Балансировка литиевых аккумуляторов: литий ионных

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

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

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

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

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

Активный балансир для литиевых батарей, что это такое и зачем он нужен. Аккумуляторы для электроники и бытовой техники. Обзоры техники. Аккумуляторы для электроники и бытовой техники

Меня часто спрашивают о различных батареях аккумуляторов, при это вопросы касаются также как защиты, так и балансировки батареи. И вот под задачу переделки ИБП мне понадобилась батарея, плата защиты и балансир, но батарея еще в пути, плату защиты без батареи проверять смысла нет, а про балансир я сегодня расскажу.

На самом деле речь пойдет даже о двух балансирах, при этом один из них представлен даже в двух экземплярах.
Мелкие были заказаны для LiFePO4 батарей, одна для мощного ИБП, другая для мелкого. Обе платы были куплены у одного и того же продавца в два захода, но при этом у него есть два разных лота:
1. $3.59 + $1.31 доставка, купил с купоном на 11.11
2. $3.50 + $4.73 доставка. Этот лот кажется слишком дорогим из-за доставки, но у продавца доставка разных товаров не суммируется, а так как заказывал плату защиты, то балансир взял попутно.

Вторая плата куплена на таобао где-то полтора года назад, но все не находил времени протестировать её и вот решил совместить две платы в одном обзоре.

В качестве дополнительной информации расскажу то, о чем спрашивают чаще всего, что такое балансир, какие они бывают и чем отличаются.
Писать про то, зачем он нужен, думаю нет смысла, это понятно из названия, да и я уже как-то рассказывал.

Пассивная схема балансировки

И так, технически самый простой балансир — пассивный, его задача ограничить напряжение на тех элементах, которые заряжены больше других, работает он только при заряде, пропуская часть тока (или весь) через себя давая возможность зарядиться остальным ячейкам.
По понятным причинам такой балансир может работать только при заряде, а точнее, в конце заряда.

Понятно что ограничивать напряжение стабилитронами проблематично так как имеются свои технические проблемы, как минимум малый вариант выбора напряжений и разброс характеристик.

Можно заменить стабилитрон регулируемым, на базе TL431, но он маломощный, соответственно придется усилить его транзистором.

Такая схема обеспечивает очень высокую точность балансировки и может делать это за один цикл заряда, но есть как минимум две проблемы:
1. Из-за того что ток в цепи никогда не упадет, а просто будет идти либо через батарею, либо через балансир, то зарядное может отключаться только по таймеру.
2. А так как весь ток потом идет через балансир, то получаем огромное тепловыделение в конце заряда, что при больших аккумуляторных сборках вынуждает применять солидные системы охлаждения, понятно что речь встроить такой балансир в корпус батареи вообще не идет.

Пример балансира с параллельными стабилизаторами, рассчитанный на ток до 2А и сборки до 20S. В режиме максимальной мощности тепловыделение до 170Вт.

Но ведь хочется балансир встроить в саму батарею, а значит надо снижать тепловыделение, решается это установкой резисторов.
При достижении напряжения окончания заряда схема управления через резистор начинает шунтировать аккумулятор, пропуская часть тока через себя, в данном случае это резистор R1.

Подобные балансиры часто размещают сразу на платах защиты, найти их очень легко, обычно это несколько больших низкоомных резисторов размещенных рядом, при этом количество резисторов соответствует количеству подключаемых к плате аккумуляторов.

Фото 5S платы защиты, видны резисторы по 150Ом соединенные попарно, т.е. каждый балансир может нагружать током порядка 50-55мА.

Кроме того продаются отдельные платы, изготовленные под разное количество каналов, обычно это 4 или 8, если у вас сборка на 5-7 элементов то применяется плата на 8, лишние каналы просто не используются. У меня «в загашнике» как раз лежит несколько подобных плат.

