Aktive Balancerschaltung. Balancer zum Selbermachen für Li-Ionen-Batterien

Preiswerte Ladebalancer eignen sich aufgrund des begrenzten Ladestroms nicht ganz zum Laden von LiPo-Akkus mit hoher Kapazität, wodurch sich die Ladung von Akkus mit hoher Kapazität (2 ... 5 A) sehr lange hinzieht. Das vorgeschlagene Ladegerät ist zum Laden von 2S….3S LiPo-Hochleistungsbatterien mit Ausgleich und Einzelabschaltung von Dosen bestimmt, bei denen die Spannung 4,2 Volt erreicht hat.

Diese Schaltung dient zum Laden von 2S- und 3S-Akkus, sofern erforderlich
Zum Laden von 4S- oder 5S-Akkus reicht es aus, die Zellenzahl zu erhöhen. Alle Zellen sind gleich.

Betrachten wir das Funktionsprinzip des Speichers am Beispiel einer Zelle. Die Basis ist Präzision
Zenerdiode TL431 mit einstellbarer Einschaltschwelle. Einschaltschwelle ist ohmsch eingestellt
Spannungsteiler am Ausgang der Steuerelektrode der Zenerdiode.
Bis die Zenerdiode eingeschaltet ist, fließt der gesamte Ladestrom durch die Batterie. Zenerdiode durch
Ein 1-kΩ-Widerstand ist parallel zur Batterie geschaltet, und die Spannung am positiven Bus sowie am Widerstandsteiler (und an der Steuerelektrode der Zenerdiode) steigt mit dem Laden der Batterie allmählich an. Wenn die Batteriespannung 4,2 Volt erreicht
Die Zenerdiode öffnet und der Spannungsabfall am 1-kΩ-Widerstand öffnet die Stromversorgung
Transistor KT816. Durch ihn fließt nun der Ladestrom. Die Signalisierung
Leuchtdiode. Eine Kette aus 4 in Reihe geschalteten Leistungsdioden und einem QE-Transistorübergang
sind eine leistungsstarke Zenerdiode mit einer Stabilisierungsspannung von ca. 4,2 Volt, die
verhindert, dass sich die Batterie über die offene Verbindung des Transistors entlädt.
Widerstand * 22 Kom wählen Sie so aus, dass bei Erreichen der entsprechende
Batteriebank mit +4,2 Volt Spannung, die Zenerdiode öffnete sich und die Signalleuchte ging an
Leuchtdiode.

Transformator TH36 oder ähnlich.
Transistoren KT816 (Kollektorstrom 3 A).
Dioden – leistungsstarke Dioden des KD226 Dip mit einem Strom von mindestens 2 A.
Leistungsstarker drahtgewickelter Stellwiderstand 10…..20 Ohm zur Einstellung des Ladestroms.
Amperemeter 1 ... .3 A, zur Kontrolle des Ladestroms.

Jeder Transistor verfügt über einen kleinen 20 mm x 40 mm großen Kühlkörper aus 1 mm dickem Aluminium.

Die Ausgangsspannung vom Gleichrichter zum Balancer muss größer sein
Batteriespannung. Der Gleichrichter verwendet eine Diodenbrücke für einen Strom von 3 A
und ein Kondensator 2200 Mikrofarad x 36 Volt.

Für eine Bank sollte die Spannung vom Gleichrichter etwa 6 Volt betragen.
Bei zwei Dosen sollte die Spannung vom Gleichrichter etwa 11 Volt betragen.
Bei drei Dosen sollte die Spannung vom Gleichrichter etwa 15 Volt betragen.
Bei vier Dosen sollte die Spannung vom Gleichrichter etwa 20 Volt betragen.

Bei Bedarf können Sie die Wicklungen des Transformators vertauschen.
Die Abschaltspannung einer geladenen Dose beträgt 4,2 Volt.

Der Ladestrom für Batterien wird durch einen leistungsstarken variablen Drahtwiderstand von 10 ... 20 Ohm auf 1 ... 2 A und für Batterien mit geringer Kapazität auf 0,5 A eingestellt.
Ich benutze dieses Ladegerät seit zwei Jahren. Ich lade Akkus mit 1,8……….3,0 A.

Schematische Darstellung des Lade-LiPo-Balancers.

.lay-Datei

Montage

Platine negativ für drei Ladezellen (3S LiPo). Blick von den Wegen.

Eine Variante des Designs des Speichers. Vorderansicht. Dioden leuchten – der Ladevorgang ist beendet.

Rückansicht. Die Achse des variablen Drahtwiderstands der aktuellen Einstellung ist sichtbar.

Gesamtansicht des Innenraums.

Gesamtansicht des Innenraums

Blick auf die Leiterplatte.

Sichtbar - variabler Widerstand, Diodenbrücke, Filterkondensator.

