Балансир напряжения. Балансировочное зарядное устройство для Li-ion

Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о двух простеньких платках, предназначенных для контроля за сборками Li-Ion аккумуляторов, именуемые BMS. В обзоре будет тестирование, а также несколько вариантов переделки шуруповерта под литий на основе этих плат или подобных. Кому интересно, милости прошу под кат.
Update 1, Добавлен тест рабочего тока плат и небольшое видео по красной плате
Update 2, Поскольку тема вызвала небольшой интерес, поэтому постараюсь дополнить обзор еще несколькими способами переделки шурика, чтобы получился некий простенький FAQ

Общий вид:


Краткие ТТХ плат:


Примечание:

Сразу же хочу предупредить – с балансиром только синяя плата, красная без балансира, т.е. это чисто плата защиты от перезаряда/переразряда/КЗ/высокого нагрузочного тока. А также вопреки некоторым убеждениям ни одна из них не имеет контроллера заряда (CC/CV), поэтому для их работы необходима специальная платка с фиксированным напряжение и ограничением тока.

Габариты плат:

Размеры плат совсем небольшие, всего 56мм*21мм у синей и 50мм*22мм у красной:




Вот сравнение с аккумуляторами АА и 18650:


Внешний вид:

Начнем с :


При более детальном рассмотрении можно увидеть контроллер защиты – S8254AA и компоненты балансировки для 3S сборки:


К сожалению, рабочий ток по заявлению продавца всего 8А, но судя по даташитам один мосфет AO4407A рассчитан на 12А (пиковый 60А), а у нас их два:

Еще отмечу, что ток балансировки совсем небольшой (около 40ma) и активируется балансировка, как только все ячейки/банки перейдут в режим CV (вторая фаза заряда).
Подключение:


попроще, ибо не имеет балансира:


Она также выполнена на основе контроллера защиты – S8254AA, но рассчитана на более высокий рабочий ток в 15А (опять же по заявлениям производителя):


Ходя по даташитам на используемые силовые мосфеты, рабочий ток заявлен 70А, а пиковый 200А, хватит даже одного мосфета, а у нас их два:

Подключение аналогичное:


Итого, как мы видим, на обеих платах присутствует контроллер защиты с необходимой развязкой, силовые мосфеты и шунты для контроля проходящего тока, но в синей есть еще и встроенный балансир. Я особо не вникал в схему, но похоже, что силовые мосфеты запараллелены, поэтому рабочие токи можно умножать на два. Важное примечание - максимальные рабочие токи ограничиваются токовыми шунтами! Про алгоритм заряда (CC/CV) эти платки не знают. В подтверждение тому, что это именно платы защиты, можно судить по даташиту на контроллер S8254AA, в котором о зарядном модуле ни слова:


Сам контроллер рассчитан на 4S соединение, поэтому с некоторой доработкой (судя по даташиту) – подпайкой кондера и резистора, возможно, заработает красная платка:


Синюю платку так просто доработать до 4S не получится, придется допаивать элементы балансира.

Тестирование плат:

Итак, переходим к самому главному, а именно к тому, насколько они пригодны для реального применения. Для тестирования нам помогут следующие приспособления:
- сборный модуль (три трех/четырехрегистровых вольтметра и холдер для трех 18650 аккумуляторов), который мелькал в моем обзоре зарядника , правда, уже без балансировочного хвостика:


- двухрегистровый ампервольтметр для контроля тока (нижние показания прибора):


- понижающий DC/DC преобразователь с токоограничением и возможностью заряда лития:


- зарядно-балансировочное устройство iCharger 208B для разряда всей сборки

Стенд простой - плата преобразователь подает фиксированное постоянное напряжение 12,6V и ограничивает зарядный ток. По вольтметрам смотрим, на каком напряжении срабатывают платы и как отбалансированы банки.
Для начала посмотрим главную фишку синей платы, а именно балансировку. На фото 3 банки, заряженные на 4,15V/4,18V/4,08V. Как видим – разбалансировка. Подаем напряжение, зарядный ток постепенно падает (нижний приборчик):


Поскольку платка не имеет каких-либо индикаторов, то окончание балансировки можно оценить только на глаз. Амперметр за час с лишним до окончания уже показывал по нулям. Кому интересно, вот небольшой ролик о том, как работает балансир в этой плате:

Update 1: Тест нагрузки:
По току отдачи нам поможет следующий стенд:
- все тот же холдер/держатель для трех 18650 аккумуляторов
- 4-х регистровый вольтметр (контроль общего напряжения)
- автомобильные лампы накаливания в качестве нагрузки (к сожалению, у меня всего 4 лампы накаливания по 65W, больше не имею)
- мультиметр HoldPeak HP-890CN для измерения токов (макс 20А)
- качественные медные многожильные акустические провода большого сечения

Пару слов о стенде: аккумуляторы соединены «вальтом», т.е. как бы друг за другом, для уменьшения длины соединительных проводов, а следовательно и падения напряжения на них при нагрузке будет минимальным:


Соединение банок на холдере («вальтом»):


В качестве щупов для мультиметра выступили качественные провода с крокодилами от зарядно-балансировочного устройства iCharger 208B, ибо HoldPeak’овские не внушают доверие, да и лишние соединения будут вносить дополнительные искажения.
Для начала потестим красную плату защиты, как самую интересную в плане токовой нагрузки. Припаяем силовые и побаночные провода:


Получается что-то типа этого (нагрузочные соединения получились минимальной длины):


Я уже упоминал в разделе о переделке шурика о том, что подобные холдеры не очень предназначены для таких токов, но для тестов пойдет.
Итак, стенд на основе красной платки (по замерам не более 15А):


Коротко поясню: плата держит 15А, но у меня нет подходящей нагрузки, чтобы вписаться в этот ток, поскольку четвертая лампа добавляет еще около 4,5-5А, а это уже за пределами платки. При 12,6А силовые мосфеты теплые, но не горячие, самое то для продолжительной работы. При токах более 15А плата уходит в защиту. Я замерял с резисторами, они добавляли пару ампер, но стенд уже разобран.
Огромный плюс красной платы – нет блокировки защиты. Т.е. при срабатывании защиты ее не нужно активировать подачей напряжения на выходные контакты. Вот небольшой видеоролик:

Синяя платка держит больший ток, но на токах более 10А силовые мосфеты сильно греются. На 15А платка выдержит не более минуты, ибо через 10-15 секунд палец уже не держит температуру. Благо остывают быстро, поэтому для кратковременной нагрузки вполне подойдут. Все бы ничего, но при срабатывании защиты плата блокируется и для разблокировки необходимо подавать напряжение на выходные контакты. Это вариант явно не для шуруповерта. Итого, ток в 16А держит, но мосфеты очень сильно греются:


Вывод: лично мое мнение таково, что для электроинструмента отлично подойдет обычная плата защиты без балансира (красная). Она имеет высокие рабочие токи, оптимальное напряжение отсечки в 2,5V, да и легко дорабатывается до конфигурации 4S (14,4V/16,8V). Я считаю – это самый оптимальный выбор для переделки бюджетного шурика под литий.
Теперь по синей платке. Из плюсов – наличие балансировки, но рабочие токи все же небольшие, 12А (24А) это для шурика с крутящим моментом 15-25Нм несколько маловато, особенно когда патрон уже почти стопорит при затяжке самореза. Да и напряжение отсечки всего 2,7V, а это значит, что при сильной нагрузке часть емкости батареи останется невостребованной, поскольку на высоких токах просадка напряжения на банках приличная, да и они рассчитаны на 2,5V. И самый большой минус – плата при сработке защиты блокируется, поэтому применение в шуруповерте нежелательно. Синюю платку лучше использовать в каких-нибудь самоделках, но это опять же, лично мое мнение.

Возможные схемы применения или как переделать питание шурика на литий:

Итак, как же можно переделать питание любимого шурика с NiCd на Li-Ion/Li-Pol? Эта тема уже достаточно заезжена и решения, в принципе, найдены, но я вкратце повторюсь.
Для начала скажу лишь одно – в бюджетных шуриках стоит лишь плата защиты от перезаряда/переразряда/КЗ/высокого нагрузочного тока (аналог обозреваемой красной платы). Никакой балансировки там нет. Более того, даже в некоторых брендовых электроинструментах нет балансировки. Это же относится ко всем инструментам, где есть гордые надписи «Зарядка за 30 минут». Да, они заряжаются за полчаса, но отключение происходит тогда, как только напряжение на одной из банок достигнет номинала или сработает плата защиты. Не трудно догадаться, что банки будут заряжены не полностью, но разница всего 5-10%, поэтому не столь важно. Главное запомнить, заряд с балансировкой идет, как минимум, несколько часов. Поэтому возникает вопрос, а оно вам надо?

