Схема балансира для li ion аккумуляторов. Балансир для литий-ионных аккумуляторов: схемы, принцип работы и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое балансир для литий-ионных аккумуляторов. Как работает плата балансировки Li-ion батарей. Какие бывают схемы балансиров. Для чего нужна балансировка литиевых аккумуляторов. Как сделать балансир своими руками.

Содержание

Что такое балансир для литий-ионных аккумуляторов

Балансир для литий-ионных аккумуляторов — это электронное устройство, предназначенное для выравнивания напряжения на отдельных ячейках аккумуляторной батареи при заряде и разряде. Основные функции балансира:

Защита от перезаряда отдельных ячеек
Выравнивание напряжения на всех ячейках батареи
Увеличение срока службы и емкости аккумулятора
Повышение безопасности эксплуатации литиевых батарей

Балансиры особенно важны для литий-ионных аккумуляторов, так как они чувствительны к перезаряду и глубокому разряду. Без балансировки разница напряжений между ячейками со временем увеличивается, что снижает емкость и срок службы батареи.

Принцип работы платы балансировки Li-ion аккумуляторов

Как работает балансир для литий-ионных аккумуляторов? Основной принцип заключается в следующем:

Балансир постоянно измеряет напряжение на каждой ячейке батареи
При достижении верхнего порога напряжения на одной из ячеек (обычно 4.2 В) балансир подключает к ней шунтирующий резистор
Через резистор начинает протекать избыточный ток заряда, не позволяя напряжению на ячейке расти дальше
Остальные ячейки продолжают заряжаться, пока не достигнут такого же напряжения
В результате все ячейки заряжаются до одинакового уровня

Аналогичным образом балансир работает и при разряде, не позволяя напряжению на отдельных ячейках опускаться ниже безопасного уровня. Это обеспечивает равномерный заряд и разряд всей батареи.

Основные типы схем балансиров для литиевых аккумуляторов

Существует несколько основных схем построения балансиров для литий-ионных аккумуляторов:

1. Пассивный балансир на стабилитронах

Простейшая схема на стабилитронах. При достижении порогового напряжения стабилитрон открывается и шунтирует ячейку. Недостаток — большие потери энергии.

2. Активный балансир на ШИМ-контроллере

Использует ШИМ-управление для регулировки тока балансировки. Более эффективен, но сложнее в реализации.

3. Балансир на специализированной микросхеме

Применяются готовые микросхемы для балансировки Li-ion (например, bq77915). Обеспечивают наилучшие характеристики.

4. Балансир на микроконтроллере

Программная реализация алгоритма балансировки на микроконтроллере. Гибкая настройка параметров.

Выбор конкретной схемы зависит от требований к точности, эффективности и стоимости балансира.

Зачем нужна балансировка литиевых аккумуляторов

Балансировка литий-ионных аккумуляторов необходима по нескольким причинам:

Предотвращение перезаряда отдельных ячеек, который может привести к их повреждению или возгоранию
Увеличение эффективной емкости батареи за счет полного использования всех ячеек

Продление срока службы аккумулятора благодаря равномерной нагрузке на все ячейки
Повышение безопасности эксплуатации литиевых батарей
Возможность использования ячеек с небольшим разбросом характеристик

Без балансировки со временем напряжение на ячейках начинает сильно различаться. Это приводит к преждевременному старению аккумулятора и снижению его емкости.

Как сделать простой балансир для Li-ion своими руками

Для самостоятельного изготовления простого балансира для литий-ионных аккумуляторов можно использовать следующую схему на основе микросхемы TL431:

«`text +Vcc | R1 | |-+—| | | TL431| |— R2 —+ | | | |-+—| | | | R3 R4 | | +————-+ | GND Компоненты: TL431 — прецизионный стабилитрон R1 — 1 кОм R2 — 4.7 кОм R3 — 470 Ом R4 — 10 Ом (мощный резистор) Принцип работы: 1. TL431 открывается при достижении на R2 напряжения 2.5В 2. Через R4 начинает протекать ток, ограничивая заряд ячейки 3. R1 и R3 задают гистерезис для четкого переключения «`

Принцип работы данной схемы:

При достижении напряжения на ячейке около 4.2В, на опорном входе TL431 появляется 2.5В
TL431 открывается и через резистор R4 начинает протекать ток
Это ограничивает дальнейший рост напряжения на ячейке
Резисторы R1 и R3 обеспечивают гистерезис для четкого переключения

Такой простой балансир можно собрать для каждой ячейки Li-ion аккумулятора. Это обеспечит их защиту от перезаряда и базовую балансировку.

Готовые платы балансировки литиевых аккумуляторов

Помимо самодельных схем, существует множество готовых балансировочных плат для литий-ионных аккумуляторов. Наиболее популярные варианты:

BMS платы на 3S, 4S, 5S и т.д. — обеспечивают защиту и балансировку для батарей из 3-5 и более ячеек
Платы на базе микросхем BQ769x0 от Texas Instruments — профессиональное решение для балансировки
Универсальные балансиры с возможностью настройки под разное количество ячеек
Платы с активной балансировкой на DC-DC преобразователях

При выборе готовой платы балансировки следует обращать внимание на следующие характеристики:

Максимальный ток балансировки
Точность измерения напряжения
Наличие дополнительных защитных функций
Возможность настройки параметров
Максимальное количество обслуживаемых ячеек

Готовые платы обычно обеспечивают лучшие характеристики по сравнению с самодельными решениями, но стоят дороже.

