Chức năng bảo vệ bộ sạc pin

Cho dù bạn sử dụng bộ sạc pin cho ô tô hay bạn sử dụng pin cho các mục đích khác, điều quan trọng là phải hiểu cách bảo vệ pin của bạn. Điều này bao gồm việc nhận biết nguyên nhân gây ra tình trạng sạc quá mức, cách tránh thoát nhiệt, v.v.

Bảo vệ quá dòng là một phần quan trọng của tất cả các mạch điện. Nó bảo vệ thiết bị khỏi tình trạng quá tải hiện tại và sự cố chạm đất.

Ngoài việc cung cấp khả năng bảo vệ, các thiết bị quá dòng cũng có thể được sử dụng để chẩn đoán tình trạng sạc quá mức. Bộ ngắt mạch, cầu chì và dây nối dễ nóng chảy là những thiết bị bảo vệ quá dòng phổ biến nhất. Các thiết bị này được mắc nối tiếp với mạch mà chúng bảo vệ.

Cầu chì và bộ ngắt mạch được thiết kế để ngắt mạch khi dòng điện vượt quá giá trị ngưỡng đặt trước. Chúng thường được sử dụng trong các hệ thống điện áp thấp. Cầu chì bao gồm hai dây hoặc dải được bọc trong chất cách điện. Kết nối nóng chảy của dải nung chảy có thể uốn cong và tan chảy.

Cầu chì và cầu dao có thể được tìm thấy trong hầu hết các sản phẩm điện tử. Chúng được sử dụng để bảo vệ con người, dây dẫn và thiết bị khỏi quá dòng hoặc ngắn mạch. Nếu mạch không hoạt động, cầu chì sẽ nổ và thiết bị sẽ không thể hoạt động.

Pin nên được bảo vệ chống quá dòng và quá áp. Tình trạng sạc quá mức và quá điện áp có thể gây hỏng pin, cháy nổ và tạo khói độc. Đặc biệt, pin lithium-ion cần được theo dõi và bảo vệ.

Mạch sạc pin dễ gặp các sự cố như quá tải nguồn điện, tải không phù hợp và mạch sạc tiêu thụ dòng điện nhiều hơn mức cho phép. Để bảo vệ pin và thiết bị khỏi những mối nguy hiểm này, bộ pin phải có chức năng bảo vệ quá dòng.

Bộ pin lithium polymer thường được trang bị một mạch bảo vệ được thiết kế để tránh sạc quá mức và xả quá mức. Tuy nhiên, chúng cũng dễ bị lạm dụng. Việc sạc pin lithium polymer vượt quá dung lượng của nó có thể dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt và các vấn đề an toàn khác. Lý tưởng nhất là không nên sạc pin quá 1,5 lần dòng bảo vệ sạc quá dòng của pin.

Kiểm tra chức năng bảo vệ quá dòng của bộ pin liên quan đến việc kiểm tra phản ứng của mạch đối với các điều kiện quá dòng và quá điện áp. Những thử nghiệm này nên được tiến hành trong phòng thí nghiệm.

Chức năng bảo vệ sạc quá dòng được thử nghiệm bằng nguồn điện DC. Dữ liệu được thu thập trong một giờ sau khi dừng sạc. Trong thời gian này, nhiệt độ và mức SOC của pin được đo. Khi mức SOC đạt 130 phần trăm trở lên, thử nghiệm sẽ kết thúc. Điều này cho phép đánh giá chính xác hơn khả năng chống quá dòng và quá áp của pin.

Bảo vệ xả quá mức là một trong những chức năng an toàn của bộ sạc pin lithium ion. Nó xảy ra khi điện áp của pin lithium giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định. Nếu điện áp đạt đến mức dưới ngưỡng này, pin sẽ ngừng sạc. Pin cuối cùng sẽ trở thành một nguy cơ hỏa hoạn tiềm ẩn.

Bảo vệ quá tải được thực hiện dưới dạng công tắc bảo vệ quá tải. Công tắc được mắc nối tiếp giữa cực dương của pin và cực đầu ra của pin.