Итак, самый распространенный вариант выглядит так:
Сетевое ЗУ со стабилизированным выходом 12,6V и ограничением тока (1-2А) -> плата защиты ->
В итоге: дешево, быстро, приемлемо, надежно. Балансировка гуляет в зависимости от состояния банок (емкость и внутреннее сопротивление). Вполне рабочий вариант, но через некоторое время разбалансировка даст о себе знать по времени работы.

Более правильный вариант:
Сетевое ЗУ со стабилизированным выходом 12,6V, ограничением тока (1-2А) -> плата защиты с балансировкой -> 3 последовательно соединенных аккумулятора
В итоге: дорого, быстро/медленно, качественно, надежно. Балансировка в норме, емкость батареи максимальная

Итого, будем стараться сделать наподобие второго варианта, вот как можно сделать:
1) Li-Ion/Li-Pol аккумуляторы, платы защиты и специализированное зарядно-балансировочное устройство (iCharger, iMax). Дополнительно придется вывести балансировочный разъем. Минусов всего два – модельные зарядники недешевые, да и обслуживать не очень удобно. Плюсы – высокий ток заряда, высокий ток балансировки банок
2) Li-Ion/Li-Pol аккумуляторы, плата защиты с балансировкой, DC преобразователь с токоограничением, БП
3) Li-Ion/Li-Pol аккумуляторы, плата защиты без балансировки (красная), DC преобразователь с токоограничением, БП. Из минусов только то, что со временем появится разбалансировка банок. Для минимизации разбалансировки, перед переделкой шурика необходимо подогнать напряжение к одному уровню и желательно брать банки из одной партии

Первый вариант сгодится только тем, кто имеет модельное ЗУ, но мне кажется, если им нужно было, то они уже давным давно переделали свой шурик. Второй и третий варианты практически одинаковые и имеют право на жизнь. Необходимо лишь выбрать, что важнее – скорость или емкость. Я считаю, что самый оптимальный вариант – последний, но только раз в несколько месяцев нужно балансировать банки.

Итак, хватит болтовни, переходим к переделке. Поскольку я не имею шурика на NiCd аккумах, поэтому о переделке только на словах. Нам будет нужно:

1) Источник питания:

Первый вариант. Блок питания (БП), как минимум, на 14V или больше. Ток отдачи желателен не менее 1А (в идеале около 2-3А). Нам подойдет блок питания от ноутбуков/нетбуков, от зарядных устройств (выход более 14V), блоки для питания светодиодных лент, видеозаписывающей аппаратуры (DIY БП), например или :


- Понижающий DC/DC преобразователь с токоограничением и возможностью заряда лития, например или :


- Второй вариант. Готовые блоки питания для шуриков с токоограничением и выходом 12,6V. Стоят недешево, как пример из моего обзора шуруповерта MNT - :


- Третий вариант. :


2) Плата защиты с балансиром или без оного. То току желательно брать с запасом:


Если использоваться будет вариант без балансира, то необходимо подпаять балансировочный разъем. Это нужно для контроля напряжения на банках, т.е. для оценки разбалансировки. И как вы понимаете, нужно будет периодически дозаряжать батарею побаночно простым зарядным модулем TP4056, если началась разбалансировка. Т.е. раз в несколько месяцев, берем платку TP4056 и заряжаем поочереди все банки, которые по окончании заряда имеют напряжение ниже 4,18V. Данный модуль корректно отрубает заряд на фиксированном напряжении 4,2V. Данная процедура займет час-полтора, зато банки будут более-менее отбалансированы.
Написано немного сумбурно, но для тех, кто в танке:
Через пару месяцев ставим на зарядку батарею шуруповерта. По окончании заряда достаем балансировочный хвостик и меряем напряжение на банках. Если получается что-то вроде этого – 4,20V/4,18V/4,19V, то балансировка, в принципе не нужна. Но если картина следующая – 4,20V/4,06V/4,14V, то берем модуль TP4056 и дозаряжаем поочереди две банки до 4,2V. Другого варианта, кроме специализированных зарядников-балансиров я не вижу.

