Echilibratoare de casă pentru încărcarea bateriilor li-ion. Încărcător LiPo de mare capacitate de casă

Trimis de:

Nu, nu este vorba despre momeală de pescuit și nici măcar despre acrobații de circ care se echilibrează sub dom. Va fi vorba despre cum să se realizeze un echilibru al parametrilor bateriilor conectate în serie.

După cum știți, o celulă a bateriei este un dispozitiv de tensiune destul de joasă, așa că sunt de obicei conectate în pachete în serie. În mod ideal, dacă parametrii tuturor bateriilor sunt aceiași, avem o sursă cu o tensiune de n ori mai mare decât o singură celulă și o putem încărca și descărca ca o singură baterie de tensiune mai mare.

Din păcate, asta ar fi doar ideal. Fiecare baterie din acest pachet, la fel ca tot ce este în această lume, este unică și este imposibil să găsești două baterii complet identice, iar caracteristicile lor - capacitatea, scurgerea, gradul de încărcare - se vor schimba cu timpul și temperatura.

Desigur, producătorii de baterii încearcă să selecteze cât mai aproape posibil din punct de vedere al parametrilor, dar există întotdeauna diferențe. Și în timp, astfel de dezechilibre ale caracteristicilor pot crește și ele.

Aceste diferențe în caracteristicile celulelor conduc la faptul că bateriile funcționează diferit și, ca urmare, capacitatea totală a bateriei compozite va fi mai mică decât cea a celulelor sale constitutive, de data aceasta și, în al doilea rând, resursa unui astfel de o baterie va fi si ea mai mica, pentru ca. este determinat de cea mai „slabă” baterie, care se va uza mai repede decât altele.
Ce să fac?

Există două criterii principale pentru evaluarea gradului de echilibrare celulară:
1. Egalizarea tensiunii pe celule,
2. Egalizarea sarcinii în celule.

De asemenea, vă puteți atinge obiectivele în realizarea acestor metode de echilibrare în două moduri:
1. Pasiv și
2. Activ.

Să explicăm ce s-a spus.
Cu criteriile de echilibrare, totul este clar, fie pur și simplu realizăm egalitatea tensiunilor pe celule, fie calculăm cumva încărcarea bateriei și ne asigurăm că aceste încărcări sunt egale (în acest caz, tensiunile pot diferi).

Nici cu metodele de implementare, nimic complicat. În metoda pasivă, pur și simplu transformăm energia din celulele bateriei cele mai încărcate în căldură până când tensiunile sau încărcările din ele sunt egale.
În metoda activă, în orice fel, transferăm încărcarea de la o celulă la alta, dacă este posibil cu pierderi minime. Circuitele moderne realizează cu ușurință astfel de abilități.

Este clar că este mai ușor să disipezi decât să pompezi și este mai ușor să compari tensiunile decât să compari sarcinile.

De asemenea, aceste metode pot fi aplicate atât la încărcare, cât și la descărcare. Cel mai adesea, desigur, echilibrarea se efectuează atunci când bateria se încarcă, când există multă energie și nu se poate economisi mult și, prin urmare, fără pierderi mari, puteți utiliza disiparea pasivă a „excesului” de electricitate.
La descărcare, se folosește întotdeauna doar transferul activ de încărcare, dar astfel de sisteme sunt foarte rare, datorită complexității mai mari a circuitului.

Să ne uităm la implementarea practică a celor de mai sus.
La incarcare, in cel mai simplu caz, la iesirea incarcatorului este plasat un dispozitiv numit "balancer".
Mai departe, pentru a nu mă compune, voi introduce pur și simplu o bucată de text dintr-un articol de pe site-ul http://www.os-propo.info/content/view/76/60/ . Vorbim despre încărcarea bateriilor cu litiu.

"Cel mai simplu tip de echilibrator este limitatorul de tensiune. Este un comparator care compară tensiunea de pe banca LiPo cu o valoare de prag de 4,20 V. La atingerea acestei valori, se deschide un puternic tranzistor cheie, conectat în paralel cu banca LiPo, trecând prin el însuși cea mai mare parte a curentului de încărcare ( 1A sau mai mult) și transformând energia în căldură. În același timp, o parte extrem de mică din curent ajunge la cota în sine, care practic oprește încărcarea acesteia, permițând celor vecini să se reîncarce. De fapt, egalizarea tensiunii pe celulele bateriei cu un astfel de echilibrator are loc abia la sfarsitul incarcarii, cand celulele ating valoarea de prag.

Într-o astfel de schemă, sarcina de a încărca și egaliza o pereche de pachete diferite este fezabilă în mod realist. Dar astfel de echilibrari în practică sunt doar de casă. Toate echilibrarele cu microprocesor proprietare folosesc un principiu diferit de funcționare.

În loc să disipeze curenții de încărcare completă la sfârșit, echilibratorul cu microprocesor monitorizează constant tensiunile de pe bănci și le egalizează treptat pe tot parcursul procesului de încărcare. La o bancă care este încărcată mai mult decât altele, balansierul conectează în paralel o rezistență (de ordinul a 50-80 ohmi la majoritatea balansoarelor), care trece o parte din curentul de încărcare prin ea însăși și încetinește doar puțin încărcarea acestei bănci. , fără a o opri complet. Spre deosebire de un tranzistor pe un radiator, care este capabil să preia curentul de încărcare principal, această rezistență oferă doar un curent de echilibrare mic - aproximativ 100mA și, prin urmare, un astfel de echilibrator nu necesită radiatoare masive. Acest curent de echilibrare este indicat în caracteristicile tehnice ale balansoarelor și de obicei nu depășește 100-300mA.

Un astfel de echilibrator nu se încălzește în mod semnificativ, deoarece procesul continuă pe toată durata încărcării, iar căldura la curenți scăzuti are timp să se disipeze fără calorifere. Evident, dacă curentul de încărcare este semnificativ mai mare decât curentul de echilibrare, atunci cu o tensiune mare răspândită pe bănci, echilibrerul nu va avea timp să le egalizeze înainte de momentul în care cel mai încărcat banc atinge tensiunea de prag."
Sfârșitul citatului.