Công tắc được đi kèm với một mạch điều khiển bật và tắt công tắc khi điện áp pin đạt đến một điểm đặt tối thiểu nhất định. Một mạch trễ cũng được bao gồm để ngăn FET tắt sớm.

Ngoài công tắc bảo vệ sạc quá mức, còn có một mạch phát hiện điện áp theo dõi điện áp của pin. Mạch này bao gồm bộ điều khiển mạch tích hợp (IC) ba đầu. Như thể hiện trong Hình 2, IC điều khiển công tắc bảo vệ xả quá mức bằng cách ngắt điện áp đầu ra khi điện áp tế bào giảm xuống dưới ngưỡng xả quá mức.

Mạch này cũng kết hợp một diode ký sinh để duy trì FET ở trạng thái bật đối với dòng điện ngược. Nó được bổ sung bởi một tụ điện C21 giúp tăng thêm một khoảng thời gian nhỏ để tăng điện áp ở cổng của FET.

Khi tắt công tắc bảo vệ xả quá mức, điện áp ở phía đầu ra của công tắc được nâng lên bằng điện áp ở đầu sạc. Bộ ngắt mạch nhiệt cũng được sử dụng để vô hiệu hóa đầu vào pin.

Một thành phần khác đã nói ở trên là chức năng bảo vệ quá nhiệt. Thiết bị này không phức tạp như chức năng bảo vệ xả quá mức.

Một thiết kế thay thế cho chức năng bảo vệ xả quá mức sẽ là một bộ vi điều khiển đọc nhiệt độ của pin và tắt đầu ra. Tuy nhiên, tùy chọn này yêu cầu lập trình nhiều, điều này có thể không thực tế đối với một số ứng dụng.

Tuy nhiên, có một số tùy chọn bảo vệ xả quá mức hữu ích và có thể được tùy chỉnh để đáp ứng một ứng dụng cụ thể. Ví dụ: trong bộ sạc pin Li-ion nhiều ô, cơ chế phát hiện xả quá mức có thể được đặt để giám sát tất cả các ô trong bộ pin.

Các chức năng bảo vệ quá nhiệt của bộ sạc pin rất quan trọng đối với hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống quản lý năng lượng pin. Tình trạng nhiệt độ quá cao không chỉ gây nguy hiểm về an toàn mà còn có thể gây bất lợi cho tuổi thọ của pin. Để tránh xảy ra hiện tượng thoát nhiệt, phải tắt pin trước khi nhiệt độ đạt đến mức không khả thi.

Đề án bảo vệ pin thường cung cấp hai cấp độ bảo vệ. Một là cầu chì nhiệt và hai là tính năng ngắt nhiệt.

Cầu chì nhiệt là thiết bị tự động tắt bộ sạc nếu nhiệt độ của pin lưu trữ vượt quá ngưỡng xác định trước. Các tính năng khác của bộ sạc pin bao gồm bảo vệ quá điện áp và phân cực ngược.

Có những bộ sạc pin khác cung cấp tính năng tắt máy do nhiệt. Tuy nhiên, những thiết bị này quá đắt để kết hợp với bộ sạc tiêu chuẩn và yêu cầu thiết kế cẩn thận để tránh tắt máy do nhiệt. Thay vào đó, chức năng tắt nhiệt có thể được thực hiện bằng cách kết nối điện trở nhiệt NTC với chân kết nối chuyên dụng. Sau đó, một mạch phát hiện điện áp có thể theo dõi điện trở của nhiệt điện trở để xác định xem nhiệt độ có đủ cao để tắt pin hay không.

Pin có dải nhiệt độ lớn. Sự khác biệt giữa nhiệt độ của pin lưu trữ và bộ sạc có thể rất lớn. Sự khác biệt này có thể gây ra tình trạng sạc quá mức hoặc sạc thiếu. Cả hai điều này đều có thể dẫn đến hư hỏng pin.

Ngoài cầu chì nhiệt, bộ sạc có thể bao gồm bộ điều chỉnh điện áp. Điều này cho phép bộ sạc duy trì điện áp không đổi trong khi vẫn giữ dòng điện chạy vào pin dưới giá trị tối đa cho phép.