3) Высокотоковые аккумуляторы:


Я уже ранее писал пару небольших обзоров о некоторых из них – и . Вот основные модели высокотоковых 18650 Li-Ion аккумуляторов:
- Sanyo UR18650W2 1500mah (20А макс.)
- Sanyo UR18650RX 2000mah (20А макс.)
- Sanyo UR18650NSX 2500mah (20А макс.)
- Samsung INR18650-15L 1500mah (18А макс.)
- Samsung INR18650-20R 2000mah (22А макс.)
- Samsung INR18650-25R 2500mah (20А макс.)
- Samsung INR18650-30Q 3000mah (15А макс.)
- LG INR18650HB6 1500mah (30А макс.)
- LG INR18650HD2 2000mah (25А макс.)
- LG INR18650HD2C 2100mah (20А макс.)
- LG INR18650HE2 2500mah (20А макс.)
- LG INR18650HE4 2500mah (20А макс.)
- LG INR18650HG2 3000mah (20А макс.)
- SONY US18650VTC3 1600mah (30А макс.)
- SONY US18650VTC4 2100mah (30А макс.)
- SONY US18650VTC5 2600mah (30А макс.)

Я рекомендую проверенные временем дешевенькие Samsung INR18650-25R 2500mah (20А макс.), Samsung INR18650-30Q 3000mah (15А макс.) или LG INR18650HG2 3000mah (20А макс.). С другими баночками особо не сталкивался, но лично мой выбор - Samsung INR18650-30Q 3000mah. У Лыж был небольшой технологический дефект и начали появляться фейки с заниженной токоотдачей. Статью о том, как отличить фейк от оригинала могу скинуть, но чуть позже, нужно поискать ее.

Как все это хозяйство соединить:


Ну и пару слов о соединении. Используем качественные медные многожильные провода приличного сечения. Это качественные акустические или обычные ШВВП/ПВС сечением 0,5 или 0,75 мм2 из хозмага (вспарываем изоляцию и получаем качественные проводочки разного цвета). Длина соединительных проводников должна быть минимальной. Аккумуляторы, желательны из одной партии. Перед их соединением желательно зарядить их до одного напряжения, чтобы как можно дольше не было разбалансировки. Пайка аккумуляторов не представляет ничего сложного. Главное иметь мощный паяльник (60-80Вт) и активный флюс (паяльная кислота, например). Паяется на ура. Главное потом протереть место пайки спиртом или ацетоном. Сами аккумуляторы размещаются в батарейном отсеке от старых NiCd банок. Располагать лучше треугольником, минус к плюсу или как в народе «вальтом», по аналогии с этим (один аккум будет расположен наоборот), либо чуть выше хорошее пояснение (в разделе тестирование):


Так, соединяющие аккумуляторы провода, получатся короткими, следовательно, падение драгоценного напряжения в них под нагрузкой будет минимальным. Использовать холдеры на 3-4 аккумулятора не рекомендую, не для таких токов они предназначены. Побаночные и балансировочные проводники не так важны и могут быть меньшего сечения. В идеале, аккумы и плату защиты лучше запихать в батарейный отсек, а понижающий DC преобразователь отдельно в док станцию. Светодиодные индикаторы заряд/заряжено можно заменить своими и вывести на корпус докстанции. При желании можно добавить в батарейный модуль минивольтметр, но это лишние деньги, ибо общее напряжение на АКБ только косвенно скажет об остаточной емкости. Но если есть желание, почему бы и нет. Вот :

Теперь прикинем по ценам:
1) БП – от 5 до 7 долларов
2) DC/DC преобразователь – от 2 до 4 долларов
3) Платы защиты - от 5 до 6 долларов
4) Аккумуляторы – от 9 до 12 долларов (3-4$ штучка)

Итого, в среднем 15-20$ за переделку (со скидками/купонами), либо 25$ без оных.

Update 2, еще несколько способов переделки шурика:

Следующий вариант (подсказали по комментам, спасибо I_R_O и cartmannn ):
Использовать недорогие 2S-3S зарядные устройства типа (это производитель того же iMax B6) или всевозможные копии B3/B3 AC/imax RC B3 () или ()
Оригинальный SkyRC e3 имеет зарядный ток на каждую банку 1,2А против 0,8А у копий, должен быть точен и надежен, но в два раза дороже копий. Совсем недорого можно купить на том же . Как я понял по описанию, он имеет 3 независимых зарядных модуля, что-то сродни 3 модулей TP4056. Т.е. SkyRC e3 и его копии не имеют балансировки как таковой, а просто заряжают банки до одного значения напряжения (4,2V) одновременно, поскольку у них не выведены силовые разъемы. В ассортименте SkyRC есть действительно зарядно-балансировочные устройства, например, но ток балансировки всего 200ma и стоит уже в районе 15-20 долларов, зато умеет заряжать лифешки (LiFeP04) и токи заряда до 3А. Кому интересно, могут ознакомиться с модельным рядом .
Итого, для данного варианта необходимо любое из вышеперечисленных 2S-3S зарядных устройств, красная или аналогичная (без балансировки) плата защиты и высокотоковые аккумуляторы:


Как по мне, очень хороший и экономичный вариант, наверно, я бы остановился на нем.