Următoarele pot servi ca exemplu de schema de lucru a celui mai simplu echilibrator (preluat de pe site-ul http://www.zajic.cz/).

Fig.1. Un bilanț simplu.

De fapt, aceasta este o diodă zener puternică, apropo, foarte precisă, încărcată cu o sarcină cu rezistență scăzută, al cărei rol este jucat aici de diodele D2 ... D5. Cipul D1 măsoară tensiunea la plus și minus al bateriei, iar dacă se ridică peste prag, deschide un tranzistor puternic T1, trecând prin el însuși tot curentul din memorie.

Fig.2. Un bilanț simplu.

Al doilea circuit funcționează în mod similar (Fig. 2.), Dar în el toată căldura este eliberată în tranzistorul T1, care se încălzește ca un „ceainic” - radiatorul poate fi văzut în imaginea de mai jos.

Figura 3 arată că balansierul este format din 3 canale, fiecare dintre acestea fiind realizat conform schemei din Figura 2.

Desigur, industria stăpânește de mult timp astfel de circuite, care sunt produse sub forma unui microcircuit complet. Multe companii le produc. De exemplu, voi folosi materialele articolului despre metodele de echilibrare publicat pe site-ul Radio Lotsman http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=59991 , pe care le voi modifica sau elimina parțial astfel încât a nu umfla articolul.
Citat:
" Metoda de echilibrare pasivă.
Cea mai simplă soluție este egalizarea tensiunii bateriilor. De exemplu, cipul BQ77PL900 oferă protecție pentru pachetele de baterii cu 5-10 baterii conectate în serie. Microcircuitul este o unitate completă din punct de vedere funcțional și poate fi folosit pentru a lucra cu un compartiment pentru baterii, așa cum se arată în Figura 4. Comparând tensiunea celulei cu pragul, microcircuitul, dacă este necesar, pornește modul de echilibrare pentru fiecare dintre celule. .

Fig.4. Chip BQ77PL900, și al doilea analog, unde dispozitivul intern este mai bine văzut (luat de aici http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm).

Pe Fig. 5 arată principiul funcționării acestuia. Dacă tensiunea oricărei baterii depășește un prag prestabilit, tranzistoarele cu efect de câmp pornesc și un rezistor de sarcină este conectat în paralel cu celula bateriei, prin care curentul ocolește celula și nu o mai încarcă. Restul celulelor continuă să se încarce.
Când tensiunea scade, supapa de câmp se închide și încărcarea poate continua. Astfel, la sfârșitul încărcării, aceeași tensiune va fi prezentă pe toate celulele.

Atunci când se aplică un algoritm de echilibrare care utilizează ca criteriu doar abaterea tensiunii, echilibrarea incompletă este posibilă datorită diferenței de rezistență internă a bateriilor (vezi Fig. 6.). Faptul este că o parte din tensiune scade pe această rezistență atunci când curentul trece prin baterie, ceea ce introduce o eroare suplimentară în răspândirea tensiunii în timpul încărcării.
Cipul de protecție a bateriei nu poate determina dacă dezechilibrul este cauzat de o capacitate diferită a bateriilor sau de o diferență a rezistențelor interne ale acestora. Prin urmare, cu acest tip de echilibrare pasivă, nu există nicio garanție că toate bateriile vor fi încărcate 100%.

BQ2084 folosește o versiune îmbunătățită de echilibrare, bazată tot pe variația tensiunii, dar pentru a minimiza efectul răspândirii rezistenței interne, BQ2084 se echilibrează mai aproape de sfârșitul procesului de încărcare atunci când cantitatea de curent de încărcare este scăzută.

Orez. 5. Metodă pasivă bazată pe echilibrarea tensiunii.

Orez. 6. Metoda de echilibrare pasivă a tensiunii.

Chipurile din familia BQ20Zxx utilizează tehnologia proprietății Impedance Track pentru a determina nivelul de încărcare, pe baza determinării stării de încărcare a bateriilor (SZB) și a capacității bateriei.

În această tehnologie, pentru fiecare baterie, se calculează Qneed-ul de încărcare necesară pentru a o încărca complet, după care se află diferența?Q între Qneed-ul tuturor bateriilor. Apoi microcircuitul pornește întrerupătoarele de alimentare, care descarcă toate celulele la nivelul celor mai puțin încărcate, până când încărcările sunt egalizate.

Datorită faptului că diferența de rezistență internă a bateriilor nu afectează această metodă, aceasta poate fi aplicată în orice moment, atât la încărcare, cât și la descărcarea bateriei. Cu toate acestea, după cum am menționat mai sus, la descărcare, această metodă este stupidă de utilizat, deoarece. energia nu este niciodată suficientă.

Principalul avantaj al acestei tehnologii este o echilibrare mai precisă a bateriei (vezi Fig. 7) în comparație cu alte metode pasive.

Orez. 7. Echilibrare pasivă bazată pe SSB și capacitate.

Echilibrare activă

În ceea ce privește eficiența energetică, această metodă este superioară echilibrării pasive, deoarece. pentru a transfera energie de la o celulă mai încărcată la una mai puțin încărcată, în loc de rezistențe, se folosesc inductanțe și capacități, în care practic nu există pierderi de energie. Această metodă este preferată în cazurile în care este necesară o durată maximă de viață a bateriei.

BQ78PL114, bazat pe tehnologia proprie PowerPump de la TI, este cea mai recentă componentă activă de echilibrare a bateriei TI și utilizează un convertor inductiv pentru a transfera puterea.

PowerPump folosește FET-uri cu canale p cu canale n și un șoc care se află între o pereche de baterii. Schema este prezentată în Fig.8. Lucrătorii de teren și inductorul formează un convertor buck/boost.

De exemplu, dacă BQ78PL114 determină că celula de sus este mai încărcată decât celula de jos, atunci la pinul PS3 este generat un semnal de deschidere a tranzistorului Q1 cu o frecvență de aproximativ 200 kHz și un ciclu de lucru de aproximativ 30%.

Cu Q2 închis, se obține un circuit regulator de comutare standard, cu dioda internă a lui Q2 care închide curentul inductorului în timpul stării oprite a lui Q1.

La pomparea din celula inferioară în cea superioară, când se deschide doar cheia Q2, obținem și un circuit tipic, dar deja un regulator de comutare step-up.

