На зарядку становись: надежное питание на базе литиевых аккумуляторов EVE Energy и микросхем азиатского производства

19 декабря 2023

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

При соблюдении правил эксплуатации литий-ионная аккумуляторная батарея (АКБ) может стать надежным и долговечным источником питания для любого интеллектуального автономного устройства. Создать его можно на базе аккумуляторов, выпускаемых компанией EVE Energy, и микросхем азиатского производства, многие из которых являются аналогами недоступных западных брендов.

Аккумулятор, независимо от его химической основы, достаточно капризный элемент. Качественное и безопасное устройство, работающее от аккумулятора, должно учитывать его физические и химические свойства, профили заряда и разряда, их изменение во времени и под влиянием различных условий, таких как температура и ток нагрузки. Это достаточно сложный процесс, поэтому на мировом рынке существуют специализированные решения, которые позволяют облегчить задачу разработчика. Альтернативные западным компоненты азиатских производителей позволяют избежать проблем с поставками. Однако разобраться в номенклатуре китайских поставщиков, как правило, достаточно сложно. Это связано не только с языковым барьером и отсутствием полной документации, но и с огромным числом производителей (в настоящее время КОМПЭЛ сотрудничает с более чем 100 компаниями) и не очень широкой линейкой продукции у каждого из них. В итоге, чтобы заменить продукцию одного западного бренда, нужно несколько китайских. В данной статье мы расскажем о литий-ионных аккумуляторных батареях (АКБ) и нескольких решениях от различных китайских компаний, рекомендуемых для разработок приложений с использованием этих АКБ.

Литиевые аккумуляторы плотно вошли в нашу жизнь. Практически каждый человек, держащий в руках сотовый телефон, является обладателем литий-ионного аккумулятора. Ручные электроинструменты, медицинское оборудование, мобильные устройства, бытовые приборы, электротранспорт, системы освещения и прочие устройства имеют в своем составе аккумулятор в качестве как основного источника питания, так и резервного. Даже при наличии сети переменного тока в шаговой доступности применение АКБ может быть более удобным в эксплуатации.

Широкая популярность аккумуляторов на литиевой химической основе обусловлена их положительными качествами, такими как:

• высокое напряжение одной ячейки АКБ: 2,3…3,7 В, в зависимости от химического состава;
• большая плотность энергии (количество энергии на единицу объема или массы);
• отсутствие эффекта памяти, вызывающего потерю емкости;
• низкий саморазряд: до 3% в месяц;
• высокая скорость заряда;
• достаточно широкий температурный диапазон эксплуатации: -20…60°C.

Предел температур эксплуатации литиевых АКБ различен для режимов разряда и заряда. Последний, как правило, требует только положительных значений. Следует отметить, что существуют и специальные литиевые аккумуляторы, химический состав которых позволяет им работать в обоих режимах либо только в режиме разряда и при более низких температурах (до -40°C) или высоких (до 85°С).

Литиевые АКБ обладают и несколькими отрицательными качествами, ограничивающими их применение и требующими от разработчиков более сложных решений. Такие аккумуляторы стоят дороже чем свинцово-кислотные или металл-гидридные, нуждаются в использовании системы управления (BMS) или платы защиты, контролирующих разряд и заряд. Неконтролируемые режимы работы, температурные и другие условия эксплуатации, механические повреждения литиевого источника тока могут привести к экономически невыгодному снижению срока его эксплуатации, выходу из строя и даже к опасной ситуации теплового разгона и возгорания.

Надежная и безопасная эксплуатация литиевых аккумуляторных батарей обеспечивается нормативной документацией. В частности ГОСТ Р МЭК 61960-3-2019 описывает аккумуляторы и аккумуляторные батареи, литиевые аккумуляторы и батареи для портативных применений, призматические и цилиндрические литиевые аккумуляторы и батареи, а ГОСТ Р МЭК 62619-2020 – аккумуляторы и аккумуляторные батареи, требования безопасности для литиевых аккумуляторов и батарей для промышленных применений. Литиевые аккумуляторы имеют основные параметры, которые определены в вышеуказанных ГОСТах:

• Номинальное напряжение – условная величина напряжения, зависящая от химической основы аккумулятора.
• Нормированная емкость (С) – количество электроэнергии (А⋅ч), заявленное изготовителем, которое аккумулятор способен отдать при определенных условиях разряда, заряда и хранения.
• Значение максимального тока разряда – величина, выраженная коэффициентом к C или в абсолютных значениях.
• Ресурс аккумулятора – количество циклов заряда-разряда, которое может выдержать аккумулятор прежде чем его полезная емкость значительно уменьшится. Циклом считается разряд или заряд аккумулятора более чем на 10% емкости.
• Процент степени заряженности (SoC, State of Charge), или глубина разряда (DoD, Depth of Discharge).
• Допустимые температурные диапазоны эксплуатации для режимов заряда и разряда. Наиболее популярные варианты аккумуляторов имеют диапазон температур разряда -10…60°C и -20…60°C. Для заряда существуют варианты с нижней границей до -40°С и верхней до 80°С.
• Внутреннее сопротивление (импеданс) в цепи постоянного и переменного тока.
• Безопасность эксплуатации (наличие опасных факторов).

ГОСТ подразумевает, что по принципу химической реакции и агрегатного состояния электролита все аккумуляторы являются литий-ионными или литий-ион-полимерными. Помимо этого, названия аккумуляторов могут образовываться только от типа электролита (для гелеобразного – литий-полимерные), от химического состава (литий-титанатные) или же только по принципу химической реакции (литий-ионные), под этим подразумеваются все типы аккумуляторов. Некоторые характеристики и особенности четырех основных и самых популярных типов литий-ионных аккумуляторов приведены в таблице 1, где наименование указано по химическому составу. В ней также указаны средние и достижимые значения плотности энергии и ресурса работы.

Таблица 1. Основные типы литиевых аккумуляторов

В таблице 1 для аккумуляторов INR указаны два значения напряжения заряда: классическое 4,2 В и высокое 4,45 В. Второе является особенностью аккумуляторов, выделяемых в отдельную разновидность и называемых Li-HV (Li-Ion-High Voltage, высоковольтные). Эти аккумуляторы предназначены для цикличного режима работы и на первых 50…100 циклах имеют улучшенные показатели энергоемкости (до 10…15% относительно аккумуляторов с классическим напряжением 4,2 В). Кроме того, для них указан ресурс до 1500 циклов, но на рынке есть предложения подобных устройств с заявленным ресурсом в 2000 циклов, а теоретически они могут достигать и 3000 циклов.

Данные в таблице 1 позволяют прийти к выводу, что идеального литий-ионного аккумулятора нет, и разработчику необходимо ориентироваться на условия эксплуатации, экономическую целесообразность, габаритные размеры и предложения производителей. Например, если игнорировать стоимость аккумулятора, то кажется предпочтительным использование литий-титанатных из-за долгого срока службы, что может отчасти компенсировать расходы на приобретение и замену. Однако они имеют довольно большую емкость и, как следствие, малую удельную энергоемкость и большие размеры. Кроме того, на сегодняшний день таких предложений на рынке меньше.

Литиевые аккумуляторы EVE Energy

EVE Energy входит в пятерку крупнейших производителей химических источников тока и предлагает широкий ассортимент литий-ионных аккумуляторов. На российском рынке компания присутствует уже более 10 лет. Продукцию EVE Energy используют в качестве основного источника питания электромобилей такие известные компании, как Tesla и BMW. Поставщиками компонентов для производства аккумуляторов являются крупнейшие предприятия Китая – Huayou Cobalt, Dynanonic, Semcorp, Sunresin, Capchem.

Цилиндрические аккумуляторы (рисунок 1) являются одними из самых массовых (особенно типоразмера 18650). Используются как отдельные элементы питания, так и как ячейки батарей, сборка которых возможна по заказу. В нее также могут войти плата BMS и необходимый разъем или провода, то есть все, что необходимо для полноценной АКБ.

Рис. 1. Цилиндрические аккумуляторы IFR, INR и ICR производства компании EVE Energy

Химическая основа и размер аккумуляторов EVE Energy отображены в наименовании. Некоторые варианты с, химической основой которых являются литий-кобальт (ICR) и литий-никель-марганец-кобальт (INR), приведены в таблице 2. Их диапазон температур заряда составляет 0…45˚С, а разряду соответствует интервал -20…60/80°С.

Таблица 2. Цилиндрические аккумуляторы EVE Energy типоразмеров 18650 и 21700

Также компания предлагает варианты с лепестковыми выводами: INR18650/33V KC1011 и INR18650/35V KC1011.

Прежде чем начать поставки каких-либо источников тока, КОМПЭЛ проводит собственное тестирование. В таблице 3 приведены краткие результаты испытаний некоторых аккумуляторов, перечисленных выше, а более подробный отчет об испытаниях представлен в статье «Тестирование аккумуляторов типа 18650 производства EVE Energy».