Применение балансиров в различных устройствах

Балансиры для литий-ионных аккумуляторов широко применяются в различных устройствах и системах:

Электротранспорт (электровелосипеды, электросамокаты, электроскутеры)
Портативные аккумуляторы большой емкости (пауэрбанки)
Системы бесперебойного питания
Солнечные электростанции с аккумуляторами
Робототехника и дроны
Портативная электроника (ноутбуки, планшеты)

В каких случаях особенно важно использовать балансир для Li-ion аккумуляторов?

При последовательном соединении большого количества ячеек (от 3 и более)
В устройствах с длительным циклом работы без обслуживания
При использовании ячеек с разными характеристиками
В системах, требующих максимальной емкости и срока службы батарей

Правильно подобранный балансир позволяет значительно повысить эффективность и безопасность литий-ионных аккумуляторных батарей в любых применениях.

Балансир для li-ion аккумуляторов своими руками. Схема и описание

Главная » Источники питания » Балансир для li-ion аккумуляторов своими руками. Схема и описание

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.

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 регулируемого стабилитрона TL431. 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).

Блок питания 0…30В/3A

Набор для сборки регулируемого блока питания…

Подробнее

На резисторах R1 и R2 собран делитель напряжения. Их сопротивление таково, что при достижении напряжения заряда на аккумуляторе 4,2В на управляющем входе TL431 должно появиться 2,5 вольта. При достижении напряжении на управляющем выводе TL431 2,5 вольт, регулируемый стабилитрон начнет проводить ток, открыв тем самым транзистор. Транзистор зашунтирует цепь питания, и напряжение не будет подниматься более 4,2 вольт.

Так как через транзистор будет протекать большой ток, то следует выбрать мощный транзистор, у которого мощность рассеивания не ниже:

P = U*I,

где U — напряжение заряда, I – ток заряда.

Например, при токе заряда 0,5А транзистор должен иметь рассеиваемую мощность не менее 4,2В*0,5А = 2,1Вт. Так же желательно установить его на теплоотвод.

Ниже приведен список сопротивлений резисторов R1 и R2 на разное напряжение заряда:

R1 + R2 => U

22к + 33к => 4,166 В

15к + 22к => 4,204 В

47к + 68к => 4,227 В

27к + 39к => 4,230 В

39K + 56к => 4,241 В

33к + 47к => 4,255 В

Резистор R3 – нагрузочное сопротивление базы транзистора. Его сопротивление может быть 470Ом…1кОм.

Источник

Инвертор 12 В/ 220 В

Инвертор с чистой синусоидой, может обеспечивать питание переменно…

Подробнее

Схема балансира для li ion аккумуляторов

Автор admin На чтение 16 мин Просмотров 2 Опубликовано 8 апреля 2023 Обновлено 8 апреля 2023

Содержание

Балансир для Li-Ion аккумуляторов — что это такое
Что такое плата балансировки, ее функции
В каких случаях применяют балансировку
Схемы балансира литиевого аккумулятора
Платы балансировки литиевого аккумулятора: назначение и схема плат защиты li ion аккумуляторов
Балансировочная плата для литиевых аккумуляторов
Плата защиты литиевого аккумулятора
Схемы плат защиты литиевого аккумулятора
Балансир для зарядки литиевых аккумуляторов

Балансир для Li-Ion аккумуляторов — что это такое

Общее свойство литиевых аккумуляторов – они не терпят перезаряда и глубокую посадку напряжения. Литий-ионных АКБ более 10 разновидностей, и в них используются разные активные составляющие. У каждой свой рабочий диапазон по напряжению, и эти границы должны соблюдаться. Плата балансировки литиевых аккумуляторов – это электрическая схема в цепи, поддерживающая нужные параметры, и отключающая батарею, если та неисправна. Зарядка, контроль уровня разряда и защита АКБ реализована посредством отдельных плат, но бывают и совмещенные схемы.

Балансир для Li-Ion аккумуляторов служит для поддержки нужных параметров.

Что такое плата балансировки, ее функции

Балансир для аккумуляторов 18650 (BMS – Battery Monitoring System) – система, отслеживающая состояние батареи.

Любой качественный литий ионный источник питания имеет в своей конструкции такой балансир. Сразу стоит обозначить, что большинство неприятностей, связанных с повреждениями батареи, вызваны неправильной эксплуатацией. Вот минимальные требования, необходимые литию: не заряжать и не разряжать выше-ниже определенных значений, не использовать токи, выходящие за пределы рекомендуемых производителем. Плата BMS и нужна, чтобы контролировать все эти моменты.

защита от превышения отдаваемого тока. Подбирая плату, смотрят, какой максимальный ток выдерживает АКБ. Если ток срабатывания защитной платы превышает значение – смысла в покупке нет. Если в аккумуляторе «банки» включаются параллельно, ток срабатывания нужен не более чем в два раза больше предельного тока для одной «банки». Когда отдаваемый ток выйдет за пределы нормы, батарея отключится от нагрузки;
защита от перезаряда. Балансир измеряет напряжение в каждой «банке». Включается балансировка – секции заряжаются до предела – батарея отключается от зарядки;
защита от переразряда. Даже если одна «банка» разрядится до минимальных значений, АКБ отключится от нагрузки;
защита от перегрева. Плата подразумевает наличие термодатчика, измеряющего нагрев аккумулятора. Чтобы датчик работал, требуется тепловой контакт между ним и хотя бы одной «банкой». Если BMS обнаруживает перегрев, то отключит АКБ от нагрузки или зарядного устройства;
балансировка. Если последовательно соединить аккумуляторные батареи, то заряжаться и разряжаться в одно время они будут только при одном условии – у каждой будет одинаковая емкость и внутреннее сопротивление. Но встречается это редко, а даже небольшие отклонения в параметрах со временем приведут к тому, что в каждой «банке» будет разное напряжение. Балансировка и нужна, чтобы выровнять напряжение.