Bộ sạc pin thường kết hợp thiết kế cấu hình nhựa đã được cấp bằng sáng chế có tính năng tản nhiệt nhanh. Nó cũng bao gồm đèn báo, màn hình hiển thị tốc độ sạc và sáu chức năng bảo vệ tích hợp.

Pin cũng có thể kết hợp một nhiệt điện trở để xác định xem môi trường khởi động có quá nóng để pin hấp thụ điện tích hay không. Phép đo nhiệt độ này rất hữu ích trong việc giám sát các mạch và lần lượt kích hoạt hành động bật quạt làm mát hoặc ngắt sạc.

Tùy thuộc vào công nghệ pin và tính chất hóa học của pin lưu trữ, có một số chức năng bảo vệ khác nhau. Một số được triển khai như một phần của hệ thống quản lý năng lượng của pin và một số khác được tích hợp vào chính bộ sạc.

Hiện tượng thoát nhiệt là một tình trạng nguy hiểm có thể xảy ra trong pin. Nó làm cho chất điện phân trong pin quá nóng và có thể dẫn đến hỏa hoạn không thể dập tắt. Tình trạng này có thể là kết quả của ngắn mạch bên trong hoặc ngắn mạch bên ngoài. May mắn thay, bộ sạc pin được tích hợp chức năng bảo vệ chống thoát nhiệt.

Khi hệ thống bắt đầu sạc pin, trước tiên hệ thống sẽ bắt đầu theo dõi điện áp của pin. Nếu điện áp không tăng, hệ thống sẽ giả định rằng pin đang ở chế độ thoát nhiệt. Sau đó, dòng sạc sẽ tăng lên cho đến khi pin ở điện áp sạc định trước.

Khi dòng sạc đạt đến mức định trước, hệ thống sẽ bắt đầu giảm tốc độ sạc. Điều này làm giảm dòng sạc xuống mức an toàn cho pin. Khi mức hiện tại đạt đến một ngưỡng nhất định, pin sẽ được sạc đầy.

Để tránh khả năng thoát nhiệt, bộ sạc pin sẽ giám sát điện áp và chu kỳ làm việc của dòng điện sạc. Nếu có sai lệch về đặc tính sạc, hệ thống sẽ coi sự bất thường đó là một vấn đề và sẽ giảm tốc độ sạc.

Phần mềm của bộ sạc pin cũng sẽ theo dõi các thông số sạc điện của pin. Khi điện áp của pin đạt đến một giá trị đặt trước, nó sẽ được kiểm tra để xác định xem có tình trạng thoát nhiệt hay không.

Ở chế độ dòng điện không đổi, chu kỳ nhiệm vụ được kiểm tra cứ sau ba hoặc bốn giá trị liên tiếp. Khi chu kỳ nhiệm vụ giảm, bộ đếm di/dt giảm và DTlimit tăng.

Trong chế độ hoạt động điện áp không đổi, bộ đếm di/dt được đặt thành giá trị danh nghĩa. Đường cong điện áp sẽ có độ dốc dương. Tình trạng thoát nhiệt được xem xét khi điện áp không tăng và bộ đếm di/dt đạt giá trị âm.

Trong bộ sạc pin điện áp không đổi, chu kỳ làm việc được kiểm tra theo các khoảng thời gian cố định. Tại một thời điểm định sẵn, hệ thống sẽ giảm dòng sạc và sau đó kiểm tra lại chu kỳ làm việc để xem nó có giảm không.

Sự thoát nhiệt có thể xảy ra trong pin lithium. Mặc dù chúng là những thiết bị lưu trữ năng lượng cực kỳ hiệu quả, nhưng khả năng của chúng có thể giảm đi nếu chúng được để trong môi trường ấm áp. Hơn nữa, chúng được biết là dễ cháy khi tiếp xúc với liti hydroxit. Vì lý do này, pin Li-ion phải được bảo quản ở nhiệt độ an toàn cho pin.

Bảo vệ quá điện áp đầu ra của bộ sạc ắc quy là tính năng giúp đảm bảo dòng điện chạy vào ắc quy luôn nằm trong một giới hạn định trước. Điều này có nghĩa là mạch sạc có thể ngắt đầu ra trong một khoảng thời gian nhất định để tránh sự cố có thể gây cháy nổ.

