Балансировочная зарядка. Балансировочное зарядное устройство для Li-ion, Li-pol

Сейчас всё большую популярность набирают литиевые аккумуляторы. Особенно пальчиковые, типа 18650 , на 3,7 В 3000 мА. Ни сколько не сомневаюсь, что ещё 3-5 лет, и они полностью вытеснят никель-кадмиевые. Правда остаётся открытым вопрос про их зарядку. Если со старыми АКБ всё понятно - собирай в батарею и через резистор к любому подходящему блоку питания, то тут такой фокус не проходит. Но как же тогда зарядить сразу несколько штук, не используя дорогие фирменные балансировочные ЗУ?

Теория

Для последовательного соединения аккумуляторов, обычно к плюсу электрической схемы подключают положительную клемму первого последовательное соединение аккумуляторов аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к минусу блока. Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Значит если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

Энергия, накопленная в АКБ, равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы - параллельно или последовательно.

Литий-ионные батареи просто подключить к БП нельзя - нужно выравнивание зарядных токов на каждом элементе (банке). Балансировку проводят при зарядке аккумулятора, когда энергии много и её можно сильно не экономить и поэтому без особых потерь можно воспользоваться пассивным рассеиванием "лишнего" электричества.

Никель-кадмиевые АКБ не требуют дополнительных систем, поскольку каждое звено при достижении его максимального напряжения заряда перестает принимать энергию. Признаки полного заряда Ni-Cd - это увеличение напряжения до определенного значения, а затем его падение на несколько десятков милливольт, и повышение температуры - так что лишняя энергия сразу превращается в тепло.

У литиевых аккумуляторов наоборот. Разрядка до низких напряжений вызывает деградацию химии и необратимое повреждение элемнта, с ростом внутреннего сопротивления. В общем они не защищены от перезаряда, и можно потратить много лишней энергии, резко сокращая тем самым время их службы.

Если соединить несколько литиевых элементов в ряд и запитать через зажимы на обоих концах блока, то мы не можем контролировать заряд отдельных элементов. Достаточно того, что одно из них будет иметь несколько более высокое сопротивление или чуть меньшую емкость, и это звено гораздо быстрее достигнет напряжения заряда 4,2 В, в то время как остальные будут еще иметь 4,1 В. И когда напряжение всего пакета достигнет напряжение заряда, может оказаться, что эти слабые звенья заряжены до 4,3 Вольт или даже больше. С каждым таким циклом будет происходить ухудшение параметров. К тому же Li-Ion является неустойчивым и при перегрузке может достичь высокой температуры, а, следовательно, взорваться.

Чаще всего на выходе источника зарядного напряжения ставится устройство, называемое "балансиром". Простейший тип балансира - это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке Li-Ion с пороговым значением 4,20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно элементу, пропускающий через себя большую часть тока заряда и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.

Упрощённая схема балансира для АКБ

Вот упрощённая схема балансира тока на базе TL431. Резисторы R1 и R2 устанавливают напряжение 4,20 Вольт, или можно выбрать другие, в зависимости от типа батареи. Эталонное напряжение для регулятора снимается с транзистора, и уже на границе 4,20 В система начнет приоткрывать транзистор, чтобы не допустить превышения заданного напряжения. Минимальное увеличение напряжения вызовет очень быстрый рост тока транзистора. Во время тестов, уже при 4,22 В (превышение на 20 мВ), ток составил более 1 А.

Сюда подходит в принципе любой транзистор PNP, работающий в диапазоне напряжений и токов, которые нас интересуют. Если батареи должны быть заряжены током 500 мА. Расчет его мощности прост: 4,20 В х 0,5 А = 2,1 В, и столько должен потерять транзистор, что вероятно, потребует небольшого охлаждения. Для зарядного тока 1 А или больше мощность потерь, соответственно, растет, и все труднее будет избавиться от тепла. Во время теста были проверены несколько разных транзисторов, в частности BD244C, 2N6491 и A1535A - все они ведут себя одинаково.

Делитель напряжения R1 и R2 следует подобрать так, чтобы получить нужное напряжение ограничения. Для удобства вот несколько значений после применения которых, мы получим следующие результаты:

R1 + R2 = Vo
22K + 33K = 4,166 В
15К + 22K = 4,204 В
47K + 68K = 4,227 В
27K + 39K = 4,230 В
39K + 56K = 4,241 В
33K + 47K = 4,255 В

Это аналог мощного стабилитрона, нагруженного на низкоомную нагрузку, роль которой здесь выполняют диоды D2...D5. Микросхема D1 измеряет напряжение на плюсе и минусе аккумулятора и если оно поднимается выше порога, открывает мощный транзистор, пропуская через себя весь ток от ЗУ. Как соединяется всё это вместе и к блоку питания - смотрите далее.

Блоки получаются действительно маленькие, и вы можете смело устанавливать их сразу на элементе. Следует только иметь в виду, что на корпусе транзистора возникает потенциал отрицательного полюса батареи, и вы должны быть осторожны при установке систем общего радиатора - надо использовать изоляцию корпусов транзисторов друг от друга.

Испытания

Сразу 6 штук балансировочных блоков понадобились для одновременной зарядки 6 аккумуляторов 18650. Элементы видны на фото ниже.

Все элементы зарядились ровно до 4,20 вольта (напряжение были выставлены потенциометрами), а транзисторы стали горячие, хотя и обошлось без дополнительного охлаждения - зарядка током 500 мА. Таким образом, можно смело рекомендовать данный метод для одновременного заряда нескольких литиевых аккумуляторов от общего источника напряжения.

