Прислал:
Нет, речь пойдет не о рыболовной приманке, и даже не о цирковых акробатах балансирующих под куполом. Речь будет о том, как добиться баланса параметров аккумуляторов, соединённых последовательно.
Как известно, ячейка аккумулятора - достаточно низковольтное устройство, поэтому их обычно соединяют в пачки последовательно. В идеале, если параметры всех аккумуляторов одинаковы, мы имеем источник с напряжением в n-раз большим, чем одиночная ячейка, и заряжать-разряжать его мы можем как единый более высоковольтный аккумулятор.
Увы, так будет только в идеале. Каждый аккумулятор в этой пачке, как и всё в этом мире, уникален, и найти двух совершенно одинаковых невозможно, да и их характеристики - ёмкость, утечки, степень заряженности, будут меняются от времени и температуры.
Конечно, изготовители аккумуляторов стараются подбирать максимально близкие по параметрам, но различия всегда есть. И со временем, такие разбалансы характеристик могут ещё и возрастать.
Эти различия характеристик ячеек ведут к тому, что аккумуляторы работают по разному и, в результате общая ёмкость составной батареи будет ниже, чем составляющих её ячеек, это раз, а во-вторых, ресурс такого аккумулятора также будет ниже, т.к. он определяется самым "слабым" аккумулятором, который будет изнашиваться быстрее других.
Что же делать?
Есть два основных критерия для оценки степени балансировки ячеек:
1. Выравнивание напряжения на ячейках,
2. Выравнивание заряда в ячейках.
Достигать своих целей в достижении этих методов балансирования также можно двумя способами:
1. Пассивным и
2. Активным.
Поясним сказанное.
С критериями балансировки всё понятно, либо мы просто добиваемся равенства напряжений на ячейках, либо каким-либо образом вычисляем заряд аккумулятора и добиваемся, чтобы эти заряды сравнялись (при этом напряжения могут и различаться).
Со способами реализации тоже ничего сложного. В пассивном методе мы просто переводим в тепло энергию в наиболее заряженных аккумуляторных ячейках, до тех пор, пока напряжения или заряды в них не сравняются.
В активном же способе любым способом перекачиваем заряд из одной ячейки в другую, по возможности с минимальными потерями. Современная схемотехника легко реализует такие способности.
Понятно, что рассеять проще, чем перекачать, а сравнить напряжения проще, чем сравнить заряды.
Также эти методы могут применяться как при зарядке, так и при разрядке. Чаще всего, конечно, 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.
При разрядке всегда применяют только активную перекачку заряда, но такие системы весьма редки, из-за большей сложности схемы.
Поглядим на практическую реализацию вышесказанного.
При зарядке, в простейшем случае на выходе ЗУ ставится устройство, называемое "балансиром".
Далее, чтобы не сочинять самому, просто вставлю кусок текста из статьи с сайта http://www.os-propo.info/content/view/76/60/ . Речь идет о зарядке литиевых аккумуляторов.
"Простейший тип балансира - это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке LiPo с пороговым значением 4.20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно банке LiPo, пропускающий через себя большую часть тока заряда (1А и более) и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Фактически, выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.
В такой схеме поставленная задача заряда и выравнивания пары разных паков реально осуществима. Но такие балансиры на практике бывают только самодельными. Все фирменные микропроцессорные балансиры используют другой принцип работы.
Вместо того, чтобы рассеивать полные токи заряда в конце, микропроцессорный балансир постоянно контролирует напряжения на банках и постепенно выравнивает их в течение всего процесса заряда. К банке, заряженной больше других, балансир подключает параллельно некоторое сопротивление (порядка 50-80 Ом в большинстве балансиров), пропускающее через себя часть зарядного тока и лишь чуть-чуть замедляющее заряд этой банки, не останаливая его полностью. В отличие от транзистора на радиаторе, способного взять на себя основной ток заряда, это сопротивление обеспечивает лишь небольшой ток балансировки - порядка 100мА, а потому такой балансир не требует массивных радиаторов. Именно этот ток балансировки указывается в технических характеристиках балансиров и обычно составляет не более 100-300мА.