Cheile Q1 și Q2, desigur, nu ar trebui să fie deschise niciodată în același timp.

Orez. 8. Tehnologia de echilibrare PowerPump.

În acest caz, pierderile de energie sunt mici și aproape toată energia curge de la un borcan foarte încărcat la unul cu încărcare scăzută. Cipul BQ78PL114 implementează trei algoritmi de echilibrare:
- tensiune la bornele bateriei. Această metodă este similară cu metoda de echilibrare pasivă descrisă mai sus, dar nu există aproape nicio pierdere;
- tensiune în gol. Această metodă compensează diferența dintre rezistențele interne ale bateriilor;
- după starea de încărcare a bateriei (pe baza previziunii stării bateriei). Metoda este similară cu cea folosită în familia de microcircuite BQ20Zxx cu echilibrare pasivă pentru SSB și capacitatea bateriei. În acest caz, încărcarea care trebuie transferată de la o baterie la alta este determinată cu precizie. Echilibrarea are loc la sfârșitul încărcării. Când utilizați această metodă, se obține cel mai bun rezultat (vezi Fig. 9.)

Orez. 9. Algoritm activ de echilibrare pentru nivelarea stării de încărcare a bateriei.

Datorită curenților mari de echilibrare, tehnologia PowerPump este mult mai eficientă decât echilibrarea pasivă convențională cu disipare a energiei. În cazul echilibrării unui acumulator de laptop, curenții de echilibrare sunt de 25…50 mA. Prin selectarea valorii componentelor se poate obține o eficiență de echilibrare de 12-20 de ori mai bună decât prin metoda pasivă cu chei interne. O valoare tipică de dezechilibru (mai puțin de 5%) poate fi atinsă în doar unul sau două cicluri.

In plus, tehnologia PowerPump are si alte avantaje: echilibrarea poate avea loc in orice mod de functionare – incarcare, descarcare, si chiar si atunci cand bateria care da energie are o tensiune mai mica decat bateria care primeste energie." (Sfârșitul citatului parțial.)

Să continuăm descrierea metodelor active de transfer a încărcăturii de la o celulă la alta cu următoarea schemă, pe care am găsit-o pe Internet pe site-ul „HamRadio” http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm.

Ca circuit de transfer de sarcină, nu a fost folosit un stocare inductiv, ci capacitiv. De exemplu, așa-numitele convertoare de tensiune cu condensator comutat sunt cunoscute pe scară largă. Unul dintre cele de masă este cipul ICL7660 (MAX1044 sau analogul intern KR1168EP1).

Practic, microcircuitul este folosit pentru a obține o tensiune negativă egală cu tensiunea sa de alimentare. Cu toate acestea, dacă dintr-un motiv oarecare tensiunea negativă la ieșire se dovedește a fi mai mare decât tensiunea de alimentare pozitivă, atunci microcircuitul va începe să pompeze sarcina „în direcția opusă”, luând-o din minus și dând-o în plus, adică ea încearcă constant să echilibreze aceste două tensiuni.

Această proprietate este utilizată pentru a echilibra două celule de baterie. Schema unui astfel de echilibrator este prezentată în Fig.10.

Fig.10. Schema unui echilibrator cu transfer capacitiv de sarcină.

Microcircuitul cu o frecvență înaltă conectează condensatorul C1 fie la bateria superioară G1, fie la G2 inferioară. În consecință, C1 va fi încărcat dintr-unul mai încărcat și descărcat într-unul mai descărcat, transferând de fiecare dată o parte din încărcare.
În timp, tensiunea bateriilor va deveni aceeași.

Energia din circuit nu este practic disipată, randamentul circuitului poate ajunge până la 95 ... 98%, în funcție de tensiunea de pe baterii și de curentul de ieșire, care depinde de frecvența de comutare și capacitatea C1.

În acest caz, consumul real al microcircuitului este de doar câteva zeci de microamperi, adică. este sub nivelul de auto-descărcare al multor baterii și, prin urmare, microcircuitul nici măcar nu poate fi deconectat de la baterie și va efectua constant încet munca de egalizare a tensiunii pe celule.

În realitate, curentul de pompare poate ajunge la 30 ... 40 mA, dar eficiența scade. De obicei zece mA. De asemenea, tensiunea de alimentare poate fi de la 1,5 la 10V, ceea ce înseamnă că microcircuitul poate echilibra atât degetele obișnuite Ni-Mh, cât și bateriile cu litiu.

Notă practică: în Fig.10. se arată un circuit care echilibrează bateriile cu o tensiune mai mică de 3V, deci al șaselea picior (LV) este conectat la ieșirea 3. Pentru a echilibra bateriile cu litiu cu o tensiune mai mare, pinul 6 trebuie lăsat liber, neconectat nicăieri.

De asemenea, cu această metodă este posibil să echilibrezi nu doar două, ci și mai multe baterii. Pe Fig.11. arăta cum se face.

Fig.11. Chip-uri de transfer de încărcare în cascadă.

Ei bine, și în sfârșit, un alt design de circuit care implementează transferul capacitiv de încărcare de la o baterie la alta.
Dacă în ICL7660 era un multiplexor care putea conecta condensatorul C1 la doar două surse, atunci luând un multiplexor cu un număr mare de canale de comutare (3, 4, 8), puteți egaliza tensiunile deja pe trei, patru sau opt bănci cu un microcircuit. Mai mult, băncile pot fi conectate în orice mod, atât în ​​serie, cât și în paralel. Principalul lucru este că tensiunea de alimentare a microcircuitului este mai mare decât tensiunea maximă de pe bănci.

Schema așa-numitului „convertor de tensiune reversibil”, descrisă în revista „Radio” 1989, nr. 8, este prezentată în Fig.12.

Fig.12. Convertor de tensiune reversibil ca echilibrator pe multiplexorul 561KP1..

La dispozitivul de nivelare pot fi conectate până la patru elemente. Condensatorul C2 este conectat la rândul său la diferite elemente, asigurând transferul de energie al acestor elemente și egalând tensiunea pe ele.

Numărul de celule dintr-o baterie poate fi redus. În acest caz, în locul elementelor excluse, este suficient să conectați un condensator cu o capacitate de 10..20 μF.