Обсудить статью ОДНОВРЕМЕННАЯ ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ

Сихуа Уэн (Sihua Wen), инженер по применению аккумуляторных батарей, Texas Instruments

Обычно в любой системе, состоящей из нескольких последовательно включенных батарей, возникает проблема разбалансировки заряда отдельных батарей. Выравнивание заряда - это метод проектирования, позволяющий увеличить безопасность эксплуатации батарей, время работы без подзарядки и срок службы.Новейшие микросхемы защиты батарей и указатели заряда компании Texas Instruments - BQ2084, семейства BQ20ZXX, BQ77PL900 и BQ78PL114, представленные в производственной линейке компании, - необходимы для реализации этого метода.

ЧТО ТАКОЕ РАЗБАЛАНСИРОВКА БАТАРЕЙ?

Перегрев или перезаряд ускоряют износ батареи и могут вызвать воспламенение или даже взрыв. Программно-аппаратные средства защиты уменьшают опасность. В блоке из многих батарей, включенных последовательно (обычно такие блоки применяются в лаптопах и медицинском оборудовании) существует возможность разбалансировки батарей, что ведет к их медленной, но неуклонной деградации.
Не существует двух одинаковых батарей, всегда есть небольшие отличия в состоянии заряда батарей (СЗБ), саморазряда, емкости, сопротивлении и температурных характеристиках, даже если речь идет о батареях одинаковых типов, от одного производителя и даже из одной производственной партии. При формировании блока из нескольких батарей производитель обычно подбирает схожие по СЗБ батареи посредством сравнения напряжений на них. Однако отличия в параметрах отдельных батарей все равно остаются, а со временем могут и возрасти. Большинство зарядных устройств определяет полный заряд по суммарному напряжению всей цепочки последовательно включенных батарей. Поэтому напряжение заряда отдельных батарей может варьироваться в широких пределах, но не превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда. Однако в слабом звене - батарее с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением напряжение может быть выше, чем на остальных полностью заряженных батареях. Дефектность такой батареи проявится позже при длительном цикле разряда. Высокое напряжение такой батареи после завершения заряда свидетельствует об ее ускоренной деградации. При разряде по тем же причинам (большое внутренне сопротивление и малая емкость) на этой батарее будет наименьшее напряжение. Сказанное означает, что при заряде на слабой батарее может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные батареи блока еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов батарей.

МЕТОДЫ БАЛАНСИРОВКИ

Разбалансировка батарей оказывает существенное нежелательное воздействие на время работы без подзарядки и срок службы. Выравнивание напряжения и СЗБ батарей лучше всего производить при их полном заряде. Существуют два метода балансировки батарей - активный и пассивный. Последний иногда называют «резисторной балансировкой». Пассивный метод довольно прост: разряд батарей, нуждающихся в балансировке, производят через байпасные цепи, рассеивающие мощность. Эти байпасные цепочки могут быть интегрированы в батарейный блок или помещаться во внешней микросхеме. Такой метод предпочтительно использовать в недорогих приложениях. Практически вся избыточная энергия от батарей с большим зарядом рассеивается в виде тепла - это главный недостаток пассивного метода, т.к. он сокращает время работы батарей без подзарядки. В активном методе балансировки для передачи энергии от батарей с большим зарядом к менее заряженным батареям используются индуктивности или емкости, потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод существенно более эффективен, нежели пассивный. Конечно, за повышение эффективности приходится платить - использовать дополнительные относительно дорогостоящие компоненты.

ПАССИВНЫЙ МЕТОД БАЛАНСИРОВКИ

Наиболее простое решение - выравнивание напряжения батарей. Например, микросхема BQ77PL900, обеспечивающая защиту батарейных блоков с 5-10 последовательно включенными батареями, используется в инструментах без токопроводящего кабеля, скутерах, бесперебойных источниках питания и медицинском оборудовании. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком, как показано на рисунке 1. Сравнивая напряжение батарей с запрограммированными порогами, микросхема при необходимости включает режим балансировки. На рисунке 2 показан принцип действия. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, заряд прекращается, подключаются байпасные цепочки. Заряд не возобновляется до тех пор, пока напряжение батареи ни снизится ниже порогового и процедура балансировки прекратится.

Рис. 1. Микросхема BQ77PL900, используемая в автономном
режиме работы для защиты блока батарей

При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего импеданса батарей (см. рис. 3). Дело в том, что внутренний импеданс вносит свой вклад в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызвана разбалансировка напряжений: разной емкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся на 100% заряженными. В микросхеме указателя заряда BQ2084 используется улучшенная версия балансировки, основанная на изменении напряжения. Чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика. Другое преимущество BQ2084 - измерение и анализ напряжения всех батарей, входящих в блок. Однако в любом случае этот метод применим лишь в режиме зарядки.

Рис. 2. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению

Рис. 3. Пассивный метод балансировки по напряжению
неэффективно использует емкость батарей

Микросхемы семейства BQ20ZXX, используют для определения уровня заряда фирменную технологию Impedance Track, базирующуюся на определении СЗБ и емкости батареи. В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд Q NEED , необходимый для достижения полностью заряженного состояния, после чего находится разница ΔQ между Q NEED всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, через которые происходит балансировка батареи до состояния ΔQ = 0. Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время: и при зарядке, и при разрядке батарей. При использовании технологии Impedance Track достигается более точная балансировка батарей (см. рис. 4).

Рис. 4.

