Литий: балансировка или раздельный заряд? Блог от said_t Самодельные балансиры для зарядки li ion аккумуляторов

Литиевые аккумулятор (Li-Io, Li-Po) являются самыми популярными на данный момент перезаряжаемыми источниками электрической энергии. Литиевый аккумулятор имеет номинальное напряжение 3.7 Вольт, именно оно указывается на корпусе. Однако, заряженный на 100% аккумулятор имеет напряжение 4.2 В, а разряженный “в ноль” – 2.5 В, вообще нет смысла разряжать аккумулятор ниже 3 В, во-первых, он от этого портится, во-вторых, в промежутке от 3 до 2.5 В аккумулятор отдаёт всего пару процентов энергии. Таким образом, рабочий диапазон напряжений принимаем 3 – 4.2 Вольта. Мою подборку советов по эксплуатации и хранению литиевых аккумуляторов вы можете посмотреть вот в этом видео

Есть два варианта соединения аккумуляторов, последовательное и параллельное.

При последовательном соединении суммируется напряжение на всех аккумуляторах, при подключении нагрузки с каждого аккумулятора идет ток, равный общему току в цепи, в общем сопротивление нагрузки задает ток разряда. Это вы должны помнить со школы. Теперь самое интересное, емкость. Емкость сборки при таком соединении по хорошему равна емкости аккумулятора с самой маленькой емкостью. Представим, что все аккумуляторы заряжены на 100%. Смотрите, ток разряда у нас везде одинаковый, и первым разрядится аккумулятор с самой маленькой емкостью, это как минимум логично. И как только он разрядится, дальше нагружать данную сборку будет уже нельзя. Да, остальные аккумуляторы еще заряжены. Но если мы продолжим снимать ток, то наш слабый аккумулятор начнет переразряжаться, и выйдет из строя. То есть правильно считать, что емкость последовательно соединенной сборки равна емкости самого малоемкого, либо самого разряженного аккумулятора. Отсюда делаем вывод: собирать последовательную батарею нужно во первых из одинаковых по емкости аккумуляторов, и во вторых, перед сборкой они все должны быть заряжены одинаково, проще говоря на 100%. Существует такая штука, называется BMS (Battery Monitoring System), она может следить за каждым аккумулятором в батарее, и как только один из них разрядится, она отключает всю батарею от нагрузки, об этом речь пойдёт ниже. Теперь что касается зарядки такой батареи. Заряжать ее нужно напряжением, равным сумме максимальных напряжений на всех аккумуляторах. Для литиевых это 4.2 вольта. То есть батарею из трех заряжаем напряжением 12.6 в. Смотрите что происходит, если аккумуляторы не одинаковые. Быстрее всех зарядится аккумулятор с самой маленькой емкостью. Но остальные то еще не зарядились. И наш бедный аккумулятор будет жариться и перезаряжаться, пока не зарядятся остальные. Переразряда, я напомню, литий тоже очень сильно не любит и портится. Чтобы этого избежать, вспоминаем предыдущий вывод.

Перейдем к параллельному соединению. Емкость такой батареи равна сумме емкостей всех аккумуляторов в нее входящих. Разрядный ток для каждой ячейки равен общему току нагрузки, деленному на число ячеек. То есть чем больше акумов в такой сборке, тем больший ток она может отдать. А вот с напряжением происходит интересная вещь. Если мы собираем аккумуляторы, имеющие разное напряжение, то есть грубо говоря заряженные до разного процента, то после соединения они начнут обмениваться энергией до тех пор, пока напряжение на всех ячейках не станет одинаковым. Делаем вывод: перед сборкой акумы опять же должны быть заряжены одинаково, иначе при соединении пойдут большие токи, и разряженный акум будет испорчен, и скорее всего может даже загореться. В процессе разряда аккумуляторы тоже обмениваются энергией, то есть если одна из банок имеет меньшую емкость, остальные не дадут ей разрядиться быстрее их самих, то есть в параллельной сборке можно использовать аккумуляторы с разной емкостью. Единственное исключение – работа при больших токах. На разных аккумуляторах под нагрузкой по-разному просаживается напряжение, и между “сильным” и “слабым” акумом начнёт бежать ток, а этого нам совсем не нужно. И то же самое касается зарядки. Можно абсолютно спокойно заряжать разные по емкости аккумуляторы в параллели, то есть балансировка не нужна, сборка будет сама себя балансировать.