Curentul de echilibrare al unei astfel de surse este foarte mic, de până la 2 mA. Dar, deoarece funcționează în mod constant, fără a se deconecta de la baterii, își îndeplinește sarcina - egalând încărcările celulelor.

În concluzie, vreau să observ că elementul de bază modern permite echilibrarea celulelor unei baterii compozite practic fără pierderi și este deja suficient de simplu pentru a înceta să mai fie ceva „mișto” și inaccesibil.

Și, prin urmare, cred că un radioamator care proiectează dispozitive pe baterii ar trebui să se gândească la trecerea la metode active de transfer de energie între bănci într-o baterie, chiar dacă doar „în mod demodat”, concentrându-se pe egalitatea tensiunilor între celulele bateriei. , și nu taxe în ele.

Toate articolele de pe site au voie să fie copiate, dar cu indicarea obligatorie a unui link către noi.

De obicei, în orice sistem format din mai multe baterii conectate în serie, există o problemă de dezechilibrare a încărcării bateriilor individuale. Egalizarea încărcării este o tehnică de proiectare care îmbunătățește siguranța bateriei, durata de viață a bateriei și durata de viață. Cele mai recente cipuri de protecție a bateriei și indicatori de încărcare de la Texas Instruments - familiile BQ2084, BQ20ZXX, BQ77PL900 și BQ78PL114 din linia de produse a companiei - sunt esențiale pentru implementarea aceasta metoda.

CE ESTE DEZECHILIBRAREA BATERIEI?

Supraîncălzirea sau supraîncărcarea accelerează uzura bateriei și poate provoca un incendiu sau chiar o explozie. Protecțiile software și hardware reduc riscul. Într-un banc de multe baterii conectate în serie (utilizate de obicei în laptopuri și echipamente medicale), există posibilitatea dezechilibrarii bateriilor, ceea ce duce la degradarea lor lentă, dar constantă.
Nu există două baterii la fel, există întotdeauna mici diferențe în ceea ce privește starea de încărcare a bateriei (SSC), autodescărcare, capacitate, rezistență și caracteristici de temperatură, chiar dacă sunt de același tip de baterii, de la același producător și chiar de la același lot de producție. Când formează un bloc de mai multe baterii, producătorul selectează de obicei baterii similare în SSB comparând tensiunile de pe acestea. Cu toate acestea, diferențele în parametrii bateriilor individuale rămân încă și pot crește în timp. Majoritatea încărcătoarelor determină încărcarea completă în funcție de tensiunea totală a întregului lanț de baterii conectate în serie. Prin urmare, tensiunea de încărcare a bateriilor individuale poate varia mult, dar nu poate depăși pragul de tensiune la care este activată protecția la supraîncărcare. Cu toate acestea, într-o legătură slabă - o baterie cu o capacitate scăzută sau cu rezistență internă ridicată, tensiunea poate fi mai mare decât la alte baterii încărcate complet. Deficiența unei astfel de baterii se va manifesta mai târziu cu un ciclu lung de descărcare. Tensiunea ridicată a unei astfel de baterii după terminarea încărcării indică degradarea accelerată a acesteia. Când este descărcată din aceleași motive (rezistență internă ridicată și capacitate scăzută), această baterie va avea cea mai scăzută tensiune. Aceasta înseamnă că atunci când se încarcă cu o baterie slabă, protecția împotriva supratensiunii poate funcționa, în timp ce restul bateriilor din unitate nu vor fi încă încărcate complet. Acest lucru va duce la subutilizarea resurselor bateriei.

METODE DE ECHILIBRARE

Dezechilibrul bateriei are un efect negativ semnificativ asupra duratei de viață și a acesteia. Egalizarea tensiunii și bateriile SSB se realizează cel mai bine atunci când sunt complet încărcate. Există două metode de echilibrare a bateriilor - activă și pasivă. Acesta din urmă este uneori denumit „echilibrare a rezistenței”. Metoda pasivă este destul de simplă: bateriile care au nevoie de echilibrare sunt descărcate prin circuite de bypass care disipă puterea. Aceste șiruri de bypass pot fi integrate în acumulatorul sau plasate pe un cip extern. Această metodă este utilizată de preferință în aplicații cu costuri reduse. Aproape toată energia în exces de la bateriile cu o încărcare mare este disipată sub formă de căldură - acesta este principalul dezavantaj al metodei pasive, deoarece. scurtează durata de viață a bateriei fără reîncărcare. Metoda de echilibrare activă utilizează inductanțe sau capacități cu pierderi reduse de energie pentru a transfera energie de la bateriile cu mai multă încărcare la bateriile mai puțin încărcate. Prin urmare, metoda activă este mult mai eficientă decât cea pasivă. Desigur, trebuie să plătiți pentru creșterea eficienței - pentru a utiliza componente suplimentare relativ scumpe.

METODA DE ECHILIBRARE PASIVĂ

Cea mai simplă soluție este egalizarea tensiunii bateriilor. De exemplu, cipul BQ77PL900, care oferă protecție pentru pachetele de baterii cu 5-10 baterii în serie, este utilizat la unelte fără cablu conductor, scutere, surse de alimentare neîntreruptibile și echipamente medicale. Microcircuitul este o unitate completă din punct de vedere funcțional și poate fi folosit pentru a lucra cu un compartiment pentru baterii, așa cum se arată în Figura 1. Comparând tensiunea bateriei cu pragurile programate, microcircuitul, dacă este necesar, pornește modul de echilibrare. Figura 2 prezintă principiul de funcționare. Dacă tensiunea oricărei baterii depășește un prag predeterminat, încărcarea se oprește, lanțurile de bypass sunt conectate. Încărcarea nu este reluată până când tensiunea bateriei scade sub prag și procedura de echilibrare se oprește.

