Аккумуляторы,DC/DC преобразователи
Литий-ионные аккумуляторы сегодня стали стандартным источником питания для большинства портативных и встраиваемых устройств — от смартфонов и ноутбуков до IoT-датчиков, роботов и плат на ESP32 или STM32. Они компактные, легкие и обладают высокой энергоемкостью, но при этом требуют грамотного обращения. В отличие от обычных батареек, Li-ion элементы работают в узком диапазоне напряжений и чувствительны к режимам заряда и разряда. Ошибки в питании могут привести не только к нестабильной работе микроконтроллера, но и к быстрой деградации аккумулятора или даже к опасным ситуациям. В этой статье разберемся, как устроены Li-ion аккумуляторы, какие у них параметры, как правильно их заряжать и использовать в схемах питания для электронных проектов.
Основные параметры LI-ion аккумуляторов
1) Номинальное напряжение
Номинальное напряжение Li-ion аккумулятора обычно составляет 3.6–3.7 В и указывается как среднее рабочее значение элемента. Важно понимать, что это не фиксированное напряжение, а условная величина, описывающая поведение аккумулятора в основном диапазоне разряда. В реальности напряжение Li-ion элемента постоянно меняется: полностью заряженный аккумулятор имеет около 4.2 В, в середине разряда — примерно 3.7 В, а при почти полном разряде падает до 3.0 В. Поэтому микроконтроллер никогда не питается «ровными» 3.7 В — питание всегда плавает в зависимости от степени заряда и тока нагрузки. Именно из-за этого в схемах с Li-ion обычно применяют стабилизаторы или DC-DC преобразователи, чтобы обеспечить микроконтроллеру стабильное питание независимо от состояния аккумулятора.
2) Ёмкость
Ёмкость Li-ion аккумулятора показывает, сколько электрического заряда он способен отдать, и обычно измеряется в миллиампер-часах (mAh) или ампер-часах (Ah). Например, аккумулятор на 3000 mAh теоретически может отдавать ток 3000 мА в течение одного часа или 300 мА в течение десяти часов. Но это в идеальных условиях.
3) Энергия
Параметр энергии показывает, сколько реальной работы способен выполнить аккумулятор, и измеряется в ватт-часах (Wh). В отличие от ёмкости в mAh, которая учитывает только ток, энергия учитывает еще и напряжение. Рассчитывается она просто: номинальное напряжение умножается на ёмкость в ампер-часах:
Wh = V × Ah.
Например, Li-ion элемент с напряжением 3.7 В и ёмкостью 3 Ah имеет энергию около 11.1 Wh.
4) Максимальный ток разряда
Максимальный ток разряда показывает, какой ток аккумулятор может отдавать длительно и безопасно без перегрева и ускоренной деградации. В даташите обычно указывают два значения: непрерывный (continuous discharge current) и кратковременный (pulse current). Например, если написано Continuous: 10 A, Pulse: 20 A, это означает, что аккумулятор можно нагружать током 10 А постоянно, а кратковременно до 20 А.
5) C-rate (отношение тока к ёмкости)
C-rate это способ выразить ток заряда или разряда относительно ёмкости аккумулятора. За 1C принимается ток, равный номинальной ёмкости элемента. Например, для аккумулятора 3000 mAh (3 Ah) значение 1C соответствует току 3 А, 0.5C = 1.5 А, а 2C = 6 А. Если в характеристиках указано, что максимальный разряд равен 2C, значит элемент можно нагружать током вдвое больше его ёмкости в амперах.
Пару слов про нелинейность разряда. Li-ion аккумуляторы разряжаются неравномерно, и напряжение на клеммах меняется по характерной кривой, а не линейно с течением времени. Обычно процесс выглядит так: сразу после зарядки напряжение быстро падает с 4.2 В до примерно 3.9 В, затем следует длительная плато,фаза, где напряжение держится около 3.6–3.7 В, и в конце разряда напряжение снова быстро снижается до критического уровня около 3.0 В. Из-за этого напряжение нельзя напрямую воспринимать как процент заряда. На плато аккумулятор может отдавать значительную часть энергии, хотя напряжение почти не меняется. Здесь же можно сказать про температуру. Как вы все знаете на холоде аккумулятор разряжается быстрее, это происходит из за замедления химических реакций внутри элемента. А вот при высоких температурах наоборот, реакция ускоряется, но это ускоряет старение аккумулятора.
Виды Li-ion аккумуляторов
Цилиндрические
Типичное напряжение для таких аккумуляторов 3.7В. Обозначение 18650 расшифровывается как 18 мм диаметр 65 мм длина. Внутри электролит. Корпус металлический. От 300 до 1000 циклов заряда разряда.
Плоские
Плоские Li-ion аккумуляторы (Prismatic и Pouch) имеют номинальное напряжение 3.6–3.7 В, ёмкость обычно от 500 мА·ч до 10 000 мА·ч, плотность энергии 200–250 Вт·ч/кг, максимальный ток разряда 1–20 А в зависимости от модели, механическую прочность ниже, чем у цилиндрических.
Есть ещё масса форм аккумуляторов, в зависимости от необходимости применения но эти два основные.
Зарядные устройства
Для аккумулятора типа 18650 удобно использовать модуль TP4056.