В обоих рассмотренных случаях нужно соблюдать ток зарядки и ток разрядки. Ток зарядки для Li-Io не должен превышать половины ёмкости аккумулятора в амперах (аккумулятор на 1000 mah – заряжаем 0.5 А, аккумулятор 2 Ah, заряжаем 1 А). Максимальный ток разрядки обычно указан в даташите (ТТХ) аккумулятора. Например: ноутбучные 18650 и аккумы от смартфонов нельзя грузить током, превышающим 2 ёмкости аккумулятора в Амперах (пример: акум на 2500 mah, значит максимум с него нужно брать 2.5*2 = 5 Ампер). Но существуют высокотоковые аккумуляторы, где ток разряда явно указан в характеристиках.

Особенности зарядки аккумуляторов китайскими модулями

Стандартный покупной зарядно-защитный модуль за 20 рублей для литиевого аккумулятора (ссылка на Aliexpress )
(позиционируется продавцом как модуль для одной банки 18650) может и будет заряжать любой литиевый аккумулятор вне зависимости от формы, размера и емкости до правильного напряжения 4,2 вольта (напряжение полностью заряженного аккумулятора, под завязку). Даже если это огромный литиевый пакет на 8000mah (разумеется речь идет про одну ячейку на 3,6-3,7v). Модуль дает зарядный ток 1 ампер , это значит что им можно без опаски заряжать любой аккумулятор емкостью от 2000mah и выше (2Ah, значит зарядный ток – половина емкости, 1А) и соответственно время зарядки в часах будет равно емкости аккумулятора в амперах (на самом деле чуть больше, полтора-два часа на каждые 1000mah). Кстати аккумулятор можно подключать к нагрузке уже во время заряда.

Важно! Если вы хотите заряжать аккумулятор меньшей емкости (например одну старую банку на 900mah или крошечный литиевый пакетик на 230mah), то зарядный ток 1А это много, его следует уменьшить. Это делается заменой резистора R3 на модуле согласно приложенной таблице. Резистор необязательно smd, подойдет самый обычный. Напоминаю, что зарядный ток должен составлять половину от емкости аккумулятора (или меньше, не страшно).

Но если продавец говорит, что этот модуль для одной банки 18650, можно ли им заряжать две банки? Или три? Что если нужно собрать емкий пауэрбанк из нескольких аккумуляторов?
МОЖНО! Все литиевые аккумуляторы можно подключать параллельно (все плюсы к плюсам, все минусы к минусам) ВНЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕМКОСТИ. Спаянные параллельно аккумуляторы сохраняют рабочее напряжение 4,2v а их емкость складывается. Даже если вы берете одну банку на 3400mah а вторую на 900 – получится 4300. Аккумуляторы будут работать как одно целое и разряжаться будут пропорциональной своей емкости.
Напряжение в ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ сборке ВСЕГДА ОДИНАКОВО НА ВСЕХ АККУМУЛЯТОРАХ! И ни один аккумулятор физически не может разрядиться в сборке раньше других, здесь работает принцип сообщающихся сосудов. Те, кто утверждают обратное и говорят что аккумуляторы с меньшей емкостью разрядятся быстрее и умрут – путают с ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ сборкой, плюйте им в лицо.
Важно! Перед подключением друг к другу все аккумуляторы должны иметь примерно одинаковое напряжение, чтобы в момент спаивания между ними не потекли уравнительные токи, они могут быть очень большими. Поэтому лучше всего перед сборкой просто зарядить каждый аккумулятор по отдельности. Разумеется время зарядки всей сборки будет увеличиваться, раз вы используете все тот же модуль на 1А. Но можно спараллелить два модуля, получив зарядный ток до 2А (если ваше зарядное устройство может столько дать). Для этого нужно соединить перемычками все аналогичные клеммы модулей (кроме Out- и B+, они продублированы на платах другими пятаками, уже и так окажутся соединенными). Либо можно купить модуль (ссылка на Aliexpress ), на котором микросхемы уже стоят в параллель. Этот модуль способен заряжать током в 3 Ампера.

