ – двухсторонний скотч, но это будет не так надежно.

Мы используем платы защиты с дополнительным металлическим диском. Бывают аналогичные платы, но без такого диска. У них контактная площадка минуса – это медный слой фольгированного текстолита. Он тонкий и со временем будет протираться контактами зарядки или самого устройства, в котором вы будете использовать такой аккумулятор. Металлический диск в этом отношении намного надежнее и долговечнее.

Минусовую ленту привариваем к минусу ячейки вот таким вот образом.

Теперь можно приварить плюсовую металлическую ленту, которая идет от платы защиты, непосредственно к плюсовому контакту ячейки.

Так как эта металлическая лента непосредственно соединяется с плюсом аккумулятора, то при ее контакте с металлическим корпусом ячейки будет короткое замыкание. Металлический стакан аккумулятора – это его минус. Поэтому предварительно делаем дополнительную изоляцию из каптонового скотча на случай, если по какой-то причине лента протрет заводскую цветную термоусадку ячейки. Кстати, многие производители 18650 с защитой не заморачиваются с этим и никакой подобной доп. изоляции не делают.

Далее привариваем выпуклую «пипку» плюсового контакта. Правильно она называется BUTTON TOP. Стандартный плоский плюсовой контакт – это FLAT TOP.

Теперь можно приклеить на плюс изоляционное кольцо. На самом деле их два. Внутреннее стандартное из плотной изоляционной бумаги с клеевым слоем. И наружное белое пластиковое.

Почему нельзя обойтись одним? Оставлю это пока без ответа. Если кто захочет повторить, то сразу поймет зачем это нужно. На самом деле это не критично, с двумя кольцами просто удобнее.

Если присмотреться внимательно, то на фото выше можно заметить еще один слой узкого каптонового скотча. Все та же доп. изоляция, но уже поверх металлической ленты.

Теперь берем термоусадку и вставляем в нее ячейки, оставив запас с каждой стороны по паре миллиметров.

Можно взять и цветную термоусадку. Но мы используем прозрачную. Во-первых, она чуть толще и прочнее. А во-вторых, вспомним историю, как мы начали делать такие аккумуляторы. Запрос был именно на надежные оригинальные ячейки хороших производителей. С прозрачной термоусадкой сразу видно, какая ячейка внутри. Кто разбирается, по внешним признакам сможет даже определить, что это настоящий Samsung или LG, а не подделка.  

Берем термофен. Температура подбирается опытным путем. И получаем вот такую красоту.

Используемая плата защиты с двумя сборками транзисторов (они соединены параллельно) добавляет к внутреннему сопротивления аккумулятора примерно 27-28 мОм. У платы с одной сборкой транзисторов сопротивление будет выше.

На что влияет это дополнительное сопротивление?

Дополнительное сопротивление платы защиты в первую очередь увеличивает просадку напряжения под нагрузкой по сравнению с таким же аккумулятором, но без платы защиты. На небольших токах (до 1-2 Ампер) эта разница практически не заметна, но с увеличением тока нагрузки величина дополнительного падения напряжения растет.

Чем это грозит? Устройства, которые потребляют больше 1-2 Ампер, будут работать чуть меньше по времени. Чем больше мощность, тем больше будет разница. Для маломощных устройств разница вообще будет скорее всего не заметна.

Второй неприятный момент (не связанно с сопротивлением платы защиты) — это то, что в ряде случаев после срабатывания защиты от перегрузки или КЗ для сбрасывания защиты может потребоваться кратковременно вставить аккумулятор в зарядное устройство. А если это произошло, например, в походе? При наличии смекалки и тут можно выкрутиться и сбросить защиту даже в полевых условиях без ЗУ (нужен только второй рабочий аккумулятор), или в крайнем случае можно просто из защищенного аккумулятора сделать обратно незащищенный. Но все же это уже неприятно.

Тестирование под нагрузкой

Мы протестировали один и тот же аккумулятор Samsung INR18650-35E, один раз без платы защиты, и потом с уже установленной платой. Тестирование производилось на электронной нагрузке постоянного тока Rigol DL3021.

Так можно наиболее объективно оценить влияние платы защиты на рабочие характеристики аккумулятора.

Как видно из графиков разряда наличие платы защиты не оказывает особого влияния на фактическую полную емкость аккумулятора (при разряде до 2.5 Вольт). Это происходит потому, что на конечном отрезке кривая напряжения круто уходит вниз. И поэтому дополнительное падение напряжения не оказывает заметного влияние на итоговую емкость.

Но многие девайсы не разряжают аккумулятор до 2,5 Вольт, а отключаются при напряжении в районе 2.8-3 Вольт. При разряде до такого напряжения разница в емкости, как видно, будет уже больше.

При токах нагрузки 0.5 и 1 Ампер дополнительное падение напряжение из-за сопротивления платы защиты практически не заметно. При токе 3 Ампера разница достигает 0.1 Вольт. При токе 5 Ампер – 0.2 Вольт.

Испытания параметров срабатывания платы защиты

Ниже приведены заявленные характеристики одной из моделей микросхем DW01. Для разных моделей они могут немного отличаться.

Защита от перезаряда - 4.3 В (+-0.05 В), защита от переразряда - 2.4 В (+-0.1 В).

