Para proteger una celda LiPO de bajo voltaje, ¿cuán baja es la corriente lo suficientemente baja?

Esto puede parecer un tema golpeado hasta la muerte, pero tengan paciencia conmigo... esta es una arruga aparentemente ignorada. En las últimas semanas, he estado diseñando varios circuitos para proteger una celda LiPO de bajo voltaje, si el usuario de mi dispositivo lo deja encendido por descuido. Ahora sé que puede comprar circuitos de protección listos para usar, pero la mayoría de ellos comienzan a cortar la corriente cuando el voltaje de LiPO llega a alrededor de 2.5V. Si realmente desea proteger una celda LiPO de daños, 3.0V es un punto de descarga mucho mejor para dejarlo. En este punto, pensé que tenía algunas buenas soluciones, pero puedo estar equivocado... ¡totalmente equivocado!

No sé ustedes, pero si accidentalmente dejo algo ENCENDIDO, y es algo que no uso todos los días, entonces podría estar ENCENDIDO durante días... tal vez semanas o meses. Me he dado cuenta de que casi cualquier esquema para detener el consumo de la batería cuando el voltaje es demasiado bajo NO reducirá la corriente a CERO. Incluso los mejores circuitos basados ​​en MOSFET tendrán corriente de fuga, y un buen circuito de control puede aumentarla más. Entonces, ¿qué tan bajo es lo suficientemente bajo?

Supongo que está algo relacionado con la capacidad de la celda. Obviamente, si mi circuito de corte limita la corriente de la celda a menos de 1 uA, eso evitará que una celda de 10000 maH se dañe durante mucho tiempo. Pero, ¿qué pasa con una celda de 200 mAH? ¿Un corte a 1uA ofrecería una protección "razonable" o solo me estoy engañando a mí mismo? ¿Qué pasa con 1/10 de eso (100nA)? cuanto menor sea la fuga del circuito, más caro será el diseño. Entonces, ¿qué tan bajo es lo suficientemente bajo?

Anexo... Aquí hay un circuito que tengo la intención de probar. Si funciona como espero, reducirá la corriente residual a aproximadamente 1uA cuando el voltaje de la celda alcance aproximadamente 3V. Aquí solo hay 3 partes, un interruptor de carga hecho por Fairchild (FDC6331L) hace todo el trabajo duro de cambiar limpiamente mi carga, mientras que una parte de Microchip (MCP112-315 o MCP112-300m) "se dispara" a aproximadamente 3V, para controlar el interruptor de carga El costo total de este circuito es de aproximadamente $1, y el número bajo de piezas se debe a las múltiples piezas dentro de cada circuito integrado. Esto aún no está probado, pero tengo esperanzas. Pero si funciona según lo planeado, el tiempo y la experimentación dirán cuánto tiempo protege una pequeña celda de 200 mAh en uso real, cuando el usuario deja la carga encendida.

