Меню

Принцип работы балансира аккумулятора

Что такое разбалансировка батарей и как с ней бороться?

Безусловно, многие юзеры по ходу эксплуатации своих электрических средств передвижения сталкивались с теми или иными проблемами, которые преподносят им аккумуляторные батареи. У кого-то не получается выйти на показатель пробега на одном заряде гарантированный производителем, у кого-то АКБ выдохлась намного раньше заявленного срока, а у кого-то накопитель и вовсе самовоспламенился либо взорвался. Одной из причин таких неприятностей может стать разбалансировка элементов аккумулятора. Что это такое и как с этим бороться, обсудим далее в статье.

Разбалансировка аккумуляторной батареи — что это?

Как правило, в любой системе, в которую входят несколько последовательно, параллельно или смешано подключённых электронакопителей, даёт о себе знать разбалансировка заряда отдельных составляющих. Это приводит к перегреву либо перезаряду, что сокращает срок службы и может повлечь за собой самовозгорание или изделие может даже взорваться. Естественно, падает и ёмкость АКБ.

Тут вся проблема в том, что нет двух одинаковых электронакопителей: все изделия имеют различия между собой. Это правило относится ко всем элементам, даже если они одного и того же типа, от одного изготовителя и из одной партии. Всегда имеет место небольшая разница в состоянии заряда, саморазряда, ёмкости, сопротивлении и т. д., а при создании блока АКБ, разница может усиливаться. Конечно, собирая такие блоки, разработчики стараются подбирать максимально идентичные элементы, скрупулёзно сравнивая напряжение на них, но, разница всё-равно присутствует и с течением времени даже увеличивается.

Допустим, в системе находится компонент с сопротивлением намного превышающим таковое у других компонентов. В процессе зарядки, напряжение на нём будет несколько больше и может даже активироваться защита от его избытка. Когда элемент начнёт отдавать энергию, напряжение на нём будет самым низким, так же как и ёмкость. Из это следует вывод: система не обеспечивает 100-процентной отдачи! Итог далеко не радостный: по ходу эксплуатации, будет происходить деградация и усиление дефекта. Слабое звено вызовет ухудшения в работе всего аккумуляторного блока.

Повышенное напряжение такого элемента после окончания зарядных процедур, является свидетельством его интенсивной деградации. По причине значительного внутреннего сопротивления и уменьшенной ёмкости, при разряде, на таком изделии наблюдается самое маленькое напряжение. При зарядке, на слабом элементе может активироваться защита от переизбытка напряжения, а вот другие составляющие аккумуляторного блока при этом не будут «заправлены» под завязку. Естественно, в такой ситуации аппаратура не сможет предложить пользователю 100-процентную отдачу.

Что же делать, если у вас такие проблемы? Заниматься выравниванием заряда надобно, о чём мы и поговорим далее.

Выравнивание заряда — практика

Устройство выравнивания заряда электронакопителя, обслуживает АКБ соединённые последовательно, при подзарядке их от одного источника питания. Компоненты соединённые последовательно образуют одну цепь либо линейку и в зависимости от направленности системы, их может быть разное количество. Приспособление имеет возможность выставлять токи на конкретных АКБ параллельно, в нескольких цепях.

В состав системы входит контроллер, отвечающий за уравновешивание заряда комплекта, устройство подсоединяется к общему источнику электроэнергии. Присутствуют в оборудовании и отдельные датчики, которые разработчики устанавливают на аккумуляторах. Элементы системы синхронизируются между собой посредством спецшлейфа.

Компоненты включённые в одну цепь должны быть одинаковой ёмкости, если это не так, балансировочное оборудование не сможет эффективно уровнять заряд АКБ. Чем больше будут отличаться между собой компоненты по ёмкости, тем большее количество циклов заряда/разряда батарей потребуется для осуществления надлежащей балансировки электронакопителей.

Как работает балансировщик заряда аккумулятора?

Контроллер производит анализ напряжения и активируется, если оно повышается. Оснащение вычисляет усреднённый показатель и по спецшлейфам берёт данные от каждой отдельной АКБ. Когда напряжение на электронакопителе превосходит усреднённую цифру, контроллер подаёт сигнал на компенсацию нагрузки, если же оно ниже — элемент будет разгружаться. Данные действия завязаны на циклы заряда/разряда и с каждым циклом, напряжение всё больше доводится до средних показателей.