Таблица 3. Результаты испытаний аккумуляторов EVE Energy типоразмера 18650

На рисунке 1 среди других значительно выделяется размером литий-железофосфатный аккумулятор C33, емкость которого в несколько раз больше любого представителя серии 18650 и составляет 15 А⋅ч. Помимо C33, компания EVE Energy предлагает вариант несколько большего диаметра – C40-V2. Он имеет еще большую емкость – 20 А⋅ч. Температурный диапазон разряда этих аккумуляторов составляет -20…60°C, заряда – 0…55°C (таблица 4).

Таблица 4. Цилиндрические аккумуляторы LiFePO₄ производства компании EVE Energy

Для применения в телекоммуникационных системах и системах хранения энергии предлагается ряд призматических литий-железофосфатных аккумуляторов, внешний вид которых изображен на рисунке 2, а емкость и габариты моделей указаны в таблице 5.

Рис. 2. Призматический аккумулятор серии LF

Вес самого маленького представителя серии – аккумулятора LF50F – составляет 1,05 кг, а самого большого – LF304 – 5,49 кг. Температурные диапазоны:

• разряд -20/-30…60°C;
• заряд 0…55°C.

Таблица 5. Призматические аккумуляторы LiFePO₄ производства EVE Energy

Мобильные устройства стремятся к минимизации массогабаритных характеристик. Использование аккумуляторов в мягкой оболочке (пауче) позволяет максимально уменьшить вес и оптимально использовать пространство устройства за счет призматической формы (рисунок 3).

Рис. 3. Призматические аккумуляторы в мягкой оболочке (пауче)

Эти аккумуляторы являются литий-полимерными. Большинство из них (таблица 6) – высоковольтные с напряжением заряда 4,35/4,45 В. Температурный диапазон разряда составляет -20…60°C. Возможны варианты поставок с предустановленной платой защиты.

Таблица 6. Призматические аккумуляторы LiFePO₄ производства EVE Energy

С наступлением эры интернета вещей (IoT) и стандарта передачи данных NB-IoT появилось множество интеллектуальных портативных устройств – умные браслеты, умные часы, наушники TWS. Для таких устройств EVE Energy выпускает аккумулятор, по форме напоминающий дисковые батарейки. Форм-фактор Bean Cell (рисунок 4) эргономичен, имеет компактный размер, хорошую герметичность и высокую плотность энергии. Источники тока Bean Cell могут иметь стандартное напряжение заряда 4,2 В, а также выпускаться в высоковольтном варианте на 4,4/4,45 В (LI-HV). Температурный диапазон разряда составляет -20…60°C.

Рис. 4. Дисковые аккумуляторы Bean Cell

Аккумуляторы Bean Cell условно можно разделить на три группы: стандартные, обладающие большим запасом энергии и способные заряжаться значительным током, что сокращает время их зарядки. В таблице 7 указаны параметры таких аккумуляторов, распределенных по трем группам.

Таблица 7. Aккумуляторы Bean Cell производства компании EVE Energy

Все аккумуляторы, представленные выше, выпускаются серийно. В случаях, когда необходим специализированный перезаряжаемый источник питания, подстраивающийся под требования приложения, например, электротранспорта или систем хранения энергии, компания EVE Energy может разработать и изготовить АКБ под заказ. Примеры таких аккумуляторных батарей приведены в таблице 8.

Таблица 8. Заказные АКБ EVE Energy

Особенности использования литиевых АКБ и важность системы управления батареей

Выше уже упоминалось, что при использовании литий-ионных аккумуляторов важно соблюдать условия эксплуатации. В процессе их работы неизбежно происходит деградация, причем чем ближе условия к границам допустимых диапазонов, тем быстрее деградирует аккумулятор. Электрохимические реакции, благодаря которым происходят циклы заряда и разряда, не являются полностью обратимыми, поэтому даже при соблюдении условий эксплуатации часть активного вещества катода безвозвратно расходуется. Снизить деградацию позволяет соблюдение режимов заряда-разряда и температуры. Заряд литий-ионных аккумуляторов – достаточно сложный процесс (рисунок 5а), представляющий собой совмещенные режимы постоянного тока и постоянного напряжения (CC и CV).