Besonders für Skeptiker und Anhänger von Mikrocontrollern möchte ich Folgendes sagen.
Ich leugne keineswegs die Vorteile von Mikrocontrollern gegenüber den Technologien der 80er Jahre!
Aber die Schaltkreise und Technologien der 80er Jahre stehen auch unerfahrenen Funkamateuren zur Verfügung, was man von Mikroprozessoren nicht behaupten kann. In diesem Artikel möchte ich meinen Kollegen nur zeigen, dass man aus einfachen sowjetischen Funkelementen in ein paar Tagen ohne großen Aufwand und Materialkosten etwas zusammenbauen kann.
oder ein anderes für das Geschäft notwendiges Gerät!
Ich möchte auch betonen: Als unsere Ingenieure noch keine Taschenrechner hatten, sondern auf Rechenschieber setzten, funktionierten alle ihre grandiosen Projekte! Genug, um sich daran zu erinnern
AMS „Venus“ aus den 70er Jahren, das auf der Oberfläche der Venus landete und Farbfotos zur Erde übermittelte. Und sowjetische Mondrover und die weltbesten Flugzeuge der 50er Jahre! Und natürlich der Flug von Juri Gagarin! Damals wurden alle Berechnungen mit Rechenschiebern durchgeführt! Ich habe natürlich einen Taschenrechner und mehr als einen. Aber ich weiß auch, wie man einen Rechenschieber benutzt.

Ein gemeinsames Merkmal aller Lithiumbatterien ist die Unverträglichkeit gegenüber Überladung und starkem Spannungsabfall. Es gibt etwa 10 Arten von Lithium-Ionen- und Polymerbatterien mit unterschiedlichen Wirkstoffzusammensetzungen. Sie alle unterscheiden sich im Betriebsspannungsbereich, erfordern jedoch die Einhaltung der Grenzen. Platinen sind elektrische Schaltkreise, die in den Stromkreis eingebettet sind, um die gewünschten Parameter aufrechtzuerhalten und die Lithiumbatterie im Falle einer Fehlfunktion zu trennen. Zum Laden, Ausbalancieren, zur Entladekontrolle und zum Schutz von Lithiumbatterien werden separate oder kombinierte Platinen hergestellt, die auf einem festen Substrat hergestellt werden.

Warum benötige ich beim Laden einer Batterie einen Balancer? Wenn mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden, summiert sich die Spannung und die Batteriekapazität entspricht der niedrigsten aller Zellen.

Um eine Überladung der „faulen“ Bank zu verhindern, muss diese vom Stromnetz getrennt werden, sobald an ihr die Ladespannung erreicht ist. Dadurch können andere Zellen weiter aufgeladen werden. Zur Steuerung der gleichmäßigen Ladung wird ein Balancer eingesetzt. Es muss in einen Stromkreis mit einer Reihenschaltung von Elementen eingebunden werden. Für eine Parallelschaltung ist kein Balancer erforderlich, der den Ladezustand gleichmäßig verteilt, wie bei kommunizierenden Gefäßen.

Die Balancerplatine kann separat hergestellt oder in die allgemeine Schutzschaltung MBS für Lithiumbatterien einbezogen werden. Die Anordnung wird als Ausgleichsschleife bezeichnet.

Der Zweck der Implementierung der Schaltung besteht darin, eine Überladung einzelner Zellen zu verhindern. Wenn ein einzelner und geschützter Akku verwendet wird, verfügt dieser über einen Überladeschutzblock.

Lithiumbatterie-Schutzplatine

Lithiumbatterien können bei Überladung oder Erhitzung Feuer fangen oder explodieren. Wenn die Spannung absinkt, wird das Laden schwierig. Jeder Verstoß gegen das Regime führt zu einem unwiederbringlichen Verlust der Glaskapazität. Daher enthält jede Baugruppe aus Lithiumbatterien eine Schutzplatine.

Werden ungeschützte Elemente verwendet, ist unbedingt ein Lade-Entlade-Regler zu installieren. Die Leiterplatte ist ein obligatorisches Element in allen Batterien für Haushaltsgeräte.

Leiterplatten und PCM-Module sind keine Controller, sie regeln weder Strom noch Spannung. Ihre Aufgabe besteht darin, den Stromkreis zu unterbrechen, wenn ein Kurzschluss oder eine Überhitzung auftritt. Die Module ermöglichen eine gefährliche Entladung von bis zu 2,5 V. Alle Schutzmodule sind chinesisch, die Produkte werden in Millionen produziert und es ist unwahrscheinlich, dass jede Mikroschaltung getestet wird. Dies ist kein vollständiger Schutz, kein Notfall.

Zum Schutz werden MBS-Lade- und Schutzplatinen verwendet, die nach einer doppelten Strombelastung ausgewählt werden und über einen eingebauten Balancer verfügen. Lade- und Schutzplatinen für Lithiumbatterien sind Steuerungen, die einen zweistufigen Prozess ermöglichen und die gewünschten Parameter bereitstellen. Eine unabdingbare Voraussetzung für die zweite Ladestufe ist das Abschalten des Stroms, wenn die maximale Betriebsspannung der Lithiumbatterie erreicht ist.

Schaltpläne der Lithiumbatterie-Schutzplatine

Alle Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien sowie zusammengebaute Batterien müssen geschützt werden. Um das Laden in zwei Stufen durchzuführen, ist es notwendig, einen Konstantstrom- und Konstantspannungsmodus in Reihe bereitzustellen. Wird bei der PCM- oder MBS-Platinenmontage verwendet.

Montieren Sie es selbst oder kaufen Sie fertige Platinen für den Anschluss, ganz nach Ihrer Wahl. Zum Laden von Lithiumbatterien verwenden Experten chinesische Produkte. Sie werden bei AliExpress mit kostenlosem Versand bestellt.