В случае если общее напряжение не повышается в течение 3-х часов, контроллер начинает подавать сигналы о том, что работа окончена и отключает датчики на накопителях. Однако контроль напряжения на этом не заканчивается, а продолжается. Датчики контроля напряжения устанавливают на все АКБ, а что касается конкретно подключения, то самым лучшим вариантом будет установка рядом с контактами, затем подсоединить «+» к «+», «-» к «-». После того, как установка была произведена должным образом, датчик будет мигать, а если сигнал отсутствует, то либо подключение выполнено не верно, либо батарея вышла из строя. Посредством COM-порта контроллер имеет возможность выводить данные каждого накопительного элемента на ПК. Помимо этого, контроллер оповещает о падении или повышении напряжения на компонентах системы.

Выравнивание напряжения элементов лучше всего осуществлять тогда, когда они полностью заряжены. Балансировать АКБ можно посредством пары методик: активной и пассивной. Вторая вариация отличается своей простотой: разряд батареек, требующих балансировки, осуществляют посредством байпасных цепей, обеспечивающих рассеивание мощности. Данные цепи могут находиться в аккумуляторном блоке либо располагаться во внешней плате. Почти вся лишняя энергия от элементов с повышенным зарядом превращается в тепло и это является основным недостатком пассивной методики, ведь происходит сокращение времени работы АКБ без подзарядки. Однако в данном случае, превосходство активного метода не бесплатно: в ход идут дополнительные дорогостоящие компоненты.

Как уже было сказано выше — это самый простой способ выравнивания напряжения аккумуляторов. Возьмём за пример плату BQ77PL900, защищающую аккумуляторные блоки в состав которых входит 5-10 последовательно подключённых электронакопителей. Она применяется в инструментах без наличия кабеля, электроскутерах, ИБП и медоборудовании. Данная микросхема может использоваться для обработки аккумуляторного отсека:

Она сравнивает напряжение АКБ с установленными порогами и при надобности, активирует балансировочный режим:

Если напряжение какой-то батарейки превышает установленное ограничение, то процесс подзарядки останавливается, включаются байпасные цепочки. Заряд не возобновится до того момента, пока напряжение элемента не упадёт ниже порогового уровня и процедура балансировки закончится.

Балансировка ориентируемая только на расхождение в напряжении, может не полностью уравновешивать характеристики по причине внутреннего импеданса аккумуляторов (смотрим изображение):

Здесь беда в том, что внутренний импеданс влияет на разность напряжений при подзарядке накопителя. Плата защищающая батареи от дисбаланса не может вычислить, чем конкретно вызвана разность напряжений: отличиями в ёмкости или во внутренних сопротивлениях. По итогу, данная разновидность балансировки не гарантирует, что все элементы получат полный заряд.

По энергоэффективности данная метода переигрывает предыдущий способ, так как для передачи электроэнергии от накопителя-донора к более нуждающемуся компоненту, вместо резисторов применяются ёмкости и индуктивности, у которых минимально возможные потери энергии. Этому методу уместно отдавать предпочтение в тех случаях, когда есть потребность в обеспечении максимального времени функционирования аккумулятора без подзарядки.

За пример можно взять микросхему BQ78PL114, в основе которой лежит технология PowerPump. Её работа приведена на рисунке ниже:

Энергетические потери при этом не существенны и в основном происходят в дросселе и диоде. Плата BQ78PL114 может предложить пользователю три балансировочных алгоритма:

1. По напряжению на выводах аккумулятора. Данный способ имеет схожесть с пассивной вариацией описанной ранее.

2. По напряжению холостого хода. Этот способ подразумевает компенсацию различия во внутренних сопротивлениях элементов.

3. По заряду АКБ. В данном случае будет точно высчитываться заряд, требуемый для передачи от одной батарейки к другой. Выравнивание осуществляется в конце заряда, а применение этого балансировочного алгоритма обеспечивает самый лучший результат.

По причине высоких балансировочных токов, PowerPump является более эффективной, чем обыкновенная балансировка пассивной разновидности. Технология имеет большие возможности по балансировке: процесс может осуществляться когда батарея заряжается, разряжается и даже тогда, когда компонент с которого берётся энергия, имеет в своём распоряжении меньшее напряжение, чем АКБ принимающая электричество. Поэтому, если сравнивать с пассивной методой, то энергии будет теряться намного меньше.

Общие советы по выбору аккумуляторов для системы

Конечно, лучше не допустить разбалансировки аккумуляторов с самого начала, чем потом раскладывать всё по полочкам, затрачивая на это время, силы, финансы, да и нервы стоит брать в расчёт. Поэтому отдаём предпочтение АКБ от одного и того же производителя, одной и той же серии, ёмкости, идентичного типа, а также выпущенным в одно время. Если перечисленные условия не будут соблюдены, при расширении системы, уравнивать заряд батарей придётся в обязательном порядке.