Еще один вариант, предложенный камрадом Volosaty :
Использовать так называемый «Чешский балансир»:

Где он продается лучше спросить у него, я первый раз о нем услышал, :-). По токам ничего не подскажу, но судя по описанию, ему необходим источник питания, поэтому вариант не такой бюджетный, но вроде как интересный в плане зарядного тока. Вот ссылка на . Итого, для данного варианта необходимы: источник питания, красная или аналогичная (без балансировки) плата защиты, «чешский балансир» и высокотоковые аккумуляторы.

Преимущества:
Я уже ранее упоминал о преимуществах литиевых источников питания (Li-Ion/Li-Pol) над никелевыми (NiCd). В нашем случае сравнение лицом к лицу – типичная батарея шурика из NiCd аккумов против литиевой:
+ высокая плотность энергии. У типичной никелевой батареи 12S 14,4V 1300mah запасенная энергия 14,4*1,3=18,72Wh, а у литиевой батареи 4S 18650 14,4V 3000mah - 14,4*3=43,2Wh
+ отсутствие эффекта памяти, т.е. можно заряжать их в любой момент, не дожидаясь полного разряда
+ меньшие габариты и вес при одинаковых параметрах с NiCd
+ быстрое время заряда (не боятся больших токов заряда) и понятная индикация
+ низкий саморазряд

Из минусов Li-Ion можно отметить только:
- низкая морозостойкость аккумуляторов (боятся отрицательных температур)
- требуется балансировка банок при заряде и наличие защиты от переразряда
Как видим, преимущества лития налицо, поэтому зачастую имеет смысл переделки питания…
+173 +366

Сейчас на рынке полно зарядных устройств. Автоматы и нет, с измерением емкости и без него. Большинство зарядных устройств универсальны и могут заряжать элементы любой химии. Литий-ион и литий-полимер все чаще применяют в разных устройствах.
Не так давно я переделывал аккумулятор шуруповерта на литий-ионные элементы формата 18650. Заряжаю его умным зарядным устройством Turnigy. Но данное зарядное есть не у каждого.

Понадобится для сборки

Изготовление балансировочного зарядного устройства

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

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

Почему именно литий-ионные?

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

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

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

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

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

Опасность при эксплуатации

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

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

Ключевые параметры батарей

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

Обычно используют два параметра для оценки состояния аккумулятора или ячейки:

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

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

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

Измерение заряда ячейки

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

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

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

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

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

Пассивная балансировка нагрузки

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

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

Активная балансировка нагрузки

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

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

Тенденции развития аккумуляторных батарей

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

Как изготавливают литий-ионные батареи расскажет видео внизу:

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

Особенности:

-Балансир

-

-Контроль по току

-

Описание выводов :

Особенности:

-Балансир : Плата контроля HCX-D119 для 3S/4S Li-Ion батареи имеет встроенную функцию балансира. При этом, в процессе заряда батареи, напряжение на кажой из ячеек выравнивается до значения 4,2В.
Для того, чтобы воспользоваться функцией выравнивания напряжения вам необходимо выдержать батарею под напряжением 12,6/16,8В не менее 60 - 120 мин после окончания активной фазы зарядки батареи. Для работы балансира важно, чтобы напряжение было не выше 12,6 / 16,8В: при превышении этих напряжений контроллер встанет в состоянии защиты и балансировка аккумуляторов производиться не будет

-Контроль напряжения на каждой из ячеек : При выходе напряжения на какой-либо из ячеек за пороговые значения вся батарея автоматически отключается.

-Контроль по току : При превышении током нагрузки пороговых значений вся батарея автоматически отключается.

- Возможность работы c батареями 3S (3 последовательных аккумулятора) Контроллер HCX-D119 имеет 100% совместимость с Li-Ion батареями 3S (11,1В). Для переключения контроллера в режим 3S необходимо перемкнуть контакты R8, а резистор R7 переместить на R11 (R7, при этом, остается разорванным) и площадку "B1" замкнуть на площадку "B-"

Описание выводов :

Главная » Бизнес » Балансир напряжения. Балансировочное зарядное устройство для Li-ion