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A 1 uA, 200 mAh te duran, eh, 25 años. ¿No es suficiente?
@BrianDrummond: o no entiende las células LipO o no entiende mi pregunta. 200 mAh significa que debe proporcionar energía al circuito durante el tiempo esperado, al voltaje esperado. Después de eso, el voltaje de la celda comienza a caer muy rápidamente, porque no le queda vida útil. Si continúa drenando un LiPO y cae mucho por debajo de 3V, no volverá a tomar una carga normal. Estoy tratando de PROTEGER la batería, y estoy tratando de averiguar de aquellos que han explorado esto cuánta protección es adecuada.
Un relé le dará cero fugas y ninguna caída de voltaje. ¿Va a calcular el voltaje bajo en varias muestras, porque el voltaje puede caer en una corriente alta debido a la resistencia interna?
Supongo que una buena métrica sería comparar el consumo del circuito con la corriente de autodescarga de la celda, pero ninguna suposición será tan buena como mirar la información detallada de la aplicación del fabricante (espero que esté usando un fabricante de primer nivel que proporciona dicha información).
He visto circuitos de protección que se cortan a los 3V. Los circuitos de protección típicos protegen contra descargas por bajo voltaje, carga por sobrevoltaje, carga por sobrecorriente y descarga por sobrecorriente. ¿Realmente planea intentar hacer todo eso y tener una corriente de reserva más pequeña después de que se haya activado la función de descarga por bajo voltaje? De todos modos, creo que deberías limitar la corriente de reserva al mínimo posible. Creo que los circuitos de protección existentes están caídos alrededor de 10 uA.
Una sola descarga profunda generalmente no dañará permanentemente una celda de litio. He tenido que probar celdas de litio, y una de las pruebas es anular el circuito de protección, descargar a cero voltios y luego recargar y medir la capacidad. El cargador necesita usar una pequeña corriente hasta que el voltaje se recupere a algo más de 3V.
Por cierto, es un poco arrogante de su parte pensar que las soluciones estándar de la industria serían todas estúpidas y equivocadas en su selección de voltaje de corte. Solo digo, y sin intención de ofender. ;-)
@Sparky: consideré un relé de enclavamiento OMRON. No es una mala idea, pero son voluminosos, y me temo que necesitaría una descarga confiable de un capacitor grande, para garantizar suficiente energía residual para alternar con una batería baja. Un pestillo sin pestillo consumiría demasiada corriente
@mkeith: estoy bastante seguro de que tengo una solución de dos partes que me reducirá a aproximadamente 1uA. Aún así, supongo que no hay forma de saber con certeza qué tan efectivo sería si se dejara funcionando un mes. En cuanto a la arrogancia, les aseguro que mi publicación es el resultado de la experiencia real de muchos aficionados al bricolaje que han tratado con estas células, incluido el suyo. La primera vez que arruiné una celda y descubrí que ya no necesitaría una carga completa, su voltaje era de 2.6. Y estoy usando un chip de administración de carga MAX1555 muy confiable y ampliamente utilizado. Puede ser que tuvieras algunas celdas mejores y las mías fueran "el-cheapos" :-)
1uA es mejor que estándar. Puedo ver cómo la descarga repetida a 2.6 podría dañar una celda, y puedo ver cómo sería malo almacenar la celda durante mucho tiempo en un estado severamente descargado. Pero todavía tengo problemas para creer que una sola descarga a 2,6 V reduciría permanentemente la capacidad. A nivel del sistema, no se supone que el circuito de protección sea lo único que detenga la descarga. El sistema debería apagarse a 3 o 3,3 V o algo así, lo que debería indicar al usuario que lo recargue. ¿Quizás algunas personas confían al 100% en el circuito de protección para finalizar la descarga?
El max1555 es un cargador de batería IC, no un controlador de protección de celdas. Eche un vistazo a las ofertas de Seiko: sii-ic.com/en/semicon/products/power-management-ic/…
@Randy Vea la adición a mi respuesta donde discuto una potencia cero cuando está fuera del circuito.
Este es un hilo muy antiguo, pero pensé en volver a mencionar que al menos para mi aplicación con celdas LiPo de 200 mAh, mi circuito ha sido 100% exitoso. Esto es parte de un producto que desarrollé para músicos, de los cuales soy uno. No solo lo uso todos los días, sino que, como se predijo, lo dejé puesto demasiadas veces. Después de un año, el circuito se "dispara" de manera confiable cuando se deja encendido inadvertidamente, y después de este "abuso", el tiempo utilizable de la celda protegida no ha disminuido significativamente cuando se vuelve a cargar por completo. Entonces, por lo que vale, 1uA máx. después de que una celda de 200 mAh alcance 3 V es una muy buena solución.

Respuestas (4)

Entre otras cosas, diseño luces con carga solar.
Quiero que los clientes puedan colocar una luz "muerta" en un lugar oscuro durante mucho tiempo sin destruir la batería.

Mi enfoque es reducir la corriente a un nivel tan cercano a cero como para que no importe y luego tratar los problemas de autodescarga de la batería.

1 uA = 8,8 mAh/año.
Escale eso para el tiempo y la tasa de descarga según lo desee.
8,8 mAh es el 1% de la capacidad de una celda de 880 mAh.
Puede decidir qué reserva desea asignar a esta tarea para una batería determinada.

Un MOSFET "apagado" tiene una resistencia casi infinita. Incluso un transistor bipolar completamente apagado pasa solo una pequeña fracción de uA en el tipo de voltajes típicamente involucrados. El problema suele ser con la corriente en los divisores utilizados para detectar la batería u otros voltajes. Un megaohmio pasa 1 uA/voltio. A medida que aumenta la resistencia del divisor, necesita corrientes de fuga y polarización cada vez más bajas y voltajes de compensación. De hecho, puede comprar piezas especializadas con un consumo de corriente muy bajo, pero generalmente tienen un costo significativo en diseños de bajo costo o están completamente fuera de consideración. En cambio, cuando Vbattery está tan bajo como se va a usar para cualquier propósito, apago los divisores, generalmente con un transistor bipolar de lado alto. Es fácil obtener una corriente tan cercana a cero que sea irrelevante en comparación con otros factores. Cuando ocurre la siguiente carga, vuelvo a habilitar el circuito de corte de bajo voltaje con energía de carga y el proceso comienza de nuevo. Si la recarga no es suficiente para que el nivel de la batería vuelva al nivel mínimo absoluto, "vuelve a dormir" tan pronto como se detiene la carga. Este arreglo requiere algunas partes más que un IC divisor de baja corriente especialmente diseñado, pero cuesta mucho menos y, en última instancia, funciona tan bien o mejor que cualquier cosa que pueda comprar.