Такой балансир существенно не нагревается, поскольку процесс идет в течение всего заряда, и тепло при небольших токах успевает рассеиваться без радиаторов. Очевидно, что если ток заряда будет существенно выше тока балансировки, то при большом разбросе напряжений на банках балансир не успеет выровнять их до того момента, как самая заряженная банка достигнет порогового напряжения.
"
Конец цитаты.
Примером рабочей схемы простейшего балансира могут служить следующие (взято с сайта http://www.zajic.cz/).
Рис.1. Простая схема балансира.
Фактически это мощный стабилитрон, кстати, весьма точный, нагруженный 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 T1, пропуская через себя весь ток от ЗУ.
Рис.2. Простая схема балансира.
Аналогично работает и вторая схема (Рис.2.), но в ней всё тепло выделяется в транзисторе Т1, который греется как "чайник" - радиатор видно на картинке ниже.
На Рис.3 видно, что балансир состоит из 3-х каналов, каждый из которых выполнен по схеме Рис.2.
Конечно, промышленность уже давно освоила подобные схемы, которые выпускаются в виде законченной микросхемы. Их выпускают многие компании. Как пример, воспользуюсь материалами статьи о методах балансировки, опубликованной на сайте "РадиоЛоцман" http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=59991 , которые буду частично изменять или убирать, чтобы не раздувать статью.
Цитата:
" Пассивный метод балансировки.
Наиболее простое решение - выравнивание напряжения батарей. Например, микросхема BQ77PL900, обеспечивает защиту батарейных блоков с 5-10 последовательно включенными батареями. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком, как показано на рисунке 4. Сравнивая напряжение банки с пороговым, микросхема, при необходимости, включает режим балансировки для каждой из банок.
Рис.4. Микросхема BQ77PL900, и второй аналог, где лучше видно внутреннее устройство (взят отсюда http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm ).
На Рис. 5 показан принцип её действия. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, включаются полевые транзисторы и подключают параллельно ячейке аккумулятора нагрузочный резистор, через который ток идет в обход ячейки и уже не заряжает её. Остальные ячейки при этом продолжают заряжаться.
При падении напряжения, полевик закрывается и зарядка может продолжаться. Таким образом, в конце зарядки на всех ячейках будет присутствовать одинаковое напряжение.
При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего сопротивления батарей (см. Рис. 6.). Дело в том, что на этом сопротивлении падает часть напряжения когда через аккумулятор протекает ток, что вносит дополнительную погрешность в разброс напряжений при заряде.
Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызван разбаланс - разной ёмкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся заряженными на 100%.
В микросхеме BQ2084 используется улучшенная версия балансировки, также основанная на изменении напряжения, но, чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика.
Рис. 5. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению.
Рис. 6. Пассивный метод балансировки по напряжению.
Микросхемы семейства BQ20Zхх, используют для определения уровня заряда фирменную технологию Impedance Track, базирующуюся на определении состояния заряда батарей (СЗБ) и ёмкости батареи.
В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд Qneed, необходимый для полной её зарядки, после чего находится разница?Q между Qneed всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, которые разряжают все ячейки до уровня наименее заряженной, до тех пор, пока заряды не уравняются
Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время, как при при зарядке, так и при разрядке аккумулятора.
Однако, как уже говорилось выше, при разряде этот метод использовать глупо, т.к. энергии всегда не хватает.
Основное преимущество этой технологии - более точная балансировка батарей (см. рис. 7) по сравнению с другими пассивными методами.
Рис. 7. Пассивная балансировка, основанная на СЗБ и ёмкости.
Активная балансировка
По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. для передачи энергии от более заряженной ячейки к менее заряженной, вместо резисторов используются индуктивности и ёмкости, потери энергии в которых практически отсутствуют. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы без подзарядки.