Выделяют пассивную и активную балансировку. Схема проще у первой – устройство включается в работу только под конец зарядки. Те «банки», у которых напряжение достигнуто максимума, отдают часть тока в виде тепла на резисторы. Оставшиеся секции в это время продолжают получать заряд. И так до тех пор, пока каждая «банка» не наберет 100%. По окончании заряда АКБ будет отключена.

Подключение платы балансировки.

Активная балансировка сложнее, да и устройство дороже. Но ее особенность – она начинает работать не под конец зарядки, а сразу. Если у секции много напряжения, она делится им с «банками», где его недостает. До конца АКБ в этом случае заряжать не обязательно.

В каких случаях применяют балансировку

Балансиры, применяемые для зарядки Li-Ion АКБ, обеспечивают безопасность процесса. Благодаря этому устройству достигается одинаковое значение напряжения в «банках» батареи, а это один из ключевых факторов для ее стабильной работы.

Схемы балансира литиевого аккумулятора

Каждая батарея, будь то самодельная или фабричного производства, должна иметь защиту. Литиевые аккумуляторы заряжают с применением специальных балансировочных плат. Одни делают их своими руками, другие заказывают с китайских площадок, например, AliExpress, TaoBao.

LM317. Простое устройство, стабилизирующее ток. В ходе настройки подает на батарею напряжение 4.2 В. Предусмотрены регулировочные сопротивления и светодиодный индикатор – во время зарядки горит красным. Устройство подключается посредством внешнего блока питания. Запитка от USB не предусмотрена – в этом недостаток; Схема TP4056.
TP4056. Китайское устройство, оснащенное защитой от переполюсовки. Им можно регулировать параметры зарядки, а сама схема предполагает подключение по USB. Контроль зарядки – автоматический. Сила зарядного тока плавно снизится, когда будет достигнута нужная емкость. В устройстве есть штекер, куда устанавливается дополнительный температурный сенсор;
NCP1835. Компактная и универсальная схема, используемая в паре с АКБ, имеющими различные эксплуатационные параметры. Этим балансиром можно заряжать сильно разряженные батареи – подается ток малой силы. Также в модуле регулируется время зарядки. Если АКБ незаряжаемая – плата подаст соответствующий сигнал;
S8254AA – контроллер заряда с балансиром. Есть защита от перезарядки и переразрядки, контроль над коротким замыканием. Ламп-индикаторов нет, поэтому статус зарядки узнать нельзя. В продаже встречается такой же блок, но без балансира – с гетинаксом красного цвета.

Если делают балансир своими руками, обычно используют стабилитрон TL431A и транзистор BD140.

Плата балансировки – элемент, отслеживающий состояние аккумуляторной батареи во время зарядки и обеспечивающий безопасность процесса. Он характерен компактными размерами и без проблем крепится к общей пластине.

Источник

Платы балансировки литиевого аккумулятора: назначение и схема плат защиты li ion аккумуляторов

При последовательном подключении батарей наблюдается разброс параметров изделий, что не позволяет поддерживать требуемое выходное напряжение. Проблема возникает из-за неравномерной зарядки элементов. Для устранения дефекта используется плата балансировки литиевых аккумуляторов, обеспечивающая равномерный заряд изделий и предотвращающая перезаряд элементов аккумуляторной банки.

Балансировочная плата для литиевых аккумуляторов

При соединении нескольких источников постоянного тока в общую банку по последовательной методике обеспечивается суммирование напряжений. При этом емкость аккумулятора будет определяться элементом с минимальным значением параметра.

Для зарядки устройства используется две методики — последовательная и параллельная. При первом способе осуществляется подача питания от единого источника, напряжение соответствует значению параметра на полностью заряженном аккумуляторе.

Параллельный метод предусматривает независимую зарядку каждого изделия, входящего в аккумуляторную банку. В конструкцию зарядного блока входят не связанные между собой источники питания. Для контроля параметров электрического тока применяются индивидуальные устройства. Зарядные блоки подобной конструкции встречаются редко, для восполнения емкости литиевых аккумуляторов применяется последовательная схема зарядки.

При совместной зарядке необходимо не допустить повышения напряжения на клеммах элементов, составляющих аккумуляторную банку, выше допустимого предела (зависит от модели батареи).

Из-за различных характеристик элементов пороговое значение достигается в разное время.

Пользователь вынужден прекратить зарядку после фиксации допустимого напряжения на первом источнике, при этом остальные компоненты АКБ остаются недозаряженными, что негативно влияет на конечную емкость батареи.

При эксплуатации элемента питания происходит неравномерное снижение напряжения на выводах элементов. Разрядка прекращается в момент фиксации минимально допустимого порога на секции, не получившей необходимого заряда.

Для исключения возможности возникновения ситуации в цепь питания батареи вводится балансировочный блок, который контролирует параметры на каждой секции. При достижении запрограммированного значения происходит параллельная коммутация балластного резистора, отсекающего подачу питания на клеммы секции.