АКТИВНАЯ БАЛАНСИРОВКА

По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. для передачи энергии от более заряженной батареи к менее заряженной вместо резисторов используются индуктивности и емкости, потери энергии в которых практически отсутствуют. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы без подзарядки.
Микросхема BQ78PL114, произведенная по фирменной технологии PowerPump, представляет собой новейший компонент компании TI для активной балансировки батарей и использует индуктивный преобразователь для передачи энергии. PowerPump использует n-канальный p-канальный MOSFET и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на рисунке 5. MOSFET и дроссель составляют промежуточный понижающий/повышающий преобразователь. Если BQ78PL114 определяет, что верхней батарее нужно передать энергию в нижнюю, на выводе PS3 формируется сигнал частотой около 200 кГц с коэффициентом заполнения около 30%. Когда ключ Q1 открыт, энергия из верхней батареи запасается в дросселе. Когда ключ Q1 закрывается, энергия, запасенная в дросселе, через обратный диод ключа Q2 поступает в нижнюю батарею.

Рис. 5.

Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе. Микросхема BQ78PL114 реализует три алгоритма балансировки:

по напряжению на выводах батареи. Этот метод похож на пассивный метод балансировки, описанный выше;
по напряжению холостого хода. В этом методе компенсируется различие во внутренних сопротивлениях батарей;
по СЗБ (основан на прогнозировании состояния батареи). Метод схож с тем, который использован в семействе микросхем BQ20ZXX при пассивной балансировке по СЗБ и емкости батареи. В этом случае точно определяется заряд, который необходимо передать от одной батареи к другой. Балансировка происходит в конце заряда. При использовании этого метода достигается наилучший результат (см. рис. 6)

Рис. 6.

Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с внутренними байпасными ключами. В случае балансировки батарейного блока ноутбука токи балансировки составляют 25…50 мА. Подбирая значение компонентов можно достичь эффективности балансировки в 12-20 раз лучшей, чем при пассивном методе с внутренними ключами. Типичного значения разбалансировки (менее чем 5%) можно достичь за один или два цикла.
Кроме того, технология PowerPump имеет и другие очевидные преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы - заряд, разряд и даже тогда, когда батарея, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем батарея, получающая энергию. По сравнению с пассивным методом теряется гораздо меньше энергии.

ОБСУЖДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО МЕТОДА БАЛАНСИРОВКИ

Технология PowerPump быстрее производит балансировку. При разбалансировке 2% батарей емкостью 2200 мА·ч она может быть произведена за один или два цикла. При пассивной балансировке встроенные в батарейный блок силовые ключи ограничивают максимальное значение тока, поэтому может потребоваться много больше циклов балансировки. Процесс балансировки может быть даже прерван при большой разнице параметров батарей.
Увеличить скорость пассивной балансировки можно за счет использования внешних компонентов. На рисунке 7 приведен типичный пример такого решения, которое можно использовать совместно с микросхемами BQ77PL900, BQ2084 или семейства BQ20ZXX. Вначале включается внутренний ключ батареи, который создает небольшой ток смещения, протекающий через резисторы R Ext1 и R Ext2 , включенные между выводами батареи и микросхемой. Напряжение «затвор-исток» на резисторе RExt2 включает внешний ключ, и ток балансировки начинает протекать через открытый внешний ключ и резистор R Bal .

Рис. 7. Принципиальная схема пассивной балансировки
с использованием внешних компонентов

Недостаток этого метода заключается в том, что одновременно не может происходить балансировка смежной батареи (см. рис. 8а). Это происходит из-за того, что когда открыт внутренний ключ смежной батареи, через резистор R Ext2 не может протекать ток. Поэтому ключ Q1 остается закрытым даже тогда, когда открыт внутренний ключ. На практике эта проблема не имеет большого значения, т.к. при таком способе балансировки батарея, подключенная к Q2 быстро балансируется, а следом за ней балансируется и батарея, подключенная к ключу Q2.
Другая проблема заключается в возникновении высокого напряжения сток-исток V DS , которое может возникнуть когда балансируется каждая вторая батарея. На рисунке 8б показан случай, когда балансируются верхняя и нижняя батареи. При этом напряжение V DS среднего ключа может превысить максимально допустимое. Решение этой проблемы - ограничение максимального значения резистора R Ext или исключение возможности одновременной балансировки каждой второй батареи.

Метод быстрой балансировки - новый путь улучшения безопасности эксплуатации батарей. При пассивной балансировке цель заключается в том, чтобы сбалансировать емкость батарей, но из-за малых токов балансировки это возможно лишь в конце цикла заряда. Другими словами, перезаряд плохой батареи может быть предотвращен, но это не увеличит время непрерывной работы без подзаряда, т.к. слишком много энергии будет потеряно в байпасных резистивных цепочках.
При использовании технологии активной балансировки PowerPump одновременно достигаются две цели - балансировка емкости в конце цикла заряда и минимальное различие напряжений в конце цикла разряда. Энергия запасается и отдается слабой батарее, а не рассеивается в виде тепла в байпасных цепях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Корректная балансировка напряжения батарей - один из путей увеличения безопасности эксплуатации батарей и увеличения срока их службы. Новые технологии балансировки отслеживают состояние каждой батареи, что позволяет увеличить срок их службы и повысить безопасность эксплуатации. Технология быстрой активной балансировки PowerPump увеличивает время работы без подзарядки, а также позволяет максимально и с высокой эффективностью сбалансировать батареи в конце цикла разряда.

Прислал:

Нет, речь пойдет не о рыболовной приманке, и даже не о цирковых акробатах балансирующих под куполом. Речь будет о том, как добиться баланса параметров аккумуляторов, соединённых последовательно.

Как известно, ячейка аккумулятора - достаточно низковольтное устройство, поэтому их обычно соединяют в пачки последовательно. В идеале, если параметры всех аккумуляторов одинаковы, мы имеем источник с напряжением в n-раз большим, чем одиночная ячейка, и заряжать-разряжать его мы можем как единый более высоковольтный аккумулятор.