Микросхема BQ78PL114, произведенная по фирменной технологии PowerPump, представляет собой новейший компонент компании TI для активной балансировки батарей и использует индуктивный преобразователь для передачи энергии.
PowerPump использует n-канальный p-канальный полевой транзисторы и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на Рис.8. Полевики и дроссель составляют собой понижающий/повышающий преобразователь.
Например, если BQ78PL114 определяет, что верхняя ячейка заряжена больше, чем нижняя, то на выводе PS3 формируется сигнал открывающий транзистор Q1 с частотой около 200 кГц и скважностью около 30%.
При закрытом Q2 получается стандартная схема понижающего импульсного стабилизатора, при этом внутренний диод Q2 замыкает ток индуктивности во время закрытого состояния ключа Q1.
При перекачке же из нижней ячейки в верхнюю, когда открывается только ключ Q2 получаем также типовую схему, но уже повышающего импульсного стабилизатора.
Ключи Q1 и Q2, естественно, одновременно никогда открываться не должны.
Рис. 8. Балансировка по технологии PowerPump.
Потери энергии при этом невелики и почти вся энергия перетекает из сильно заряженной в малозаряженную банку. Микросхема BQ78PL114 реализует три алгоритма балансировки:
- по напряжению на выводах батареи. Этот метод похож на пассивный метод балансировки, описанный выше, но при этом потерь почти нет;
- по напряжению холостого хода. В этом методе компенсируется различие во внутренних сопротивлениях батарей;
- по состоянию заряда батареи (основан на прогнозировании состояния батареи). Метод схож с тем, который использован в семействе микросхем BQ20Zxx при пассивной балансировке по СЗБ и емкости батареи. В этом случае точно определяется заряд, который необходимо передать от одной батареи к другой. Балансировка происходит в конце заряда. При использовании этого метода достигается наилучший результат (см. Рис. 9.)
Рис. 9. Активная балансировка по алгоритму выравнивания состояния заряда батареи .
Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с рассеиванием энергии. В случае балансировки батарейного блока ноутбука токи балансировки составляют 25…50 мА. Подбирая значение компонентов можно достичь эффективности балансировки в 12-20 раз лучшей, чем при пассивном методе с внутренними ключами. Типичного значения разбалансировки (менее 5%) можно достичь уже за один или два цикла.
Кроме того, технология PowerPump имеет и другие преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы - заряд, разряд и даже тогда, когда батарея, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем батарея, получающая энергию.
" (Конец частичного цитирования.)
Продолжим описание активных способов перекачки заряда из одной ячейки в другую следующей схемой, которую нашел в Интернете на сайте "HamRadio" http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm .
В качестве схемы перекачки заряда использован не индуктивный, а ёмкостной накопитель. Например, широко известны, так называемые, преобразователи напряжения на коммутируемых конденсаторах. Одна из массовых - это микросхема ICL7660 (MAX1044 или отечественный аналог КР1168ЕП1).
В основном микросхема используется для получения отрицательного напряжения, равного напряжению её питания. Однако, если отрицательное напряжение на её выходе окажется по каким-то причинам больше по величине, чем положительное напряжение питания, то микросхема начнёт качать заряд "в обратную сторону", забирая из минуса, и отдавая в плюс, т.е. она всё время пытается уравнять эти два напряжения.
Это свойство и использовано для балансировки двух аккумуляторных ячеек. Схема такого балансира приведена на Рис.10.
Рис.10. Схема балансира с ёмкостной перекачкой заряда.
Микросхема с высокой частотой подключает конденсатор С1 либо к верхнему аккумулятору G1, либо к нижнему G2. Соответственно С1 будет заряжаться от более заряженного и разряжаться в более разряженный, каждый раз перенося какую-то порцию заряда.
Со временем напряжения на аккумуляторах станут одинаковыми.