Рис. 5. Заряд литий-ионных аккумуляторов

Типовое значение тока зарядки составляет 0,5С напряжения – 4,2±0,05 В. По окончании этого процесса происходит снижение тока до 0,02С – все ионы лития из катода деинтеркалируются, и считается, что это заряд достиг 100%. Далее запускается химическая реакция с преобразованием вещества электролита, что приводит к деградации аккумулятора, возможному выделению газа и прочим опасным процессам, вплоть до угрозы пожара, поэтому, в отличие от свинцово-кислотного аккумулятора, где есть четкая граница заряда, необходимо останавливать заряд в буферной зоне (рисунок 5б), не допуская перезаряда и обеспечивая безопасность.

Хранение аккумулятора – не менее важный режим, который также требует соблюдения ряда правил и условий, таких как температура 15…25°С, оптимальная степень заряженность 40…60% и периодическое проведение цикла «заряд-разряд» (один раз в полгода).

По мере старения аккумулятора возможно образование дендритов на поверхности анода, которые представляют собой тонкие волокна металлического лития, способные привести ко внутреннему короткому замыканию. Новые аккумуляторы не подвержены этому процессу, поэтому не следует использовать очень старые АКБ, емкость которых упала на 50% и более от первоначальной. При внутреннем коротком замыкании оставшейся энергии может хватить для опасного разогрева аккумулятора. Но при соблюдении режимов работы литиевые аккумуляторы надежны и безопасны. Именно поэтому BMS (Battery Management System) является необходимой частью приложения, использующего Li-Ion-АКБ.

BMS предназначена для контроля аккумуляторной батареи и обеспечивает заданный диапазон напряжения и тока в соответствии с ожидаемым профилем нагрузки в пределах безопасного рабочего диапазона. Она имеет следующие функции (но не ограничивается ими):

• контроль процессов зарядки и разрядки АКБ в соответствии с SOE (Safe Operating Envelope);
• оценка состояния заряда/разряда батареи;
• непрерывный мониторинг и защита АКБ;
• оптимизация его срока службы;
• балансировка отдельных ячеек при зарядке (индивидуальный контроль каждой ячейки);
• отчет о рабочем состоянии, передаваемый на внешние устройства;
• безопасное отключение и подключение нагрузки.

Азиатские компоненты для BMS

Сложность построения системы управления литиевыми АКБ заключается в поиске оптимального решения, предлагаемого различными производителями. В таблице 9 перечислены 14 известных брендов, выпускающих для работы с литиевыми аккумуляторами различные компоненты: от обычных линейных зарядных контроллеров до комплексных многофункциональных решений с цифровыми управлением.

Таблица 9. Азиатские производители компонентов для BMS

Бренд	Linear Charger	Buck Charger	Boost Charger	Buck-boost Charger	Charge Pump Charger (Switched-Capacitor)	Power Bank Charger	Battery Protection	Analog front-end (AFE)	State of charge (SoC)
Chipown		—	—	—	—	—	—	—	—
UMW (Youtai)		—	—	—	—	—	—	—	—
Belling		—	—	—	—	—	—	—	—
UTC (Unisonic)			—	—	—	—		—	—
3PEAK		—	—	—	—	—		—	—
JSCJ		—	—	—	—	—		—	—
MICRONE			—	—	—	—		—	—
EGmicro		—	—	—	—	—	—		—
SILAN	—	—	—	—	—		—		—
Joulwatt	—	—	—		—				—
Silergy							—
SGmicro								—	—
Ruimeng	—	—	—	—	—	—	—		—
AnalogySemi	—	—	—	—	—	—	—		—

– в производстве

– в разработке

Микросхемы для линейных зарядных устройств

В первом столбце таблицы 9 представлены 10 из 14 производителей. Это компании, предлагающие решения для линейных зарядных устройств (Linear Charger), классическим представителем которых является TP4056 – одна из наиболее популярных и клонируемых (а также имеющих функциональные аналоги) микросхем для зарядки аккумулятора в линейном режиме.

Особенности и параметры TP4056:

• является улучшенной модификацией TP4054;
• максимальное входное напряжение 8 В (20 В для версии с повышенным входным напряжением);
• программируемый ток заряда 130…1000 мА (с авторегулированием в зависимости от температуры микросхемы и аккумулятора);
• зарядка одного литиевого элемента (для версии с повышенным входным напряжением возможна зарядка двух элементов);
• контроль температуры АКБ;
• напряжение зарядки 4,2 или 4,35 В с точностью ±1,5%;
• ток потребления в режиме ожидания 35 мкА;
• автоматический запуск процесса заряда;
• встроенная защита от обратного тока аккумулятора на выходе микросхемы;
• индикаторы процесса заряда и его окончания;
• корпус ESOP-8 с открытой площадкой для эффективного отвода тепла на полигон печатной платы (у других производителей существуют иные варианты корпусов);
• функциональные аналоги некоторых производителей могут иметь иное назначение выводов.