Orez. 1.Cipul BQ77PL900 folosit offline
modul de funcționare pentru a proteja acumulatorul

Atunci când se aplică un algoritm de echilibrare care utilizează doar abaterea tensiunii ca criteriu, echilibrarea incompletă este posibilă datorită diferenței de impedanță internă a bateriilor (vezi Fig. 3). Faptul este că impedanța internă contribuie la răspândirea tensiunii în timpul încărcării. Cipul de protecție a bateriei nu poate determina dacă dezechilibrul de tensiune este cauzat de o diferență în capacitatea bateriei sau de o diferență a rezistențelor interne. Prin urmare, cu acest tip de echilibrare pasivă, nu există nicio garanție că toate bateriile vor fi încărcate 100%. Indicatorul de încărcare IC BQ2084 utilizează o versiune îmbunătățită a echilibrării bazată pe variația tensiunii. Pentru a minimiza efectul răspândirii rezistenței interne, BQ2084 efectuează echilibrarea către sfârșitul procesului de încărcare atunci când cantitatea de curent de încărcare este scăzută. Un alt avantaj al BQ2084 este măsurarea și analiza tensiunii tuturor bateriilor incluse în bloc. Cu toate acestea, în orice caz, această metodă este aplicabilă numai în modul de încărcare.

Orez. 2.Metodă pasivă bazată pe echilibrarea tensiunii

Orez. 3.Metoda de echilibrare pasivă a tensiunii
utilizarea ineficientă a capacității bateriei

Chipurile din familia BQ20ZXX folosesc tehnologia proprietății Impedance Track pentru a determina nivelul de încărcare, pe baza determinării SSB-ului și a capacității bateriei. În această tehnologie, pentru fiecare baterie, se calculează încărcarea Q NEED necesară pentru a ajunge la o stare complet încărcată, după care se află diferența ΔQ dintre Q NEED-ul tuturor bateriilor. Apoi microcircuitul pornește întrerupătoarele de alimentare, prin care bateria este echilibrată la starea ΔQ = 0. Datorită faptului că diferența dintre rezistențele interne ale bateriilor nu afectează această metodă, aceasta poate fi utilizată în orice moment: atât la încărcare, cât și la descărcarea bateriilor. Când utilizați tehnologia Impedance Track, se obține o echilibrare mai precisă a bateriei (vezi Fig. 4).

Orez. 4.

ECHILIBRAREA ACTIVĂ

În ceea ce privește eficiența energetică, această metodă este superioară echilibrării pasive, deoarece. pentru a transfera energie de la o baterie mai încărcată la una mai puțin încărcată, în loc de rezistențe, se folosesc inductanțe și capacități, în care practic nu există pierderi de energie. Această metodă este preferată în cazurile în care este necesară o durată maximă de viață a bateriei.
BQ78PL114, bazat pe tehnologia proprie PowerPump de la TI, este cea mai recentă componentă activă de echilibrare a bateriei TI și utilizează un convertor inductiv pentru a transfera puterea. PowerPump folosește un MOSFET cu canal p cu canale n și un șoc care se află între o pereche de baterii. Circuitul este prezentat în Figura 5. MOSFET-ul și inductorul formează convertorul intermediar buck/boost. Dacă BQ78PL114 determină că bateria superioară trebuie transferată la bateria inferioară, pinul PS3 generează un semnal cu o frecvență de aproximativ 200 kHz cu un ciclu de lucru de aproximativ 30%. Când Q1 este deschis, energia din bateria superioară este stocată în inductor. Când comutatorul Q1 se închide, energia stocată în inductor curge prin dioda flyback a comutatorului Q2 către bateria inferioară.

Orez. 5.

Pierderile de energie în acest caz sunt mici și apar în principal în diodă și inductor. Cipul BQ78PL114 implementează trei algoritmi de echilibrare:

• tensiune la bornele bateriei. Această metodă este similară cu metoda de echilibrare pasivă descrisă mai sus;
• tensiune în circuit deschis. Această metodă compensează diferența dintre rezistențele interne ale bateriilor;
• prin SSB (pe baza predicției stării bateriei). Metoda este similară cu cea folosită în familia de microcircuite BQ20ZXX cu echilibrare pasivă pentru SSB și capacitatea bateriei. În acest caz, încărcarea care trebuie transferată de la o baterie la alta este determinată cu precizie. Echilibrarea are loc la sfârșitul încărcării. Când utilizați această metodă, se obține cel mai bun rezultat (vezi Fig. 6)

Orez. 6.

Datorită curenților mari de echilibrare, tehnologia PowerPump este mult mai eficientă decât echilibrarea pasivă convențională cu comutatoare de bypass interne. În cazul echilibrării unui acumulator de laptop, curenții de echilibrare sunt de 25…50 mA. Prin selectarea valorii componentelor se poate obține o eficiență de echilibrare de 12-20 de ori mai bună decât prin metoda pasivă cu chei interne. O valoare tipică de dezechilibru (mai puțin de 5%) poate fi atinsă în unul sau două cicluri.
In plus, tehnologia PowerPump are si alte avantaje evidente: echilibrarea poate avea loc in orice mod de functionare – incarcare, descarcare, si chiar si atunci cand bateria care da energie are o tensiune mai mica decat bateria care primeste energie. În comparație cu metoda pasivă, se irosește mult mai puțină energie.

DISCUȚIE PRIVIND EFICIENȚA METODEI DE ECHILIBRARE ACTIVĂ ȘI PASIVĂ

Tehnologia PowerPump se echilibrează mai rapid. Cu un dezechilibru de 2% al bateriilor de 2200 mAh, se poate face în unul sau două cicluri. În cazul echilibrării pasive, comutatoarele de alimentare încorporate în acumulator limitează valoarea maximă a curentului, astfel încât pot fi necesare mai multe cicluri de echilibrare. Procesul de echilibrare poate fi chiar întrerupt dacă există o diferență mare în parametrii bateriilor.
Puteți crește viteza de echilibrare pasivă folosind componente externe. Figura 7 prezintă un exemplu tipic de astfel de soluție care poate fi utilizată împreună cu familia BQ77PL900, BQ2084 sau BQ20ZXX. În primul rând, comutatorul intern al bateriei este pornit, ceea ce creează un mic curent de polarizare care curge prin rezistențele R Ext1 și R Ext2 conectate între bornele bateriei și microcircuit. Tensiunea „sursă-poartă” peste rezistorul RExt2 pornește comutatorul extern, iar curentul de echilibrare începe să curgă prin comutatorul extern deschis și rezistorul R Bal .