Простите за совсем очевидные вещи, но люди по-прежнему путают, поэтому придется обсудить разницу между параллельным и последовательным соединением.
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ соединение (все плюсы к плюсам, все минусы к минусам) сохраняет напряжение аккумулятора 4,2 вольта, но увеличивает емкость, складывая все емкости вместе. Во всех пауэрбанках применяется параллельное соединение нескольких аккумуляторов. Такая сборка по-прежнему может заряжаться от USB и повышающим преобразователем напряжение поднимается до выходных 5v.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ соединение (каждый плюс к минусу последующего аккумулятора) дает кратное увеличение напряжения одной заряженной банки 4,2в (2s – 8,4в, 3s – 12,6в и так далее), но емкость остается прежняя. Если используются три аккумулятора на 2000mah, то емкость сборки – 2000mah.
Важно! Считается что для последовательной сборки священно обязательно нужно использовать только аккумуляторы одинаковой емкости. На самом деле это не так. Можно использовать разные, но тогда емкость батареи будет определяться НАИМЕНЬШЕЙ емкостью в сборке. Складываете 3000+3000+800 – получаете сборку на 800mah. Тогда спецы начинают кукарекать, что тогда менее емкий аккумулятор будет быстрее разряжаться и умрет. А это неважно! Главное и действительно священное правило – для последовательной сборки всегда и обязательно нужно использовать плату защиты BMS на нужное количество банок. Она будет определять напряжение на каждой ячейке и отключит всю сборку, если какая-то разрядится первой. В случае с банкой на 800 она и разрядится, БМС отключит нагрузку от батареи, разряд остановится и остаточный заряд по 2200mah на остальных банках уже не будет иметь значения – нужно заряжаться.

Плата BMS в отличии от одинарного зарядного модуля НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ЗАРЯДНЫМ УСТРОЙСТВОМ последовательной сборки. Для зарядки нужен настроенный источник нужного напряжения и тока . Об этом Гайвер снял видео, поэтому не тратьте время, посмотрите его, там об этом максимально досконально.

Можно ли заряжать последовательную сборку, соединив несколько одинарных зарядных модулей?
На самом деле при некоторых допущениях – можно. Для каких-то самоделок зарекомендовала себя схема с использованием одинарных модулей, соединенных также последовательно, но для КАЖДОГО модуля нужен СВОЙ ОТДЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ. Если заряжаете 3s – берёте три телефонных зарядки и подключаете каждую к одному модулю. При использовании одного источника – короткое замыкание по питанию , ничего не работает. Такая система также работает и как защита сборки (но модли способны отдавать не более 3 ампер) Либо же просто заряжайте сборку побаночно, подключая модуль к каждому аккумулятору до полного заряда.

Индикатор заряженности аккумулятора

Тоже насущная проблема – хотя бы примерно знать сколько процентов заряда остается на аккумуляторе, чтобы он не разрядился в самый ответственны момент.
Для параллельных сборок на 4,2 вольта самым очевидным решением будет сразу приобрести готовую плату пауэрбанка, на которой уже есть дисплей отображающий проценты заряда. Эти проценты не супер-точные, но всё же помогают. Цена вопроса примерно 150-200руб, все представлены на сайте Гайвера. Даже если вы собираете не пауэрбанк а что-то другое, плата эта довольно дешевая и небольшая, чтобы разместить ее в самоделке. Плюс она уже имеет функцию заряда и защиты аккумуляторов.
Есть готовые миниатюрные индикаторы на одну или несколько банок, 90-100р
Ну а самым дешевым и народным методом является использование повышающего преобразователя МТ3608 (30 руб.), настроенного на 5-5,1v. Собственно если вы делаете пауэрбанк на любом преобразователе на 5 вольт, то даже не нужно ничего докупать. Доработка заключается в установке красного или зеленого светодиода (другие цвета будут работать на другом выходном напряжении, от 6в и выше) через токоограничивающий резистор 200-500ом между выходной плюсовой клеммой (это будет плюс) и входной плюсовой (для светодиода это получится минус). Вы не ошиблись, между двумя плюсами! Дело в том, что при работе преобразователя между плюсами создается разница напряжения, +4,2 и +5в дают между собой напряжение 0,8в. При разряде аккумулятора его напряжение будет падать, а выходное с преобразователя всегда стабильно, значит разница будет увеличиваться. И при напряжении на банке 3,2-3,4в разница достигнет необходимой величины, чтобы зажечь светодиод – он начинает показывать, что пора заряжаться.

