Литий: балансировка или раздельный заряд? Балансир для li-ion аккумуляторов своими руками. Схема и описание Балансир для батареи литиевых аккумуляторов схема

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.

Обычно в любой системе, состоящей из нескольких последовательно включенных батарей, возникает проблема разбалансировки заряда отдельных батарей. Выравнивание заряда - это метод проектирования, позволяющий увеличить безопасность эксплуатации батарей, время работы без подзарядки и срок службы.Новейшие микросхемы защиты батарей и указатели заряда компании Texas Instruments - BQ2084, семейства BQ20ZXX, BQ77PL900 и BQ78PL114, представленные в производственной линейке компании, - необходимы для реализации этого метода.

ЧТО ТАКОЕ РАЗБАЛАНСИРОВКА БАТАРЕЙ?

Перегрев или перезаряд ускоряют износ батареи и могут вызвать воспламенение или даже взрыв. Программно-аппаратные средства защиты уменьшают опасность. В блоке из многих батарей, включенных последовательно (обычно такие блоки применяются в лаптопах и медицинском оборудовании) существует возможность разбалансировки батарей, что ведет к их медленной, но неуклонной деградации.
Не существует двух одинаковых батарей, всегда есть небольшие отличия в состоянии заряда батарей (СЗБ), саморазряда, емкости, сопротивлении и температурных характеристиках, даже если речь идет о батареях одинаковых типов, от одного производителя и даже из одной производственной партии. При формировании блока из нескольких батарей производитель обычно подбирает схожие по СЗБ батареи посредством сравнения напряжений на них. Однако отличия в параметрах отдельных батарей все равно остаются, а со временем могут и возрасти. Большинство зарядных устройств определяет полный заряд по суммарному напряжению всей цепочки последовательно включенных батарей. Поэтому напряжение заряда отдельных батарей может варьироваться в широких пределах, но не превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда. Однако в слабом звене - батарее с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением напряжение может быть выше, чем на остальных полностью заряженных батареях. Дефектность такой батареи проявится позже при длительном цикле разряда. Высокое напряжение такой батареи после завершения заряда свидетельствует об ее ускоренной деградации. При разряде по тем же причинам (большое внутренне сопротивление и малая емкость) на этой батарее будет наименьшее напряжение. Сказанное означает, что при заряде на слабой батарее может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные батареи блока еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов батарей.

МЕТОДЫ БАЛАНСИРОВКИ

Разбалансировка батарей оказывает существенное нежелательное воздействие на время работы без подзарядки и срок службы. Выравнивание напряжения и СЗБ батарей лучше всего производить при их полном заряде. Существуют два метода балансировки батарей - активный и пассивный. Последний иногда называют «резисторной балансировкой». Пассивный метод довольно прост: разряд батарей, нуждающихся в балансировке, производят через байпасные цепи, рассеивающие мощность. Эти байпасные цепочки могут быть интегрированы в батарейный блок или помещаться во внешней микросхеме. Такой метод предпочтительно использовать в недорогих приложениях. Практически вся избыточная энергия от батарей с большим зарядом рассеивается в виде тепла - это главный недостаток пассивного метода, т.к. он сокращает время работы батарей без подзарядки. В активном методе балансировки для передачи энергии от батарей с большим зарядом к менее заряженным батареям используются индуктивности или емкости, потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод существенно более эффективен, нежели пассивный. Конечно, за повышение эффективности приходится платить - использовать дополнительные относительно дорогостоящие компоненты.

ПАССИВНЫЙ МЕТОД БАЛАНСИРОВКИ

Наиболее простое решение - выравнивание напряжения батарей. Например, микросхема BQ77PL900, обеспечивающая защиту батарейных блоков с 5-10 последовательно включенными батареями, используется в инструментах без токопроводящего кабеля, скутерах, бесперебойных источниках питания и медицинском оборудовании. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком, как показано на рисунке 1. Сравнивая напряжение батарей с запрограммированными порогами, микросхема при необходимости включает режим балансировки. На рисунке 2 показан принцип действия. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, заряд прекращается, подключаются байпасные цепочки. Заряд не возобновляется до тех пор, пока напряжение батареи ни снизится ниже порогового и процедура балансировки прекратится.

Рис. 1. Микросхема BQ77PL900, используемая в автономном
режиме работы для защиты блока батарей

При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего импеданса батарей (см. рис. 3). Дело в том, что внутренний импеданс вносит свой вклад в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызвана разбалансировка напряжений: разной емкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся на 100% заряженными. В микросхеме указателя заряда BQ2084 используется улучшенная версия балансировки, основанная на изменении напряжения. Чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика. Другое преимущество BQ2084 - измерение и анализ напряжения всех батарей, входящих в блок. Однако в любом случае этот метод применим лишь в режиме зарядки.