Балластное сопротивление отключает питание в случае превышения силы тока, идущего через резистор, над параметром в цепи питания секции аккумулятора. Остальные компоненты аккумуляторной банки продолжают заряжаться.

По мере фиксации максимального напряжения происходит последовательное отключение цепей питания. После подключения всех имеющихся балластных сопротивлений зарядка прекращается. Напряжение всех секций будет равняться значению параметра, на который отрегулирован балансир.

Плата защиты литиевого аккумулятора

Защитные платы для Li-ion или Li-pol аккумуляторов дополнительно защищают изделия от взрыва или воспламенения, происходящего из-за избытка газов при перезарядке. Следует учитывать, что регулярная эксплуатация недозаряженных элементов приводит к деградации катода и анода, что сокращает срок службы изделия.

Часть аккумуляторных банок оснащается платой защиты в заводских условиях. Для самодельных устройств и некоторых аккумуляторов потребуется монтаж дополнительного узла фабричного изготовления или собранного своими руками.

В конструкции всех литий-ионных или литий-полимерных банок предусмотрена защитная плата PCB или PCM. Устройство обеспечивает разрыв цепи при возникновении аварийной ситуации (например, короткого замыкания).

Защитный блок не оснащен регуляторами напряжения или силы тока, допускается разрядка элементов до 2,5 В и ниже (зависит от качества контроллера), что негативно влияет на рабочие характеристики аккумуляторов. Плата балансировки MBS устанавливается вместо защитного устройства, узел обеспечивает защиту от замыканий и равномерную зарядку элементов.

Схемы плат защиты литиевого аккумулятора

На рынке представлены следующие балансировочные платы фабричного изготовления:

Устройство на базе стабилизатора LM317 обеспечивает подачу на батареи напряжения 4,2 В.
В конструкции предусмотрены регулировочные сопротивления, в процессе зарядки работает контрольный светодиод красного цвета. Для подключения устройства используется внешний блок питания, коммутация к портам USB не предусмотрена конструкцией.
Китайские производители массово выпускают балансировочные платы на основе стабилизатора ТР4056, которые дополнительно оснащены защитой от переполюсовки аккумуляторов. Устройство предназначено для подключения к портам USB, предусмотрен регулятор параметров зарядки.
Оборудование контролирует процесс зарядки в автоматическом режиме, при достижении заданной емкости производится плавное снижение силы зарядного тока. В конструкции предусмотрен штекер для установки дополнительного температурного сенсора.
Устройство на основе чипа NCP1835 отличается уменьшенными габаритами и универсальностью, допускается коммутация аккумуляторов с различными параметрами. Балансир обеспечивает зарядку сильно разряженных элементов путем подачи тока малой силы, предусмотрена защита от установки батареек (со звуковой индикацией). В конструкции модуля предусмотрен регулятор времени зарядки.
Узел на базе контроллера зарядки S8254AA, оснащенный дополнительной балансировкой для аккумуляторов 18650. Оборудование поддерживает защиту от переразрядки и перезарядки, имеется контроль над коротким замыканием.
Платы на основе контроллера S8254AA не оснащаются лампами, отображающими статус зарядки. Поставщики выпускают аналогичный блок без балансира, изделие отличается применением гетинакса красного цвета. Детали с балансиром изготовлены на основе гетинакса темно-синего цвета.

Базовая схема балансира самодельного типа включает в себя стабилитрон TL431A (с повышенной точностью управления) и транзистор BD140 (относится к типу изделий с прямой проводимостью).

В цепь включаются сопротивления, которые допускается заменить диодами 1N4007. При использовании диодов учитывается нагрев элементов при работе, при изготовлении монтажной платы принимают во внимание необходимость охлаждения узлов.

Для регулировки требуется подать постоянное напряжение 5 В на входы устройства. В цепи предусмотрен резистор, изменяя значение сопротивления, необходимо добиться напряжения 4,2 В на колодках, предназначенных для установки литий-ионных аккумуляторов.

Для подачи питания в рабочем режиме используется трансформатор, напряжение равно суммарному значению подключенных аккумуляторов. На каждый элемент подается запас напряжения в пределах 0,15 В. Например, для зарядки 3 элементов требуется подвести напряжение 3*4,2+3*0,15=13,05 В.

Устройство обеспечивает зарядку батарей до момента достижения напряжения 4,2 В. После фиксации параметра включается стабилитрон, который активирует подачу питания через транзистор к балластным резисторам, имеющим сопротивление 4 Ом. В цепи предусматриваются контрольные светодиоды, которые включаются при подаче питания в балластную цепь.

Упрощенный блок на основе стабилитрона TL431A строится с использованием полупроводникового транзистора, удовлетворяющего параметрам зарядки. Поскольку элемент при работе нагревается, то необходимо предусмотреть охлаждение. В основе выбора типа радиатора лежит расчет по мощности.

Например, при напряжении 4,2 В и силе тока 0,5 А расчетная мощность составит 2,1 Вт. При увеличении параметров зарядки мощность возрастает, что вызывает сложности с теплоотводом. В конструкции используется 2 сопротивления, регулирующих пороговое значение напряжения.

После подбора сопротивлений и транзистора изготавливается требуемое количество балансировочных блоков, которые ставятся на аккумуляторы во время зарядки.