Если по ходу эксплуатации аппаратуры появляется потребность в расширении ёмкости, то при подборе дополнительных аккумуляторов, следует учитывать вышеприведённые требования, а что касается даты производства, то разница должна быть не больше года. Почему определены именно такие сроки? К примеру, по прошествии года, в свинцовых АКБ глубокого разряда, могут возникать необратимые процессы и на адекватное совместное функционирование в этом случае, рассчитывать не приходится. Новенький аккумулятор могут свести на нет более старые изделия. Если разница в дате выпуска значительная, год и более, гарантия на новый аккумулятор может быть утрачена.

Бесспорно, всем нужна продолжительная и качественная работа аккумуляторного блока, однако весьма существенно будет препятствовать такой радостной жизни разбалансировка элементов единой структуры, которые в любом случае придётся настраивать на общий лад. Такие «уравниловки» увеличат срок службы электронакопителей, и повысят безопасность при их эксплуатации. Для этих целей разработчики создали специальные балансировочные платы, на которые возложена обязанность приводить напряжение во всех элементах АКБ к общему знаменателю.

Есть пассивная методика, а есть и активная. Первая, предлагает пользователю простоту, но эффективностью она похвастать не может. Совсем по другому обстоят дела с активным методом: он более дорогостоящий, однако и результат соответствующий. Для сборки полноценного аккумуляторного комплекта, нужно использовать максимально похожие накопительные компоненты, иначе их придётся в обязательном порядке доводить до общего знаменателя. Вздумаете это игнорировать — проблем с вашим набором не избежать.

Читайте также:  Как подключить литий ионные аккумуляторы с балансировочным устройством

Учитывайте, что такое обстоятельство, как разбалансировка элементов аккумуляторного блока, вещь реальная и если вы не будете предавать этому обстоятельству надлежащего значения — на долгую, стабильную, а также безопасную эксплуатацию, не рассчитывайте. При обнаружении проблем подобного рода в вашей системе, незамедлительно обращайтесь в специализированный сервис — там вам помогут разрешить ситуацию, если сами не в силах.

Источник

Принцип работы балансира аккумулятора

  • НОВОСТИ
  • О НАС
  • ПРОЕКТЫ
  • БЛОГ
  • КОНТАКТЫ
  • С нами работают

Всем известно, что аккумуляторы имеют широкое применение в мехатронике, робототехнике, автоматических системах управления и промышленности в целом. Электроавтомобили, автономные роботы, системы резервного питания, мобильные средства связи и вычислительной техники – далеко не полный перечень вариантов их применения. Совершенствуются и сами аккумуляторы. В своих разработках в большинстве случаев мы применяем литий-ионные аккумуляторные батареи.

Особенности строения аккумуляторов (в частности химические процессы в них протекающие) диктуют необходимость применения разнообразных схем зарядных устройств и устройств контроля состояния аккумуляторов. Наиболее важное место здесь занимает система контроля и управления аккумуляторной батареей (далее — СКУ АБ, в иностранной литературе используется аббревиатура BMS – battery management syste).

Применение систем контроля и управления аккумуляторной батареей позволяет:

В ходе работы литий-ионных аккумуляторов возникает такое явление, как разбалансировка. Это связано с тем, что все аккумуляторы имеют различия в таких характеристиках, как ток саморазряда в режиме хранения, внутреннее сопротивление, скорость деградации электродных материалов и т.д. Соответственно различия в напряжениях аккумуляторов приводят к снижению их срока службы и выходу из строя. Для решения этой проблемы люди придумали системы балансировки аккумуляторов.

В данной статье мы постараемся рассказать о наших изысканиях в попытках разработать схему активной балансировки.

Так, определенные системы зарядки литий-ионных аккумуляторов построены на том, что зарядка прекращается в том момент, когда одна из батарей достигнет верхнего порога (для литий-ионных аккумуляторов он составляет 4,2 вольта, как правило). Соответственно, батареи, емкость которых ниже, не заряжаются в таком случае полностью и эффективность использования такой ячейки снижается (а ещё она быстрее выйдет из строя т.к. всё чаще и чаще может уходить в глубокий разряд если система позволяет).

