Балансировка нагрузки для литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов электромобилей. Балансировка аккумуляторов


ОДНОВРЕМЕННАЯ ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ

   Сейчас всё большую популярность набирают литиевые аккумуляторы. Особенно пальчиковые, типа 18650, на 3,7 В 3000 мА. Ни сколько не сомневаюсь, что ещё 3-5 лет, и они полностью вытеснят никель-кадмиевые. Правда остаётся открытым вопрос про их зарядку. Если со старыми АКБ всё понятно - собирай в батарею и через резистор к любому подходящему блоку питания, то тут такой фокус не проходит. Но как же тогда зарядить сразу несколько штук, не используя дорогие фирменные балансировочные ЗУ?

ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ - простая схема

Теория

   Для последовательного соединения аккумуляторов, обычно к плюсу электрической схемы подключают положительную клемму первого  последовательное соединение аккумуляторов аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к минусу блока. Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Значит если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

   Энергия, накопленная в АКБ, равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы - параллельно или последовательно.

   Литий-ионные батареи просто подключить к БП нельзя - нужно выравнивание зарядных токов на каждом элементе (банке). Балансировку проводят при зарядке аккумулятора, когда энергии много и её можно сильно не экономить и поэтому без особых потерь можно воспользоваться пассивным рассеиванием "лишнего" электричества.

   Никель-кадмиевые АКБ не требуют дополнительных систем, поскольку каждое звено при достижении его максимального напряжения заряда перестает принимать энергию. Признаки полного заряда Ni-Cd - это увеличение напряжения до определенного значения, а затем его падение на несколько десятков милливольт, и повышение температуры - так что лишняя энергия сразу превращается в тепло.

   У литиевых аккумуляторов наоборот. Разрядка до низких напряжений вызывает деградацию химии и необратимое повреждение элемнта, с ростом внутреннего сопротивления. В общем они не защищены от перезаряда, и можно потратить много лишней энергии, резко сокращая тем самым время их службы.

   Если соединить несколько литиевых элементов в ряд и запитать через зажимы на обоих концах блока, то мы не можем контролировать заряд отдельных элементов. Достаточно того, что одно из них будет иметь несколько более высокое сопротивление или чуть меньшую емкость, и это звено гораздо быстрее достигнет напряжения заряда 4,2 В, в то время как остальные будут еще иметь 4,1 В. И когда напряжение всего пакета достигнет напряжение заряда, может оказаться, что эти слабые звенья заряжены до 4,3 Вольт или даже больше. С каждым таким циклом будет происходить ухудшение параметров. К тому же Li-Ion является неустойчивым и при перегрузке может достичь высокой температуры, а, следовательно, взорваться.

ЗАРЯДКА Блока литиевых АККУМУЛЯТОРОВ

   Чаще всего на выходе источника зарядного напряжения ставится устройство, называемое "балансиром". Простейший тип балансира - это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке Li-Ion с пороговым значением 4,20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно элементу, пропускающий через себя большую часть тока заряда и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.

Упрощённая схема балансира для АКБ

Структурная схема балансира для АКБ

   Вот упрощённая схема балансира тока на базе TL431. Резисторы R1 и R2 устанавливают напряжение 4,20 Вольт, или можно выбрать другие, в зависимости от типа батареи. Эталонное напряжение для регулятора снимается с транзистора, и уже на границе 4,20 В система начнет приоткрывать транзистор, чтобы не допустить превышения заданного напряжения. Минимальное увеличение напряжения вызовет очень быстрый рост тока транзистора. Во время тестов, уже при 4,22 В (превышение на 20 мВ), ток составил более 1 А.

ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ - балансир

   Сюда подходит в принципе любой транзистор PNP, работающий в диапазоне напряжений и токов, которые нас интересуют. Если батареи должны быть заряжены током 500 мА. Расчет его мощности прост: 4,20 В х 0,5 А = 2,1 В, и столько должен потерять транзистор, что вероятно, потребует небольшого охлаждения. Для зарядного тока 1 А или больше мощность потерь, соответственно, растет, и все труднее будет избавиться от тепла. Во время теста были проверены несколько разных транзисторов, в частности BD244C, 2N6491 и A1535A - все они ведут себя одинаково.

ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ - транзисторы

   Делитель напряжения R1 и R2 следует подобрать так, чтобы получить нужное напряжение ограничения. Для удобства вот несколько значений после применения которых, мы получим следующие результаты:

  •   R1 + R2 = Vo
  • 22K + 33K = 4,166 В
  • 15К + 22K = 4,204 В
  • 47K + 68K = 4,227 В
  • 27K + 39K = 4,230 В
  • 39K + 56K = 4,241 В
  • 33K + 47K = 4,255 В

Схема устройства для балансировки аккумуляторов

Схема устройства для балансировки аккумуляторов

   Это аналог мощного стабилитрона, нагруженного на низкоомную нагрузку, роль которой здесь выполняют диоды D2...D5. Микросхема D1 измеряет напряжение на плюсе и минусе аккумулятора и если оно поднимается выше порога, открывает мощный транзистор, пропуская через себя весь ток от ЗУ. Как соединяется всё это вместе и к блоку питания - смотрите далее.