Небольшие габариты устройств позволяют закрепить узлы на общей пластине. При монтаже нескольких балансиров требуется обеспечить изоляцию корпусов транзисторов (из-за подачи отрицательного питания от батареи).

Источник

Балансир для зарядки литиевых аккумуляторов

Скорей всего я бы не стал писать эту статью, если бы не одно обстоятельство. Несколько дней назад удалось придумать, как сделать очень хороший балансир на микросхеме TL431. Те, кто понимают, о чём речь, наверняка скажут – эка невидаль, да этих балансиров на TL431 – пруд пруди. Не спорю – эти микросхемы для этих целей используются очень давно. Но, из-за свойственных им недостатков, целесообразность их применения всегда вызывала много вопросов. Нет ни малейшего желания приводить примеры уже существующих схем этих балансиров, и подробно рассматривать их недостатки. Наверное, будет лучше, если я уделю больше времени, тому, что удалось сделать мне. Не покидают опасения, что что-то подобное уже было сделано до меня. Но проводить глобальные исследования, нет, ни желания, ни времени, и если вдруг выяснится, что подобный балансир уже существует, то мне останется, лишь попросить прощения за свою неосведомлённость.

Прежде, чем описывать собственно балансир, необходимо вкратце пояснить его назначение.

Суть вот в чём – литиевые аккумуляторы, чаще всего, используются в виде последовательного соединённых отдельных секций. Это необходимо, чтобы получить необходимое выходное напряжение. Количество составляющих аккумулятор секций, колеблется в очень широких пределах – от нескольких единиц, до нескольких десятков. Есть два основных способа зарядки таких аккумуляторов. Последовательный способ, когда зарядка осуществляется от одного источника питания, с напряжением, равным полному напряжению аккумулятора. И параллельный способ, когда осуществляется независимая зарядка каждой секции от специального зарядного устройства, состоящего из большого количества гальванически не связанных друг с другом источников напряжения, и индивидуальных, для каждой секции, устройств контроля.

Наибольшее распространение, ввиду большей простоты, получил последовательный способ зарядки. Балансир, о котором идёт речь в статье, не используется в параллельных системах зарядки, поэтому параллельные системы зарядки в рамках данной статьи рассматриваться не будут.

При последовательном способе зарядки, одно из главных требований, которое необходимо обеспечить, следующее – напряжение ни на одной секции заряжаемого литиевого аккумулятора, при зарядке, не должно превысить определённой величины (величина этого порога зависит от типа литиевого элемента). Обеспечить выполнение этого требования, при последовательной зарядке, не приняв специальных мер, невозможно…Причина очевидна – отдельные секции аккумулятора не идентичны, поэтому достижение максимально допустимого напряжения на каждой из секций при зарядке, происходит в разное время. Складывается ситуация, когда мы обязаны зарядку прекратить, так как напряжение на части секций уже достигло максимально допустимого порога. В то же время, часть секций остаются недозаряженными. Это плохо главным образом потому, что в итоге снижается общая ёмкость аккумулятора, так нам придётся прекратить разряд аккумулятора в тот момент, когда напряжение на самой «слабой» (недозаряженной) секции, достигнет своего минимально допустимого порога.

Чтобы не допустить повышение напряжения при зарядке, выше определённого порога, и служит балансир. Его задача достаточно проста – следить за напряжением на отдельной секции, и, как только напряжение на ней при зарядке достигнет определенной величины, дать команду на включение силового ключа, который подключит параллельно заряжаемой секции балластный резистор. При этом, если остаточный ток зарядки (а он, ближе к концу зарядки, уже достаточно мал, из-за малой разницы потенциалов между напряжением на заряжаемом аккумуляторе и напряжением на выходе зарядного устройства) будет меньше (или равен) тока протекающего через балластный резистор, то повышение напряжения на заряжаемой секции – прекратиться. При этом зарядка остальных секций, напряжение на которых ещё не достигло максимально допустимых значений – продолжиться. Закончится процесс заряда тем, что сработают балансиры всех секций аккумулятора. Напряжение на всех секциях будет одинаковым, и равным тому порогу, на которые настроены балансиры. Ток зарядки будет равен нулю, так как напряжение на аккумуляторе и напряжение на выходе зарядного устройства будут равны (нет разности потенциалов – нет тока зарядки). Будет протекать лишь ток через балластные резисторы. Его величина определяется величиной последовательно соединённых балластных резисторов и напряжением на выходе зарядного устройства.

Саму функцию контроля напряжения, легко смог бы выполнить любой компаратор, снабжённый опорным напряжением…Но компаратора у нас нет (точнее – он есть, но использовать его нам не удобно и не выгодно). У нас есть TL431. Но компаратор из неё, честно сказать – никакой. Сравнивать напряжение с опорным она умеет очень хорошо, но вот выдать чёткую, однозначную команду на силовой ключ, она не может. Вместо этого, при подходе к порогу, она плавно начинает загонять силовой ключ в активный (полуоткрытый) режим, ключ начинает сильно греться, и, в итоге, мы имеем не балансир, а полное дерьмо.

Вот именно эту проблему, которая не позволяла полноценно использовать TL431, удалось решить на днях. Ларчик просто открывался (но открывать его пришлось более двух лет) – надо было превратить TL431, в триггер Шмитта. Что и было сделано. Получился идеальный балансир — точный, термостабильный, достаточно простой, с чёткой командой на силовой ключ. И хотя этот балансир на TL431 немного сложнее сделанного ранее балансира на микросхеме KIA70XX, но зато и TL431, найти гораздо легче, и работает она точнее.