Чем измерять емкость аккумуляторов?

Мы уже привыкли в мнению, что для замера нужен Аймакс b6, а он стоит денег и для большинства радиолюбителей избыточен. Но есть способ замерить емкость 1-2-3баночного аккумулятора с достаточной точностью и дешево – простой USB-тестер.

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

Зачем вообще нужны балансиры для 12-ти вольтовые АКБ? Когда у вас система на 12 вольт, то все АКБ сколько бы их небыло в параллельном соединении, и у них всегда одинаковое напряжение. Но когда мы переходим на 24 или 48 вольт, то появляется проблема с разным напряжением на последовательно соединённых аккумуляторах. Из-за этого при заряде некоторые акб уходят в перезаряд и начинают "закипать", а другие недозаряжаются, и в итоге вся цепочка АКБ быстро теряет ёмкость и в общем приходит в негодность.

И даже полностью одинаковые АКБ со временем всё равно разбегаются по напряжению, по-этому не спасёт от проблемы даже купленные АКБ из одной партии. Для решения этой проблемы давно применяются различные балансировочные устройства, это или отдельные балансиры на каждый АКБ, или блоки на 24 и 48 вольт. Балансиры позволяют значительно продлить срок службы АКБ.

Я сам в скором будущем буду переходить на 24 вольта, так-как токи в системе стали уже большими и мне тоже понадобятся балансиры. В поисках я нашёл несколько вариантов различных по возможностям, цене и принципу работы, и ниже я сделаю обзор на эти балансировочные устройства.

VICTRON BATTERY BALANCER аккумуляторный балансир

Первым мне попались вот такие балансиры (фото ниже). Это судя по описанию активные балансиры с током балансировки 0.7А. Активные это значит что энергия с более заряженного АКБ переливается в менее заряженный, а не просто сжигается на сопротивлении. Но до конца я в этом не уверен так как описания на разных сайтах разнятся. Этот балансир для двух АКБ, то-есть на 24 вольта, с добавлением АКБ количество балансиров нужно увеличивать. На 48 вольт нужно уже три таких балансира.

Этот балансир не имеет возможности настройки под различные типы свинцовых аккумуляторов. Есть индикация работы, и реле тревоги, оно замыкается если на акб различие по напряжению превышает 0.2 вольта. Цена на этот балансир просто убила, на момент написания статьи цена на сайте была 6220 рублей . На 48 вольт их надо три штуки и в общем нужно отдать 18660 рублей плюс доставка.

Схема подключения этих балансиров к АКБ. Светодиодные индикаторы и реле сигнализации:

Зеленый: включен, когда напряжение АКБ более 27,3 В
Оранжевый: включен при отклонении более 0,1 В
Красный: тревога (отклонение более 0, 2 В)
Реле сигнализации: нормально открытый контакт замыкается, когда включается красный светодиод. Контакт остается замкнутым до уменьшения отклонения до 0,14 В, или до снижения напряжения АКБ до 26,6 В. Сброс реле сигнализации осуществляется при помощи кнопки, подключенной к двум терминалам.

Из минусов слишком высокая цена, слабый ток балансировки всего 0,7А, и нет возможности настройки под свой тип АКБ. Есть более лучшие аналоги по приемлемой цене.

Устройство выравнивания заряда ЭЛНИ 2/12 на 2АКБ 12В

Нашёл так-же ещё вот такой балансир. Это уже явно активный балансир, явно превосходящий первый по току балансировки, у этого ток 5А в сравнении 0.7А у первого. Цена правда тоже не маленькая - 3600-3900 руб на разных сайтах.