Увы, так будет только в идеале. Каждый аккумулятор в этой пачке, как и всё в этом мире, уникален, и найти двух совершенно одинаковых невозможно, да и их характеристики - ёмкость, утечки, степень заряженности, будут меняются от времени и температуры.

Конечно, изготовители аккумуляторов стараются подбирать максимально близкие по параметрам, но различия всегда есть. И со временем, такие разбалансы характеристик могут ещё и возрастать.

Эти различия характеристик ячеек ведут к тому, что аккумуляторы работают по разному и, в результате общая ёмкость составной батареи будет ниже, чем составляющих её ячеек, это раз, а во-вторых, ресурс такого аккумулятора также будет ниже, т.к. он определяется самым "слабым" аккумулятором, который будет изнашиваться быстрее других.
Что же делать?

Есть два основных критерия для оценки степени балансировки ячеек:
1. Выравнивание напряжения на ячейках,
2. Выравнивание заряда в ячейках.

Достигать своих целей в достижении этих методов балансирования также можно двумя способами:
1. Пассивным и
2. Активным.

Поясним сказанное.
С критериями балансировки всё понятно, либо мы просто добиваемся равенства напряжений на ячейках, либо каким-либо образом вычисляем заряд аккумулятора и добиваемся, чтобы эти заряды сравнялись (при этом напряжения могут и различаться).

Со способами реализации тоже ничего сложного. В пассивном методе мы просто переводим в тепло энергию в наиболее заряженных аккумуляторных ячейках, до тех пор, пока напряжения или заряды в них не сравняются.
В активном же способе любым способом перекачиваем заряд из одной ячейки в другую, по возможности с минимальными потерями. Современная схемотехника легко реализует такие способности.

Понятно, что рассеять проще, чем перекачать, а сравнить напряжения проще, чем сравнить заряды.

Также эти методы могут применяться как при зарядке, так и при разрядке. Чаще всего, конечно, балансировку проводят при зарядке аккумулятора, когда энергии много и её можно сильно не экономить и поэтому без особых потерь можно воспользоваться пассивным рассеиванием "лишнего" электричества.
При разрядке всегда применяют только активную перекачку заряда, но такие системы весьма редки, из-за большей сложности схемы.

Поглядим на практическую реализацию вышесказанного.
При зарядке, в простейшем случае на выходе ЗУ ставится устройство, называемое "балансиром".
Далее, чтобы не сочинять самому, просто вставлю кусок текста из статьи с сайта http://www.os-propo.info/content/view/76/60/ . Речь идет о зарядке литиевых аккумуляторов.

"Простейший тип балансира - это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке LiPo с пороговым значением 4.20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно банке LiPo, пропускающий через себя большую часть тока заряда (1А и более) и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Фактически, выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.

В такой схеме поставленная задача заряда и выравнивания пары разных паков реально осуществима. Но такие балансиры на практике бывают только самодельными. Все фирменные микропроцессорные балансиры используют другой принцип работы.

Вместо того, чтобы рассеивать полные токи заряда в конце, микропроцессорный балансир постоянно контролирует напряжения на банках и постепенно выравнивает их в течение всего процесса заряда. К банке, заряженной больше других, балансир подключает параллельно некоторое сопротивление (порядка 50-80 Ом в большинстве балансиров), пропускающее через себя часть зарядного тока и лишь чуть-чуть замедляющее заряд этой банки, не останаливая его полностью. В отличие от транзистора на радиаторе, способного взять на себя основной ток заряда, это сопротивление обеспечивает лишь небольшой ток балансировки - порядка 100мА, а потому такой балансир не требует массивных радиаторов. Именно этот ток балансировки указывается в технических характеристиках балансиров и обычно составляет не более 100-300мА.

Такой балансир существенно не нагревается, поскольку процесс идет в течение всего заряда, и тепло при небольших токах успевает рассеиваться без радиаторов. Очевидно, что если ток заряда будет существенно выше тока балансировки, то при большом разбросе напряжений на банках балансир не успеет выровнять их до того момента, как самая заряженная банка достигнет порогового напряжения. "
Конец цитаты.

Примером рабочей схемы простейшего балансира могут служить следующие (взято с сайта http://www.zajic.cz/).

Рис.1. Простая схема балансира.

Фактически это мощный стабилитрон, кстати, весьма точный, нагруженный на низкоомную нагрузку, роль которой здесь выполняют диоды D2...D5. Микросхема D1 измеряет напряжение на плюсе и минусе аккумулятора и если оно поднимается выше порога, открывает мощный транзистор T1, пропуская через себя весь ток от ЗУ.

Рис.2. Простая схема балансира.

Аналогично работает и вторая схема (Рис.2.), но в ней всё тепло выделяется в транзисторе Т1, который греется как "чайник" - радиатор видно на картинке ниже.

На Рис.3 видно, что балансир состоит из 3-х каналов, каждый из которых выполнен по схеме Рис.2.

Конечно, промышленность уже давно освоила подобные схемы, которые выпускаются в виде законченной микросхемы. Их выпускают многие компании. Как пример, воспользуюсь материалами статьи о методах балансировки, опубликованной на сайте "РадиоЛоцман" http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=59991 , которые буду частично изменять или убирать, чтобы не раздувать статью.
Цитата:
" Пассивный метод балансировки.
Наиболее простое решение - выравнивание напряжения батарей. Например, микросхема BQ77PL900, обеспечивает защиту батарейных блоков с 5-10 последовательно включенными батареями. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком, как показано на рисунке 4. Сравнивая напряжение банки с пороговым, микросхема, при необходимости, включает режим балансировки для каждой из банок.

Рис.4. Микросхема BQ77PL900, и второй аналог, где лучше видно внутреннее устройство (взят отсюда http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm ).