Pin có thể rất nhạy cảm và mạch sạc bị hỏng có thể dẫn đến cháy nổ. May mắn thay, có một số cách để ngăn điều này xảy ra. Đầu tiên, pin phải được sạc với tốc độ không đổi. Tỷ lệ phụ thuộc vào chất hóa học của pin và mức độ cạn kiệt của nó. Thứ hai, mạch phải được thiết kế để có thể chịu được các điều kiện hoạt động bất thường.

Một hệ thống quản lý pin điển hình bao gồm khối giám sát pin và mạch bảo vệ quá áp. Cơ chế bảo vệ giúp bảo vệ pin khỏi bị hư hại trong quá trình sạc và chống lại các sự cố về nguồn điện. Nó có thể được tích hợp với mạch sạc hoặc có thể được triển khai như một phần của hệ thống quản lý pin. Thông thường, loại bộ sạc pin này sử dụng thiết kế bộ điều chỉnh tuyến tính, nhằm mục đích giữ dòng điện trong phạm vi của đường bao điện áp cực của pin.

Một tùy chọn khác là hệ thống quản lý pin tích hợp chức năng kiểm soát liên tục và kiểm soát giới hạn. Điều này cho phép dòng sạc thu nhỏ lại khi tải vượt quá giới hạn dòng điện của USB. Ngoài ra, nguồn cung cấp đầu ra 3,3V được điều chỉnh có thể được sử dụng để cung cấp tín hiệu phát hiện điện áp thấp đang hoạt động.

Một tùy chọn khác để bảo vệ quá áp là mạch so sánh. Sử dụng các toán tử so sánh trong mã vi điều khiển, có thể đảm bảo rằng điện áp ấn tượng thấp hơn điện áp tối đa cho phép. Bộ so sánh cảm giác dòng điện300 23 INA có thể tiêu thụ tốt dưới mức tối đa 1mA.

Một chức năng diode lý tưởng cũng có thể được sử dụng để tạm dừng quá trình sạc khi điện áp đầu ra giảm xuống dưới mức quy định. Trong trường hợp này, đi-ốt lý tưởng là đi-ốt hiệu suất cao cho phép PFET bên ngoài thứ hai kết nối giữa OUT và BAT. Khi điện áp OUT giảm xuống dưới điện áp BAT, diode lý tưởng sẽ hoạt động.

Một số chất hóa học trong pin rất nhạy cảm với điện áp ấn tượng. Ví dụ, pin sạc lithium-ion được thiết kế để sạc chỉ ở một độ C. Khi điện áp đầu cuối giảm xuống dưới mức này, mạch sạc phải ngắt kết nối. Tương tự như vậy, các hóa chất khác mong đợi một điện áp nổi rất nhỏ. Tuy nhiên, khi điện áp giảm quá thấp, tốc độ tự phóng điện tăng lên. Các hóa chất này cũng yêu cầu ngắt kết nối mạch sạc khi đạt đến điện áp đầu cực.

Các vấn đề khác có thể phát sinh từ việc sử dụng bộ điều hợp ac/dc không được kiểm soát. Nhiều thiết bị điện tử, bao gồm máy bay, tấm kính và thậm chí cả IC sạc, rất dễ bị hỏng khi chúng được cắm vào nguồn cung cấp không được kiểm soát.

Một giải pháp là sử dụng nguồn điện ở chế độ chuyển đổi. Những loại nguồn điện này sử dụng một công tắc để theo dõi điện áp. Nếu điện áp tăng quá nhanh, công tắc sẽ kiểm tra lại điện áp. Nhưng nếu nguồn điện bị lỗi, nguồn điện chuyển đổi có thể bị hỏng.

Đầu vào bộ sạc pin Bảo vệ dưới điện áp & quá điện áp

Đầu vào bộ sạc pin bảo vệ dưới điện áp & quá điện áp là một tính năng quan trọng cho nhiều ứng dụng. Khi điện áp đầu vào vượt quá một ngưỡng nhất định, IC sạc sẽ ngắt nguồn điện. Điều này có thể bảo vệ tải, thiết bị hoặc bộ vi điều khiển hệ thống khỏi bị hư hại. Tùy thuộc vào thiết kế của IC sạc, ngưỡng nhiệt độ cũng có thể được thực hiện.