Ниже — две принципиальные схемы балансиров, рассчитанные для контроля порогов LiFePO4 и Li-ion аккумуляторов.

Превратить TL431 в триггер Шмитта, удалось добавив в схему p-n-p транзистор Т1 и резистор R5. Работает это так — делителем R3,R4 определяется порог контролируемого напряжения. В момент, когда напряжение на управляющем электроде достигает 2,5 Вольта, TL431 – открывается, открывается при этом и транзистор Т1. При этом потенциал коллектора повышается, и часть этого напряжения через резистор R5 поступает в цепь управляющего электрода TL431. При этом TL431 лавинообразно входит в насыщение. Схема приобретает ярко выраженный гистерезис – включение происходит при 3,6 Вольт, а выключение — при 3,55 Вольт. При этом в затворе силового ключа формируется управляющий импульс с очень крутыми фронтами, и попадание силового ключа в активный режим – исключено. В реальной схеме, при токе через балансировочный резистор равном 0,365 Ампер, падение напряжения на переходе сток-исток силового ключа составляет всего 5-6 мВ. При этом сам ключ, всегда остаётся холодным. Что, собственно, и требовалось. Эту схему можно легко настроить для контроля любого напряжения (делителем R3,R4). Величина максимального тока балансировки определяется резистором R7 и напряжением на секции аккумулятора.

Коротко про точность. В реально собранном балансире на пять секций для аккумулятора LiFePO4, напряжения при балансировке уложились в диапазон 3,6-3.7 Вольт (максимально допустимое напряжение для LiFePO4 составляет 3,75 Вольт). Резисторы при сборке использовались обычные (не прецизионные). На мой взгляд – очень хороший результат. Считаю, что добиваться большей точности при балансировке, никакого особого практического смысла – нет. Но для многих – это скорее вопрос религии, нежели физики. И они вправе, и имеют возможность добиваться большей точности.

Рисунок ниже – плата отдельного балансира, и, для примера, плата балансира на шесть секций. Очевидно, что клонируя плату отдельного балансира, можно легко сделать плату балансира на любое количество секций и любых пропорций.

Вот таким зарядно-балансировочным устройством я теперь пользуюсь. Я использую блок питания, описанный в статье про инвертор с адаптивным ограничением тока. Но можно использовать и любой другой стабилизированный блок питания, доработав его шунтом.

Балансир выполнен в виде отдельной платы. Он подключается к балансировочному разъему аккумулятора во время зарядки.

Пара слов про комплектующие. TL431 и p-n-p биполярный транзистор (подойдёт практически любой) в корпусах SOT23, можно найти на материнских платах компьютеров. Там же, можно найти и силовые ключи с «цифровыми» уровнями. Я использовал CHM61A3PAPT (или можно — FDD8447L) в корпусах TO-252A — подходят идеально, хотя характеристики очень избыточны (на токи до 1А , можно найти и что-нибудь по-проще).

В современных устройствах контроля за литиевыми батареями, описанные выше функции возложены на микроконтроллер.Но это гораздо более сложные для повторения устройства, и их применение оправдано далеко не всегда. Думаю — совсем не плохо, когда есть выбор.

Так выглядит балансир «живьём». За качество изготовления, вновь прошу прощения — из-за экономии времени, вновь рисовал плату обычным перманентным фломастером.

Источник

Балансировка литий-ионного аккумулятора

— что нужно знать

Перейти к содержимому Балансировка литий-ионного аккумулятора — что вам нужно знать

Баланс литий-ионных аккумуляторов — что нужно знать

В последние годы все больше и больше электрических продуктов используют литий-ионные аккумуляторы в качестве основного источника питания. Тем не менее, несоответствия ячеек все еще существуют. То есть состояния ячеек в пачке не могут быть абсолютно одинаковыми.

При зарядке и разрядке литий-ионных аккумуляторов мы можем принять сбалансированные меры для обеспечения безопасности и стабильности, если примем во внимание несоответствия каждой отдельной ячейки. Балансировка аккумулятора — это технология, которая продлевает срок службы аккумулятора за счет максимального увеличения емкости аккумулятора. комплект с несколькими батареями последовательно, гарантируя, что вся его энергия доступна для использования.

В этой статье в основном анализируется значение, основная технология и другие сопутствующие вопросы сбалансированной обработки. Читайте дальше и решайте сами

СОДЕРЖАНИЕ

4. Метод баланса баланса с балансом сопротивления. , Вопросы и ответы
1. Что такое несогласованность ячеек?
2.Что вызывает несогласованность ячеек?
3.Что делает балансировка батареи?
4. Нужна ли балансировка батареи?
5. Является ли балансировка батареи такой же, как зарядка батареи?
Что означает баланс ионно-литиевых батарей?
Баланс батареи очень важен как для самой батареи, так и для пользователей.
Давайте сосредоточимся на
Смысл баланса батареи заключается в том, чтобы поддерживать напряжение элемента литий-ионной батареи или отклонение напряжения батареи в ожидаемом диапазоне. Чтобы гарантировать, что каждая ячейка батареи остается в одном и том же состоянии при нормальном использовании, чтобы избежать перезарядки и чрезмерной разрядки.
Другими словами,
Балансировка литий-ионного аккумулятора помогает максимально увеличить емкость и срок службы литий-ионного аккумулятора.
Балансировка батареи сводит к минимуму и предотвращает нежелательные и часто небезопасные условия. Например, внутреннее газовыделение, тепловой разгон или другие катастрофические неисправности.
SO , Какой процесс может обеспечить баланс батареи ?
Как система управления батареями (BMS), так и контроллер зарядки могут обеспечить баланс батареи.
В этой статье мы подробнее поговорим о BMS. Ниже приведены типы технологий BMS.
Типы технологии балансировки батарей
Балансировка батарей — одна из основных функций BMS. Вот два основных типа балансировки батареи: активная балансировка и пассивная балансировка. Основное различие между ними заключается в том, будут ли они тратить энергию батареи или нет.
Давайте сосредоточимся на ГЛУБОКО,