LM317

Einfaches Ladegerät, Stromstabilisator.

Die Einstellung besteht darin, durch Einstellen der Widerstände R4, R6 eine Spannung von 4,2 V zu erzeugen. Der Widerstand R8 ist ein Abstimmwiderstand. Die erloschene LED zeigt das Ende des Vorgangs an. Der Nachteil dieses Geräts ist die Unmöglichkeit der Stromversorgung über den USB-Anschluss. Eine hohe Versorgungsspannung von 8-12 V ist die Voraussetzung für den Betrieb dieses Speichers.

TR4056

Experten empfehlen, zum Laden einer Lithiumbatterie die chinesische TP4056-Karte mit oder ohne Batterieumkehrschutz zu verwenden. Sie können es bei Aliexpress kaufen, die Stückkosten betragen etwa 30 Cent.

Der maximale Strom von 1 A wird durch Ersetzen des Widerstands R3 geregelt. Spannung 5 A, es gibt eine Ladeanzeige.

Kontrollstufen:

• ständig, Batteriespannung;
• Vorladen, wenn die Klemmen weniger als 2,9 V haben;
• der maximale Konstantstrom beträgt 1A, wenn der Widerstand ausgetauscht wird, erhöht sich der Widerstand, der Strom sinkt;
• bei einer Spannung von 4,2 V beginnt bei konstanter Spannung ein allmählicher Abfall des Ladestroms;
• Bei einem Strom von 0,1C wird der Ladevorgang abgeschaltet.

Experten raten zum Kauf einer Platine mit Schutz oder Ausgangskontakt für einen Temperatursensor.

NCP1835

Die Ladeplatine bietet eine hohe Stabilität der Ladespannung bei einer Miniaturgröße der Platine von 3x3 mm. Dieses Gerät ermöglicht das Laden von Lithium-Akkus aller Art und Größe.

Besonderheiten:

• eine kleine Anzahl von Elementen;
• lädt stark entladene Akkus mit einem Strom von ca. 30 mA;
• erkennt nicht wiederaufladbare Batterien und gibt ein Signal;
• Sie können die Ladezeit zwischen 6 und 748 Minuten einstellen.

Video

Sehen Sie sich das Video an, um einen vollständigen Test der Ladeplatine TP4056 zu erhalten

Besonderheiten:

-Gleichgewicht

-

-Aktuelle Kontrolle

-

Pin-Beschreibung:

Besonderheiten:

-Gleichgewicht Hinweis: Die Steuerplatine HCX-D119 für 3S/4S Li-Ion-Akkus verfügt über eine integrierte Balancer-Funktion. Gleichzeitig wird beim Laden des Akkus die Spannung an jeder Zelle auf einen Wert von 4,2 V ausgeglichen.
Um die Spannungsausgleichsfunktion nutzen zu können, müssen Sie die Batterie nach dem Ende der aktiven Phase des Batterieladens für mindestens 60 - 120 Minuten unter einer Spannung von 12,6 / 16,8 V halten. Damit der Balancer funktioniert, ist es wichtig, dass die Spannung nicht höher als 12,6 / 16,8 V ist: Werden diese Spannungen überschritten, wechselt der Controller in den Schutzzustand und die Batterien werden nicht ausgeglichen

-Spannungskontrolle an jeder Zelle: Wenn die Spannung an einer der Zellen die Schwellenwerte überschreitet, wird die gesamte Batterie automatisch abgeschaltet.

-Aktuelle Kontrolle: Wenn der Laststrom die Schwellenwerte überschreitet, wird die gesamte Batterie automatisch abgeschaltet.

- Fähigkeit, mit 3S-Batterien zu arbeiten(3 Akkus in Reihe) Der HCX-D119-Controller ist 100 % kompatibel mit 3S Li-Ion-Akkus (11,1 V). Um den Controller in den 3S-Modus zu schalten, ist es notwendig, die Kontakte R8 zu überbrücken, den Widerstand R7 auf R11 zu verlegen (R7 bleibt gleichzeitig unterbrochen) und das „B1“-Pad mit dem „B-“-Pad zu verbinden

Pin-Beschreibung:

Selbstverständlich gegen gesonderte Gebühr. Aber das ist nur für meinen speziellen Fall.

Oftmals muss man im Feld ohne Netzwerk arbeiten, ein Schraubenzieher ist immer griffbereit. Batterien sind schon alt, eine Verbesserung wurde angeregt. Ich schüttelte den toten NiCd aus den Schraubendreherkartuschen und stopfte ihn in beide LiPo-Gehäuse für je 5 Dosen. Ein Fehler, aber Sie müssen es auf dem Feld oder im Auto auf die gleiche Weise aufladen, und es ist wünschenswert, es mit Ausgleich aufzuladen, da sich alle 5 Dosen in jedem Akku auf ihre eigene Weise verhalten, Ketai wirkt sich aus. Der Ausgleich beim Laden kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, die Möglichkeiten sind unklar. Am einfachsten ist es, aufgeladene Dosen durch eine Last zu bremsen und in Wärme umzuwandeln. Das ist es, was der Desktop-IMAX B6 macht, aber mir gefällt nicht, dass er bei aktiviertem Balancing den gesamten Akku lange auflädt.