Этот балансир постоянно отслеживает напряжение соединённых последовательно акб, и выравнивает напряжение переливая энергию между АКБ. И это он делает не только во время заряда, когда АКБ уже почти зарядились, а постоянно если есть дисбаланс. И ток балансировки здесь может достигать 5А, это значит что балансир может справляться даже с большим дисбалансом по ёмкости.

На этом на наших сайтах я не нашёл ничего оригинального, что бы не имелось на алиэкспресс. Есть конечно много балансиров, но все они куплены в китае и продаются у нас втридорого. Так зачем переплачивать если можно самим купить на алиэкспресс то что предлагают наши перекупщики.

Активный балансир для 12в АКБ

На алиэкспресс я нашёл вот такой балансир. Это активный балансир с максимальным током балансировки 10А. Он отслеживает напряжение на последовательно соединённых АКБ и выравнивает напряжение переливая энергию между АКБ с точностью 10mV. Каждый балансир ставится на свой аккумулятор, и балансиры соединяются между собой. Посмотреть описание и купить можно здесь Балансир 12V . Цена на момент написания статьи 1700 рублей, и это не дорого за такой мощный активный балансир.

Производитель этих балансиров выпускает несколько различных типов балансиров. В продаже есть балансиры на 2 вольта для отдельных свинцово-кислотных "банок". Также балансиры для литий-ионных АКБ на 3,6 и 4,2 вольта. И балансиры для аккумуляторов на 6 и 12 вольт. Все балвнсиры можно посмотреть здесь - Каталог балансиров 2/3.6/3.8/4.2/6/12 вольт

Балансир аккумуляторый на 24 вольта (12*2)

Так-же нашёл я ещё один популярный по заказам и дешовый балансир для аккмуляторов. Это балансир для двух АКБ по 12 вольт, можно ставить несколько если система на 48 вольт и выше. Ток балансировки до 5А что довольно неплохо. Единственное я так и не понял активный он или пассивный, но судя по размерам и отсутствию радиатора это активный балансир. Цена этого балансира 1760 рублей, посмотреть можно здесь - Двойной Балансир для 12в АКБ

Цена очень привлекательная, и ток балансировки очень приличный 5А, по-этому справится даже с болшой разницей по ёмкости и напряжению между АКБ в системе.

Балансир для (12×4) 48 вольт АКБ

Вот ещё один отличный активный балансир для аккумуляторов, он сделан в виде блока на 48 вольт, то-есть для четырёх последовательно соединённых АКБ. Ток балансировки до 10 ампер, и это просто отлично, позволит ликвидировать даже большой дисбаланс. Посмотреть полное описание и купить его моно по этой сылке на алиэкспресс - Балансир для 48в АКБ (12×4) , цена 3960 рублей.

Пока это всё что мне удалось найти, хотя конечно не всё, но это основное. Есть контроллеры для солнечных батарей со встроенными балансирами, но это очень дорого пока. Есть зарядные устройства с балансировкой, но здесь они неуместны. Есть всякие электронные схемы, которые можно заставить работать как балансиры, есть варианты самостоятельного изготовления балансиров.

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 .

При работе над некоторыми конструкциями питающимися от автономного источника питания, возник вопрос в выборе последних.

На мой взгляд из доступных лучшие LI-ION аккумуляторы, тем более, что у меня есть некое количество незащищенных банок от ноутбуковских батарей. Но с ними возникает уже широко известная проблема - их сложный алгоритм зарядки при несоблюдении которого постоянно не дозаряжен аккумулятор быстро выйдет со строя, а при перезаряде также, но с активным разрушением. Резкий перезаряд наступает при превышении напряжения на заряжаемом элементе на 1-2 сотых вольта от требуемого, проследить такое практически невозможно, поэтому производители рекомендуют автоматические ограничители.

Есть решения и готовые устройства для этих целей как приставки к зарядным устройствам для незащищенных аккумуляторов, так и встраиваемые в аккумулятор.

В общем, для незащищенных аккумуляторов нужен балансир - ограничитель напряжения заряда и защита от чрезмерного разряда. Делать множество мелких девайсов на каждую банку пока нету смысла, решил сделать приставку к зарядному устройству.