Энергия в схеме практически не рассеивается, КПД схему может достигать до 95…98% в зависимости от напряжения на аккумуляторах и выходного тока, который зависит от частоты переключения и ёмкости С1.
При этом собственно потребление микросхемы составляет всего несколько десятков микроампер, т.е. находится ниже уровня саморазряда многих аккумуляторов, и поэтому микросхему можно даже не отключать от аккумулятора и она будет постоянно неспешно выполнять работу по выравниванию напряжения на ячейках.
Реально ток перекачки может достигать 30…40мА, но КПД при этом снижается. Обычно десяток мА. Также напряжение питания может быть от 1.5 до 10В, а это значит, что микросхема может балансировать как обычные Ni-Mh пальчики, так и литиевые аккумуляторы.
Практическое замечание: на Рис.10. показана схема которая балансирует аккумуляторы с напряжением меньше 3В, поэтому её шестая ножка (LV) подключена к выходу 3. Для балансировки литиевых аккумуляторов с более высоким напряжением, вывод 6 нужно оставить свободным, никуда не подключать.
Также, этим методом возможно балансировать не только два, но и большее количество аккумуляторов. На Рис.11. показано, как это сделать.
Рис.11. Каскадирование микросхем перекачки заряда.
Ну, и напоследок, ещё одно схемное решение, реализующее ёмкостную передачу заряда от одного аккумулятора к другому.
Если в ICL7660 представляла собой мультиплексор, который мог подключать конденсатор С1 только к двум источникам, то взяв мультиплексор с большим числом каналов переключения, (3, 4, 8) можно одной микросхемой уравнивать напряжения уже на трех, четырех или восьми банках. Причем, банки могут быть соединены как угодно, как последовательно, так и параллельно. Главное, чтобы напряжение питания микросхемы было выше максимального напряжения на банках.
Схема так называемого "обратимого преобразователя напряжения", описанного в журнале "Радио" 1989, № 8, показана на Рис.12.
Рис.12. Обратимый преобразователь напряжения в качестве балансира на мультиплексоре 561КП1..
К выравнивающему устройству может быть подключено до четырех элементов. Конденсатор С2 поочередно подключается к различным элементам, обеспечивая перекачку энергии этих элементов и выравнивание напряжения на них
Число элементов в батарее может быть уменьшено. В этом случае вместо исключенных элементов достаточно подключить конденсатор емкостью 10..20мкФ.
Ток балансировки такого источника весьма мал до 2 мА. Но так как он работает постоянно, не отключаясь от аккумуляторов, то свою задачу - уравнивание зарядов ячеек, он выполняет.
В заключение хочу заметить, что современная элементная база позволяет выполнять балансировку ячеек составного аккумулятора практически без потерь и уже достаточно проста, чтобы перестать быть чем-то "крутым" и недоступным.
И поэтому радиолюбителю, конструирующему устройства на аккумуляторах, полагаю, стоит задуматься о переходе на активные методы перекачки энергии между банками в батарее, пусть хотя бы "по старинке", ориентируясь на равенство напряжений между аккумуляторными ячейками, а не зарядов в них.
Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас .
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:
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:
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:
Заряжает и греется, зараза:
Ну раз греется - надо охлаждать. Подобрал удобный корпус из алюминия, засверлил крышку под разъемы, крепеж и светодиоды. Круглые отверстия - круглой фрезой, прямоугольные - прямоугольной)
Собран и готов к отплытию:
Была идея покрасить в черный цвет, но уже лень. Да и баловство это - ёжику этому написано жить в машине под ногами поближе к прикуривателю.
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.
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?
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.
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
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.
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.
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
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.
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.
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.
Обсудить статью ОДНОВРЕМЕННАЯ ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ
Иногда есть необходимость в зарядке Li-Ion аккумулятора, состоящего из нескольких последовательно соединенных ячеек. В отличие от Ni-Cd аккумуляторов, для Li-Ion аккумуляторов необходима дополнительная система управления, которая будет следить за равномерностью их заряда. Зарядка без такой системы рано или поздно приведет к повреждению элементов аккумулятора, и вся батарея будет неэффективна и даже опасна.