Orez. 7.Schema schematică a echilibrării pasive
folosind componente externe

Dezavantajul acestei metode este că o baterie adiacentă nu poate fi echilibrată în același timp (vezi Fig. 8a). Acest lucru se datorează faptului că atunci când comutatorul intern al bateriei adiacente este deschis, nici un curent nu poate circula prin rezistorul R Ext2. Prin urmare, cheia Q1 rămâne privată chiar și atunci când cheia interioară este deschisă. În practică, această problemă nu este de mare importanță, deoarece cu această metodă de echilibrare, bateria conectată la Q2 este echilibrată rapid, iar după aceasta, bateria conectată la cheia Q2 este echilibrată.
O altă problemă este tensiunea mare de scurgere la sursă V DS care poate apărea atunci când fiecare a doua baterie este echilibrată. Figura 8b arată cazul când bateriile de sus și de jos sunt echilibrate. În acest caz, tensiunea V DS a comutatorului din mijloc poate depăși maximul admis. Soluția la această problemă este limitarea valorii maxime a rezistenței R Ext sau excluderea posibilității de a echilibra simultan fiecare a doua baterie.

Metoda de echilibrare rapidă este o nouă modalitate de a îmbunătăți siguranța funcționării bateriei. Cu echilibrarea pasivă, scopul este de a echilibra capacitatea bateriilor, dar din cauza curenților de echilibrare scăzuti, acest lucru este posibil doar la sfârșitul ciclului de încărcare. Cu alte cuvinte, supraîncărcarea unei baterii proaste poate fi prevenită, dar nu va crește durata de funcționare la o singură încărcare, deoarece se va pierde prea multă energie în circuitele rezistive bypass.
Când utilizați tehnologia de echilibrare activă PowerPump, două obiective sunt atinse simultan - echilibrarea capacității la sfârșitul ciclului de încărcare și diferența minimă de tensiune la sfârșitul ciclului de descărcare. Energia este stocată și transmisă unei baterii slabe, în loc să fie disipată sub formă de căldură în circuitele de bypass.

CONCLUZIE

Echilibrarea corectă a tensiunii bateriei este una dintre modalitățile de a crește siguranța funcționării bateriei și de a crește durata de viață a acestora. Noile tehnologii de echilibrare monitorizează starea fiecărei baterii pentru a prelungi durata de viață a bateriei și pentru a spori siguranța operațională. Tehnologia de echilibrare activă rapidă PowerPump extinde durata de viață a bateriei și echilibrează bateriile la sfârșitul unui ciclu de descărcare la maximum și cu eficiență ridicată.

Uneori este nevoie să încărcați o baterie Li-Ion formată din mai multe celule conectate în serie. Spre deosebire de bateriile Ni-Cd, bateriile Li-Ion necesită un sistem de control suplimentar care va monitoriza uniformitatea încărcării lor. Încărcarea fără un astfel de sistem va deteriora mai devreme sau mai târziu celulele bateriei, iar întreaga baterie va fi ineficientă și chiar periculoasă.

Echilibrarea este un mod de încărcare care controlează tensiunea fiecărei celule individuale din baterie și nu permite ca tensiunea să depășească nivelul setat. Dacă una dintre celule este încărcată înaintea celorlalte, echilibratorul preia energia în exces și o transformă în căldură, împiedicând depășirea tensiunii de încărcare a unei anumite celule.

Pentru bateriile Ni-Cd, nu este nevoie de un astfel de sistem, deoarece fiecare celulă a bateriei nu mai primește energie atunci când este atinsă tensiunea sa. Un semn al unei sarcini Ni-Cd este o creștere a tensiunii până la o anumită valoare, urmată de o scădere cu câteva zeci de mV și o creștere a temperaturii, deoarece excesul de energie este transformat în căldură.

Înainte de încărcare, Ni-Cd trebuie să fie complet descărcat, altfel apare un efect de memorie, care va duce la o scădere vizibilă a capacității și poate fi restabilit doar prin câteva cicluri complete de încărcare/descărcare.

Cu bateriile Li-Ion, opusul este adevărat. Descărcarea la tensiuni prea scăzute provoacă degradare și deteriorare permanentă cu creșterea rezistenței interne și scăderea capacității. De asemenea, încărcarea cu ciclu complet uzează bateria mai repede decât în ​​modul de încărcare prelungită. Bateria Li-Ion nu prezintă simptome de încărcare precum Ni-Cd, așa că încărcătorul nu poate detecta când este complet încărcat.

Li-Ion este de obicei încărcat conform metodei CC / CV, adică, în prima etapă de încărcare, este setat un curent constant, de exemplu, 0,5 C (jumătate din capacitate: deci pentru o baterie de 2000 mAh, încărcarea curentul va fi de 1000mA). În plus, când este atinsă tensiunea finală, care a fost furnizată de producător (de exemplu, 4,2 V), încărcarea este continuată cu o tensiune stabilă. Și când curentul de încărcare scade la 10..30mA, bateria poate fi considerată încărcată.

Dacă avem o baterie de baterii (mai multe baterii conectate în serie), atunci încărcăm, de regulă, doar prin bornele de la ambele capete ale întregului pachet. În același timp, nu avem nicio modalitate de a controla nivelul de taxare al linkurilor individuale.

Este posibil ca una dintre celule să aibă o rezistență internă mai mare sau o capacitate puțin mai mică (ca urmare a uzurii bateriei), și să ajungă la o tensiune de încărcare cu 4,2 V mai rapid decât celelalte, în timp ce restul va avea doar 4,1 B și întreaga baterie nu va afișa o încărcare completă.

Când tensiunea bateriei atinge tensiunea de încărcare, este posibil ca celula slabă să fie încărcată până la 4,3 V sau chiar mai mult. Cu fiecare astfel de ciclu, un astfel de element se va uza din ce în ce mai mult, înrăutățindu-și parametrii, până când acest lucru duce la defectarea întregii baterii. Mai mult, procesele chimice din Li-Ion sunt instabile și atunci când tensiunea de încărcare este depășită, temperatura bateriei crește semnificativ, ceea ce poate duce la arderea spontană.