Agregado:

El siguiente circuito de esta pregunta La pregunta del circuito de carga solar hace lo que usted quiere. En este caso, es autónomo, por lo que el encendido y apagado del divisor izquierdo por T1 está alimentado por el panel solar y no carga la batería. El circuito de encendido/apagado de aquí usa un TL431 (menos de 3 centavos en China en volumen), pero podría ser cualquier cosa que funcione para usted. T1 apagado consume ~= corriente cero. La corriente de cátodo para un TL431 apagado es < 0,050 uA (50 nanoamperios) en el peor de los casos.

Este circuito no es para LiIon, pero también funcionaría con valores de resistencia modificados. A temperaturas elevadas, la corriente de fuga inversa del diodo de bloqueo Schottky puede convertirse en la carga inactiva dominante, un problema agradable de tener :-). Aquí, el área de PCB y los costos de fabricación serían el mayor costo: los componentes que administran la corriente cero real se apagan en el volumen ex China está en el rango de 5-10 centavos.

La corriente del circuito de control cuando está encendida no suele ser un problema importante ya que hay energía solar disponible, pero si desea minimizar la corriente, el uso de un TLV431 en lugar de un TL431 reduce la corriente mínima del cátodo cuando está en regulación a menos de 100 uA.

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¡No me importaría ver algunos de tus circuitos! Definitivamente ha dado en el clavo con el tema de la calidad frente al costo. Considere que la protección más simple (y quizás la más descuidada) sería solo un MOSFET con un umbral VGS de 3V en serie con la carga. La protección sería casi perfecta en cuanto a la corriente, pero la transición de voltaje normal a marginal en la carga sería fea como el pecado. Un buen comparador con algo de histéresis lo convierte en un buen corte nítido, a expensas de unos pocos uA. Apagar el comparador es esencialmente apagar el circuito de apagado :-), lo cual es intrigante pero tiene que agregar algún costo.
Tengo un pequeño problema para entender ese circuito. Dónde se conecta la batería y dónde se conecta la carga.
@Randy Esto es similar en el resultado final pero diferente en la aplicación exacta a su MCP112... IC. Su IC impulsa un interruptor lateral alto que elimina la energía, incluida la suya. Este circuito es un lhs es un monitor de cargador de batería solar con panel a la izquierda PVIN y batería a la derecha 3V. PERO la SOBRECARGA de la batería divide R15 R14 carga la batería y sin Q1 descargaría la batería por debajo del nivel mínimo seguro. Entonces el divisor es eliminado por T1. Aquí, el divisor está habilitado por U1 T1 solo cuando hay voltaje solar presente, pero en situaciones de batería baja, el divisor puede eliminarse solo con T1. Puedo mostrarte un...
... circuito que hace exactamente lo que quieres usando el mismo principio general en "unos días". El divisor de bajo voltaje se apaga solo. La energía solar lo vuelve a despertar. Corriendo locamente en la actualidad. Iré al hospital mañana para una cirugía de columna relativamente menor que debería ayudar y quizás no (probabilidad muy baja). Si no recibes noticias mías... :-). Preguntar de nuevo en 3 o 4 días. SI tengo la oportunidad antes de irme mañana '' excave cct pero probablemente no.
Gracias de nuevo, y estoy seguro de que hablo en nombre de todos al desearles el mejor resultado posible.

Para el beneficio de cualquiera que siga o descubra este hilo, y que contribuyó, a todos los cuales aprecio mucho, me gustaría continuar con una prueba de banco exitosa en este circuito que anteriormente dije que iba a probar. Puede ser un poco exagerado para mis modestas necesidades actuales, pero el circuito completo solo cuesta alrededor de $ 1, tiene muy pocas partes, es bueno para unos pocos amperios si lo necesita (solo necesito 20 mA), y en resumen, funciona MUY ¡Bueno! Con las variaciones de piezas que se muestran, cortará la energía muy cerca de 3,0 V, un muy buen voltaje para garantizar la protección de una celda LiPO incluso si el circuito se deja encendido durante mucho tiempo. Y cuando se apaga, mido el consumo de corriente continuo en 0.8uA. Eso, para mí, es MUY buena protección. En mi caso con una celda Lipo de 200 mAh, Estimamos que el usuario podría olvidar que el circuito se dejó encendido durante posiblemente meses, dependiendo principalmente de la tasa de autodescarga de la celda, antes de que el voltaje de la celda caiga hasta un punto en el que el daño sea inminente. El único cambio que estoy haciendo es que la resistencia pull-up de 1M se mantendría mejor entre 10K y 100K, para ofrecer un poco menos de sensibilidad a cualquier campo EMI ambiental.