Схема устройства для балансировки аккумуляторов литиевых

   Блоки получаются действительно маленькие, и вы можете смело устанавливать их сразу на элементе. Следует только иметь в виду, что на корпусе транзистора возникает потенциал отрицательного полюса батареи, и вы должны быть осторожны при установке систем общего радиатора - надо использовать изоляцию корпусов транзисторов друг от друга.

Испытания

   Сразу 6 штук балансировочных блоков понадобились для одновременной зарядки 6 аккумуляторов 18650. Элементы видны на фото ниже.

одновременная зарядка нескольких аккумуляторов 18650

   Все элементы зарядились ровно до 4,20 вольта (напряжение были выставлены потенциометрами), а транзисторы стали горячие, хотя и обошлось без дополнительного охлаждения - зарядка током 500 мА. Таким образом, можно смело рекомендовать данный метод для одновременного заряда нескольких литиевых аккумуляторов от общего источника напряжения.

   Форум по АКБ

   Обсудить статью ОДНОВРЕМЕННАЯ ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ

radioskot.ru

Балансировочное устройство для заряда аккумуляторов LiPo

Достоинств у литиево-полимерных аккумуляторов (LiPo) гораздо больше, чем у любых других: небольшой вес, высокая плотность энергии, малый ток разряда, относительно быстрый процесс заряда (1—3 ч). Однако в случае перезаряда или неправильных условий заряда они могут взорваться или ухудшить характеристики, поэтому для литиевых батарей требуется специализированное зарядное устройство со схемой мониторинга и балансировки тока.

Балансировка тока

При заряде литиево-полимерных батарей необходимо соблюдать несколько правил: сила тока должна поддерживаться на уровне 0,5С…1С 1, а напряжение аккумулятора не должно превышать 4,1…4,2 В.

Если в сборке присутствует несколько последовательно соединенных элементов, то небольшие отклонения в одном из них со временем приводят к преждевременной порче аккумуляторов, если схема не сбалансирована. Этот эффект не наблюдается у аккумуляторов NiCd или NiMh.

Как правило, в сборке все элементы имеют близкую, но не одинаковую, емкость. Если два элемента с разными емкостями соединены последовательно, то элемент с меньшей емкостью заряжается быстрее, чем с большей. Поскольку процесс заряда происходит до тех пор, пока не зарядится элемент с самой большой емкостью, то аккумулятор с меньшей емкостью будет перезаряжен. Во время разряда, наоборот, элементы с меньшей емкостью разряжаются быстрее. Это приводит к тому, что после многих циклов заряда-разряда различие емкостей увеличивается, а из-за частого перезаряда элементы с самой малой емкостью быстро приходят в негодность.

Эту проблему легко можно устранить, если контролировать потенциал элементов и следить, чтобы все элементы в блоке имели абсолютно одинаковое напряжение.

Самый простой способ балансировки — «в лоб», то есть полностью разряжать элементы после каждых двух циклов заряда. Тогда все аккумуляторы в сборке будут приведены к одному потенциалу, а накопленные отклонения устранятся. Недостаток этого подхода заключается в том, что энергия, выделяющаяся при разряде, рассеивается впустую. Кроме того, перед следующим использованием требуется зарядить батареи.

В ноутбуках обычно состояние аккумулятора контролируется микроконтроллером, который проверяет напряжение каждого элемента и регулирует силу зарядного тока.

Мы предлагаем читателям альтернативный способ с автоматической балансировкой и малым расходом энергии. Внешний вид устройства показан на рисунке 1.

Рис. 1. Внешний вид печатной платы

Описание устройства

Для балансировки потенциалов двух элементов потребуется операционный усилитель (ОУ) класса В и три резистора (см. рис. 2). В центральной точке делителя R1—R2 напряжение равно половине суммы напряжений верхнего и нижнего аккумуляторов. Когда напряжение верхнего аккумулятора превышает напряжение нижнего, ток течет в нижнее плечо до тех пор, пока они не сравняются. Для расчета схемы требуется только подобрать номинал R3 так, чтобы сила тока составляла 0,02…0,1С.

Рис. 2. Выравнивание потенциалов двух элементов

Если в сборке присутствует больше элементов, то необходимы дополнительные ОУ. Например, для балансировки пяти аккумуляторов требуются четыре ОУ класса В. Вместо ОУ можно использовать составные транзисторы, что позволяет снизить стоимость схемы.

На рисунке 3 показана полная принципиальная схема балансировочного устройства для 2—5 элементов емкостью 2…10 А.ч.

Рис. 3. Принципиальная схема устройства

Кабель балансировки подключается к разъему К1 на плате (см. рис. 4). С помощью перемычек JP2—JP5 задается количество элементов (2—5), напряжение которых требуется выровнять. На первый вывод перемычки подается напряжение аккумулятора, а на второй — эталонное напряжение. Для сборок из 2—4 элементов необходимо установить две перемычки, а если в сборке пять элементов, то одну.

Рис. 4. Размещение элементов схемы

Полностью заряженная батарея из 5 элементов имеет напряжение до 21 В (по 4,2 В на элемент). ОУ сравнивает текущее напряжение каждого элемента с эталонным. Если они различаются, то усилитель переключает один из составных транзисторов на заряд (если потенциал элемента ниже) или разряд. В итоге напряжение всех элементов выравнивается.