Bảo vệ quá điện áp ít phổ biến hơn bảo vệ dưới điện áp. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, điều kiện có thể gây ra sự cố của mạch. Tốt nhất là thực hiện loại bảo vệ này một cách thận trọng. Có một số yếu tố cần xem xét, chẳng hạn như dòng sạc và nhiệt độ của pin, lượng điện năng cần thiết để duy trì điện áp của pin và loại thiết bị đang được sử dụng. Lý tưởng nhất là IC bộ sạc sẽ thực hiện các phản hồi có thể định cấu hình đối với tình trạng quá điện áp. IC sạc cũng sẽ cần có khả năng điều chỉnh phạm vi hoạt động của nó.

Bảo vệ dưới điện áp thường ít phức tạp hơn bảo vệ quá điện áp. Hầu hết các nhà thiết kế chỉ đơn giản là không quan tâm đến khía cạnh này trong thiết kế của họ. Thay vào đó, họ tập trung vào các khía cạnh khác của dự án của họ. Trong hầu hết các trường hợp, điều kiện dưới điện áp không gây ra thiệt hại. Tuy nhiên, một số điều kiện có thể cần chú ý nhiều hơn.

Để thực hiện bảo vệ dưới điện áp, một mạch điện được đặt trên nguồn điện. Sau đó, một bộ đếm thời gian được sử dụng. Bộ đếm thời gian này sẽ tự động ngắt tải nếu pin giảm xuống dưới ngưỡng đã đặt. Mạch đơn giản và dễ thực hiện. Bộ hẹn giờ có thể được điều chỉnh để phù hợp với các giá trị điện áp khác nhau.

Một lựa chọn khác là sử dụng mạch xà beng. Mạch xà beng tương tự như xà beng thả. Tuy nhiên, xà beng không tính đến khả năng làm hỏng nguồn điện. Thay vào đó, chức năng của xà beng là ngăn chặn tình trạng quá điện áp xảy ra.

Nói chung, tính năng bảo vệ quá điện áp của bộ sạc pin sẽ dựa trên tiêu chuẩn pin JEITA. Do đó, nhà sản xuất bộ pin sẽ có các ngưỡng quy định cho các mức sạc hiện tại khác nhau. Ví dụ: IC bộ sạc có thể định cấu hình điện áp đầu vào tối thiểu là 4,5V, điện áp đầu vào tối đa là 20V và ngưỡng dưới điện áp là 3V.

Các tính năng bảo vệ quá điện áp khác bao gồm điều chỉnh nhiệt và phát hiện thiếu pin. IC sạc cũng có thể ngăn quá nhiệt bằng cách điều chỉnh dòng sạc. Các tính năng an toàn này sẽ đảm bảo pin không bị hư hại trong quá trình sạc.

Có một số loại IC sạc, bao gồm bộ sạc buck, boost và buck-boost. Bộ sạc Buck-boost cho phép sạc liên tục trong khi giới hạn dòng sạc tối đa ở một ngưỡng cụ thể. Cả bộ sạc buck và boost đều có điện áp hoạt động cao hơn bộ sạc buck. Do đó, họ yêu cầu gói IC lớn hơn. Chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng di động.

Một số IC sạc có giao diện I2C tích hợp. Điều này cho phép thiết bị dễ dàng cấu hình các tính năng an toàn khác nhau. Một tính năng như vậy là bộ đếm thời gian giám sát. Trong quá trình sạc, MCU phải thường xuyên đặt lại bộ hẹn giờ. Nếu bộ hẹn giờ không hoạt động, bộ vi điều khiển hệ thống sẽ không thể phản hồi.

Một loại IC sạc pin khác là bộ sạc chuyển đổi. Bộ sạc chuyển đổi thường hiệu quả hơn và có khả năng xử lý dòng điện cao hơn. Mặc dù loại bộ sạc này có thể đắt hơn nhưng nó cũng có thể là lựa chọn thuận tiện hơn cho một số ứng dụng.