Gracias de nuevo a todos los que participaron. Este es ahora un problema menos del que debo preocuparme.

Protección exitosa de células Lipo

De acuerdo, según esta página web, el circuito de protección normalmente consume algo más que la tasa de autodescarga interna (1-2 %/mes para la batería y otro 3 %/mes para el circuito de protección). El LM3641 consume típicamente alrededor de 1uA cuando la protección de bajo voltaje está activa.

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Crédito a batteryuniversity.com por esta imagen:

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Pero realmente, la mejor información debe provenir de las notas de aplicación u otra información proporcionada por su proveedor de baterías.

Gracias. Seguro que es un buen punto de partida. Desafortunadamente, cuando busca celdas de oferta, a menudo no obtiene información tan detallada. Sin embargo, lo que se agrega sobre esta información es que para el estuche de iones de litio (al menos la química del polímero de litio), se recomienda un estado parcialmente descargado de aproximadamente 3.3 V para el almacenamiento a largo plazo, lo que me lleva a pensar que no se autodescarga en absoluto. ?
@Randy Podría intentar encontrar información de fabricantes acreditados y asumir que el comportamiento es similar. Todas las células se autodescargan, algunas más rápido que otras.
Entonces, si una celda de 200 maH perdió un 2% (4 maH) durante un mes, un mes son 720 horas y 4/720 son 0,005 mA, o 5 uA de autodescarga continua (¿o arruiné las matemáticas?). Entonces, si se espera que un circuito de protección en ese caso consuma otro 3% (o 7.5uA continuos), y mi circuito solo consume alrededor de 1uA, supongo que debería dejar de quejarme y darme cuenta de que es bastante decente. Es posible que solo haya un pequeño porcentaje de vida útil para cuando la celda llegue a 3V. Pero si eso significa que un usuario puede dejar accidentalmente la unidad encendida durante un mes o dos sin que se dañe la celda, creo que es bastante respetable, ¿no?
@Randy Suena respetable. Creo que 1uA es el nivel en el que dejaría de preocuparme por eso.

Utilice un IC de protección de batería de la serie Seiko S-8211C. Hay disponible una gama de umbrales de sobretensión y subtensión. Algunas de las partes individuales tienen una función de apagado que reduce el consumo de energía por debajo de 1uA en el caso de que el voltaje de la celda caiga por debajo del umbral bajo. Un posible número de pieza específico es S-8211CAZ-I6T1x.

Estoy muy seguro de que una de las piezas de Seiko cumplirá con sus requisitos, y Seiko tiene mucha experiencia en esta área (estos circuitos integrados se usan ampliamente en productos comerciales que envían millones de unidades).

Gracias. He visto algunos circuitos integrados como este y no tengo ninguna duda de que hacen un trabajo adecuado en la mecánica de las funciones de protección. Son algunas partes más de las que quería usar y también, a menos que haya leído mal, estos circuitos integrados consumen alrededor de 2uA en el estado de protección/apagado. Ya creo que tengo algunas soluciones con menos partes que reducirán la corriente a esa cantidad o un poco menos. Pero el objetivo real de mi pregunta era comprender mejor qué tan bien una reducción a 1 o 2 uA protegerá una celda LiPO, o al menos por cuánto tiempo, y si puedo o no hacerlo mejor que 1 o 2 uA.
¿Se puede hacer con menos piezas? Me gustaria ver eso. Hay un pequeño IC, un FET dual, una tapa y dos resistencias. Además, una vez que se supera el umbral de bajo voltaje, la energía consumida de la batería es una fracción de uA. El IC proporciona un paquete de protección total, que incluye corte rápido de cortocircuito y corte de sobretensión. Estos se envían por millones incorporados a las baterías de iones de litio. Son tan pequeños que ni siquiera puedes verlos a menos que desmontes el paquete. Creo que al menos deberías tomarte el tiempo para investigarlo.
Lo comprobaré y trataré de probar uno o dos. Acerca de Creo que optaré por el modelo más grande SOT-23 de 5 pines, un poco más fácil para mis ojos envejecidos y menos del 100% de manos firmes ;-) Volví a revisar la hoja de datos y tienes razón... es 0.2 uA no 2uA como pensaba (esos ojos envejecidos ;-) El recuento de partes no es tan malo. Sin embargo, si tuviera mi lista de deseos, sería bueno que los FET internos tuvieran un poco más de potencia, por lo que las aplicaciones de bajo consumo como la mía no necesitarían FETS externos. Publiqué un circuito en el que estoy trabajando, pero en el mejor de los casos cae a 1uA después de un disparo por bajo voltaje.
Para proteger una celda LiPO de bajo voltaje, ¿cuán baja es la corriente lo suficientemente baja?
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