Рассмотрим верхний каскад. Если выравнивающий ток больше 20 мА, то соответствующий светодиод горит. В зависимости от степени заряда загорается диод D1 или D5. Падение напряжения на светодиоде составляет около 1,8 В. Вычитая падение напряжения на D10 и D11 и падение напряжения эмиттерного перехода составных транзисторов (примерно 1,0…1,1 В), получаем, что на резистор в цепи эмиттера приходится около 0,2…0,3 В, поэтому выходной ток составляет примерно 250 мА.

Конструкция

Печатная плата устройства показана на рисунке 4. Видно, что на плате нет компонентов с поверхностным монтажом (SMD), а все элементы располагаются на достаточном расстоянии друг от друга. Таким образом, собрать схему не представляет труда. На плате установлен алюминиевый профиль (см. рис. 1), который служит теплоотводом для выходных транзисторов. В случае необходимости транзисторы можно расположить вертикально, чтобы освободить место для радиатора большего размера.

 

Важно убедиться, что транзисторы гальванически развязаны с теплоотводом с помощью слюды или другого диэлектрика и изолирующей втулки на крепежных винтах. Для лучшего отвода тепла под транзисторы также кладется немного теплопроводящего вещества.

Готовую схему перед подключением следует проверить на целостность цепей. Затем необходимо задать количество элементов в сборке. Для определенности будем считать, что у нас 5 элементов, поэтому соединяем контакты JP5 (см. рис. 1).

Установим выходное напряжение источника питания (ИП) на уровне 10 В и подсоединим его к крайним выводам разъема К1, соблюдая полярность. При этом должен загореться диод D9. Если все в порядке, увеличиваем напряжение до 20 В. Диод станет гореть ярче, а напряжение на выводах 2—5 разъема К1 примет значения 4, 8, 12 и 16 В, соответственно. Установив на ИП ограничение тока на уровне 0,5 А, соединим накоротко любые два вывода К1. Потечет ток примерно 200 мА.

После проверки схемы ее можно подключать к выводу балансировки аккумулятора (предварительно следует задать количество элементов в сборке). Процесс выравнивания потенциалов идет до тех пор, пока все светодиоды, кроме D9, не погаснут.

Проводить балансировку достаточно один раз на 10 циклов заряда.

С помощью предлагаемого устройства можно выравнивать потенциал двух сборок по 5 соединенных последовательно элементов. При этом следует установить перемычку на выводы JP2. Для двух сборок из 4 элементов или одной из пяти в качестве IC1 можно использовать микросхему LM324, выдерживающую до 32 В. В остальных случаях лучше поставить LM348, выдерживающую до 44 В.

Табл. 1. Перечень элементов

Резисторы

R1—R5 = 10 кОм (0,1%), R6—R9 = 1,5 кОм, R10—R13 = 1,2 Ом, R14—R17 = 1 Ом, R18 = 8,2 кОм

Конденсаторы

С1—С4 = 10 нФ (шаг выводов 5 мм), С5, С6 = 100 нФ (шаг выводов 5 мм)

Полупроводниковые

Светодиоды с малым рабочим током, 5 мм: D1 — D4 = зеленый, D5 — D8 = желтый, D9 = красный; D10—D17 = 1N4148, Т1—Т4 = TIP120, T5—T8 = TIP125, IC1 = LM324 или LM348N

Другие

К1 = 6-выводной разъем, шаг выводов 2,54 мм, JP2-1—JP4-2, JP5 = штырьевой двухрядный разъем, шаг выводов 2,54 мм; 14-контактный держатель для IC1, алюминиевый теплоотвод

По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову: [email protected], тел.: (495) 741-77-01.

Оформить бесплатную еженедельную подписку на новостную рассылку от издания Elektor можно на сайте www.elektor.com.

www.russianelectronics.ru

Балансировка нагрузки литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов электромобилей

Многие технологии в области накопления электрической энергии получают свое развитие и становятся все более популярными, но литий-ионная технология накопления электрической энергии на данный момент является наиболее перспективной для нынешнего поколения электрических транспортных средств (электромобилей).

В отличии от тех же свинцово-кислотных аккумуляторных батарей литий-ионные (Li-ion) аккумуляторные батареи требуют лучшего ухода и более требовательны к зарядке. Зарядка требует гораздо большего, чем просто подключения к сети. Даже разрядка аккумулятора в определенный момент может привести к необратимым повреждениям.  Это привело к разработке довольно сложной стратегии зарядки и разрядки на уровне отдельных ячеек.

Литий-ионные аккумуляторы электромобилейСодержание:

Почему именно литий-ионные?

Литий имеет атомный номер 3 – он самый легкий из металлов. Он обладает большим электрохимическим потенциалом и обладает большой удельной энергией на единицу веса – что является огромным преимуществом для аккумуляторов. К сожалению не все так гладко. Помимо положительных качеств литий имеет и отрицательные качества, такие как неустойчивость, взрывоопасность и легкая воспламеняемость при контакте с водой или воздухом. Следует отметить, что исследования по применению более безопасных материалов велись ранее и ведутся сейчас.