Интересное и простое решение нашлось у чехов . Такой себе мощный стабилитрон, срабатывающий при граничном для элемента напряжении. Повторяемость схемы отличная, при заведомо исправных деталях.

Схема одного модуля.

Балансир составлен из трех идентичных независимых модулей и предназначен для зарядки одно элементного аккумулятора, батареи из двух или трех последовательно соединенных банок.

Зарядка одного Li-ION элемента возможна различными напряжениями, балансир здесь служит и как делитель напряжения если зарядное рассчитано на большее количество элементов..

Также и при зарядке двух последовательных элементов от различных напряжений

Заряд батареи из трех элементов. Для 4 и более банок, думаю решение понятно - увеличение количества модулей в схеме.

Вид готового ограничителя, реализуемого фирмой "E-Fly".

То, что получилось у меня. С таким теплоотводом заряжая током до 1-3 ампер соединеных несколько батарей паралельно или при очень большой разницы в емкости элементов по окончании заряда могу не бояться за здоровье транзисторов.

С задранной защитной панелью.

При исполнении без теплоотводов транзисторы смогут выдержать ток до 0.5 А, при больших токах (до 3-х Ампер) нужна хорошая теплоотдача.

Нагрев транзисторов происходит только при достижении аккумулятора граничного напряжения зарядки, когда лишнее напряжение будет гасится сопротивлением открытого транзистора. В этом и заключается принцип защиты от перезаряда. Это очень удобно при зарядке последовательной батареи с неравномерно заряженных элементов. При достижении граничного напряжения элемента, открывается транзистор и основной ток идет мимо аккумулятора, другие аккумуляторы батареи, которые еще не достигли конечного заряда, продолжают заряжаться. Отключенный таким образом аккумулятор продолжает заряжаться очень малым током стабилизированного напряжения (капельный заряд). При срабатывании защиты всех модулей, заряд условно закончен и систему можно отключать, для простого устройства такая работа вполне прилична.

Настройка

Порог срабатывания ограничителя 4.200 вольта, при первоначальной настройке устройства нужно с большой точностью сделать регулировку этого значения.

На устройство без подсоединенных аккумуляторов подается напряжение от источника питания, зарядного устройства с ограничителем тока в пределах 0.15-1А. Напряжение можно подавать как на отдельный модуль 4.5-5 вольт так и на всю схему 13.5-15 вольт, и подстроечным резистором в каждом модуле выставляем порог зажигания светодиода 4.16 вольта, контролируя на выходных клеммах напряжение. Все модули должны быть отрегулированы на один порог с точностью до 0.001 вольта.

Даже новые, но дешевые вольтметры и прочие комбинированные приборы имеют погрешности, это надо учесть. Источник питания использовать стабилизированный с хорошей фильтрацией. Зарядное устройство для которого предназначен этот ограничитель также должно иметь функцию ограничения тока, хороший выходной фильтр и быть рассчитано на напряжение, которое равно суммарному напряжению батареи заряженных аккумуляторов + 1-3 вольта. Если использовать этот девайс в качестве балансира для выравнивания банок планируется с готовым зарядным для аккумуляторов в котором уже автоматически контролируется напряжение полного заряда с последующим отключением, нужно узнать порог этого отключения, и регулировать ограничитель уже под имеющееся зарядное устройство, это может быть 4.10 - 4.19 вольт или типа того.

Я регулировал порог срабатывания так:

Последовательно соединил лабораторный блок питания, автомобильную лампочку 12 вольт 1 ампер в качестве ограничителя тока и сам ограничитель. Подал напряжение 15 вольт и меряя на выходе модуля мультиметром напряжение регулировкой подстроечного добивался показания 4.16 вольта на каждом модуле, так как не имелось под руками точнее прибора, да и блок питания имеет на выходе некую пульсацию напряжения не смотря на все фильтра. Этот блок питания и служит мне зарядным устройством.

Вместо указанных мощных транзисторов можно применить КТ818, цоколевка у них немного иная и без переделки печатной платы их можно установить со стороны дорожек, припаяв как корпуса DPAK или “лицом“ в обратную сторону.

Печатная плата в формате Sprint-layout 6.0 , при печати делать зеркально. Позиционные номера деталей указаны в лае.