Ich habe es herausgefunden und dachte, dass es am einfachsten wäre, jede Bank im Akku separat aufzuladen. Irgendwie bin ich beim Googeln von Balancing-Methoden auf einen ähnlichen Gedanken gestoßen:

„Verdammte Betrüger ... Als ich darüber nachdachte, wollte ich eine Reihe von DCDCs bauen, bei denen die Spannung jedes Kontakts individuell gesteuert wird => jede Zelle könnte mit einem individuellen Ladeplan aufgeladen werden. Anscheinend ist das einfach zu komplex. "

Und es schien mir weniger kompliziert: Wir formen einen DC-DC mit 5 Ausgängen und schließen an jeden einen Ladechip an, von denen es eine Legion für Li-Ion gibt! Und ich dachte, es sollte weniger warm sein: Man muss die Ufer nicht bremsen! (Ja, im Moment sind die angreifenden Mikruhi erhitzt wie Bastarde!)

Hier ist das Diagramm, das dabei herausgekommen ist:

Die Schaltung ist einfach, lediglich bei der Wahl des Transistors gab es ein Problem. Ich habe den IRLS3034 zunächst mit einer weiten Geste aufgeklebt, wobei sich herausstellte, dass die Verschlusskapazität für den LM3478-Treiber zu stark war, ich musste etwas weniger Auffälliges anbringen. Für jeden Kanal – laut STC4054G ist die Option günstig und erfüllt die Aufgabe. Hier ist das zusammengebaute Brett, in einer Schicht geschieden:

Der Hersteller des STC4054G-Ladechips empfiehlt, die Leiterbahnen auf der Platine möglichst dick zu machen und möglichst auf beiden Seiten der Platine Polygone zur Wärmeableitung zu verwenden. Ich habe mir das Ausstechen nicht angehört, aber vergebens: Die Mikruhi werden so erhitzt, wie sie sollten, selbst bei einem Ladestrom von 400 mA pro Glas.
Und aus einem anderen Blickwinkel:

Lädt und erhitzt sich, Infektion:

Wenn es heiß ist, muss es abgekühlt werden. Ich nahm ein praktisches Aluminiumgehäuse und bohrte eine Abdeckung für Anschlüsse, Befestigungselemente und LEDs. Runde Löcher – runder Fräser, rechteckig – rechteckig)

Zusammengebaut und segelfertig:

Es gab eine Idee, es schwarz zu lackieren, aber zu faul. Ja, und das ist Verwöhnung – dieser Igel soll in einem Auto unter Ihren Füßen, näher am Zigarettenanzünder, leben.

Ich werde das nächste Mal über die Balance nachdenken. Mir gefällt die Idee eines Robin-Hood-Transformators sehr gut, den er aus reichen Dosen nimmt und an arme Dosen in der Batterie weitergibt. Es scheint, als ob die Effizienz höher und die Wärme geringer ist. Andererseits werden die reichen Batterien hin und her gemolken, bis die armen überflutet sind; Das ist nicht sehr gut, oder?

UPD: Entsprechend den Parametern des Transformators und den Nennwerten. Der Transformator war auf einen nicht sehr guten Kern gewickelt, der zur Hand war, 2 x MP140-1, KP19x11x4,8. Primär 21 Windungen 0,35 Draht, sekundär gleichzeitig 11 Windungen Draht 0,51. Frequenzeinstellung R1C1 – bei ~ 100 kHz, 4,7 kOhm / 0,1 uF. Rückkopplungsteiler R2R3 - 21 kOhm / 8,2 kOhm. R4 – 75 kOhm, Shunt R5R6 – jeweils 0,1 Ohm (insgesamt 0,05 Ohm). VD1 – SMBJ15, VD2 – SM4005. VD4 einiger Schottky von 1 A, C5 – 330 uF x 25 V, VD8 – Zenerdiode 5V1, C10 – 0,1 uF. R7 – 470 Ohm, R12 – 2 kOhm, was etwa 400 mA ergibt.

Gesendet von:

Nein, hier geht es nicht um Angelköder und nicht einmal um Zirkusakrobaten, die unter der Kuppel balancieren. Es wird darum gehen, wie ein Gleichgewicht der Parameter in Reihe geschalteter Batterien erreicht werden kann.

Wie Sie wissen, handelt es sich bei einer Batteriezelle um ein Gerät mit relativ niedriger Spannung, daher werden sie normalerweise in Paketen in Reihe geschaltet. Wenn die Parameter aller Batterien gleich sind, verfügen wir im Idealfall über eine Quelle mit einer Spannung, die n-mal höher ist als die einer einzelnen Zelle, und wir können sie wie eine einzelne Batterie mit höherer Spannung laden und entladen.

Leider wäre das nur ideal. Jede Batterie in diesem Paket ist, wie alles auf dieser Welt, einzigartig und es ist unmöglich, zwei völlig identische zu finden, und ihre Eigenschaften – Kapazität, Leckage, Ladegrad – ändern sich mit der Zeit und der Temperatur.

Natürlich versuchen die Batteriehersteller, hinsichtlich der Parameter so nah wie möglich auszuwählen, aber es gibt immer Unterschiede. Und mit der Zeit können solche Ungleichgewichte der Eigenschaften auch zunehmen.