Характеристики:
Вход: 5 В USB
Выход: 4.2 В, ток до 1 А (регулируемый)
Рассчитан на зарядку одного аккумулятора одновременно.
4 Клеммы. B+ B- подключаем к аккумулятору. Если нужно одновременно питать схему то подключаем клеммы OUT+ / OUT. При этом внешняя схема будет работать от заряжаемого аккумулятора.
Схемы соединения аккумуляторов
Как и везде существует две схемы соединения. Параллельная и последовательная. У каждого соединения свои плюсы и минусы. Чаще всего используется последовательное соединение. Разберём оба.
Параллельное соединение
Параллельное соединение аккумуляторов это когда все плюсовые выводы соединяются вместе и все минусовые тоже соединяются вместе; при этом напряжение остается таким же, как у одного элемента (например, 3.7 В для Li-ion), а ёмкость и допустимый ток разряда суммируются (два по 3000 мА·ч = 6000 мА·ч), поэтому время работы увеличивается; важно соединять только одинаковые по типу, емкости и уровню заряда аккумуляторы, иначе возможны большие выравнивающие токи между ними.
Напряжение = как у одного элемента
Ёмкость (время работы) выше
Максимальный ток выше
Последовательное соединение
Последовательное соединение аккумуляторов это когда плюс одного элемента соединяется с минусом следующего («цепочкой»); при этом напряжение складывается (2×3.7 В= 7.4 В; 4×3.7 В = 14.8 В), а ёмкость (мА·ч) и допустимый ток разряда остаются как у одного элемента; ток через все аккумуляторы течёт одинаковый, поэтому система ограничена самым слабым элементом и для Li-ion обязательно нужна BMS с балансировкой, чтобы не допустить перезаряда или переразряда одной из банок.
Защита и балансировка
Балансировка аккумуляторов это выравнивание напряжения отдельных элементов в последовательной сборке (2S, 3S, 4S и т.д.), чтобы ни один из них не перезарядился и не переразрядился раньше других.
Почему это нужно:
В последовательной цепочке ток через все банки одинаковый, но из-за небольших различий в ёмкости и сопротивлении один элемент может зарядиться до 4.2 В раньше остальных или разрядиться ниже 3.0 В — это опасно для Li-ion и сокращает срок службы.
Есть готовые модули BMS (2S,3S,4S) , они измеряют напряжение и защищают ваши аккумуляторы.
DC/DC преобразователи
DC/DC преобразователь нужен для того, чтобы преобразовать входное постоянное напряжение в нужное стабильное напряжение для схемы или нагрузки, при этом можно как понижать, так и повышать его, регулируя мощность и ток с минимальными потерями, обеспечивая стабильную работу микроконтроллеров, моторов, светодиодов и других устройств независимо от колебаний напряжения источника питания, например аккумулятора.
Существует три вида DC/DC преобразователей.
- Понижающий. Например 12В-5В. Принцип работы заключается в передаче энергии в нагрузку короткими импульсами через индуктивность и регулируя среднее выходное напряжение изменением коэффициента заполнения.
- Повышающий.Например 3В-5В. Принцип работы в накоплении энергии в индуктивности и добавлении входного напряжения при включении, тем самым регулируя коэффициент заполнения.
- Понижающий/повышающий — комбинированная вещь. Собственно делает и то и другое одновременно, т.е. стабилизирует выход, управляя накоплением энергии в индуктивности и изменяя коэффициент заполнения (PWM), благодаря чему может как понижать, так и повышать напряжение относительно входного.
Основные компоненты DC/DC преобразователя:
- Ключ (обычно MOSFET)
- Индуктивность (дроссель)
- Диод (или синхронный MOSFET)
- Выходной конденсатор
- Входной конденсатор
- Контроллер (ШИМ-контроллер)
- Цепь обратной связи (делитель напряжения)
Иногда ставят гальваническую развязку для защиты цепи.
Бывают двух типов. С фиксированным выходным напряжением, и с регулируемым. Чаще всего это подстроечный резистор.
Пару слов про токи. Если мы используем понижающий преобразователь то на входе ток будет меньше чем на выходе. Это можно рассчитать по формуле P=UI. Например нам нужно 12В напряжение и 12Вт мощность, а на входе 3В. Значит на входе будет I=P/U 12/3=4А На выходе будет 12/12=1А. Кроме того на преобразовании идет потеря энергии. В среднем потеря 10%.
Литий-ионные аккумуляторы являются стандартным источником питания для современных портативных и встроенных устройств благодаря высокой энергоёмкости, компактности и лёгкости, но требуют правильного обращения: соблюдения допустимого диапазона напряжений, режимов заряда-разряда и контроля температуры. Для безопасной и стабильной работы сборок из нескольких аккумуляторов применяются BMS с балансировкой, которая выравнивает напряжение банок и защищает их от перезаряда, переразряда и короткого замыкания. Чтобы микроконтроллеры и схемы получали стабильное напряжение независимо от степени заряда аккумуляторов, используют DC/DC преобразователи: понижающие, повышающие и комбинированные, которые с помощью индуктивности, ключа и ШИМ-контроллера регулируют среднее выходное напряжение. Вместе BMS и DC/DC обеспечивают безопасное, эффективное и долговременное питание электронных проектов.