Echilibrator simplu pentru baterii li-ion

Atunci ce să faci? Teoretic, cel mai simplu mod este să folosești o diodă zener conectată în paralel cu fiecare celulă a bateriei. Când este atinsă tensiunea de defalcare a diodei zener, aceasta va începe să conducă curentul, nepermițând creșterea tensiunii. Din păcate, o diodă zener de 4,2 V nu este atât de ușor de găsit, iar 4,3 V ar fi deja prea mult.

Calea de ieșire din această situație poate fi folosirea popularului . Adevărat, în acest caz, curentul de sarcină nu trebuie să depășească mai mult de 100 mA, ceea ce este foarte mic pentru încărcare. Prin urmare, curentul trebuie amplificat cu un tranzistor. Un astfel de circuit, conectat în paralel la fiecare celulă, o va proteja de supraîncărcare.

Aceasta este o schemă de cablare tipică TL431 ușor modificată, care poate fi găsită în fișa de date sub numele „regulator de șunt de înaltă curent”.

De ce avem nevoie de echilibrare pentru baterii de 12 volți? Când ai un sistem de 12 volți, atunci toate bateriile, oricâte sunt în paralel, și au mereu aceeași tensiune. Dar când trecem la 24 sau 48 de volți, atunci există o problemă cu tensiuni diferite pe bateriile conectate în serie. Din această cauză, la încărcare, unele baterii intră în supraîncărcare și încep să „fierbe”, în timp ce altele sunt subîncărcate și, ca urmare, întregul lanț de baterii își pierde rapid capacitatea și, în general, devine inutilizabil.

Și chiar și bateriile complet identice se împrăștie oricum în tensiune, așa că nici bateriile achiziționate din același lot nu vă vor salva de problemă. Pentru a rezolva această problemă, au fost folosite de mult timp diverse dispozitive de echilibrare, acestea fiind fie echilibrare separate pentru fiecare baterie, fie blocuri de 24 și 48 volți. Echilibratoarele pot prelungi semnificativ durata de viață a bateriei.

Eu însumi voi trece la 24 de volți în viitorul apropiat, deoarece curenții din sistem au devenit deja mari și voi avea nevoie și de echilibrare. In cautare am gasit mai multe optiuni diferite ca capacitati, pret si principiu de functionare, iar mai jos voi trece in revista aceste dispozitive de echilibrare.

Echilibrator baterie VICTRON

Acest echilibrator nu este reglabil pentru diferite tipuri de baterii plumb-acid. Există o indicație de funcționare și un releu de alarmă, se închide dacă diferența de tensiune pe baterie depășește 0,2 volți. Prețul acestui echilibrant tocmai a ucis, la momentul scrierii acestui articol, prețul de pe site era 6220 de ruble. Pentru 48 de volți, aveți nevoie de trei dintre ele și, în general, trebuie să plătiți 18.660 de ruble plus transport.

Schema de conectare a acestor balansoare la baterie. Indicatoare LED și relee de alarmă:

Verde: Aprins când tensiunea bateriei este peste 27,3 V
Portocaliu: Pornit când abaterea este mai mare de 0,1 V
Roșu: alarmă (abatere mai mare de 0,2 V)
Releu de alarmă: contactul normal deschis se închide când LED-ul roșu se aprinde. Contactul rămâne închis până când abaterea scade la 0,14 V, sau până când tensiunea bateriei scade la 26,6 V. Releul de alarmă este resetat folosind un buton conectat la două borne.

>

Dintre minusuri, prețul este prea mare, curentul de echilibrare este de doar 0,7A și nu există posibilitatea de personalizare pentru tipul dvs. de baterie. Există analogi mai buni la un preț accesibil.

Dispozitiv de nivelare încărcare ELNI 2/12 pentru 2 baterii 12V

Acest echilibrator monitorizează constant tensiunea bateriilor conectate în serie și egalizează tensiunea prin transferul de energie între baterii. Și face asta nu numai în timpul încărcării, când bateriile sunt aproape încărcate, ci în mod constant dacă există un dezechilibru. Iar curentul de echilibrare aici poate ajunge la 5A, ceea ce înseamnă că echilibratorul poate face față chiar și unui dezechilibru mare de capacitate.

>

Pe aceasta, pe site-urile noastre, nu am găsit nimic original care să nu fie disponibil pe aliexpress. Bineînțeles că sunt multe echilibrante, dar toate sunt cumpărate în China și se vând aici la prețuri exorbitante. Deci, de ce să plătiți în plus dacă puteți cumpăra de pe aliexpress ceea ce oferă distribuitorii noștri.

Echilibrator activ pentru baterie de 12 V

>

Producătorul acestor balansoare produce mai multe tipuri diferite de echilibrare. La vânzare există balansoare de 2 volți pentru „cutii” individuale de plumb-acid. De asemenea, balansoare pentru baterii litiu-ion la 3,6 și 4,2 volți. Și echilibrare pentru baterii de 6 și 12 volți. Toți echilibratorii pot fi vizualizați aici - Catalog balansoare 2/3,6/3,8/4,2/6/12 volți

Echilibrator baterie pentru 24 volți (12*2)

>

Pretul este foarte atractiv, iar curentul de echilibrare este foarte decent de 5A, asa ca va face fata chiar si unei diferente mari de capacitate si tensiune intre bateriile din sistem.

Echilibrator pentru baterie (12×4) de 48 volți

>

Până acum, asta este tot ce am reușit să găsesc, deși bineînțeles nu totul, dar acesta este principalul lucru. Există controlere pentru panouri solare cu balansoare încorporate, dar până acum este foarte scump. Există încărcătoare cu echilibrare, dar nu sunt la locul lor aici. Există tot felul de circuite electronice care pot fi făcute să funcționeze ca echilibrare, există opțiuni pentru a face singuri balansoare.

Știința nu stă pe loc, drept urmare bateriile cu litiu-polimer au intrat ferm în viața noastră de zi cu zi. Unele 18650 de elemente valorează ceva - doar leneșul nu știe despre ele. Mai mult, în hobby-ul modelelor radiocontrolate s-a făcut un salt calitativ la un nou nivel! Compactitatea, eficiența ridicată a curentului și greutatea redusă oferă un domeniu larg pentru îmbunătățirea sistemelor de alimentare bazate pe baterii existente.