Зарядное устройство (ЗУ) на основе TP4056, принципиальная схема которого изображена на рисунке 6, очень простое и отличается крайне низкой стоимостью. Однако у такого решения нет защиты от изменения полярности батареи, вследствие которого микросхема выходит из строя. Еще более бюджетное решение – применение микросхемы TP4057, у которой только 6 выводов (отсутствуют управление и вход внешнего термистора), а максимальный ток заряда составляет 500 мА.

Рис. 6. Принципиальная схема зарядного устройства с TP4056

Помимо семейства TP405x, существуют иные варианты, отличающиеся корпусами, назначением выводов и некоторой функциональностью. Наиболее широкая номенклатура линейных зарядных микросхем, в том числе вариант для литий-железофосфатных аккумуляторов (ME4075), принадлежит компании Microne. Но подавляющее большинство решений основано на базе TP4056.

Импульсные зарядные устройства

Линейное преобразование – достаточно простое, но неэффективное, так как требуемый режим получается за счет сброса лишней энергии в тепло. Значительно более высоким КПД обладают импульсные преобразователи (2…4 столбцы таблицы 9), решения для которых предлагают четыре компании: Microne, JoulWatt, Silergy и SGmicro. Microne и Joulwatt предлагают интегральные схемы (ИС) для автономных зарядных устройств, характеристики которых программируется внешними дискретными компонентами: перемычками, резисторами, конденсаторами. Типовая схема такого ЗУ показана на рисунке 7, где конденсатором C_TIM задано время заряда, резистором R_ILIM ограничивается ток, а одним из трех состояний входов CELL и CV выбирается количество ячеек АКБ и их напряжение.

Преобразование энергии ИС производства Microne (таблица 10) построено по технологии Buck, а ИС, выпускаемых компанией Joulwatt (таблица 11) – по технологии Buck-Boost.

Таблица 10. Микросхемы MICRONE для автономных импульсных (Buck) зарядных устройств

Рис. 7. Схема автономного импульсного ЗУ на основе SY20783

Таблица 11. Микросхемы Joulwatt для автономных импульсных (Buck-Boost) зарядных устройств

В таблице 11 у микросхемы JW3653A указано наличие OTG. Это означает, что зарядное устройство, построенное на JW3653A, может обеспечить питание USB, то есть фактически быть простым устройством хранения энергии (Power Bank), о чем более подробно будет сказано далее.

Две другие компании – Silergy и SGmicro – предлагают более широкую номенклатуру микросхем для импульсных зарядных устройств: как автономных (таблицы 12 и 13, функция OTG отсутствует), так и требующих управления внешним микроконтроллером по интерфейсу I²C и SMBus.

Таблица 12. Микросхемы Silergy для автономных импульсных зарядных устройств

В таблицах 12, 13 и 14 отдельным цветом выделены некоторые микросхемы. Они имеют функцию Power Path Management (рисунок 8), позволяющую отделить путь зарядного тока от пути тока системы (нагрузки), при этом приоритет отдается питанию последней. Это идеальная топология, если требуется одновременно питать систему и заряжать аккумулятор. Разделение позволяет включить устройство даже при полностью разряженной АКБ. Существуют разные алгоритмы распределения тока между системой и АКБ, в том числе позволяющие батарее отдавать ток системе в моменте пиковых нагрузок, например, гибридная топология или топология Narrow Voltage DC (NVDC). Пример такого решения – система питания и зарядки ноутбука. Подобный режим может называться и как Turbo boost.

Рис. 8. Обычная система и система с функцией Power Path Management

В таблице 12 также выделена микросхема SY20765. В своей группе она единственная (на момент написания статьи и согласно данным сайтов производителей) имеет функцию балансировки ячеек АКБ.

Таблица 13. Микросхемы SGmicro для автономных импульсных зарядных устройств

Типовая схема ЗУ со внешним микроконтроллером показана на рисунке 9. Несмотря на более сложную конструкцию и необходимость разработки программного обеспечения, у подобных зарядных устройств перед автономными есть преимущества, которые заключаются в гибкости изменений параметров и более полноценном мониторинге состояний. В тех приложениях, где микроконтроллер уже есть, решения зарядного устройства с цифровым интерфейсом на базе компонентов Silergy (таблица 14) и SGmicro (таблица 15) вполне оправданы.