На Рис. 5 показан принцип её действия. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, включаются полевые транзисторы и подключают параллельно ячейке аккумулятора нагрузочный резистор, через который ток идет в обход ячейки и уже не заряжает её. Остальные ячейки при этом продолжают заряжаться.
При падении напряжения, полевик закрывается и зарядка может продолжаться. Таким образом, в конце зарядки на всех ячейках будет присутствовать одинаковое напряжение.

При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего сопротивления батарей (см. Рис. 6.). Дело в том, что на этом сопротивлении падает часть напряжения когда через аккумулятор протекает ток, что вносит дополнительную погрешность в разброс напряжений при заряде.
Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызван разбаланс - разной ёмкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся заряженными на 100%.

В микросхеме BQ2084 используется улучшенная версия балансировки, также основанная на изменении напряжения, но, чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика.

Рис. 5. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению.

Рис. 6. Пассивный метод балансировки по напряжению.

Микросхемы семейства BQ20Zхх, используют для определения уровня заряда фирменную технологию Impedance Track, базирующуюся на определении состояния заряда батарей (СЗБ) и ёмкости батареи.

В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд Qneed, необходимый для полной её зарядки, после чего находится разница?Q между Qneed всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, которые разряжают все ячейки до уровня наименее заряженной, до тех пор, пока заряды не уравняются

Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время, как при при зарядке, так и при разрядке аккумулятора. Однако, как уже говорилось выше, при разряде этот метод использовать глупо, т.к. энергии всегда не хватает.

Основное преимущество этой технологии - более точная балансировка батарей (см. рис. 7) по сравнению с другими пассивными методами.

Рис. 7. Пассивная балансировка, основанная на СЗБ и ёмкости.

Активная балансировка

По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. для передачи энергии от более заряженной ячейки к менее заряженной, вместо резисторов используются индуктивности и ёмкости, потери энергии в которых практически отсутствуют. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы без подзарядки.

Микросхема BQ78PL114, произведенная по фирменной технологии PowerPump, представляет собой новейший компонент компании TI для активной балансировки батарей и использует индуктивный преобразователь для передачи энергии.

PowerPump использует n-канальный p-канальный полевой транзисторы и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на Рис.8. Полевики и дроссель составляют собой понижающий/повышающий преобразователь.

Например, если BQ78PL114 определяет, что верхняя ячейка заряжена больше, чем нижняя, то на выводе PS3 формируется сигнал открывающий транзистор Q1 с частотой около 200 кГц и скважностью около 30%.

При закрытом Q2 получается стандартная схема понижающего импульсного стабилизатора, при этом внутренний диод Q2 замыкает ток индуктивности во время закрытого состояния ключа Q1.

При перекачке же из нижней ячейки в верхнюю, когда открывается только ключ Q2 получаем также типовую схему, но уже повышающего импульсного стабилизатора.

Ключи Q1 и Q2, естественно, одновременно никогда открываться не должны.

Рис. 8. Балансировка по технологии PowerPump.

Потери энергии при этом невелики и почти вся энергия перетекает из сильно заряженной в малозаряженную банку. Микросхема BQ78PL114 реализует три алгоритма балансировки:
- по напряжению на выводах батареи. Этот метод похож на пассивный метод балансировки, описанный выше, но при этом потерь почти нет;
- по напряжению холостого хода. В этом методе компенсируется различие во внутренних сопротивлениях батарей;
- по состоянию заряда батареи (основан на прогнозировании состояния батареи). Метод схож с тем, который использован в семействе микросхем BQ20Zxx при пассивной балансировке по СЗБ и емкости батареи. В этом случае точно определяется заряд, который необходимо передать от одной батареи к другой. Балансировка происходит в конце заряда. При использовании этого метода достигается наилучший результат (см. Рис. 9.)

Рис. 9. Активная балансировка по алгоритму выравнивания состояния заряда батареи .

Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с рассеиванием энергии. В случае балансировки батарейного блока ноутбука токи балансировки составляют 25…50 мА. Подбирая значение компонентов можно достичь эффективности балансировки в 12-20 раз лучшей, чем при пассивном методе с внутренними ключами. Типичного значения разбалансировки (менее 5%) можно достичь уже за один или два цикла.

Кроме того, технология PowerPump имеет и другие преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы - заряд, разряд и даже тогда, когда батарея, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем батарея, получающая энергию. " (Конец частичного цитирования.)

Продолжим описание активных способов перекачки заряда из одной ячейки в другую следующей схемой, которую нашел в Интернете на сайте "HamRadio" http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm .

В качестве схемы перекачки заряда использован не индуктивный, а ёмкостной накопитель. Например, широко известны, так называемые, преобразователи напряжения на коммутируемых конденсаторах. Одна из массовых - это микросхема ICL7660 (MAX1044 или отечественный аналог КР1168ЕП1).

В основном микросхема используется для получения отрицательного напряжения, равного напряжению её питания. Однако, если отрицательное напряжение на её выходе окажется по каким-то причинам больше по величине, чем положительное напряжение питания, то микросхема начнёт качать заряд "в обратную сторону", забирая из минуса, и отдавая в плюс, т.е. она всё время пытается уравнять эти два напряжения.

Это свойство и использовано для балансировки двух аккумуляторных ячеек. Схема такого балансира приведена на Рис.10.

Рис.10. Схема балансира с ёмкостной перекачкой заряда.

Микросхема с высокой частотой подключает конденсатор С1 либо к верхнему аккумулятору G1, либо к нижнему G2. Соответственно С1 будет заряжаться от более заряженного и разряжаться в более разряженный, каждый раз перенося какую-то порцию заряда.
Со временем напряжения на аккумуляторах станут одинаковыми.