Аналогично и с разрядкой аккумулятора – если система контроля отключает аккумуляторы, ориентируясь по первой ячейке, которая достигнет нижнего порога напряжения (3 вольта для литий-ионных аккумуляторов, как правило), то эффективность использования такой системы резко упадет. Говоря опять же, простым языком не будет использован весь потенциал аккумулятора. Заряжаться он будет, ориентируясь на самую «живую» ячейку, а отключаться при разрядке, ориентируясь на самую «дохлую».

Гораздо более катастрофичными могут оказаться последствия, если система ориентируется на среднее значения напряжения между ячейками при заряде или разряде аккумулятора. В таком случае ячейки с меньшей емкостью могут не успеть зарядиться до верхнего порога в 4,2 вольта, в то время, как другие ячейки зарядятся выше этого значения, что может привести к их взрыву. Аналогично, при разряде такие ячейки могут разрядиться ниже порога в 3 вольта, что приведет к серьезной потере емкости такой ячейки.

Поэтому литиевые аккумуляторы балансировать нужно. А если кто-то говорит, что и так работает, то рано или поздно он поедет в травму с ожогами. Ага. Вообще балансировку можно осуществлять активными методами и пассивными.

Балансировка с переключающимися емкостями (Рисунок 4) заключается в том, что энергия сначала закачивается в буферную емкость от i-ячейки, а затем передается из буферной емкости в соседнюю (i+1)-ячейку. Отсюда следует главный недостаток такой системы – передача заряда из ячеек, отдаленных друг от друга, крайне затруднительна.

Общий недостаток емкостных систем балансировки – броски тока при переключениях между ячейками, что может привести к выходу ключей из строя.

Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе.

Аналогично катушкам индуктивности можно использовать трансформаторы (с разным числом обмоток). Эффективность метода не очень высокая, но данная система решает проблемы больших токов при разрыве в цепи. Если опять вернуться к примеру со 100 ячейками по 3,6 вольта, то при обрыве в цепи на транзисторах будет напряжение не 360 вольт, а всего 3,6, что не приведет к их сгоранию.

Существует три варианта построения систем балансировки на трансформаторах. Первый, buck-boost converter, основан на том, что энергия передается между двумя соседними фиксированными парами ячеек (между соседней четной и нечетной ячейкой). Данный метод изображен на Рисунке 8.

Системы активной балансировки, построенные на использовании преобразователей – повышающих, понижающих, прямоходовых и обратноходовых, а так же двунаправленных, считаются наиболее эффективными топологиями. В таких системах ключи находятся со стороны вторичной обмотки трансформатора (со стороны аккумулятора), то есть на ключи действует только напряжение ячеек, что не приведет к их выгоранию. В то же время усилители находятся со стороны первичной обмотки трансформатора (то есть с той стороны, к которой подключается зарядное устройство). Такой подход позволяет минимизировать потери в ключах, и одновременно с этим согласовывает разные уровни напряжений с обеих сторон трансформатора.

В частности, системы, построенные на повышающих преобразователях, передают энергию от одной ячейки ко всей группе ячеек. Пример такой системы показан на рисунке 11. Контроллер выбирает наиболее заряженную ячейку, включает соответствующий ей преобразователь, и энергия от ячейки начинает распределяться на всю группу.

Общей чертой обратноходовых преобразователей и buck-boost преобразователей является то, что они хранят энергию непосредственно в дросселе. В отличии от них, прямоходовой преобразователь только передает энергию через трансформатор, а для хранения энергии используются дополнительные элементы – катушки индуктивности. Сама энергия непосредственно передается с первичной обмотки от зарядного устройства.

Для создания системы активной балансировки был выбран метод балансировки на двунаправленном buck-boost преобразователе. Такой метод позволяет передавать энергию как от одной ячейки к группе ячеек (buck mode – передача энергии от наиболее заряженной ячейки), так и от группы ячеек к одной, наименее заряженной ячейке (boost mode). Для решения проблемы бросков тока будет использован контроллер тока, который позволяет формировать ШИМ-сигнал по току с постоянной амплитудой. Уникальность разрабатываемой системы заключается в том, что контроль преобразователя будет осуществляться одной единственной микросхемой, то есть микросхема будет непосредственно регулировать сигнал на первичной и вторичной обмотке трансформатора, а так же выполнять функции контроллера тока.

В области активной балансировки существует много наработок.

Известно изобретение «Устройство выравнивания напряжения на батарее» (патент США «Stackable Bi-directional Multicell Battery Balancer» №US8692516B2, МПК: H02J7/00, опубликован 08.04.2014).