Știința a mers și mai departe, dar deocamdată ne vom concentra pe varianta Li Ion (litiu-ion).
Așadar, în magazin, a fost achiziționat un încărcător și un echilibrator marca Turnigy pentru încărcarea ansamblurilor 2S și 3S ale bateriilor cu polimer litiu (un tip de litiu ion, denumit în continuare LiPo).






My Cessna 150 RC Foam (un model din plăci de tavan din spumă) este echipat cu o baterie 2S - numărul din fața lui S indică numărul de celule LiPo conectate în serie. A fost mai ușor de încărcat decât înainte, dar pe teren se poate transporta un încărcător atât mai simplu, cât și mai ieftin.

De ce atâtea înghețuri?
La încărcarea bateriilor cu litiu-polimer, trebuie respectate mai multe reguli: puterea curentului trebuie menținută la nivelul de 0,5C ... 1C, iar tensiunea bateriei nu trebuie să depășească 4,1 ... 4,2 V.
Dacă în ansamblu există mai multe elemente conectate în serie, atunci micile abateri ale unuia dintre ele duc la deteriorarea prematură a bateriilor în timp, dacă circuitul nu este echilibrat. Acest efect nu este observat cu bateriile NiCd sau NiMh.
De regulă, într-un ansamblu, toate elementele au o capacitate apropiată, dar nu aceeași. Dacă două celule cu capacități diferite sunt conectate în serie, atunci celula cu o capacitate mai mică se încarcă mai repede decât cea cu una mai mare. Deoarece procesul de încărcare continuă până când celula cu cea mai mare capacitate este încărcată, bateria cu cea mai mică capacitate va fi supraîncărcată. În timpul descărcării, dimpotrivă, celulele cu o capacitate mai mică sunt descărcate mai repede. Acest lucru duce la faptul că, după multe cicluri de încărcare-descărcare, diferența de capacități crește, iar din cauza reîncărcării frecvente, elementele cu cea mai mică capacitate devin rapid inutilizabile.
Această problemă poate fi eliminată cu ușurință prin monitorizarea potențialului elementelor și asigurându-vă că toate elementele din bloc au exact aceeași tensiune.
Prin urmare, este foarte de dorit să folosiți nu doar un încărcător, ci și o funcție de echilibrare.

Echipament:încărcător + cablu de alimentare cu cleme crocodiș pentru conectarea la o sursă de alimentare de 12-15 volți sau la o baterie de 12 volți.
La încărcare, încărcătorul nu consumă mai mult de 900 mA.
Două indicatoare verde și roșu - controlul puterii verde, roșu este aprins când procesul de încărcare-echilibrare este în curs. La sfârșitul procesului sau când conectorul de echilibrare este scos, LED-ul roșu se stinge.
Încărcarea are loc până la o tensiune de 4,2 V per celulă. Măsurătorile tensiunii s-au făcut la lucru, pe un voltmetru exemplar. Tensiunile la sfârșitul încărcării pe elementul 1 și 2 au fost egale cu 4,20 volți, pe elementul 3 o mică supraîncărcare de 4,24 volți.

Dezmembrare:


Circuitul este parțial clasic: un convertor boost, apoi 3 comparatoare care dau un semnal controlerului (marcaje uzate în stilul chinezilor) Dar partea de putere a circuitului a provocat nedumerire. Motivul pentru care m-am urcat în bătăi a fost neatenția mea. Am tăiat accidental firele de echilibrare ale bateriei 3S (de la o șurubelniță) și, la lipire, am amestecat ieșirile elementelor 1 și 3, ca urmare, atunci când sunt conectate la încărcător (încărcător), a ieșit fum din acesta din urmă . O inspecție vizuală a dezvăluit un tranzistor N010X defect, o descriere pentru care nu am găsit-o, dar am găsit o mențiune despre un analog - s-a dovedit a fi un tranzistor cu efect de câmp cu canal P




Restul elementelor au fost verificate pentru a fi corecte. La domiciliu nu existau stocuri de muncitori de câmp P canal, prețurile în magazinul local erau nebunești. Aici mi-a venit util vechiul modem dialup Zuksel, în care s-a dovedit a fi piesa de care aveam nevoie (cu caracteristici mai bune). Deoarece viziunea și dimensiunile piesei nu au făcut posibilă instalarea totul la locul său, a trebuit să pervert și să instalez piesa într-un loc gol pe verso.
Ceea ce nu mi-a plăcut la secțiunea de putere este că în modul 2S încărcătorul funcționează ca majoritatea celor similare, dar cu al 3-lea element nu este atât de simplu. Piesa s-a ars dintr-un motiv, a îndeplinit funcția de a furniza tensiune bateriei reîncărcabile în ansamblu. Din punct de vedere funcțional, toate cele trei elemente sunt încărcate simultan, pe măsură ce elementele 1 și 2 sunt încărcate, tranzistoarele se deschid și șuntează elementele prin rezistențe, permițând astfel curentului să ocolească elementele încărcate. Tranzistorul cu efect de câmp întrerupe tensiunea în ansamblu, controlează și încărcarea celui de-al treilea element. Și dacă al 3-lea element este încărcat înainte de 1 și 2, atunci puterea trece prin diodă pentru a încărca elementele rămase. În general, schema este tulbure, ajung la concluzia că este o salvare elementară de detalii.

Vinovatul aventurilor care mi-au căzut pe cap:


Șurubelnița Bosch transformată în baterii cu litiu de la un laptop pentru a-i înlocui pe cei care au murit din cauza cristalizării NiCd. În acest moment, încărcătorul a intrat în categoria unuia obișnuit pentru o șurubelniță transformată. Un ciclu de încărcare complet (4Ah) are loc în aproximativ 6 ore, dar nu am descărcat niciodată bateria la zero, așa că nu este nevoie de o încărcare lungă.

Concluzie
Incarcator de buget. Într-un anumit caz, a fost util. Surubelnita este fericita.
Curentul de încărcare de 800mA oferă o limită a capacității minime a celulelor încărcate. Priviți cu atenție descrierea bateriei dvs., unde este indicat curentul maxim de încărcare. Încălcarea regulilor de funcționare poate duce la deteriorarea și incendierea bateriilor.