Энергия в схеме практически не рассеивается, КПД схему может достигать до 95…98% в зависимости от напряжения на аккумуляторах и выходного тока, который зависит от частоты переключения и ёмкости С1.

При этом собственно потребление микросхемы составляет всего несколько десятков микроампер, т.е. находится ниже уровня саморазряда многих аккумуляторов, и поэтому микросхему можно даже не отключать от аккумулятора и она будет постоянно неспешно выполнять работу по выравниванию напряжения на ячейках.

Реально ток перекачки может достигать 30…40мА, но КПД при этом снижается. Обычно десяток мА. Также напряжение питания может быть от 1.5 до 10В, а это значит, что микросхема может балансировать как обычные Ni-Mh пальчики, так и литиевые аккумуляторы.

Практическое замечание: на Рис.10. показана схема которая балансирует аккумуляторы с напряжением меньше 3В, поэтому её шестая ножка (LV) подключена к выходу 3. Для балансировки литиевых аккумуляторов с более высоким напряжением, вывод 6 нужно оставить свободным, никуда не подключать.

Также, этим методом возможно балансировать не только два, но и большее количество аккумуляторов. На Рис.11. показано, как это сделать.

Рис.11. Каскадирование микросхем перекачки заряда.

Ну, и напоследок, ещё одно схемное решение, реализующее ёмкостную передачу заряда от одного аккумулятора к другому.
Если в ICL7660 представляла собой мультиплексор, который мог подключать конденсатор С1 только к двум источникам, то взяв мультиплексор с большим числом каналов переключения, (3, 4, 8) можно одной микросхемой уравнивать напряжения уже на трех, четырех или восьми банках. Причем, банки могут быть соединены как угодно, как последовательно, так и параллельно. Главное, чтобы напряжение питания микросхемы было выше максимального напряжения на банках.

Схема так называемого "обратимого преобразователя напряжения", описанного в журнале "Радио" 1989, № 8, показана на Рис.12.

Рис.12. Обратимый преобразователь напряжения в качестве балансира на мультиплексоре 561КП1..

К выравнивающему устройству может быть подключено до четырех элементов. Конденсатор С2 поочередно подключается к различным элементам, обеспечивая перекачку энергии этих элементов и выравнивание напряжения на них

Число элементов в батарее может быть уменьшено. В этом случае вместо исключенных элементов достаточно подключить конденсатор емкостью 10..20мкФ.

Ток балансировки такого источника весьма мал до 2 мА. Но так как он работает постоянно, не отключаясь от аккумуляторов, то свою задачу - уравнивание зарядов ячеек, он выполняет.

В заключение хочу заметить, что современная элементная база позволяет выполнять балансировку ячеек составного аккумулятора практически без потерь и уже достаточно проста, чтобы перестать быть чем-то "крутым" и недоступным.

И поэтому радиолюбителю, конструирующему устройства на аккумуляторах, полагаю, стоит задуматься о переходе на активные методы перекачки энергии между банками в батарее, пусть хотя бы "по старинке", ориентируясь на равенство напряжений между аккумуляторными ячейками, а не зарядов в них.

Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас .

Прислал:

Понятно, что рассеять проще, чем перекачать, а сравнить напряжения проще, чем сравнить заряды.

Примером рабочей схемы простейшего балансира могут служить следующие (взято с сайта http://www.zajic.cz/).

Рис.1. Простая схема балансира.

Рис.2. Простая схема балансира.

На Рис.3 видно, что балансир состоит из 3-х каналов, каждый из которых выполнен по схеме Рис.2.

Рис. 5. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению.

Рис. 6. Пассивный метод балансировки по напряжению.

Рис. 7. Пассивная балансировка, основанная на СЗБ и ёмкости.

Ключи Q1 и Q2, естественно, одновременно никогда открываться не должны.

Рис. 8. Балансировка по технологии PowerPump.

Рис. 9. Активная балансировка по алгоритму выравнивания состояния заряда батареи .

Рис.10. Схема балансира с ёмкостной перекачкой заряда.

Рис.11. Каскадирование микросхем перекачки заряда.

Рис.12. Обратимый преобразователь напряжения в качестве балансира на мультиплексоре 561КП1..

Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас .

Осталось решить вопросы зарядки и индикации состояния. Напомню, что выбор деталей и способа доработки сильно ограничен бюджетом, поэтому вместо оптимальных решений приходится идти на компромиссы.

Модификация зарядного устройства

Старое зарядное устройство состоит из двух частей - блока питания и зарядной станции-стакана с двумя индикаторами - «питание» и «зарядка». Первый индикатор горит при подключении стакана к питанию, второй - во время зарядки. Теоретически, второй индикатор должен гаснуть после окончания зарядки, но из-за особенности питания горит всегда, когда в стакан вставлен аккумулятор.

Блок питания обозначен как источник постоянного напряжения на 18 В. На самом деле он состоит из понижающего трансформатора и диодного моста, на выходе - пульсирующее напряжение (половинки синусоиды) с амплитудой 25 В. Не знаю, чем руководствовался производитель, но такое питание вряд ли подходит для зарядки даже оригинальных батарей. Возможно, потому они так быстро и сдохли, всего за год.

На плате выпрямителя внутри БП предусмотрено место для выпрямляющего конденсатора, но он не установлен. Заявленный максимальный выходной ток 400 мА, и это тоже не кажется правдой, даже на таком токе трансформатор заметно нагревается, до температуры не менее 80°C, судя по расплавлению термоклея, который я использовал для дополнительной фиксации трансформатора внутри корпуса БП.