Рис. 9. Схема импульсного ЗУ с поддержкой OTG и цифровым управлением на основе SY20744

Таблица 14. Микросхемы Silergy с интерфейсами I²C/SMBus для импульсных зарядных устройств

Все микросхемы производства компании SGmicro, перечисленные в таблице 15, имеют функцию System Power Path Management.

Таблица 15. Микросхемы SGmicro с интерфейсами I²C/SMBus для импульсных зарядных устройств

В тех случаях, когда применение индуктивности в импульсных ЗУ по каким-либо причинам (например, когда необходим минимальный уровень электромагнитных помех) не может быть эффективным, обеспечить необходимое преобразование энергии можно с помощью технологии переключаемых конденсаторов (накачки заряда). Компоненты для таких зарядных устройств предлагают компании Silergy и SGmicro (таблица 16, рисунок 10).

Рис. 10. SGM41600 производства SGmicro в схеме ЗУ на переключаемых конденсаторах

Микросхема SY20797 имеет двухфазную схему преобразования, всегда функционирует при рабочем цикле 50% и может использоваться в двух режимах:

• в режиме делителя напряжения, когда на выходе напряжение меньше в два раза, чем на входе;
• как удвоитель тока, когда на выходе ток в два раза больше чем на входе.

Внутри находится 9-канальный АЦП, который измеряет 9 различных параметров (напряжения, токи и температуру) и через протокол I²C может передать результаты на хост-контроллер.

Параметры и особенности микросхемы SY20797 производства компании Silergy:

• способность выдерживать кратковременное повышение входного напряжения до 20 В;
• двухфазная схема преобразования;
• высокий КПД, достигающий 96,8% при напряжении батареи 4 В и токе 6 А;
• выход управления внешним транзистором для блокировки обратного тока;
• частота преобразования 0,25…1 МГц;
• фиксированная величина рабочего цикла 50%;
• делитель напряжения (V_OUT = ½ V_IN);
• удвоитель тока (I_OUT = 2 x I_IN);
• плавный пуск для ограничения пускового тока;
• 9-канальный АЦП (VAC, VBUS, VOUT, VBAT, IBUS, IBAT, TSBUS, TSBAT, TDIE).

Компания SGmicro предлагает два решения для построения ЗУ на переключаемых конденсаторах:

• микросхему SGM41600, которая схожа по функциональности с SY20797, но есть некоторые различия, в частности каналов АЦП меньше (5);
• микросхему SGM41603, основной отличие которой в большей мощности и двух направлениях подачи питания, позволяющих в одном случае использовать преобразователь SGM41603 как обычный делитель напряжения, а в другом направлении – как удвоитель напряжения.

Особенности SGM41603 производства компании SGmicro:

• двунаправленный преобразователь (1:2 и 2:1);
• двухфазная схема преобразования;
• пиковая эффективность 98,5%;
• частота преобразования 0,25…1 МГц;
• программируемая блокировка перенапряжения;
• отдельная регулировка защиты по току (OCP) для каждого направления;
• тепловая защита с флагом состояния.

Таблица 16. Микросхемы Silergy и SGmicro для зарядных устройств на переключаемых конденсаторах

Power Bank

Power Bank – удобное устройство для хранения электроэнергии. В случае его мобильного исполнения литиевые аккумуляторы подходят как нельзя лучше благодаря высокой плотности энергии. Как уже было отмечено, зарядные устройства с поддержкой OTG уже практически представляют собой Power Bank. Более того, систему хранения энергии можно построить на любом компоненте, обеспечивающем заряд аккумулятора, однако остается вопрос, как энергия будет впоследствии отобрана. Для системы, которая изначально построена для питания от аккумулятора, все необходимые задачи по его обеспечению энергией, защите и заряду решены. Но портативное устройство хранения рассчитано на работу со внешними приборами, которые не управляют источником энергии, но предъявляют к нему ряд требований. Их выполнение, а также обеспечение надежного, безопасного и долгого функционирования АКБ привело к появлению компонентов, изначально разработанных для работы в Power Bank (схема такого устройства показана на рисунке 11). Однако они также могут работать и в качестве просто зарядных устройств.

В таблице 17 перечислены автономные и требующие управления по цифровому интерфейсу специализированные микросхемы производства компании Silergy для устройств хранения энергии.