передает энергию от ячейки с высоким напряжением к другой ячейке с низким напряжением.
ПРИМЕНЯЕТСЯ ДЛЯ высокопроизводительных литиевых батарей большой емкости

За счет разряда сопротивления батареи с более высоким напряжением разряжаются с выделением энергии в виде тепла, и купить больше времени зарядки для других аккумуляторов.
Другими словами, сжигает избыточную энергию от ячейки с более высокой энергией через резистивный элемент до тех пор, пока заряд не сравняется с ячейкой с более низкой энергией.
ЗАЯВКА НА МАЛЫЙ МОЩНЫЙ АККУМУЛЯТОР
По предварительным данным активный баланс лучше, потому что он не тратит энергию впустую.
Недостатки активного баланса и пассивного баланса

Четыре Формы Активного Балансирования
Согласно направлению потока энергии , вот четыре Формы Активного Балансирования — вы будете более ясны об активном балансе.

:
Энергия передается между отдельными ячейками.
Подходит для аккумуляторов малой емкости.

к аккумулятору:
Энергия передается от одного аккумулятора с наивысшей степенью зарядки ко всему аккумулятору.
Самый простой и эффективный.

:
Энергия передается от всего аккумуляторного блока на одиночный аккумулятор с наименьшей степенью зарядки.
Наилучшая производительность при использовании нескольких отдельных аккумуляторов и зарядных устройств с несколькими выходами.

C Apacitors — Активное метод балансировки
Single Capacitor:
9000 2
.
Недостаток – требуется большое количество переключателей и интеллектуальное управление переключателями
Несколько конденсаторов
Подсоедините несколько конденсаторов к каждой батарее для передачи неравной энергии
Преимущество – не требуется датчик напряжения или замкнутый контур управления.

I NDUCTOR быстрая скорость балансировки, достойная эффективность балансировки ячеек

Трансформаторы — Активное метод балансировки
Одно трансформер
— быстрое уравновешивание с низкими потерями магнитов.
Несколько трансформаторов
Преимущество – высокая скорость выравнивания.
Недостаток — требуется дорогая и сложная схема