Правильно было бы купить новый блок питания, но из-за экономии решил оставить старый, реальная эксплуатация покажет, стоила ли этого экономия в 5 долларов (цена за БП 24 В / 1 А на eBay). Также необходимо было сохранить габариты всех комплектных устройств, чтобы они вставлялись в свои места в чемодане дрели.

Для зарядки лития мне здесь понадобится как минимум источник постоянного напряжения на 16,8 В или чуть меньше. Неправильное напряжение старого БП сыграло здесь на руку, теперь можно выпрямить напряжение с него до 25 В и подключить на выход понижающий преобразователь-стабилизатор напряжения.

Самый дешевый вариант зарядки, который, кстати, и реализован в старом зарядном устройстве, - это шунт для ограничения тока после источника напряжения. Но этот метод зарядки очень медленный, поэтому решил здесь улучшить параметры зарядки, установив почти полноценное зарядное устройство для лития с фазами CC (постоянный ток) и CV (постоянное напряжение) на основе , уже имеющегося в наличии. Но я всё равно прикупил ещё один такой же, так как подобный девайс оказался весьма полезен в электронном хозяйстве, цена вопроса - от $1,5 на eBay.

Конденсатор для выпрямителя взял из старых запасов на 100 мкФ / 63 В, ничего более подходящего по параметрам и размерам не было. Расчёты необходимой ёмкости не проводил, так как после этого выпрямителя будет ещё стабилизатор, а также из-за того, что высокая стабильность на выходе не нужна.

Максимальный ток пришлось ограничить 500 мА, при большем токе блок питания перегревается. Если захочется повысить ток, придётся купить новый БП на 20-35 В и ~20 Вт. Помимо базового здесь будет реализован альтернативный вариант зарядки большим током, поэтому проблемы у меня здесь нет. Напряжение выставил на 16,4 В, чтобы уменьшить вероятность перезаряда отдельных ячеек литиевой сборки.

После долгого поиска места для установки платы стабилизатора в зарядный стакан пришлось отказаться от штатной индикации, а также перенести разъём питания на собственную плату-переходник (светлая плата на фото), уже был в наличии. В этом проекте в первый раз использовал ЛУТ (лазерно-утюжная технология - перенос тонера рисунка, распечатнного на лазерном принтере на бумаге, с помощью утюга на фольгированный тестолит), получилось сносно. Все потенциометры также пришлось перенести. Просверлил дырочки в корпусе стакана для светодиодов на плате стабилизатора, чтобы была хотя бы минимальная индикация. На фото выше зелёная плата - старая, положил рядом для сравнения.

Плата греется не сильно, но всё равно добавил пассивное охлаждение для снижения рисков. К задней части платы с помощью теплопроводящего клея приклеил маленький алюминиевый радиатор, для надежности потом закреплю его дополнительно. В этом проекте повсеместно используется термопластичный клей, который начинает плавиться уже при 80°C, поэтому пытаюсь делать охлаждение там, где это возможно. Ровно под этим радиатором в корпусе стакана есть вентиляционная решетка, что пришлось кстати. В верхней части стакана также есть подобные прорези, циркуляция воздуха здесь должна получиться достаточной.

Таким образом, получил в корпусах старого БП и зарядного стакана зарядное устройство для литиевой сборки 4S с максимальным током 500 мА. Предполагаемое время зарядки - 3-4 часа, примерно как у старого зарядного со старыми батареями. Окончание заряда можно определить по одному из индикаторов преобразователя, он гаснет при падении зарядного тока примерно до 20 мА (настраивается, но это минимум), что для этой батареи оказалось достаточно маленьким значением, чтобы оно достигалось почти в самом конце зарядки, при зарядке более высокоомной батареи падение тока до 20 мА может происходить намного раньше. Также можно проверить напряжение на самой батарее, об этом далее.

Эта зарядка вполне подходит и для старой батареи на никеле, вторая из комплекта осталась нетронутой, но из-за сильно возросшего у неё внутреннего сопротивления время полной зарядки будет существенно больше, что практически исключает полезность этого варианта, учитывая также и то, что никель приходится заряжать перед работой.

Зарядка с балансировкой

На самой аккумуляторной сборке уже есть балансировочный выход, осталось вывести его наружу. Некоторые просто вырубают дыру в корпусе батареи, чтобы можно было вывести шнурок наружу, но мне такой вариант не нравится, да и балансировочный кабель у сборки всё равно слишком короткий. Поэтому решил установить на корпусе батареи разъём. Здесь нужны гнезда и разъёмы на 5 контактов, выдерживающих не менее 1 А, лучше 2-3 А, меньше просто не интересно.

Можно было поставить коннекторы DIN (как у старых магнитофонов или клавиатур AT) или Mini-DIN (как у PS/2). Отказался от этой затеи, так как ни в собственных залежах, ни на eBay не были найдены необходимые компоненты по адекватной цене.

USB не подходит по количеству контактов и/или максимальному току. Есть варианты с USB 3.0 или, даже лучше, 3.1, но коннекторов либо ещё нет в продаже, либо они слишком дорогие.

Следующий кандидат - коннекторы FireWire (IEEE 1394) , точнее FireWire 400. Шесть глубоко посаженных, слегка подпружиненных контактов, конструкция почти исключает короткое замыкание. Просто идеально, этот вариант и выбрал. Так как теперь этот стандарт уже раритет, гнёзда вышли недёшево, пара обошлась в $1,5, заказал. Вилки в продаже вообще не нашёл, понадеялся на переделку какого-нибудь кабеля FireWire.

Пока коннекторы были в пути, начал перебирать свои старые провода FireWire и искать по магазинам новые. Оказалось, что все найденные кабели имеют проводку толщиной всего 28-30AWG, в лучшем случае только пара проводов 22AWG. Всю проводку от батареи к зарядному изначально планировал делать , поэтому пришлось отказаться от этого замечательного варианта. Стандарт ограничивает максимальный ток значением 1,5 А, что объясняет использование таких тонких проводов даже в хороших кабелях.