Таблица 17. Решения Silergy для устройств хранения энергии

Рис. 11. Power Bank на базе SY20798

Компания Silan предлагает для построения систем хранения энергии серию SD59D24x, все модели которой уже содержат 32-битное процессорное ядро (максимальная частота 32 МГц) и рассчитаны на работу с 2…7 ячейками АКБ. Встроенные генераторы и LDO снижают стоимость системы, а интерфейсы UART и I²C позволяют расширить функциональность. SD59D24x выпускаются в корпусах QFN-52-6x6x0.75-0.4 и QFN-60-7x7x0.75-0.4, поддерживают стандарты PD3.0, PPS, QC4.0 +, FCP, SCP, SFCP, AFC, BC1.2, APPLE и VOOC.

Еще два автономных и не требующих больших затрат решения для Power Bank предлагает компания JoulWatt (таблица 18).

Таблица 18. Решения Joulwatt для устройств хранения энергии

Микросхемы защиты АКБ

В процессе эксплуатации аккумулятора могут возникать различные нештатные ситуации: неисправность зарядного устройства может привести к перезаряду, питаемая система потребует слишком большой ток или вызовет короткое замыкание, неконтролируемая долговременная работа может привести к глубокому разряду или могут быть нарушены температурные режимы. Все это достаточно несложно проконтролировать и предотвратить, а функционал защиты АКБ уже может присутствовать в некоторых специализированных решениях, например, для устройств хранения энергии. В тех случаях, когда компоненты зарядных устройств имеют недостаточный функционал защиты или когда аккумуляторная батарея используется не в составе системы с ЗУ, компании предлагают множество вариантов недорогих решений, одним из которых является схема защиты, изображенная на рисунке 12.

Рис. 12. Защита одной ячейки АКБ

Подобная схема имеет всего 5 компонентов (при условии сдвоенного транзистора) и занимает небольшую площадь, что делает ее экономически выгодной, особенно относительно стоимости защищаемого аккумулятора.

Компания JSCJ предлагает интегральные схемы (ИС) защиты CJDW01A в корпусе SOT23-6L и микросхемы семейства CJ5123xxx, параметры которых приведены в таблице 19.

Особенности ИС защиты производства JSCJ:

• входное напряжение до 28 В;
• работа с одной ячейкой Li-Ion, Li-Ion HV и Li-Ion-polymer;
• высокая точность измерения пороговых напряжений (25 мВ для параметра обнаружения перезаряда);
• низкий ток потребления в активном режиме, составляющий 3 мкА;
• допускается функция зарядки при нулевом напряжении на ячейке;
• функция автоматического пробуждения;
• ESD-защита 2 кВ (HBM).

Таблица 19. ИС защиты JSCJ для одной ячейки Li-Ion аккумулятора

Один конденсатор, один резистор и печатная плата шириной 2 мм – столько дополнительно потребуется для микросхемы SGM41101 производства SGmicro (рисунок 13). Параметры этой и других ИС, выпускаемых этой компанией, приведены в таблице 20 (SGM41007 и SGM41008 предназначены для электронных сигарет).

Рис. 13. Схема защиты одной ячейки АКБ и вариант печатной платы для SGM41101

Таблица 20. ИС защиты SGmicro для одной ячейки Li-Ion-аккумулятора

Если необходимо защитить сразу несколько ячеек, можно воспользоваться решениями компаний Microne (таблица 21) и JoulWatt (таблица 22). Принципиальная схема защиты десяти ячеек JoulWatt показана на рисунке 14.

Рис. 14. Схема одновременной защиты 10 ячеек АКБ

Таблица 21. ИС защиты MICRONE для одной и нескольких ячеек аккумуляторов

Таблица 22. ИС защиты Joulwatt для нескольких ячеек аккумуляторов

Компания 3PEAK также предлагает решение для безопасной работы одновременно 2, 3 или 4 ячеек – микросхему TPB7462 в корпусе WDFN2x2-8, имеющую варианты защиты от перезаряда в диапазоне 4,1…4,8 В с шагом 50 мВ. Встроенный LDO может иметь выходное напряжение 3 и 3,3 В.

Analog front-end (AFE) для литиевых АКБ

Чтобы упростить построение систем управления АКБ, некоторые компании предлагают решения (таблица 23), включающие в себя полноценную защиту аккумуляторных ячеек, в том числе их балансировку, мониторинг состояния и регулировку с помощью цифрового интерфейса. Схема системы управления батареей с применением компонента AFE производства компании Ruimeng показана на рисунке 15.

Рис. 15. Схема BMS с применением AFE MS9930T

Таблица 23. Компоненты для AFE литиевых АКБ

* Микросхемы MS99ххT производства Ruimeng подходят в качестве замены BQ769xx и Pin-to-Pin-совместимы с ними. Значения напряжений АКБ для BQ769xx указаны в скобках.