Положительный электрод литий-ионной батареи может использовать один из множества интеркалированных соединений лития, например, таких как фосфат лития железа (lithium iron phosphate LFP), оксид кобальта-марганца-никеля-лития (nickel manganese cobalt NMC), имеющих немного различные характеристики. Отрицательный электрод, как правило, изготавливают из графита.

Жидкий электролит состоит из солей лития в органическом растворителе, например в таком как диметилкарбонат или этиленкарбонат. Во время работы аккумуляторной батареи ионы лития переходят от положительного электрода к отрицательному (во время разрядки), и, наоборот, во время зарядки.

Литий-ионные батареи имеют ряд преимуществ над другими, например, свинцово-кислотными и никель-металл-гидридными (Ni-MH). Они легкие, не имеют памяти, имеют низкий уровень саморазряда (порядка 1% в неделю). Номинальное напряжение одной ячейки составляет порядка 3,6 В, в то время как для никель-металл-гидридных порядка 1,5 В, а для свинцово-кислотных 2,0 В. Это позволяет при одних и тех же габаритах получить большее напряжение, необходимое для питания электрических транспортных средств.

Например, батарея в Nissan Leaf содержит 192 литий-ионные ячейки с NMC (смотри выше) и графитовых электродов. Ячейки расположены в виде 96х2 параллельно-последовательного массива для получения на выходе 360 В и плотности энергии 140 Вт*ч/кг. В 1996 году компания General Motors начала серийный выпуск электромобилей (EV1) с использованием свинцово-кислотных аккумуляторов с выходным напряжением 312 В и плотностью энергии всего лишь 31 Вт*ч/кг.

Опасность при эксплуатации

Помимо положительных качеств литий-ионных аккумуляторов существуют и отрицательные. В отличии от других типов аккумуляторов они очень чувствительны к разряду, перезарядке, перегреву и сверхтокам.

Данные качества могут вызывать опасные ситуации не только в автомобильном транспорте. Например в 2013 году в течении трех месяцев были приостановлены полеты самолета Boeing 787 Dreamliner после того как причиной двух возникших на борту пожаров признали именно тепловой пробой литий-ионных аккумуляторов.

Ключевые параметры батарей

В любом транспортном средстве, которое зависит от аккумуляторных батарей как от части трансмиссии важно, чтоб система управления батареи (BMS battery-management system) непрерывно отслеживала ее состояние независимо от типа аккумуляторных батарей. Это касается как обычных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, где аккумулятор необходим для запуска двигателя, для гибридных автомобилей, использующих как электродвигатели так двигатели внутреннего сгорания, так и электромобилей, которые для движения используют только электродвигатели.

Обычно используют два параметра для оценки состояния  аккумулятора или ячейки:

  •         Состояние заряда (State of charge SoC) – можно сравнить с датчиком уровня топлива автомобиля. Он измеряет энергию батареи от 0% (разряжено) до 100% (полностью заряжено). Обратная метрика – это глубина разряда (depth of discharge DoD).
  •        Состояние работоспособности (State of health SoH) – фигура сравнения, оценивает состояние батареи или ячейки по отношению к ее идеальному состоянию (если аккумулятор имеет характеристики для сравнения). SoH обычно начинается со 100% и постепенно уменьшается со старением батареи.

BMS обычно использует SoC и SoH для регулировки производительности и наблюдения за работоспособностью аккумуляторов.

Зарядка и разрядка происходят через терминалы, соединенные с каждым концом стека группы, а не на уровне ячейки. В свинцово-кислотных и никель-металлогидридных системах измерение и контроль отдельных ячеек не нужен, так как они менее чувствительны к неполной зарядке. Литий-ионные аккумуляторы требуют более сложного подхода.

 Измерение заряда ячейки

Заряд отдельной ячейки можно определить с помощью измерения напряжения разомкнутой цепи (open-circuit voltage OCV) и вывести соответствующее состояние заряда или разряда из графика, который должен быть аналогичен показанному ниже:

График определения заряда-разряда ячейки литий-ионного аккумулятора

Результаты могут вычислений могут быть улучшены за счет применения различных поправочных коэффициентов, например токовых и температурных. Производители все время совершенствовали и совершенствуют свои изделия, и это позволило аккумуляторным батареям поддерживать постоянное выходное напряжение практически во всем диапазоне заряда.

Как бы это странно не звучало, но такое улучшение лишь усложнило систему управления в получении обратной связи. Это вызвано тем, что мизерные различия в напряжениях аккумуляторах в реальности могут означать значительную разницу их зарядов. Точность измерения напряжения должна быть огромна (до нескольких милливольт), что требует высокой точности аналогово-цифрового преобразователя АЦП (analog-to-digital converter ADC).

14 разрядный 5 вольтовый АЦП является хорошим выбором для практического измерения напряжения ячейки (open-circuit voltage OCV) с напряжением до 4,2 В. Как правило, один АЦП измеряет напряжение не одной ячейки, а нескольких, при этом используется мультиплексор для переключения между каналами измерений. Использование структуры с последовательным приближением регистра (successive-approximation-register SAR) является более предпочтительным, так как не имеет задержки между последовательными замерами.

После того как заряд каждой ячейки измерен, система балансировки нагрузки приступает к выравнивания зарядов. Для балансировки могут применять один из подходов – пассивную балансировку и активную балансировку.