Ток срабатывания защиты от перегрузки рассчитывается по падению напряжения на транзисторах. Чаще всего в таких платах стоит сборка транзисторов 8205A. Такая сборка рассчитана на максимальный ток 6 Ампер, типовое сопротивление транзисторов в сборке 19.5 - 25 мОм. Мы используем платы защиты с двумя такими сборками. Поэтому величина тока срабатывания защиты от перегрузки находиться в диапазоне от 5 до 9 Ампер. Типовое значение - в районе 7 Ампер. Величина тока срабатывания защиты от короткого замыкания находится в диапазоне 40 - 70 Ампер.

Для аналогичной платы защиты, но с одной сборкой транзисторов, обе величины токов срабатывания будут в два раза меньше.

Защита от перегрузки

Мы проверили фактическое значение тока срабатывания от перегрузки для нескольких уровней заряда аккумулятора.

4.2 В – 7.6 А
4.0 В – 7.4 А
3.8 В – 7.3 А
3.6 В – 7.3 А
3.4 В – 7.2 А
3.2 В – 7.1 А

Дополнительно к этому замечу, что при токе нагрузки 7 Ампер защита от перегрузки тоже срабатывает, но только через 10-30 секунд после включения аккумулятора. Это происходит скорее всего из-за увеличения сопротивления сборки транзисторов при их нагреве под нагрузкой. Напомню, что значение тока определяется косвенным образом путем измерения падения напряжения на сборке транзисторов.

На самом деле у транзисторов одной и той же модели сопротивление может немного отличаться. Параметры срабатывания DW01 тоже немного отличаются у разных экземпляров микросхемы. Поэтому и фактическая величина тока срабатывания защиты всегда будет немного отличаться. По нашему опыту для таких плат защиты величина тока срабатывания защиты находится в диапазоне 6.5-8 Ампер.

Защита от короткого замыкания

Срабатывание защиты от КЗ проверялось путем искусственного создания короткого замыкания. Защита исправно срабатывает, вместо снопа искр только проскакивает маленькая искорка. Правда, для измерения времени срабатывания нет соответствующих приборов. Поэтому проверить этот параметр, к сожалению, пока не получится.

Защита от переразряда

При проверке и анализе порогов срабатывания защиты по напряжению (перезаряд и переразряд) следует учитывать, что при протекании тока напряжения на защищенном аккумуляторе и напряжение на самой ячейке всегда отличаются. Плата защиты (в первую очередь сборка транзисторов) и соединительная металлическая полоска имеют далеко не нулевое сопротивление. А значит и при протекании тока по ним будет дополнительное падение напряжения.

При заряде аккумулятора напряжение на ячейке всегда меньше, чем на контактах защищенного аккумулятора. При разряде – наоборот, напряжение на ячейке будет выше, чем на контактах защищенного аккумулятора.

Для минимизации этого влияния мы немного «разобрали» аккумулятор и припаяли провода для изменения напряжения, как можно ближе к плюсовому и минусовому контактам ячейки. Получили дополнительную возможность измерять напряжение почти на самой ячейке.

Значения срабатывания защиты от переразряда мы проверили для нескольких значений тока нагрузки. Значения напряжения – это напряжение на контактах защищенного аккумулятора. В скобках – напряжение уже на самой ячейке.

Как вы видите, при росте тока нагрузки напряжения срабатывания защиты на выводах защищенного аккумулятора уменьшается. Но напряжение на самой ячейке в районе 2.4 Вольт в независимости от величины тока нагрузки.

Защита от перезаряда

Срабатывание защиты от перезаряда мы проверили для двух значений тока заряда – 0.5 и 1 Ампер. Защита срабатывает, когда напряжение на самой ячейке находится в диапазоне 4.276 – 4.280 В (мы сделали несколько измерений) как при токе заряда 0.5 А, так и при токе 1 Ампер. При этом на выводах защищенной ячейки напряжение существенно выше – 4.294 В и 4.320 В для токов 0.5 и 1 А соответственно.

Подводим итоги

Как видно, сделать защищенный li-ion аккумулятор из незащищенного не очень сложно. Нужны только необходимые комплектующие и нормальная точечная сварка. Почти все защищенные цилиндрические li-ion аккумуляторы разных брендов с платой защиты на минусовом контакте ячейки сделаны абсолютно так же. Разница в основном в максимальном токе, он зависит от количества сборок транзисторов на плате, и в параметрах срабатывания защиты.

Используемая нами плата защиты вполне корректно отрабатывает при выходе параметров тока и напряжения за допустимые пределы. В идеале, конечно, хотелось бы немного изменить уставки срабатывания по напряжению, немного уменьшить величину напряжение отключения по перезаряду и увеличить напряжение по переразряду. Но что есть, то есть. Тем более современные бытовые устройства чаще всего сами не дадут разрядиться аккумулятору даже до 2.5 Вольт. И зарядные устройства для li-ion сейчас все же довольно надежные в плане недопущения перезаряда аккумулятора. При наших небольших масштабах изготовления защищенных аккумуляторов заказывать изготовление платы с нужными параметрами будет совсем не выгодно. А такие готовые платы можно вполне приобрести даже в небольших количествах за адекватную стоимость.