Особенности AFE производства компании JoulWatt:

• 12-битные АЦП для измерения напряжения и тока;
• 4-канальный температурный датчик;
• защита АКБ от повышенного и пониженного напряжений, а также от перегрузки и КЗ;
• функция обнаружения обрыва, отключение АКБ при перегреве или пониженной температуре
• 14-канальный пассивный балансир;
• линейный регулятор 3,3 и 5,0 В;
• возможность каскадирования для увеличения количества ячеек АКБ;
• малое энергопотребление:
• 1 мА во время нормальной работы;
• 130 мкА в режиме малой мощности;
• 80 мкА в режиме ожидания.

Параметры AFE производства Silergy:

• многоканальный АЦП, измеряющий напряжение, температуру каждой ячейки и ток АКБ;
• драйвер транзисторов заряда и разряда;
• защита от перегрузки по току и короткого замыкания при разряде;
• защита ячейки от пониженного и повышенного напряжений;
• встроенные транзисторы (FET) для балансировки ячеек;
• внутренняя стратегия балансировки;
• LDO 3,3 В.

Характеристики AFE, выпускаемых Ruimeng:

• встроенный АЦП для измерения напряжения батареи, температур чипа и окружающей среды;
• встроенный счетчик кулонов с независимым АЦП;
• поддержка до трех термисторов;
• наличие защит от перегрузки по току разряда и короткого замыкания;
• защита от повышенного и пониженного напряжений батареи;
• встроенная схема балансировки;
• вход аварийного прерывания;
• конфигурируемый LDO на 2,5/3,3 В;
• устойчивость к максимальному напряжению до 36 В (MS9920T), 72 В (MS9930T) и 108 В (MS9940T);
• ESD-защита (HBM) ±4000 В;
• Pin-to-Pin аналог BQ769x0;
• диапазон рабочих температур -40…85°C.

Еще одно предложение, достойное рассмотрения в качестве высокопроизводительной системы управления питанием или интеллектуального приложения управления батареей – программируемая (внешним микроконтроллером) микросхема EG4328 производства компании EGmicro, сочетающая аналоговые и цифровые функции.

Особенности EG4328:

• интерфейс I²C;
• диапазон напряжения питания 2,5…5,5 В;
• номинальный ток потребления 0,48 мА (5 мкА в спящем режиме);
• конфигурируемый многоканальный усилитель ошибки;
• 4-канальный светодиодный драйвер индикации;
• 8-канальный 10-битный АЦП;
• встроенные высокоточный ИОН и датчик температуры;
• корпус SOP16;
• диапазон рабочих температур -45…85°C.

Применение микросхемы EG4328 в качестве умного зарядного устройства с питанием от сети переменного тока и выходным напряжением 48 В показано на рисунке 16.

Рис. 16. Принципиальная схема умного ЗУ с EG4328

SoC – измеритель степени заряда

Компания Silergy предлагает SY6410 (второе название, используемое на других рынках – SY24561) –миниатюрную микросхему для измерения степени заряженности литий-ионного аккумулятора (одной ячейки). Для определения SoC (State of Charge) использует запатентованный алгоритм, который обеспечивает значительно большую точность, чем измерение обычным способом. SY6410 управляется и выдает результат измерений через интерфейс I²C.

Характеристики и особенности SY6410 производства компании Silergy:

• напряжение питания 2,5…4,5 В;
• точность измерений ±7,5 мВ;
• частота измерений 4 Гц;
• температурная/нагрузочная коррекция;
• минимум внешних компонентов (рисунок 17);
• сообщение о низком уровне заряда;
• диапазон рабочих температур -20…60°C;
• корпус DFN2x2-8.

Рис. 17. Схема устройства для измерения SoC ячейки

Несмотря на нынешние изменения в составе участников российского рынка источников питания и компонентов их управления, возможность построения качественных и надежных литиевых АКБ различного назначения осталась благодаря широкому ассортименту предложений азиатских производителей.

Использование литиевых аккумуляторов EVE Energy обеспечивает устройства эффективным питанием, а применение компонентов управления и защиты, а также соблюдение условий эксплуатации исключают возникновение критичных ситуаций, делая литиевую АКБ надежным и безопасным компонентом приложения.

Ответы на вопросы о технических характеристиках и особенностях работы аккумуляторов EVE Energy, компонентов управления и защиты, оптовых поставках и заказе образцов вы можете получить, обратившись к сотрудникам КОМПЭЛ.