Diese Unterschiede in den Eigenschaften der Zellen führen dazu, dass die Batterien unterschiedlich funktionieren und infolgedessen die Gesamtkapazität der Verbundbatterie geringer ist als die ihrer einzelnen Zellen, und zweitens die Ressourcen dieser Zellen Eine Batterie wird auch niedriger sein, weil. es wird durch die „schwächste“ Batterie bestimmt, die schneller verschleißt als andere.
Was zu tun ist?

Zur Beurteilung des Zellausgleichsgrades gibt es zwei Hauptkriterien:
1. Spannungsausgleich an den Zellen,
2. Ausgleich der Ladung in den Zellen.

Sie können Ihre Ziele bei der Umsetzung dieser Ausgleichsmethoden auch auf zwei Arten erreichen:
1. Passiv und
2. Aktiv.

Lassen Sie uns erklären, was gesagt wurde.
Mit den Ausgleichskriterien ist alles klar, entweder erreichen wir einfach die Gleichheit der Spannungen an den Zellen oder wir berechnen irgendwie die Ladung der Batterie und stellen sicher, dass diese Ladungen gleich sind (in diesem Fall können die Spannungen unterschiedlich sein).

Auch bei den Implementierungsmethoden gibt es nichts Kompliziertes. Bei der passiven Methode wandeln wir einfach die Energie in den am stärksten geladenen Batteriezellen in Wärme um, bis die Spannungen oder Ladungen in ihnen gleich sind.
Bei der aktiven Methode übertragen wir in jedem Fall die Ladung von einer Zelle auf eine andere, möglichst mit minimalen Verlusten. Moderne Schaltkreise realisieren solche Fähigkeiten problemlos.

Es ist klar, dass es einfacher ist, Energie abzuleiten als zu pumpen, und dass es einfacher ist, Spannungen zu vergleichen als Ladungen.

Außerdem können diese Methoden sowohl beim Laden als auch beim Entladen angewendet werden. Am häufigsten wird der Ausgleich natürlich beim Laden der Batterie durchgeführt, wenn viel Energie vorhanden ist und nicht viel eingespart werden kann und Sie daher ohne große Verluste die passive Ableitung von „überschüssigem“ Strom nutzen können.
Beim Entladen kommt immer nur die aktive Ladungsübertragung zum Einsatz, allerdings sind solche Systeme aufgrund der größeren Komplexität der Schaltung sehr selten.

Schauen wir uns die praktische Umsetzung des oben Gesagten an.
Beim Laden wird im einfachsten Fall ein sogenannter „Balancer“ am Ausgang des Ladegeräts platziert.
Um mich nicht zu komponieren, füge ich außerdem einfach einen Text aus einem Artikel von der Website http://www.os-propo.info/content/view/76/60/ ein. Die Rede ist vom Laden von Lithiumbatterien.

"Der einfachste Balancertyp ist der Spannungsbegrenzer. Es handelt sich um einen Komparator, der die Spannung an der LiPo-Bank mit einem Schwellenwert von 4,20 V vergleicht. Bei Erreichen dieses Wertes wird ein leistungsstarker Transistorschlüssel geöffnet, der parallel zur LiPo-Bank geschaltet ist und den größten Teil des Ladestroms (1A) durch sich selbst leitet oder mehr) und die Umwandlung von Energie in Wärme. Gleichzeitig gelangt ein äußerst kleiner Teil des Stroms in die Dose selbst, wodurch deren Aufladung praktisch gestoppt wird und die benachbarten Dose sich wieder aufladen kann. Tatsächlich erfolgt der Spannungsausgleich an den Batteriezellen mit einem solchen Balancer erst am Ende des Ladevorgangs, wenn die Zellen den Schwellenwert erreichen.

In einem solchen Schema ist die Aufgabe, ein Paar unterschiedlicher Akkus aufzuladen und auszugleichen, realistisch realisierbar. Doch solche Balancer sind in der Praxis nur Eigenbau. Alle proprietären Mikroprozessor-Balancer verwenden ein anderes Funktionsprinzip.

Anstatt die vollen Ladeströme am Ende abzuführen, überwacht der Mikroprozessor-Balancer ständig die Spannungen an den Bänken und gleicht sie während des Ladevorgangs schrittweise an. Zu einer Bank, die stärker geladen ist als andere, schaltet der Balancer einen Widerstand parallel (in der Größenordnung von 50–80 Ohm bei den meisten Balancern), der einen Teil des Ladestroms durch sich selbst leitet und den Ladevorgang dieser Bank nur geringfügig verlangsamt , ohne es vollständig zu stoppen. Im Gegensatz zu einem Transistor auf einem Strahler, der den Hauptladestrom aufnehmen kann, liefert dieser Widerstand nur einen kleinen Ausgleichsstrom – etwa 100 mA, und daher benötigt ein solcher Balancer keine massiven Strahler. Dieser Ausgleichsstrom ist in den technischen Eigenschaften der Balancer angegeben und überschreitet in der Regel 100-300 mA nicht.