Указанное устройство представляет собой систему из двунаправленных преобразователей энергии обратноходового типа, способную передавать энергию от всей батареи наименее заряженной ячейке и энергию от наиболее заряженной ячейки всей батарее. Так же устройство позволяет измерять напряжение каждого отдельного элемента литий-ионной АБ. Данной устройство построена на специализированных микросхемах компании Linear Technology (американская компания, производителей полупроводниковых элементов, микросхем, электроники и изделий на их основе) – LTC3300-1 и LTC6802-1 (Рисунок 12). Главным преимуществом данного изобретения является возможность его применения для высоковольтных батарей (напряжением до 1000 вольт). Недостатком данного устройства является сложность схемы управления, обуславливающая необходимость применения специализированной микросхемы LTC3300-1. Реализация логики работы данной микросхемы на элементной базе общего назначения достаточно сложна.

Другим примером изобретений в области активной балансировки является устройство контроля и балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, разработанное сотрудниками ЦНИИ РТК (Патент RU 176470 U1, опубликовано 22.01.2018, авторы: Гук М.Ю., Зыков Н.В., Иванов М.М., Кузнецов В.А.)

Данное устройство состоит из трансформатора с общим сердечников и одинаковыми по количеству витков рабочими обмотками, такими что, по крайней мере, две соседние ячейки имеют одну общую пару рабочих обмоток, которая своей общей точкой подключена к общей точке соединения этих ячеек, а свободными концами эта пара рабочих обмоток подключена через ключевые элементы к другим выводам соответствующих ячеек, а также генератора импульсов, выполненного в виде преобразователя постоянного напряжения и управляемых ключевых элементов, выпиленных на полевых транзисторах. Также в систему балансировки был введен коммутатор для измерения напряжения каждого элемента АБ в отдельности и микропроцессор для управления всей системой в целом. Микропроцессор с помощью коммутатора измеряет напряжение на ячейках АБ и выдает команду балансировочному устройству на проведение процедуры балансировки только при превышении разности напряжений на элементах АБ определённого порогового значения, что обеспечивает снижение потерь энергии и увеличение срока службы батареи.

Аналогичным к вышеописанному, но не имеющим возможности измерения напряжения каждого элемента АБ в отдельности, является устройство выравнивания напряжения на батарее (патент на изобретение США «Charge Redistribution Method For Cell Arrays», №US2014103857A1, МПК: H02J7/00, опубликован 17.04.2014).

В общем, посмотрели, поискали и решили, что интересно сделать всё-таки своё. Потому что кроме общего описания в этих патентах в общем-то и нет. Патентов на самом деле есть побольше, но привели несколько… Да и не о патентах вообще речь, а о том, что велосипеды изобретаются и делиться ими никто особо не хочет. Ну или нам не повезло просто.

Для создания системы активной балансировки был выбран метод балансировки на двунаправленном buck-boost преобразователе. Такой метод позволяет передавать энергию как от одной ячейки к группе ячеек (buck mode – передача энергии от наиболее заряженной ячейки), так и от группы ячеек к одной, наименее заряженной ячейке (boost mode). Вообще поиск показал, что есть решение у Texas Instruments, которое мы и попробуем реализовать. Зарядное устройство и нагрузка подключаются к первичной обмотке трансформатора, а батареи – ко вторичной обмотке.

Читайте также:  Аккумуляторная батарея для подводного буксировщика Apollo AV 2 24В 44Ач Батарея Байкера

Для реализации используются специализированные микросхемы от Texas Instruments – EMB1428 и ЕМВ1499. EMB1428 – драйвер, который управляет матрицей полевых транзисторов, коммутирующих нужную ячейку к вторичной обмотке трансформатора. ЕМВ1499 – двунаправленный контроллер тока, выполняющий также функции контроллера ШИМ сигнала на обеих обмотках buck-boost преобразователя.

Разрабатываемое устройство состоит из двух функциональных частей – коммутатора (Рисунок 13) и непосредственно устройства балансировки. Коммутатор построен на основе матрицы транзисторов и драйвера EMB1428 . Устройство балансировки построено на трансформаторе и микросхеме ЕМВ1499, образующими buck-boost преобразователь с системой управления.

Матрица транзисторов (Рисунок 14) состоит условно из двух частей. Одна состоит из транзисторов, которые напрямую подключаются к выводам ячеек аккумулятора – назовем ее «переключатель ячеек». Транзисторы ставятся парами, у них общий исток и общий затвор, такое построение блокирует протекание тока в обе стороны при закрытых транзисторах, что позволяет уменьшить потери. Можно пронумеровать такие пары транзисторов от 0 до 7 снизу вверх. Один сток подключатся к выводу батареи, второй сток – подсоединяется к общей линии, четной (ODD, линия красного цвета на Рисунке 14) или нечетной (EVEN, линия синего цвета на Рисунке 14), в зависимости от номера.