Пассивная балансировка нагрузки

Система пассивной балансировки получает энергию непосредственно от самой ячейки и рассеивает ее в виде тепла на резисторе. На рисунке ниже показана схема для одной ячейки стека:

Пассивная система балансировки ячейки литий-ионных аккумуляторов

Здесь значение VSENSEn+1 будет показателем заряда Celln+1. Когда заряд ячейки слишком высок, Qn+1 включается и энергия рассеивается на резисторе Rdisch_n+1.Алгоритм управления, работающий на контроллере BMS (Battery Management System), уравновешивает заряд каждой ячейки путем измерения напряжения на ней и разрядки ее (если это необходимо) до тех пор, пока напряжения на ячейках группы не выровняются. BMS выполняет также функции диагностики батареи — такие как перегрев, перезарядка, недозарядка и так далее. После балансировки аккумуляторная батарея заряжается таким образом, чтоб в нужной степени зарядить каждую ячейку.

Активная балансировка нагрузки

Пассивная балансировка – система однонаправленная, она может только поглощать заряд ячейки. Активная балансировка более сложная. Она не рассеивает энергию ячейки, а из более заряженной ячейки переносит энергию в менее заряженную через ряд двунаправленных DC-DC преобразователей. Микроконтроллер следит за зарядами каждого элемента и определяет какая ячейка должна быть разряжена, а какая заряжена.Ниже показана блок схема типичного активного балансировщика нагрузки:

Активная система балансировки ячейки литий-ионных аккумуляторов

Активная система балансировки нагрузки использует двунаправленные преобразователи постоянного тока для источника или поглотителя тока под управлением микроконтроллера BMS.Матричный коммутатор обеспечивает маршрутизацию зарядов в, или из ячеек, которые находятся под управлением микроконтроллера BMS через SPY или другой интерфейс. Матричный коммутатор подключается к DC-DC преобразователям, которые регулируют ток (он может быть как положителен, так и отрицателен) каждой ячейки, которую нужно зарядить или разрядить. Несколько блоков могут работать параллельно для балансировки целого стека.Изолированный DC-DC преобразователь обменивается энергией между ячейкой и стеком аккумулятора. Вместо использования резистора и рассеивания тепла, величина тока перетекающего при зарядке-разрядке контролируется алгоритмом балансировки нагрузки.

Тенденции развития аккумуляторных батарей

Стоимость аккумуляторных батарей для электромобилей снизилась с 1000$ за киловатт-час в 2007 году, до 450$ в 2014 году. У некоторых ведущих мировых производителей аккумуляторов цена за киловатт-час достигает 300$. Тенденции развития данных технологий указывают на то, что к 2020 году цена за киловатт-час может быть снижена до 250$.Исследование в области накопления энергии ведутся во всех ВУЗах и лабораториях мира и практически ежемесячно мы слышим об очередном открытии в этой области.Развитие рынка электроники тоже позволяет упрощать и совершенствовать технологии изготовления и эксплуатации аккумуляторных батарей, а также совершенствовать их в вопросах безопасности. Это позволяет изготавливать более узкоспециализированные изделия, ориентированные под выполнение меньшего количества задач, но с более высоким качеством и производительностью.

Как изготавливают литий-ионные батареи расскажет видео внизу:

elenergi.ru

LTO аккумуляторы - балансировка и защита

%25C0%25EB%25FC%25E1%25EE%25EC%25FB 2017 %25CE%25EB%25E5%25E3 LiTo 2017 12 21 7920 - LTO аккумуляторы - балансировка и защита

Три дня (и три ночи) читаю про разные техники балансировки отдельных ячеек аккумуляторных батарей разной химии, вольтажа, ёмкости. О сколько мне открытий чудных в связи с этим чтением явилось!

 

Зачем балансир?

Долго эксплуатируя батарею, важно следить чтобы все «банки» последовательной сборки обладали одним (схожим) напряжением.

Скажем, имеем сборку из двух аккумуляторов. Чтобы поднять напряжение сборки, их соединили последовательно, то есть так: (-+) — (-+). Подаём на крайние — и + сборки напряжение заряда и вот беда. Одна банка заряжается быстрее, вторая наоборот, отстаёт. Зарядка, которая не знает что творится внутри сборки, просто выставляет 2х нужное напряжение. И получается, например на убежавшей вперёд банке +10% напряжения, а на подоотставшей напротив -10%. Это значит, что первая банка помрёт от перезаряда быстрее. Печаль ещё в том, что чем дальше банка при смерти, тем быстрее она будет обгонять соседей. Положительная обратная связь.

При разряде та же картина. И даже если есть отключение нагрузки по предельному напряжению сборки, то та банка что просела ниже всех (всё та же умирающая), просядет ниже критического минимума и будет всё мертвее с каждым разрядом. Жесть, фильм ужасов, неприятность. Банки надо срочно балансировать!

В сборке из двух аккумуляторов всё звучит плохо, но на сколько неприятно происходящее внутри неконтроллируемой и небалансируемой сборки из 12 ячеек? У меня дома как раз такая сборка свинцово-кислотных АКБ на 24В. Или чуть поменьше, другая сборка — там 5 ячеек литий-титанатных аккумуляторов.

Оказалось, что грубо есть два типа балансиров, кто б сомневался. Один глупый, но мощный (пассивный). Второй умный и слабый (активный).