Ein solcher Balancer erwärmt sich nicht wesentlich, da der Prozess während des gesamten Ladevorgangs abläuft und die Wärme bei niedrigen Strömen ohne Heizkörper abgeführt werden kann. Wenn der Ladestrom deutlich höher als der Ausgleichsstrom ist, hat der Balancer bei einer großen Spannungsspreizung an den Bänken offensichtlich keine Zeit, sie auszugleichen, bevor die am stärksten geladene Bank die Schwellenspannung erreicht."
Ende des Zitats.

Das Folgende kann als Beispiel für das Funktionsschema des einfachsten Balancers dienen (entnommen von der Website http://www.zajic.cz/).

Abb.1. Eine einfache Bilanz.

Tatsächlich handelt es sich hierbei um eine leistungsstarke Zenerdiode, übrigens sehr genau, belastet mit einer niederohmigen Last, deren Rolle hier die Dioden D2 ... D5 spielen. Chip D1 misst die Spannung am Plus- und Minuspol der Batterie, und wenn sie über den Schwellenwert steigt, öffnet er einen leistungsstarken Transistor T1, der den gesamten Strom aus dem Speicher durch sich selbst leitet.

Abb.2. Eine einfache Bilanz.

Der zweite Stromkreis funktioniert ähnlich (Abb. 2.), aber darin wird die gesamte Wärme im Transistor T1 abgegeben, der sich wie eine „Teekanne“ erwärmt – der Heizkörper ist im Bild unten zu sehen.

Abbildung 3 zeigt, dass der Balancer aus 3 Kanälen besteht, die jeweils nach dem Schema von Abbildung 2 hergestellt sind.

Natürlich beherrscht die Industrie solche Schaltungen, die in Form einer kompletten Mikroschaltung hergestellt werden, längst. Viele Unternehmen stellen sie her. Als Beispiel verwende ich die Materialien des Artikels über Ausgleichsmethoden, der auf der Radio Lotsman-Website http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=59991 veröffentlicht wurde und die ich teilweise ändern oder entfernen werde den Artikel nicht aufzublähen.
Zitieren:
" Passive Ausgleichsmethode.
Die einfachste Lösung besteht darin, die Spannung der Batterien auszugleichen. Beispielsweise bietet der BQ77PL900-Chip Schutz für Akkupacks mit 5–10 in Reihe geschalteten Akkus. Der Mikroschaltkreis ist eine funktionell vollständige Einheit und kann zum Arbeiten mit einem Batteriefach verwendet werden, wie in Abbildung 4 dargestellt. Durch den Vergleich der Spannung der Zelle mit dem Schwellenwert schaltet der Mikroschaltkreis bei Bedarf den Ausgleichsmodus für jede der Zellen ein .

Abb.4. Chip BQ77PL900 und das zweite Analogon, bei dem das interne Gerät besser zu sehen ist (von hier aufgenommen). http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm).

Auf Abb. In Abb. 5 zeigt das Funktionsprinzip. Wenn die Spannung einer Batterie einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, schalten sich Feldeffekttransistoren ein und ein Lastwiderstand wird parallel zur Batteriezelle geschaltet, über den der Strom die Zelle umgeht und sie nicht mehr lädt. Der Rest der Zellen wird weiterhin aufgeladen.
Sinkt die Spannung, schließt das Feldventil und der Ladevorgang kann fortgesetzt werden. Somit liegt am Ende des Ladevorgangs an allen Zellen die gleiche Spannung an.

Bei der Anwendung eines Ausgleichsalgorithmus, der nur die Spannungsabweichung als Kriterium verwendet, ist aufgrund der unterschiedlichen Innenwiderstände der Batterien ein unvollständiger Ausgleich möglich (siehe Abb. 6.). Tatsache ist, dass an diesem Widerstand ein Teil der Spannung abfällt, wenn Strom durch die Batterie fließt, was zu einem zusätzlichen Fehler in der Spannungsverteilung während des Ladevorgangs führt.
Der Batterieschutzchip kann nicht feststellen, ob das Ungleichgewicht durch eine unterschiedliche Kapazität der Batterien oder einen Unterschied in ihren Innenwiderständen verursacht wird. Daher gibt es bei dieser Art des passiven Balancings keine Garantie dafür, dass alle Akkus zu 100 % geladen sind.

Der BQ2084 verwendet eine verbesserte Version des Ausgleichs, die ebenfalls auf Spannungsschwankungen basiert. Um jedoch den Effekt der Innenwiderstandsverteilung zu minimieren, gleicht der BQ2084 näher am Ende des Ladevorgangs aus, wenn der Ladestrom niedrig ist.

Reis. 5. Passive Methode basierend auf Spannungsausgleich.

Reis. 6. Passive Spannungsausgleichsmethode.

Chips der BQ20Zxx-Familie verwenden die proprietäre Impedance-Track-Technologie zur Bestimmung des Ladezustands, basierend auf der Bestimmung des Ladezustands der Batterien (SZB) und der Batteriekapazität.

Bei dieser Technologie wird für jede Batterie die erforderliche Ladung Qneed berechnet, um sie vollständig aufzuladen. Anschließend wird die Differenz Q zwischen der Menge Qneed aller Batterien ermittelt. Dann schaltet die Mikroschaltung die Leistungsschalter ein, die alle Zellen auf das Niveau der geringsten Ladung entladen, bis die Ladungen ausgeglichen sind.