Bộ sạc pin Bảo vệ đoản mạch & kết nối ngược

Kết nối pin ngược cực có thể gây hư hỏng nghiêm trọng cho pin và thiết bị điện tử cầm tay. Chúng có thể tạo ra tia lửa, khí hydro hoặc xả pin hoàn toàn. Tất cả những thứ này đều có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe và thiết bị của bạn. Dưới đây là cách ngăn kết nối ngược pin và cách bảo vệ bộ sạc pin của bạn khỏi các tác động.

Để tránh kết nối ngược cực của pin, điều quan trọng là phải kết nối cực dương với cực âm của pin. Điều này là để đảm bảo rằng pin sẽ không bị quá nóng. Ngoài ra, điện áp từ cực âm của pin sẽ xả pin dần dần, gây ra chu kỳ phóng điện tương tự như chu kỳ xảy ra với tụ điện.

Tùy thuộc vào loại thiết bị bạn đang sử dụng, bạn có thể cần một công tắc đảo ngược pin hoặc các biện pháp bảo vệ cơ học. Chúng có thể bao gồm đầu nối phân cực hoặc đầu nối một chiều. Ngoài ra, bạn có thể cần đeo kính bảo vệ hoặc găng tay cao su.

Một cách tiếp cận đơn giản khác để ngăn chặn sự đảo chiều của pin là sử dụng mạch diode song song. Thật dễ dàng để xây dựng và có thể bảo vệ pin trở kháng đầu ra cao khỏi cài đặt ngược. Tuy nhiên, nó cần phải có khả năng xử lý một dòng điện cao. Bơm sạc cũng có thể là một bổ sung hữu ích để giúp bảo vệ tải.

Kết nối pin phân cực ngược rất nguy hiểm vì các electron bị kéo từ cực âm sang cực dương của pin. Điều này có thể khiến pin bị xả và có thể làm cháy pin. Cũng như các loại pin khác, nó cũng có thể dẫn đến hao pin nhanh và tuổi thọ ngắn. Sử dụng công tắc đảo chiều ắc quy có thể bảo vệ bộ sạc ắc quy và thiết bị điện tử cầm tay khỏi tác động của kết nối ngược ắc quy.

Khi pin ngược được kết nối, MP1 sẽ phát hiện ra nó. Nếu MP1 không phát hiện kết nối, nó sẽ tắt thiết bị truyền chính MP2. Trong quá trình lắp ngược pin, MN1 sẽ tạo ra rất nhiều năng lượng. Điều này làm cho MP2 ngừng hoạt động và sau đó MP1 sẽ ngắt kết nối. Tương tự, nếu pin được gắn và MP2 bị tắt, MP1 sẽ ngừng chạy bộ sạc.

Một cách tiếp cận khác là sử dụng mạch dựa trên NMOS. NMOS sử dụng một phần tử bộ nhớ chốt để xác định xem pin ngược đã được gắn chưa. Mặc dù phương pháp này đơn giản hơn phương pháp dựa trên PMOS, nhưng không phải lúc nào phương pháp này cũng kết nối với pin. Ngay cả khi có, nó không phải lúc nào cũng đủ nhanh để ngăn MN1 kích hoạt.

Ngoài ra, bạn có thể thử mạch bảo vệ PMOS. Trong phương pháp này, pin được kết nối tạm thời với đầu ra của bộ sạc trong khi bộ sạc đang tắt. Bằng cách so sánh điện áp từ cực của pin với điện áp từ đầu ra của bộ sạc, bạn có thể xác định xem kết nối có ổn định hay không.

Cuối cùng, điều cần thiết là ngắt kết nối MN1 khỏi pin trước khi pin trở nên quá nóng để tháo. Mặc dù nó không phải là một quá trình nhanh chóng, nhưng nó rất quan trọng. Một số mạch đã được phát triển để hỗ trợ nhiệm vụ này. Một trong những mạch tốt nhất bao gồm R3 và R4. Nó hiệu quả nhất đối với các ứng dụng pin lithium-ion điện áp thấp.