Меры предосторожности при балансировке аккумуляторов
При раздельном балансировании заряда и разряда следует обратить внимание на следующие вопросы:
1. Измерение напряжения аккумулятора во время зарядки является неточным. Это может вызвать процесс балансировки батареи. Поэтому зарядку необходимо периодически останавливать, чтобы измерить напряжение батареи.
2. Сбои напряжения, вызванные преобразованием напряжения и индуктивным резонансом зарядного устройства, повлияют на баланс батареи. Потому что скачки напряжения вызовут ошибки измерения.
3. Во время зарядки требуется внешний силовой транзистор с низким сопротивлением во включенном состоянии.
2. Балансировка батареи во время разрядки займет много времени. Поскольку сопротивление определяет скорость разряда, эффективность балансировки при разряде низкая.
3. Если вы хотите сократить время балансировки, вам понадобится внешний силовой транзистор с меньшим сопротивлением во включенном состоянии
4. При использовании резистора с низким сопротивлением требуется устройство большой мощности.
Вообще говоря, несоответствия ячеек относятся к важным параметрам отдельных внутренних параметров ячеек, которые различаются на протяжении всего срока службы батареи.
То есть
Отдельные элементы в аккумуляторной батарее имеют несколько разные емкости, состояние заряда (SOC), внутреннее сопротивление и ток саморазряда, которые влияют на производительность и срок службы батареи.
Очевидно, существует еще и согласованность ячеек. В идеальном состоянии SOC каждой ячейки абсолютно одинаков. То есть каждая отдельная ячейка может полностью заряжаться и разряжаться одновременно.
Есть два основных аспекта:
Производство:
технология, чистота материалов и т.д.
Окружающая среда:
В упаковке каждая ячейка находится в разных местах, поэтому каждая ячейка имеет разную среду использования. Например, температура будет немного отличаться, ячейки будут несовместимы с длительным накоплением.
Технология балансировки аккумуляторов увеличивает срок службы аккумуляторов за счет максимального увеличения емкости аккумуляторного блока с несколькими последовательными элементами, гарантируя, что вся его энергия доступна для использования.
Да, конечно. Балансировка необходима только для пакетов, содержащих более одной последовательно соединенной ячейки. Параллельные ячейки будут естественным образом сбалансированы, поскольку они напрямую связаны друг с другом, но группы ячеек с параллельным соединением, соединенных последовательно (параллельно-последовательное соединение), должны быть сбалансированы между группами ячеек.
Кроме того,
Баланс батареи является важной функцией BMS. И каждый литий-ионный аккумулятор имеет свою собственную BMS. Таким образом, необходима балансировка батареи. Для других типов батарей балансировка батарей — отличный способ предотвратить их перезарядку и чрезмерную разрядку.
Короче говоря,
Баланс батареи направлен на устранение недостатков самой батареи. Им это необходимо.
DNKPOWER2023-02-15T07:22:11+00:00 Ссылка для загрузки страницы Перейти к началу
Активная балансировка ячеек батареи | Аналоговые устройства
к Кевин Скотт и Сэм Норк
При пассивной и активной балансировке ячеек каждая ячейка аккумуляторной батареи контролируется для поддержания нормального состояния заряда батареи (SoC). Это продлевает срок службы аккумулятора и обеспечивает дополнительный уровень защиты, предотвращая повреждение элемента аккумулятора из-за глубокого разряда при перезарядке. Пассивная балансировка приводит к тому, что все элементы батареи имеют одинаковую SoC, просто рассеивая избыточный заряд на резисторе сброса; однако это не увеличивает время работы системы (см. блог «Балансировка элементов пассивной батареи»). Активная балансировка ячеек — это более сложный метод балансировки, который перераспределяет заряд между элементами батареи во время циклов зарядки и разрядки, тем самым увеличивая время работы системы за счет увеличения общего полезного заряда батареи, уменьшения времени зарядки по сравнению с пассивной балансировкой и уменьшения выделяемого тепла. при балансировке.
На приведенной ниже диаграмме показан типичный аккумуляторный блок, в котором все элементы начинают работать с полной емкостью. В этом примере полная емкость отображается как 90% заряда, потому что поддержание батареи на уровне 100% или близком к ней в течение длительных периодов времени сокращает срок службы быстрее. 30% представляют собой полностью разряженные батареи, чтобы предотвратить глубокую разрядку элементов.
Видно, что даже при том, что в нескольких батареях может оставаться довольно мало емкости, слабые батареи ограничивают время работы системы. Несоответствие батареи в 5% приводит к тому, что 5% емкости не используется. С большими батареями это может быть чрезмерное количество неиспользованной энергии. Это становится критическим в удаленных системах и системах, к которым трудно получить доступ, поскольку приводит к увеличению количества циклов заряда и разряда батареи, что сокращает срок службы батареи, что приводит к более высоким затратам, связанным с более частой заменой батареи.
При зарядке батареи без балансировки слабые элементы достигают полной емкости раньше, чем более мощные батареи. Опять же, слабые клетки являются ограничивающим фактором; в этом случае они ограничивают общий заряд, который может удерживать наша система. На приведенной ниже диаграмме показана зарядка с этим ограничением.
При активном балансирующем перераспределении заряда во время цикла зарядки стек может достичь полной емкости. Обратите внимание, что такие факторы, как процент времени, отведенный на балансировку, и влияние выбранного тока балансировки на время балансировки здесь не обсуждаются, но являются важными соображениями.
Analog Devices Inc. предлагает семейство балансировщиков активных ячеек, каждое из которых соответствует различным системным требованиям. LT8584 представляет собой монолитный обратноходовой преобразователь с током разряда 2,5 А, используемый совместно с семейством мультихимических мониторов элементов батареи LTC680x; заряд может быть перераспределен от одного элемента к верхней части пакета аккумуляторов или к другому элементу аккумулятора или комбинации элементов в пакете. На один аккумуляторный элемент используется один LT8584.
LTC3305 — это автономный балансировщик свинцово-кислотных аккумуляторов, вмещающий до четырех элементов; он использует пятую ячейку резервуарной батареи (AUX) и постоянно размещает ее параллельно с каждой из других батарей (по одной за раз), чтобы сбалансировать все ячейки батареи (свинцово-кислотные батареи прочны и могут справиться с этим).
Таким образом, активная балансировка ячеек увеличивает время работы системы и может повысить эффективность зарядки. Для активной балансировки требуется более сложное решение с большей площадью основания; пассивная балансировка более экономична. Какой бы метод ни работал лучше всего в вашем приложении, Analog Devices Inc. предлагает решения как для интегрированных в наши ИС управления батареями (например, LTC6803 и LTC6804), так и для дополнительных устройств, которые работают вместе с этими ИС, чтобы обеспечить точную и надежную систему управления батареями. .
Кевин Скотт работает менеджером по маркетингу продуктов в группе Power Products в Analog Devices, где он управляет повышающими, повышающе-понижающими и изолированными преобразователями, драйверами светодиодов и линейными регуляторами. Ранее он работал старшим инженером по стратегическому маркетингу, создавая материалы для технического обучения, обучая инженеров по продажам и написав множество статей на веб-сайте о технических преимуществах широкого ассортимента продуктов компании. Он работает в полупроводниковой промышленности уже 26 лет, занимаясь приложениями, управлением бизнесом и маркетингом.
Сэм Норк работал в Analog Devices, а ранее в Linear Technology Corporation с 1988 года. В качестве генерального директора бизнес-подразделения Power Products в Analog Devices и директора по дизайну Linear Technology Сэм возглавляет группу разработчиков из более чем 120 инженеров, специализирующихся на батареях. Зарядное устройство, ASSP, PMIC и Consumer Power Products. Он лично разработал и выпустил множество портативных интегральных схем управления питанием, а также является изобретателем/соавтором 11 выданных патентов. До прихода в Linear Technology Сэм работал в Analog Devices в Уилмингтоне, Массачусетс, в качестве инженера по разработке продуктов/тестирования.