Балансировка — это режим заряда, который контролирует напряжение каждой отдельной ячейки в батареи аккумулятора и не допускает превышения напряжения на них выше установленного уровня. Если одна из ячеек зарядиться раньше остальных, балансир берет на себя избыточную энергию и переводит ее в тепло, не допуская превышения напряжения заряда конкретной ячейки.
Для Ni-Cd аккумуляторов нет необходимости в такой системе, поскольку каждый элемент батареи при достижении своего напряжения перестает принимать энергию. Признак заряда Ni-Cd — это увеличение напряжения до определенного значения, с последующим его снижением на несколько десятков мВ и повышением температуры, поскольку излишняя энергия переходит в тепло.
Перед зарядкой Ni-Cd должны быть разряжены полностью, в противном случае возникает эффект памяти, который приведет к заметному снижению емкости, и восстановить ее можно только путем нескольких полных циклов заряда/разряда.
С Li-Ion аккумуляторами все наоборот. Разрядка до слишком низких напряжений вызывает деградацию и необратимое повреждение с увеличением внутреннего сопротивления и уменьшением емкости. Также зарядка полным циклом быстрее изнашивает аккумулятор, чем в режиме подзарядки. Аккумулятор Li-Ion не проявляет симптомов заряда как у Ni-Cd, так что зарядное устройство не может обнаружить момент полного заряда.
Li-Ion как правило заряжают по методу CC/CV, то есть, на первом этапе заряда устанавливают постоянный ток, например, 0,5 С (половина от емкости: так для для аккумулятора емкостью 2000 мАч ток заряда составит 1000мА). Далее при достижении конечного напряжения, которое предусмотрел производитель (например, 4,2 В), заряд продолжают стабильным напряжением. И когда ток заряда снизится до 10..30мА аккумулятор можно считать заряженным.
Если у нас батарея аккумуляторов (несколько аккумуляторов соединенных последовательно), то мы заряжаем, как правило, только через клеммы на обоих концах всего пакета. При этом мы не имеем никакой возможности контролировать уровень заряда отдельных звеньев.
Возможно, что будет так, что один из элементов будет иметь более высокое внутреннее сопротивление или чуть меньшую емкость (в результате износа аккумулятора), и он быстрее остальных достигнет напряжение заряда 4,2 В, в тоже время у остальных будет только по 4,1 В, и вся батарея не покажет полный заряд.
Когда напряжение батареи достигнет напряжение заряда, может оказаться так, что слабый элемент зарядиться до 4,3 В или даже больше. С каждым таким циклом такой элемент будет все больше и больше изнашиваться, ухудшая свои параметры, до тех пор, пока это не приведет к выходу из строя всей батареи. Мало того, химические процессы в Li-Ion нестабильны и при превышении напряжения заряда значительно повышается температура аккумулятора, что может привести к самовозгоранию.
Простой балансир для li-ion аккумуляторов
Что же тогда делать? Теоретически самый простой способ заключается в использовании стабилитрона, подключенного параллельно каждому элементу батареи. При достижении напряжения пробоя стабилитрона, он начнет проводить ток, не позволяя повышаться напряжению. К сожалению, стабилитрон на напряжение 4,2 В не так легко найти, а 4,3 В уже будет слишком много.
Выходом из данной ситуации может быть применение популярного . Правда в этом случае ток нагрузки не должен превышать более 100 мА, что очень мало для заряда. Поэтому ток необходимо усилить при помощи транзистора. Такая схема, подключенная параллельно к каждой ячейки, защитит ее от перезаряда.
Это слегка измененная типовая схема подключения TL431, в datasheet ее можно найти под названием „hi-current shunt regulator” (сильноточный регулятор шунта).
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.
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:
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 (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:
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 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:
Загрузка...