Noções básicas sobre circuito de carregamento / proteção LiPo

Estou no processo de aprender a projetar PCBs e entender o design de eletrônicos. Para um projeto, preciso carregar uma bateria de 3.7V LiPo. Também quero protegê-lo contra sobrecarga / descarga excessiva.

Eu tenho experimentado placas que usam o TP4056 junto com um IC de proteção de bateria DW01 e um MOSFET de canal N duplo FS8205A.

As fichas técnicas estão disponíveis aqui:

• TP4056
• DW01
• FS8205A

Os módulos pré-construídos são muito baratos - aqui está um exemplo no AliExpress :

Eles parecem funcionar, mas eu gostaria de saber o que o circuito está realmente fazendo antes de usá-lo :)

Eu encontrei apenas um esquema com esses três componentes combinados:

Estou com dificuldades para descobrir se esse circuito está correto. Se bem entendi, o MOSFET de canal N duplo é basicamente 2 switches em um pacote. Esses dois MOSFETs são acionados pelos pinos 1 e 3 do DW01, que são descritos como:

• DW01 pino 1: pino de conexão da porta MOSFET para controle de descarga
• DW01 pino 3: pino de conexão da porta MOSFET para controle de carga

Então, basicamente, os dois MOSFETs no FS8205A estão desligando o fluxo para B-, quando o DW01 diz para eles fazerem isso.

Entendo que isso funcionaria quando o controle de descarga excessiva surgisse, nenhuma energia estaria fluindo de B- para OUT-

No entanto, o que eu não entendo é como isso funcionaria com a proteção contra sobrecarga. Quando isso entra em ação, nenhuma energia deve estar fluindo do carregador para a bateria; no entanto, o dispositivo conectado às saídas OUT + e OUT- ainda deve funcionar, mas parece que B- não alcançaria OUT-

Os circuitos de proteção geralmente são diferentes dos circuitos de carga. Muitas baterias são projetadas com a intenção de serem carregadas por uma unidade dedicada que controlará o processo de carregamento.

O processo de carregamento pode envolver balanceamento de células, se o pacote contiver um grande número de células em série, geralmente 4+ células em série (4S, 14,4V) nominais exigirão balanceamento, 3S e menor, também é uma boa ideia equilibrar a saúde e longevidade da sua bateria, mas não necessariamente necessária. Os circuitos de balanceamento podem ficar complicados e geralmente envolvem um BMS (sistema de gerenciamento de bateria) composto por um IC dedicado e vários mosfets externos. Existe um projeto no github que procura criar um sistema openBMS . Esse pode ser um bom recurso se você estiver procurando mais informações.

O ciclo de carregamento de baterias de íon de lítio pode ser bastante complexo, especialmente no caso de várias células em série, mas geralmente envolve 4 etapas básicas:

• Tensão de leitura, se for menor que um determinado valor (normalmente 2,8 V para células baseadas em Li), comece a carga lenta até que a célula atinja o nível de carga seguro, evitando danos à célula.
• carregamento de corrente constante: a célula é carregada a uma corrente constante, normalmente 0,5C-1C para carregamento normal, por exemplo, para bateria de 1000mAh, carga entre 500mA-1000mA.
• carregamento constante de voltagem: quando a bateria atingir um determinado ponto (normalmente cerca de 60% da carga total (3,8V mais ou menos) começa a carregar na voltagem final desejada (4,2V para a vida útil prevista do ciclo de carga normal de 1000), você pode subir mais e lhe dará mais vida útil da bateria, mas reduzirá a vida útil da bateria.
• Carga de manutenção: a bateria possui uma taxa de descarga natural próxima de 8% a 21 ° C por mês, quando a bateria cair abaixo de 10% da carga total, recarregue a voltagem desejada usando a carga constante. Isso é configurável dependendo do aplicativo.

Notas: existem CIs que cuidarão da maior parte disso para você; caso contrário, você precisará recorrer ao projeto de um circuito controlado por MCU com conversor externo de impulso / buck ou regulador linear.

O circuito de proteção (PCM) é bastante simples e, muitas vezes, integrado diretamente às células individuais, essas células geralmente são rotuladas: protegidas ou desprotegidas. O PCM monitorará coisas como: tensão de entrada, corrente de saída, tensão da célula, temperatura etc. Muitas vezes, eles não são tão robustos e devem ser considerados o último recurso em um sistema crítico. Os alarmes devem disparar se o PCM for acionado.

Para responder à sua pergunta específica: o DW01 é otimizado para favorecer o carregador em caso de sobrecarga, para que o carregador permaneça conectado ao circuito, suprindo tensão desnecessária, enquanto a bateria estiver desconectada, o TP4046 parece que foi projetado para suportar até 8V e, como carregador linear, dissipará o excesso de tensão como calor. Esses ICs geralmente são protegidos termicamente e desligam-se automaticamente em caso de excesso de corrente ou tensão. Se houver uma sobrecarga, isso significa que o circuito provavelmente está destruído; portanto, é bom tentar desconectar a bateria nesse caso, pois isso representaria um risco de segurança significativo.

Além disso, lembre-se de que os mosfets contêm diodos internos; portanto, mesmo que o mosfet de proteção de carga seja desativado, a bateria ainda estará conectada ao circuito enquanto a tensão no lado de drenagem do mosfet estiver abaixo de uma certa tensão.

Tipicamente, a corrente constante inicial ioniza a química da bateria e o ciclo de tensão adiciona o potencial. se o carregador não tiver corrente suficiente, o ciclo de tensão pode encontrar uma resistência maior e, assim, tentar aumentar a tensão do que a bateria requer causando problemas. O carregador deve ter muita corrente para o ciclo químico inicial na LiPos.