Вторая часть находится между » переключателем ячеек» и DC/DC преобразователем – назовем ее » переключатель полярности». EMB1428Q связан с микроконтроллером через интерфейс связи SPI (EMB1428Q получает от MCU команду, какая батарея требует заряда/разряда, докладывает об ошибках). Получив команду, EMB1428Q выбирает нужную ячейку в аккумуляторе, подключает ее через транзисторы к четной и нечетной линии и к нужному каналу, чтобы была нужная полярность (сначала EMB1428Q закрывает ненужные транзисторы, потом открывает нужные транзисторы). Например, выделение ячейки 1: открываются транзисторы Vg0 и Vg1, Vg11 и Vg8 (верх – к плюсу, низ – к минусу). Ячейка 2: открываются транзисторы Vg1 и Vg2, Vg9 и Vg10.

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.

Узнайте о назначении платы балансировки литиевых аккумуляторов.

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.

Схема платы балансировки литиевых аккумуляторов.

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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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

Принцип работы балансира аккумулятора

  • НОВОСТИ
  • О НАС
  • ПРОЕКТЫ
  • БЛОГ
  • КОНТАКТЫ
  • С нами работают

Всем известно, что аккумуляторы имеют широкое применение в мехатронике, робототехнике, автоматических системах управления и промышленности в целом. Электроавтомобили, автономные роботы, системы резервного питания, мобильные средства связи и вычислительной техники – далеко не полный перечень вариантов их применения. Совершенствуются и сами аккумуляторы. В своих разработках в большинстве случаев мы применяем литий-ионные аккумуляторные батареи.

Особенности строения аккумуляторов (в частности химические процессы в них протекающие) диктуют необходимость применения разнообразных схем зарядных устройств и устройств контроля состояния аккумуляторов. Наиболее важное место здесь занимает система контроля и управления аккумуляторной батареей (далее — СКУ АБ, в иностранной литературе используется аббревиатура BMS – battery management syste).

Применение систем контроля и управления аккумуляторной батареей позволяет:

В ходе работы литий-ионных аккумуляторов возникает такое явление, как разбалансировка. Это связано с тем, что все аккумуляторы имеют различия в таких характеристиках, как ток саморазряда в режиме хранения, внутреннее сопротивление, скорость деградации электродных материалов и т.д. Соответственно различия в напряжениях аккумуляторов приводят к снижению их срока службы и выходу из строя. Для решения этой проблемы люди придумали системы балансировки аккумуляторов.

В данной статье мы постараемся рассказать о наших изысканиях в попытках разработать схему активной балансировки.

Так, определенные системы зарядки литий-ионных аккумуляторов построены на том, что зарядка прекращается в том момент, когда одна из батарей достигнет верхнего порога (для литий-ионных аккумуляторов он составляет 4,2 вольта, как правило). Соответственно, батареи, емкость которых ниже, не заряжаются в таком случае полностью и эффективность использования такой ячейки снижается (а ещё она быстрее выйдет из строя т.к. всё чаще и чаще может уходить в глубокий разряд если система позволяет).

Читайте также:  Опорная планка крепления аккумулятора

Аналогично и с разрядкой аккумулятора – если система контроля отключает аккумуляторы, ориентируясь по первой ячейке, которая достигнет нижнего порога напряжения (3 вольта для литий-ионных аккумуляторов, как правило), то эффективность использования такой системы резко упадет. Говоря опять же, простым языком не будет использован весь потенциал аккумулятора. Заряжаться он будет, ориентируясь на самую «живую» ячейку, а отключаться при разрядке, ориентируясь на самую «дохлую».

Гораздо более катастрофичными могут оказаться последствия, если система ориентируется на среднее значения напряжения между ячейками при заряде или разряде аккумулятора. В таком случае ячейки с меньшей емкостью могут не успеть зарядиться до верхнего порога в 4,2 вольта, в то время, как другие ячейки зарядятся выше этого значения, что может привести к их взрыву. Аналогично, при разряде такие ячейки могут разрядиться ниже порога в 3 вольта, что приведет к серьезной потере емкости такой ячейки.

Поэтому литиевые аккумуляторы балансировать нужно. А если кто-то говорит, что и так работает, то рано или поздно он поедет в травму с ожогами. Ага. Вообще балансировку можно осуществлять активными методами и пассивными.