Da der Unterschied im Innenwiderstand der Batterien keinen Einfluss auf diese Methode hat, kann sie jederzeit angewendet werden, sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Batterie. Allerdings ist diese Methode, wie oben erwähnt, beim Entladen dumm anzuwenden, weil. Energie ist nie genug.

Der Hauptvorteil dieser Technologie ist der genauere Batterieausgleich (siehe Abb. 7) im Vergleich zu anderen passiven Methoden.

Reis. 7. Passiver Ausgleich basierend auf SSB und Kapazität.

Aktives Balancieren

In puncto Energieeffizienz ist diese Methode dem passiven Auswuchten überlegen, denn. Um Energie von einer stärker geladenen Zelle auf eine weniger geladene zu übertragen, werden anstelle von Widerständen Induktivitäten und Kapazitäten verwendet, bei denen praktisch kein Energieverlust auftritt. Diese Methode wird in Fällen bevorzugt, in denen eine maximale Batterielebensdauer erforderlich ist.

Der BQ78PL114, der auf der proprietären PowerPump-Technologie von TI basiert, ist die neueste aktive Batterieausgleichskomponente von TI und nutzt einen induktiven Wandler zur Energieübertragung.

Die PowerPump verwendet n-Kanal-p-Kanal-FETs und eine Drossel, die zwischen einem Batteriepaar sitzt. Das Schema ist in Abb. 8 dargestellt. Die Feldarbeiter und der Induktor bilden einen Tief-/Aufwärtswandler.

Wenn der BQ78PL114 beispielsweise feststellt, dass die obere Zelle stärker geladen ist als die untere Zelle, wird am PS3-Pin ein Signal zum Öffnen des Transistors Q1 mit einer Frequenz von etwa 200 kHz und einem Arbeitszyklus von etwa 30 % erzeugt.

Wenn Q2 geschlossen ist, erhält man eine standardmäßige Buck-Schaltreglerschaltung, wobei die interne Diode von Q2 den Induktorstrom schließt, während Q1 ausgeschaltet ist.

Beim Pumpen von der unteren zur oberen Zelle, wenn nur die Q2-Taste geöffnet wird, erhalten wir ebenfalls eine typische Schaltung, jedoch bereits einen Aufwärtsschaltregler.

Natürlich sollten die Tasten Q1 und Q2 niemals gleichzeitig geöffnet werden.

Reis. 8. Auswuchttechnologie PowerPump.

In diesem Fall sind die Energieverluste gering und fast die gesamte Energie fließt von einem hochgeladenen zu einem niedriggeladenen Glas. Der BQ78PL114-Chip implementiert drei Ausgleichsalgorithmen:
- Spannung an den Batterieklemmen. Diese Methode ähnelt der oben beschriebenen passiven Ausgleichsmethode, es treten jedoch nahezu keine Verluste auf.
- Leerlaufspannung. Diese Methode gleicht den Unterschied in den Innenwiderständen der Batterien aus;
- nach Batterieladezustand (basierend auf der Vorhersage des Batteriezustands). Die Methode ähnelt der in der Mikroschaltungsfamilie BQ20Zxx verwendeten Methode mit passivem Ausgleich für SSB und Batteriekapazität. In diesem Fall wird die Ladung, die von einer Batterie auf eine andere übertragen werden muss, genau bestimmt. Der Ausgleich erfolgt am Ende des Ladevorgangs. Mit dieser Methode wird das beste Ergebnis erzielt (siehe Abb. 9.)

Reis. 9. Aktiver Ausgleichsalgorithmus zur Nivellierung des Ladezustands der Batterie.

Aufgrund der hohen Ausgleichsströme ist die PowerPump-Technologie wesentlich effizienter als herkömmliche passive Symmetrierung mit Energiedissipation. Beim Balancieren eines Laptop-Akkus betragen die Balancierströme 25…50 mA. Durch die Wahl der Wertigkeit der Komponenten kann eine 12-20-mal bessere Auswuchteffizienz erreicht werden als bei der passiven Methode mit internen Schlüsseln. Ein typischer Unwuchtwert (weniger als 5 %) kann in nur ein oder zwei Zyklen erreicht werden.

Darüber hinaus bietet die PowerPump-Technologie weitere Vorteile: Der Ausgleich kann in jedem Betriebsmodus erfolgen – beim Laden, Entladen und sogar dann, wenn die Batterie, die Energie liefert, eine niedrigere Spannung hat als die Batterie, die Energie empfängt." (Ende des Teilzitats.)

Fahren wir mit der Beschreibung aktiver Methoden zur Ladungsübertragung von einer Zelle auf eine andere mit dem folgenden Schema fort, das ich im Internet auf der Website „HamRadio“ http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm gefunden habe.

Als Ladungsübertragungsschaltung wurde kein induktiver, sondern ein kapazitiver Speicher verwendet. Weithin bekannt sind beispielsweise die sogenannten Switched-Capacitor-Spannungswandler. Einer der Massenchips ist der ICL7660-Chip (MAX1044 oder das inländische Analogon KR1168EP1).