Наш победитель - , подобные используются для большинства балансировочных устройств и аккумуляторных сборок. Конечно, эти коннекторы были самым очевидным вариантом, но они довольно хрупкие, а также их слишком легко можно закоротить, поэтому сначала пытался найти альтернативу. Они довольно дёшевы, за те же $1,5, что отдал только за пару гнёзд FireWire, я взял 20 наборов XH2.54-5P (гнездо + вилка + пины).

Для установки в корпус пришлось использовать пару переходников (можно было бы и один, если бы текстолит был двухсторонний, но такого у меня сейчас нет). Крепление к корпусу сделал на паре скобок из толстого медного провода, впаянных в ту же плату, что и разъём. Изначально хотел крепить болтами с гайками, но места под такое крепление внутри батареи не оказалось. Так как разъём выступает за пределы корпуса, по плану даже намного больше, чем получилось в результате, пришлось искать место там, где между батареей и дрелью наибольший зазор. Дополнительно укрепил термопластичным клеем.

Проверка показала, что такой разъём здесь вполне уместен. Установка гнезда в закрытую в рабочем положении часть батареи уменьшает вероятность его замыкания. Но я всё равно случайно замкнул его, в итоге выжег пару дорожек на одной из плат-переходников, само гнездо повредилось лишь слегка, менять на новое не стал.

Далее нужно собрать кабель для подключения к балансировочному зарядному устройству, в моём случае - . Это зарядное устройство помимо подключения по балансировочному кабелю требует также подключение и к силовому разъёму, позаимствовал разъём молекс для этого у одного из ненужных кабелей из комплекта B6.

Сразу проверил зарядку по новому кабелю. Оказалось, что одна из паек провода к пину XH2.54 не получилась, переделал. Далее всё заработало, как и задумывалось.

Индикация заряда

По-хорошему, здесь лучше использовать звуковую сигнализацию о разряде любой из ячеек до критического уровня (например, 3 В), активируемую прямо в процессе работы, чтобы не отвлекаться на проверку батареи. Такие устройства продаются, и довольно недорого, подключение его через кнопку дрели в сети можно найти. Но это всё равно деньги, а я решил экономить, чтобы был хотя бы минимальный экономический смысл в доработке батареи.

Поэтому я воткнул сюда простой , включаемый по отдельной кнопке. Возможно, когда-нибудь я заменю или переделаю его на сигнализацию, но пока буду сам следить, чтобы общее напряжение не опускалось ниже 13,5-14,0 В. Либо можно добавить сюда по компаратору на ячейку с общей пищалкой, дешево и достаточно (дополнение: честно говоря, до сих пор не понял, как это можно сделать просто и дешево).

Обратите внимание на расположение индикатора и кнопки. Я - правша, поэтому мне оказалось удобнее расположение на левом боку. Передняя сторона также выбрана не случайно - она реже перекрывается правой рукой или одеждой. Кнопка расположена подальше от экрана для того, чтобы при её нажатии даже в толстых перчатках не перекрывался экран.

С помощью этого вольтметра также можно определить окончание зарядки. Если проверять напряжение прямо во время зарядки, напряжение быстро дойдёт почти до максимума (здесь 16,4 В) и дальше будет очень медленно к нему приближаться, и только при полной зарядке оно с ним совпадёт. Чтобы оценить действительный уровень заряда, придётся вытащить батарею из стакана.

Вот так в итоге выглядит батарея. Шуруп сверху держит площадку с контактами.

Итого

Посчитаем, что получилось в деньгах, цены в рублях. Если деталь взята из запасов, показана примерная рыночная стоимость.

аккумуляторная сборка: $15
конденсатор для выпрямителя БП: $0,3
плата стабилизатора CC CV: $4 (можно найти от $1,5-2,0)
кусочек фольгированного текстолита, примерно 50*70 мм (половина ушла на ошибки и резерв): $0,3
провода 22AWG, около 1 м: $0,3
2-3 набора коннекторов XH2.54-5P (считаю только 2-3, т.к. остальным разъёмам я точно найду применение): $0,3
маленький вольтметр: $1,8 (можно найти от $1,0)
кнопка включения вольтметра: $0,15
свёрла (убил парочку в процессе): $0,40
прочие расходные материалы: $0,30

Итого примерно $21. Переделка второго аккумулятора при тех же расценках обошлась бы примерно в $18. Итого около 40 долларов за комплект. Это почти цена новой, но самой дешёвой дрели-шуруповёрта с двумя литиевыми аккумуляторами. Я решил не делать вторую батарею, поэтому выгода у меня получилась неплохая.

Для более долгой жизни батареи и более быстрой и безопасной зарядки также потребуется зарядное устройство с балансировкой, это ещё как минимум 15 долларов, что снова возвращает к минимальной выгоде около 10 баксов, однако вряд ли вы получите функцию балансировки в дешевой аккумуляторной дрели из магазина. Мне подсказали, что и на дорогих профессиональных моделях эта функция также может отсутствовать, и мне неизвестно, есть ли на рынке такие модели вообще.

Мне балансировщик обошёлся в $6, но это исключение. Суммарно на доработку я затратил 21 + 6 = 27 долл. и получил инструмент, который прослужит мне еще пару-тройку лет, всегда готовый к работе. Без этой переделки нужно было заряжать аккумулятор пару-тройку часов, чтобы закрутить 10-20 саморезов, несерьёзно. Помимо этого, я наконец освоил ЛУТ, поработал с мощным компактным аккумулятором, и вообще получил +100 к опыту.