Балансировка с переключающимися емкостями (Рисунок 4) заключается в том, что энергия сначала закачивается в буферную емкость от i-ячейки, а затем передается из буферной емкости в соседнюю (i+1)-ячейку. Отсюда следует главный недостаток такой системы – передача заряда из ячеек, отдаленных друг от друга, крайне затруднительна.

Общий недостаток емкостных систем балансировки – броски тока при переключениях между ячейками, что может привести к выходу ключей из строя.

Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе.

Аналогично катушкам индуктивности можно использовать трансформаторы (с разным числом обмоток). Эффективность метода не очень высокая, но данная система решает проблемы больших токов при разрыве в цепи. Если опять вернуться к примеру со 100 ячейками по 3,6 вольта, то при обрыве в цепи на транзисторах будет напряжение не 360 вольт, а всего 3,6, что не приведет к их сгоранию.

Существует три варианта построения систем балансировки на трансформаторах. Первый, buck-boost converter, основан на том, что энергия передается между двумя соседними фиксированными парами ячеек (между соседней четной и нечетной ячейкой). Данный метод изображен на Рисунке 8.

Системы активной балансировки, построенные на использовании преобразователей – повышающих, понижающих, прямоходовых и обратноходовых, а так же двунаправленных, считаются наиболее эффективными топологиями. В таких системах ключи находятся со стороны вторичной обмотки трансформатора (со стороны аккумулятора), то есть на ключи действует только напряжение ячеек, что не приведет к их выгоранию. В то же время усилители находятся со стороны первичной обмотки трансформатора (то есть с той стороны, к которой подключается зарядное устройство). Такой подход позволяет минимизировать потери в ключах, и одновременно с этим согласовывает разные уровни напряжений с обеих сторон трансформатора.

В частности, системы, построенные на повышающих преобразователях, передают энергию от одной ячейки ко всей группе ячеек. Пример такой системы показан на рисунке 11. Контроллер выбирает наиболее заряженную ячейку, включает соответствующий ей преобразователь, и энергия от ячейки начинает распределяться на всю группу.

Общей чертой обратноходовых преобразователей и buck-boost преобразователей является то, что они хранят энергию непосредственно в дросселе. В отличии от них, прямоходовой преобразователь только передает энергию через трансформатор, а для хранения энергии используются дополнительные элементы – катушки индуктивности. Сама энергия непосредственно передается с первичной обмотки от зарядного устройства.

Для создания системы активной балансировки был выбран метод балансировки на двунаправленном buck-boost преобразователе. Такой метод позволяет передавать энергию как от одной ячейки к группе ячеек (buck mode – передача энергии от наиболее заряженной ячейки), так и от группы ячеек к одной, наименее заряженной ячейке (boost mode). Для решения проблемы бросков тока будет использован контроллер тока, который позволяет формировать ШИМ-сигнал по току с постоянной амплитудой. Уникальность разрабатываемой системы заключается в том, что контроль преобразователя будет осуществляться одной единственной микросхемой, то есть микросхема будет непосредственно регулировать сигнал на первичной и вторичной обмотке трансформатора, а так же выполнять функции контроллера тока.

В области активной балансировки существует много наработок.

Известно изобретение «Устройство выравнивания напряжения на батарее» (патент США «Stackable Bi-directional Multicell Battery Balancer» №US8692516B2, МПК: H02J7/00, опубликован 08.04.2014).

Указанное устройство представляет собой систему из двунаправленных преобразователей энергии обратноходового типа, способную передавать энергию от всей батареи наименее заряженной ячейке и энергию от наиболее заряженной ячейки всей батарее. Так же устройство позволяет измерять напряжение каждого отдельного элемента литий-ионной АБ. Данной устройство построена на специализированных микросхемах компании Linear Technology (американская компания, производителей полупроводниковых элементов, микросхем, электроники и изделий на их основе) – LTC3300-1 и LTC6802-1 (Рисунок 12). Главным преимуществом данного изобретения является возможность его применения для высоковольтных батарей (напряжением до 1000 вольт). Недостатком данного устройства является сложность схемы управления, обуславливающая необходимость применения специализированной микросхемы LTC3300-1. Реализация логики работы данной микросхемы на элементной базе общего назначения достаточно сложна.

Другим примером изобретений в области активной балансировки является устройство контроля и балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, разработанное сотрудниками ЦНИИ РТК (Патент RU 176470 U1, опубликовано 22.01.2018, авторы: Гук М.Ю., Зыков Н.В., Иванов М.М., Кузнецов В.А.)