 

Пассивный балансир

Работает только при зарядке. Представим подована Сергея, который сидит с двумя вольтметрами над нашей сборке из двух аккумуляторов. Он смотрит на вольтметры и, если вдруг какой-то покажет цифру выше некоей пороговой (для моих LTO аккумов это 2.75 В), то Сергей балансир подключает в параллель к банке сопротивление. Ну, например, лампочку. Как в этой схеме:

175055 4572124 b1272fd37434c069ae83dfd3b53c345d - LTO аккумуляторы - балансировка и защита

(по клику на картинку — ссылка на первоисточник)

На этой картинке 4 одинаковых устройства. Настройка напряжения, когда загорится лампочка в этом случае подстроечниками поканально. То есть берём лабораторный БП, подаём на вход желаемое напряжение. крутим резюк до момента включения лампочки. Идём на второй, третьй .. двадцать третий канал, делаем то же.

Конечно же, так же распространены схемы балансиров без подстройки — под заранее придуманный порог напряжений (под разную химию аккумуляторов разное и напряжение).

Косяки схемы для меня теперь очевидны. Балансир греется, тратит энергию. Он не сможет подровнять ячейки в режиме хранения и разряда, не сможет сделать это и в режиме не полного заряда. В общем, грусть-печаль. Но дёшево. И, что порой важно, ток балансировки может быть на порядок больше чем у активных!

+ дёшево;+ большой ток;— работает только снимая лишний перезаряд.

 

Активный балансир

Идеальный балансир — это уже не Сергей с тестером, а самый что ни на есть настоящий Робин Гуд! Он отнимает лишнее у богачей и раздаёт крестьянам негодяйское добро. То есть у ячеек с повышенным напряжением активная схема балансировки передаёт заряд ячейкам с низкой напругой. То есть это уже не N одинаковых схем, соединённых только с их ячейками, как в случае с пассивным балансиром. Для элемента активного балансира, кроме соединения с его ячейкой, которую он или грабит или отдаёт награбленное, есть ещё соединение в общую шину с другими балансирами. Так сказать, нужен Робину таки Шервудский лес и база для передачи награбленного.

1484939273 - LTO аккумуляторы - балансировка и защита

(по клику на картинку — ссылка на первоисточник)

Чаще всего, поэтому, платки активных балансиров собраны сразу на нужное количество банок. Но бывает и по одной банке балансиры. Тогда они соединяются единой шиной.

Вот очень интересное решение, активно продающееся на али:

QNBBM 12V Lead Acid Battery Balancer BMS Which Keep Voltage Difference within 30mV Prevent from Corrosion.jpg 640x640 - LTO аккумуляторы - балансировка и защита

И вот видео, в т.ч. разбора этой коробочки:

Замысел производителя, как я её понял, заключается в dc/dc повышающей генерации подпитки на общую шину балансирами тех ячеек, которые ушли вперёд. И, соответственно, подпиткой из общей шины отстающих ячеек их балансирами. Ну прям команда Робин Гудов, иначе не скажешь 🙂

— активный балансир однозначно дороже пассивного, так как сложнее;+- ток в этом устройстве большой, но обычно активные балансиры строят на малые токи порядка сотен миллиампер;+ работает во всех режимах. Хоть и вовсе без зарядного устройства, хоть с ним — не важно. Как только видит перекос, исправляет его.

Единственный видимый мною косяк именно этой большой коробки китайского активного балансира — нет, не его цена, она как раз достаточно адекватна для больших систем. А у меня план создать большую аккумуляторную батарею. Косяк в относительно небольшой точности балансировки. Но это во мне говорит перфекционист, заявлена точность 0.01В. Поэтому я побежал в али заказывать себе и моим литий-титанатам новогодний подарок 🙂

 

BMS (Battery Management System)

Наличие балансира, к сожалению, не отменяет необходимость контроля напряжения ячеек побаночно и отключения их от потребителя в случае превышения порога для этой химии. А так же в случае и понижения напряжения ниже заданного. Тот неприятный случай, описанный мною выше (+10% = перезаряд, -10% = переразряд) возможен и в случае использования балансирами. Почему? Да потому что мир не идеален :). Потому что идеальный балансир должен качать ток равный зарядному, как минимум.

Обычно говорят о применении BMS в этом случае. Это платка с одной простой задачей. BMS должна побаночно замерить напряжение и отключить всю батарею в случае чего.

BMS, как и балансиры, глобально делятся на два клана. Тупые и умные. Я так понимаю, это стандартная политика разделения электронных устройств :).Впрочем, с BMS всё не так плохо.

Глупые, или симметричные BMS ставятся в разрыв между зарядником+нагрузкой и АКБ. Если что-то идёт не так (одна банка вышла за пределы), весь АКБ будет отключен. Это значит, что:

  • если идёт заряд от солнечной батареи, яркий такой солнечный день, но при этом балансир помер или одна банка при смерти, то по превышению, кроме заряда будут отключены и нагрузки. А это нехорошо. Это неправильно! Энергии дуром, и в АКБ, и на выходе зарядника, а нагрузка отключена;
  • а если в тот же солнечный (или не очень солнечный) день от Солнца или Ветра идёт относительно небольшая, но важная генерация в 10А, блок аккумуляторов чуток разряжен и тут бааац, включили пылесос на 150А. Напруга просела и да, надо отключать нагрузку. Но вот зарядку отключать не только не нужно, но глупо.