Grundsätzlich dient die Mikroschaltung dazu, eine negative Spannung zu erhalten, die ihrer Versorgungsspannung entspricht. Wenn sich jedoch aus irgendeinem Grund herausstellt, dass die negative Spannung an seinem Ausgang größer als die positive Versorgungsspannung ist, beginnt die Mikroschaltung, die Ladung „in die entgegengesetzte Richtung“ zu pumpen, indem sie sie vom Minus nimmt und an das Plus weitergibt. d.h. Sie versucht ständig, diese beiden Spannungen auszugleichen.

Diese Eigenschaft wird genutzt, um zwei Batteriezellen auszubalancieren. Das Schema eines solchen Balancers ist in Abb. 10 dargestellt.

Abb.10. Schema eines Balancers mit kapazitiver Ladungsübertragung.

Die Mikroschaltung mit hoher Frequenz verbindet den Kondensator C1 entweder mit der oberen Batterie G1 oder mit der unteren G2. Dementsprechend wird C1 von einem stärker geladenen aufgeladen und in einen stärker entladenen entladen, wobei jedes Mal ein Teil der Ladung übertragen wird.
Mit der Zeit wird sich die Spannung an den Batterien angleichen.

Die Energie im Stromkreis geht praktisch nicht verloren, der Wirkungsgrad des Stromkreises kann bis zu 95 ... 98 % erreichen, abhängig von der Spannung der Batterien und dem Ausgangsstrom, der von der Schaltfrequenz und der Kapazität C1 abhängt.

In diesem Fall beträgt der tatsächliche Verbrauch der Mikroschaltung nur einige zehn Mikroampere, d.h. liegt unter dem Selbstentladungsniveau vieler Batterien, weshalb der Mikroschaltkreis nicht einmal von der Batterie getrennt werden kann und ständig langsam die Arbeit des Spannungsausgleichs an den Zellen verrichtet.

In der Realität kann der Pumpstrom 30 ... 40 mA erreichen, allerdings nimmt der Wirkungsgrad ab. Normalerweise zehn mA. Außerdem kann die Versorgungsspannung zwischen 1,5 und 10 V liegen, was bedeutet, dass die Mikroschaltung sowohl normale Ni-Mh-Finger als auch Lithiumbatterien ausgleichen kann.

Praktischer Hinweis: in Abb.10. Dargestellt ist eine Schaltung, die Batterien mit einer Spannung von weniger als 3 V ausgleicht, sodass ihr sechster Zweig (LV) mit Ausgang 3 verbunden ist. Um Lithiumbatterien mit einer höheren Spannung auszugleichen, muss Pin 6 frei bleiben und darf nirgendwo angeschlossen werden.

Außerdem ist es mit dieser Methode möglich, nicht nur zwei, sondern auch mehr Batterien auszubalancieren. Auf Abb.11. gezeigt, wie es geht.

Abb.11. Kaskadierende Ladungsübertragungschips.

Und schließlich noch ein Schaltungsdesign, das eine kapazitive Ladungsübertragung von einer Batterie zur anderen implementiert.
Wenn es sich bei ICL7660 um einen Multiplexer handelte, der den Kondensator C1 nur mit zwei Quellen verbinden konnte, dann können Sie durch die Verwendung eines Multiplexers mit einer großen Anzahl von Schaltkanälen (3, 4, 8) die Spannungen bereits auf drei, vier oder acht Bänken ausgleichen eine Mikroschaltung. Darüber hinaus können Banken auf beliebige Weise geschaltet werden, sowohl in Reihe als auch parallel. Die Hauptsache ist, dass die Versorgungsspannung der Mikroschaltung höher ist als die maximale Spannung an den Bänken.

Das Schema des sogenannten „Reversiblen Spannungswandlers“, beschrieben in der Zeitschrift „Radio“ 1989, Nr. 8, ist in Abb. 12 dargestellt.

Abb.12. Reversibler Spannungswandler als Balancer am Multiplexer 561KP1.

An das Nivelliergerät können bis zu vier Elemente angeschlossen werden. Der Kondensator C2 ist wiederum mit verschiedenen Elementen verbunden, sorgt für die Energieübertragung dieser Elemente und gleicht die Spannung an ihnen aus.

Die Anzahl der Zellen in einer Batterie kann reduziert werden. In diesem Fall reicht es aus, anstelle der ausgeschlossenen Elemente einen Kondensator mit einer Kapazität von 10..20 μF anzuschließen.

Der Ausgleichsstrom einer solchen Quelle ist mit bis zu 2 mA sehr gering. Da es jedoch ständig arbeitet, ohne die Batterien zu trennen, erfüllt es seine Aufgabe – den Ladungsausgleich der Zellen.

Abschließend möchte ich anmerken, dass die moderne Elementbasis ein praktisch verlustfreies Ausbalancieren der Zellen einer Verbundbatterie ermöglicht und bereits so einfach ist, dass sie nicht mehr etwas „Cooles“ und Unzugängliches ist.

Und deshalb glaube ich, dass ein Funkamateur, der batteriebetriebene Geräte entwirft, darüber nachdenken sollte, auf aktive Methoden der Energieübertragung zwischen Bänken in einer Batterie umzusteigen, wenn auch nur „auf die altmodische Art“ und sich dabei auf die Gleichheit der Spannungen zwischen Batteriezellen zu konzentrieren , und keine Gebühren in ihnen.

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