Данное устройство состоит из трансформатора с общим сердечников и одинаковыми по количеству витков рабочими обмотками, такими что, по крайней мере, две соседние ячейки имеют одну общую пару рабочих обмоток, которая своей общей точкой подключена к общей точке соединения этих ячеек, а свободными концами эта пара рабочих обмоток подключена через ключевые элементы к другим выводам соответствующих ячеек, а также генератора импульсов, выполненного в виде преобразователя постоянного напряжения и управляемых ключевых элементов, выпиленных на полевых транзисторах. Также в систему балансировки был введен коммутатор для измерения напряжения каждого элемента АБ в отдельности и микропроцессор для управления всей системой в целом. Микропроцессор с помощью коммутатора измеряет напряжение на ячейках АБ и выдает команду балансировочному устройству на проведение процедуры балансировки только при превышении разности напряжений на элементах АБ определённого порогового значения, что обеспечивает снижение потерь энергии и увеличение срока службы батареи.

Аналогичным к вышеописанному, но не имеющим возможности измерения напряжения каждого элемента АБ в отдельности, является устройство выравнивания напряжения на батарее (патент на изобретение США «Charge Redistribution Method For Cell Arrays», №US2014103857A1, МПК: H02J7/00, опубликован 17.04.2014).

В общем, посмотрели, поискали и решили, что интересно сделать всё-таки своё. Потому что кроме общего описания в этих патентах в общем-то и нет. Патентов на самом деле есть побольше, но привели несколько… Да и не о патентах вообще речь, а о том, что велосипеды изобретаются и делиться ими никто особо не хочет. Ну или нам не повезло просто.

Для создания системы активной балансировки был выбран метод балансировки на двунаправленном buck-boost преобразователе. Такой метод позволяет передавать энергию как от одной ячейки к группе ячеек (buck mode – передача энергии от наиболее заряженной ячейки), так и от группы ячеек к одной, наименее заряженной ячейке (boost mode). Вообще поиск показал, что есть решение у Texas Instruments, которое мы и попробуем реализовать. Зарядное устройство и нагрузка подключаются к первичной обмотке трансформатора, а батареи – ко вторичной обмотке.

Для реализации используются специализированные микросхемы от Texas Instruments – EMB1428 и ЕМВ1499. EMB1428 – драйвер, который управляет матрицей полевых транзисторов, коммутирующих нужную ячейку к вторичной обмотке трансформатора. ЕМВ1499 – двунаправленный контроллер тока, выполняющий также функции контроллера ШИМ сигнала на обеих обмотках buck-boost преобразователя.

Разрабатываемое устройство состоит из двух функциональных частей – коммутатора (Рисунок 13) и непосредственно устройства балансировки. Коммутатор построен на основе матрицы транзисторов и драйвера EMB1428 . Устройство балансировки построено на трансформаторе и микросхеме ЕМВ1499, образующими buck-boost преобразователь с системой управления.

Матрица транзисторов (Рисунок 14) состоит условно из двух частей. Одна состоит из транзисторов, которые напрямую подключаются к выводам ячеек аккумулятора – назовем ее «переключатель ячеек». Транзисторы ставятся парами, у них общий исток и общий затвор, такое построение блокирует протекание тока в обе стороны при закрытых транзисторах, что позволяет уменьшить потери. Можно пронумеровать такие пары транзисторов от 0 до 7 снизу вверх. Один сток подключатся к выводу батареи, второй сток – подсоединяется к общей линии, четной (ODD, линия красного цвета на Рисунке 14) или нечетной (EVEN, линия синего цвета на Рисунке 14), в зависимости от номера.

Вторая часть находится между » переключателем ячеек» и DC/DC преобразователем – назовем ее » переключатель полярности». EMB1428Q связан с микроконтроллером через интерфейс связи SPI (EMB1428Q получает от MCU команду, какая батарея требует заряда/разряда, докладывает об ошибках). Получив команду, EMB1428Q выбирает нужную ячейку в аккумуляторе, подключает ее через транзисторы к четной и нечетной линии и к нужному каналу, чтобы была нужная полярность (сначала EMB1428Q закрывает ненужные транзисторы, потом открывает нужные транзисторы). Например, выделение ячейки 1: открываются транзисторы Vg0 и Vg1, Vg11 и Vg8 (верх – к плюсу, низ – к минусу). Ячейка 2: открываются транзисторы Vg1 и Vg2, Vg9 и Vg10.

Источник