Умные, или не симметричные BMS с одной стороны следят за перезарядом и отключат АКБ от зарядки (нагрузка будет работать!). С другой же стороны следят и за переразрядом (так же побаночно) и отключат нагрузку, оставив зарядник включенным.

Обобщая вышесказанное, хочется сказать, что лучше быть богатым и здоровым, чем бедным и больным. Балансиры лучше использовать активные, BMS — умные 🙂

Ну вот на такой победной банальности и завершу своё мини-исследование о пользе балансировки разбегающихся банок сборок аккумуляторов.

astro.milantiev.com

Литий: балансировка или раздельный заряд?

Конечно же раздельный заряд. Но это только для моего конкретного случая.

Часто приходится работать в поле без сети, шуруповерт всегда под рукой. Аккумуляторы уже старенькие, напрашивалось улучшение. Вытряхнул сдохшие NiCd из шуруповертных картриджей и запихал в оба корпуса LiPo, каждую на 5 банок. Ляпота, но заряжать надо так же в поле или в машине и заряжать желательно с балансировкой, потому как все 5 банок в каждом акке ведут себя по-своему, сказывается кетай. Балансировку при зарядке можно делать по-разному, способов - тьма тьмущая. Наиболее простой - торможение перезаряженных банок нагрузкой, перегон в тепло. Так и делает настольный IMAX B6, а мне не нравится что заряжает он всю батарею долго при включенной балансировке.

Прикинул и подумал, что проще всего схемотехнически будет заряжать каждую банку в батарее по отдельности. Как-то гугля способы балансировки наткнулся на схожую мысль:

"Bloody cheaters... When I was thinking about this, I was going to build bunch of DCDC's where voltage of each contact is individually controlled => each cell might be charged with individual charge plan. Apparently, this is just too complex."

А мне это показалась менее сложным: лепим DC-DC с 5 выходами и на каждый цепляем микросхему-зарядник, коих для Li-Ion легион! И греться, подумалось, должно меньше: тормозить же банки не надо! (Ага, щаз, зарядные микрухи греются как сволочи!)

Вот такая вот схемка нарисовалась:Lipo_5s_sch

Схема несложная, случилась проблема только с выбором транзистора. Я широким жестом воткнул сначала IRLS3034, у которого ёмкость затвора оказалась не по зубам драйверу LM3478, пришлось поставить что-то менее понтовое. На каждый канал - по STC4054G, вариант дешевый и удовлетворяющий поставленной задаче. Вот и плата в сборе, развелась в один слой:20130321_185540

Производитель зарядной микросхемы STC4054G рекомендует дорожки на плате делать максимально толстыми и по возможности использовать полигоны на обоих сторонах платы для теплоотведения. Я раздолбай не послушался, а зря: микрухи греются как надо, даже при выставленном токе заряда в 400 мА на банку.И с другого ракурса:20130321_185549

Заряжает и греется, зараза:20130321_185640

Ну раз греется - надо охлаждать. Подобрал удобный корпус из алюминия, засверлил крышку под разъемы, крепеж и светодиоды. Круглые отверстия - круглой фрезой, прямоугольные - прямоугольной)_20130329_183301

Собран и готов к отплытию:_20130330_152651

Была идея покрасить в черный цвет, но уже лень. Да и баловство это - ёжику этому написано жить в машине под ногами поближе к прикуривателю.

_20130330_154304

В следующий раз еще подумаю про балансировку. Уж очень нравится идея трансформатора-робингуда, который у богатых банок берет и бедным банкам в аккумуляторе отдаёт. Вроде как и КПД выше и тепла меньше. Но опять же, богатые аккумуляторы доятся туда-сюда, пока бедные не зальются; такое ведь не сильно хорошо?

UPD: По параметрам трансформатора и номиналам. Трансформатор мотался на не очень хорошем сердечнике, то что было под рукой, 2 х МП140-1, КП19х11х4.8. Первичка 21 виток 0,35 проводом, вторички одновременно 11 витков проводом 0,51. Частотозадающие R1C1 - на ~100 кГц, 4,7кОм/0,1 мкФ. Делитель в обратной связи R2R3 - 21кОм/8,2кОм. R4 - 75 кОм, шунт R5R6 - по 0,1 Ом (в итоге 0,05 Ом). VD1 - SMBJ15, VD2 - SM4005. VD4 какой-то шоттки от 1 А, С5 - 330 мкФ х 25В, VD8 - стабилитрон 5V1, C10 - 0,1 мкФ. R7 - 470 Ом, R12 - 2 кОм, что примерно дает 400 мА.

dominikanez.livejournal.com

Зарядно балансировочное устройство для литий полимерных аккумуляторов 2S-3S + мелкий ремонт

Наука не стоит на месте, в результате чего литий-полимерные аккумуляторы прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Одни 18650 элементы чего стоят – о них не знает только ленивый. Причем в хобби радиоуправляемых моделей произошел качественный скачок на новый уровень! Компактность, высокая токоотдача и малый вес дают широкое поле для совершенствования существующих систем питания на базе аккумуляторов. Наука пошла еще дальше, но мы остановимся пока на Li Ion варианте (литий-ионные). Итак, в магазине было приобретено зарядно-балансировочное устройство торговой марки Turnigy для зарядки 2S и 3S сборок литий-полимерных аккумуляторов (разновидность литий ионных, далее LiPo). На мой радиоуправляемый пенолет (модель сделанная из пенопластовых потолочных плит) Цессна 150 устанавливается батарея 2S – цифра перед S обозначает количество последовательно соединенных элементов LiPo. Заряжать было чем и раньше, но в поле носить зарядное устройство можно и попроще и подешевле.