Рис. 2. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению

Рис. 3. Пассивный метод балансировки по напряжению
неэффективно использует емкость батарей

Микросхемы семейства BQ20ZXX, используют для определения уровня заряда фирменную технологию Impedance Track, базирующуюся на определении СЗБ и емкости батареи. В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд Q NEED , необходимый для достижения полностью заряженного состояния, после чего находится разница ΔQ между Q NEED всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, через которые происходит балансировка батареи до состояния ΔQ = 0. Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время: и при зарядке, и при разрядке батарей. При использовании технологии Impedance Track достигается более точная балансировка батарей (см. рис. 4).

Рис. 4.

АКТИВНАЯ БАЛАНСИРОВКА

По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. для передачи энергии от более заряженной батареи к менее заряженной вместо резисторов используются индуктивности и емкости, 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 MOSFET и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на рисунке 5. MOSFET и дроссель составляют промежуточный понижающий/повышающий преобразователь. Если BQ78PL114 определяет, что верхней батарее нужно передать энергию в нижнюю, на выводе PS3 формируется сигнал частотой около 200 кГц с коэффициентом заполнения около 30%. Когда ключ Q1 открыт, энергия из верхней батареи запасается в дросселе. Когда ключ Q1 закрывается, энергия, запасенная в дросселе, через обратный диод ключа Q2 поступает в нижнюю батарею.

Рис. 5.

Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе. Микросхема BQ78PL114 реализует три алгоритма балансировки:

• по напряжению на выводах батареи. Этот метод похож на пассивный метод балансировки, описанный выше;
• по напряжению холостого хода. В этом методе компенсируется различие во внутренних сопротивлениях батарей;
• по СЗБ (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. 6)

Рис. 6.

Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с внутренними байпасными ключами. 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 чем 5%) можно достичь за один или два цикла.
Кроме того, технология PowerPump имеет и другие очевидные преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы - заряд, разряд и даже тогда, когда батарея, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем батарея, получающая энергию. По сравнению с пассивным методом теряется гораздо меньше энергии.

ОБСУЖДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО МЕТОДА БАЛАНСИРОВКИ

Технология PowerPump быстрее производит балансировку. При разбалансировке 2% батарей емкостью 2200 мА·ч она может быть произведена за один или два цикла. При пассивной балансировке встроенные в батарейный блок силовые ключи ограничивают максимальное значение тока, поэтому может потребоваться много больше циклов балансировки. Процесс балансировки может быть даже прерван при большой разнице параметров батарей.
Увеличить скорость пассивной балансировки можно за счет использования внешних компонентов. На рисунке 7 приведен типичный пример такого решения, которое можно использовать совместно с микросхемами BQ77PL900, BQ2084 или семейства BQ20ZXX. Вначале включается внутренний ключ батареи, который создает небольшой ток смещения, протекающий через резисторы R Ext1 и R Ext2 , включенные между выводами батареи и микросхемой. Напряжение «затвор-исток» на резисторе RExt2 включает внешний ключ, и ток балансировки начинает протекать через открытый внешний ключ и резистор R Bal .

Рис. 7. Принципиальная схема пассивной балансировки
с использованием внешних компонентов

Недостаток этого метода заключается в том, что одновременно не может происходить балансировка смежной батареи (см. рис. 8а). Это происходит из-за того, что когда открыт внутренний ключ смежной батареи, через резистор R Ext2 не может протекать ток. Поэтому ключ Q1 остается закрытым даже тогда, когда открыт внутренний ключ. На практике эта проблема не имеет большого значения, т.к. при таком способе балансировки батарея, подключенная к Q2 быстро балансируется, а следом за ней балансируется и батарея, подключенная к ключу Q2.
Другая проблема заключается в возникновении высокого напряжения сток-исток V DS , которое может возникнуть когда балансируется каждая вторая батарея. На рисунке 8б показан случай, когда балансируются верхняя и нижняя батареи. При этом напряжение V DS среднего ключа может превысить максимально допустимое. Решение этой проблемы - ограничение максимального значения резистора R Ext или исключение возможности одновременной балансировки каждой второй батареи.

Метод быстрой балансировки - новый путь улучшения безопасности эксплуатации батарей. При пассивной балансировке цель заключается в том, чтобы сбалансировать емкость батарей, но из-за малых токов балансировки это возможно лишь в конце цикла заряда. Другими словами, перезаряд плохой батареи может быть предотвращен, но это не увеличит время непрерывной работы без подзаряда, т.к. слишком много энергии будет потеряно в байпасных резистивных цепочках.
При использовании технологии активной балансировки PowerPump одновременно достигаются две цели - балансировка емкости в конце цикла заряда и минимальное различие напряжений в конце цикла разряда. Энергия запасается и отдается слабой батарее, а не рассеивается в виде тепла в байпасных цепях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Корректная балансировка напряжения батарей - один из путей увеличения безопасности эксплуатации батарей и увеличения срока их службы. Новые технологии балансировки отслеживают состояние каждой батареи, что позволяет увеличить срок их службы и повысить безопасность эксплуатации. Технология быстрой активной балансировки PowerPump увеличивает время работы без подзарядки, а также позволяет максимально и с высокой эффективностью сбалансировать батареи в конце цикла разряда.

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




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.