Балансир для li-ion аккумуляторов своими руками. Схема и описание. Схема очень простого балансира, для правильной зарядки литиевых аккумуляторов Балансир для зарядки литиевых аккумуляторов на тл431

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.

Простой балансир для li-ion аккумуляторов

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 . 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).

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:

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 :

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

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

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

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

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

Схема одного модуля.

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

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

Также и при зарядке двух последовательных элементов от различных напряжений

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

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

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

С задранной защитной панелью.

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

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

Настройка

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

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

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

Я регулировал порог срабатывания так:

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

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

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

Конечно же раздельный заряд. Но это только для моего конкретного случая.

Часто приходится работать в поле без сети, шуруповерт всегда под рукой. Аккумуляторы уже старенькие, напрашивалось улучшение. Вытряхнул сдохшие NiCd из шуруповертных картриджей и запихал в оба корпуса LiPo, каждую на 5 банок. Ляпота, но заряжать надо так же в поле или в машине и заряжать желательно с балансировкой, потому как все 5 банок в каждом акке ведут себя по-своему, сказывается кетай. Балансировку при зарядке можно делать по-разному, способов - тьма тьмущая. Наиболее простой - торможение перезаряженных банок нагрузкой, перегон в тепло. Так и делает настольный IMAX B6, а мне не нравится что заряжает он всю батарею долго при включенной балансировке.

Прикинул и подумал, что проще всего схемотехнически будет заряжать каждую банку в батарее по отдельности. Как-то гугля способы балансировки наткнулся на схожую мысль:

"Bloody cheaters... When I was thinking about this, I was going to build bunch of DCDC"s where voltage of each contact is individually controlled => each cell might be charged with individual charge plan. Apparently, this is just too complex. "

А мне это показалась менее сложным: лепим DC-DC с 5 выходами и на каждый цепляем микросхему-зарядник, коих для Li-Ion легион! И греться, подумалось, должно меньше: тормозить же банки не надо! (Ага, щаз, зарядные микрухи греются как сволочи!)

Вот такая вот схемка нарисовалась:

Схема несложная, случилась проблема только с выбором транзистора. Я широким жестом воткнул сначала IRLS3034, у которого ёмкость затвора оказалась не по зубам драйверу LM3478, пришлось поставить что-то менее понтовое. На каждый канал - по STC4054G, вариант дешевый и удовлетворяющий поставленной задаче. Вот и плата в сборе, развелась в один слой:

Производитель зарядной микросхемы STC4054G рекомендует дорожки на плате делать максимально толстыми и по возможности использовать полигоны на обоих сторонах платы для теплоотведения. Я раздолбай не послушался, а зря: микрухи греются как надо, даже при выставленном токе заряда в 400 мА на банку.
И с другого ракурса:

Заряжает и греется, зараза:

Ну раз греется - надо охлаждать. Подобрал удобный корпус из алюминия, засверлил крышку под разъемы, крепеж и светодиоды. Круглые отверстия - круглой фрезой, прямоугольные - прямоугольной)

Собран и готов к отплытию:

Была идея покрасить в черный цвет, но уже лень. Да и баловство это - ёжику этому написано жить в машине под ногами поближе к прикуривателю.

В следующий раз еще подумаю про балансировку. Уж очень нравится идея трансформатора-робингуда, который у богатых банок берет и бедным банкам в аккумуляторе отдаёт. Вроде как и КПД выше и тепла меньше. Но опять же, богатые аккумуляторы доятся туда-сюда, пока бедные не зальются; такое ведь не сильно хорошо?

UPD: По параметрам трансформатора и номиналам. Трансформатор мотался на не очень хорошем сердечнике, то что было под рукой, 2 х МП140-1, КП19х11х4.8. Первичка 21 виток 0,35 проводом, вторички одновременно 11 витков проводом 0,51. Частотозадающие R1C1 - на ~100 кГц, 4,7кОм/0,1 мкФ. Делитель в обратной связи R2R3 - 21кОм/8,2кОм. R4 - 75 кОм, шунт R5R6 - по 0,1 Ом (в итоге 0,05 Ом). VD1 - SMBJ15, VD2 - SM4005. VD4 какой-то шоттки от 1 А, С5 - 330 мкФ х 25В, VD8 - стабилитрон 5V1, C10 - 0,1 мкФ. R7 - 470 Ом, R12 - 2 кОм, что примерно дает 400 мА.