Для чего столько заморочек? При заряде литиево-полимерных батарей необходимо соблюдать несколько правил: сила тока должна поддерживаться на уровне 0,5С…1С, а напряжение аккумулятора не должно превышать 4,1…4,2 В. Если в сборке присутствует несколько последовательно соединенных элементов, то небольшие отклонения в одном из них со временем приводят к преждевременной порче аккумуляторов, если схема не сбалансирована. Этот эффект не наблюдается у аккумуляторов NiCd или NiMh. Как правило, в сборке все элементы имеют близкую, но не одинаковую, емкость. Если два элемента с разными емкостями соединены последовательно, то элемент с меньшей емкостью заряжается быстрее, чем с большей. Поскольку процесс заряда происходит до тех пор, пока не зарядится элемент с самой большой емкостью, то аккумулятор с меньшей емкостью будет перезаряжен. Во время разряда, наоборот, элементы с меньшей емкостью разряжаются быстрее. Это приводит к тому, что после многих циклов заряда-разряда различие емкостей увеличивается, а из-за частого перезаряда элементы с самой малой емкостью быстро приходят в негодность. Эту проблему легко можно устранить, если контролировать потенциал элементов и следить, чтобы все элементы в блоке имели абсолютно одинаковое напряжение. Поэтому крайне желательно использовать не просто зарядное устройство а с функцией балансирования.

Комплектация: зарядное устройство + кабель питания с крокодилами для подключения к блоку питания 12-15 Вольт или аккумулятору 12 Вольт. Зарядное устройство при зарядке потребляет не более 900 мА. Два индикатора зеленый и красный – зеленый контроль питания, красный горит когда идет процесс зарядки-балансировки. По окончанию процесса или при извлечении балансировочного разъема красный светодиод гаснет. Заряд происходит до напряжения 4.2 В на элемент. Замер напряжений производился на работе, на образцовом вольтметре. Напряжения по окончанию заряда на 1 и 2 элементе были равны 4.20 Вольт, на 3 элементе небольшой перезаряд 4.24 Вольта.

Расчлененка: Схема отчасти классическая: повышающий преобразователь, далее 3 компаратора дающие сигнал на контроллер (затертая маркировка в стиле китайцев) А вот силовая часть схемы вызвала недоумение. Причиной лезть в потроха стала моя невнимательность. Я оборвал случайно балансировочные провода на аккумуляторе 3S (от шуруповерта) и при пайке перепутал местами выход 1 и 3 элемента, в результате при подключении к ЗУ (зарядное устройство) из последнего пошел дымок. Визуальный осмотр выявил неисправный транзистор N010X описания на который я не нашел, но нашел упоминание на аналог – это оказался Р канальный полевой транзистор AO3401 Остальные детали при проверке оказались исправные. Запасов Р канальных полевиков дома не оказалось, в местном магазине цены бешеные. Вот тут то и пригодился древний диалап модем Зуксель, в котором оказалась нужная мне деталь (с более лучшими характеристиками). Поскольку зрение и размеры детали не дали возможности установить все на место, пришлось извратиться и установить деталь на свободное место с обратной стороны. Не понравилось в силовой части то, что в режиме 2S зарядник работает как и большинство аналогичных, а вот с 3м элементом не все так просто. Деталь сгорела не просто так, она выполняла функцию подачи напряжения на заряжаемый аккумулятор в целом. Функционально зарядка выполняется сразу всех трех элементов, по мере зарядки 1 и 2 элемента открываются транзисторы и шунтируют элементы через резисторы давая тем самым току идти в обход заряженных элементов. Полевой транзистор отсекает напряжение в целом, он же контролирует заряд 3го элемента. А если 3й элемент зарядился раньше 1 и 2 го, то питание идет через диод на зарядку оставшихся элементов. Во общем схема мутная, прихожу к выводу что элементарная экономия деталей.

Виновник приключений свалившихся на мою голову: Шуруповерт Бош переделанный на литиевые аккумуляторы от ноутбука взамен умерших от кристаллизации NiCd. На данный момент зарядное устройство перешло в разряд штатного к переделанному шуруповерту. Польный цикл заряда (4Ач) происходит примерно за 6 часов, но я еще ни разу не разряжал батарею в ноль, поэтому необходимости в длительном заряде нет.

Заключение Бюджетное зарядное устройство. В частном случае подошло как нельзя кстати. Шуруповерт счастлив. Ток зарядки 800мА дает ограничение на минимальную емкость заряжаемых элементов. Внимательно смотрите описание к своей батарее, где указан максимальный ток заряда. Нарушение правил эксплуатации может привести к порче и возгоранию аккумуляторов.

mysku.ru


Смотрите также