Но даже это сильно не помогает, резисторы в конце заряда могут нагреваться до температур порядка 80 градусов, а при установке в корпус батареи температура может быть еще больше, а рядом литиевые аккумуляторы…

В общем из преимуществ имеем простоту и дешевизну, а из недостатков, малый ток балансировки, соответственно если разбег очень большой, то зарядное все равно «перетянет одеяло на себя». Чтобы этого не было, надо заряжать малыми токами, кроме того следует помнить, что балансир отбирает часть тока на себя и если у вас зарядное имеет отсечку по падению тока, то следует это учитывать.
Например ток заряда 1А, отсечка по падению до 50мА, при балансире на 60мА оно никогда не отключится, в этом случае выставляем отключение по току 50+60мА=110мА, тогда зарядное отключится по падению тока ниже 50мА именно черех аккумуляторы.

Активные балансиры

Чтобы обойти указанные выше проблемы придумали использовать схему с переносом энергии от одной ячейки к другой. Относительно простым является конденсаторный балансир, принцип предельно прост, сначала от аккумулятора с большим напряжением заряжаем конденсатор, а потом переключаем его на аккумулятор с меньшим напряжением.
В итоге заряженный аккумулятор постепенно отдает часть заряда менее заряженному, фактически таким образом элементы «виртуально» соединяются параллельно.

Задача схемы в конечном итоге уравнять потенциалы на клеммах ячеек. И здесь я отвечу на еще один частый вопрос, даже на два:
1. Такой балансир может перезарядить батарею? — Нет, он уравнивает потенциалы, также как при параллельном включении ячеек. Грубо говоря при двух элементах с напряжениями 3.5 и 3.7 вольта после балансировки будет 3.6 и 3.6.

2. Для разных аккумуляторов нужны разные балансиры? Нет, так как он просто уравнивает напряжение, то ему все равно какое оно там, главное чтобы сам контроллер мог работать. Потому обычно эти балансиры универсальны как для LTO, LiFePO4, так и для «обычных» Li-Ion.

В случае предыдущей схемы аккумуляторы можно просто соединить параллельно, но если надо балансировать последовательно включенные ячейки, то схема просто дополняется еще одним переключателем, сама же суть остается прежней.

Несколько лет назад я публиковал обзор, где делал плату заряда батареи 2S и размещал на той же плате и активный балансир на базе чипа 7660.

По сути данная микросхема не является балансиром, это просто формирователь отрицательного напряжения, но в данном случае можно использовать её и в таком, несколько нештатном применении.

Балансир маломощный, работает медленно, но у него есть преимущество, он работает всегда, сутками, месяцами.
Отчасти это является недостатком, так как схема постоянно потребляет энергию, хоть и не очень много, в моем случае это было не критично так как аккумуляторы имели индивидуальную защиту и переразряд им не грозит.

В итоге таблица балансировки за двое суток выглядела следующим образом.

Закономерный вопрос, а как производить балансировку если элементов больше двух. До точно также, просто в этом случае ставится больше балансиров, при этом их количество всегда на один меньше чем количество ячеек.

Первый балансир выравнивает напряжение на ячейках 1 и 2
Второй на 2 и 3
Третий на 3 и 4
Четвертый на 4 и 5.

Как можно понять их схемы, в итоге как бы не были распределены напряжения между ячейками, балансиры все равно приведут их к чему-то среднему, больше всего сложностей будет если максимальная разница у элементов 1 и 5, но даже в этом случае напряжение уравняется.

Современные конденсаторные балансиры конечно куда как покруче, специальные контроллеры, переводящие схему в спящий режим, полимерные конденсаторы, токи балансировки до 5А. Но и цены внушают, балансир 8S запросто может стоит порядка 25 долларов, а уж о цене монстра показанного ниже я боюсь и думать.

Из преимуществ, работает всегда, обеспечивает большой ток балансировки, но есть недостаток — цена.

Вторая разновидность активного балансира — индуктивный. По сути то же самое что и емкостной, но перенос энергии реализован чуть по другому, в качестве промежуточного накопителя используется индуктивности.

Преимущества почти те же что у емкостного, но ток обычно меньше, порядка 1-1.5А, зато цена заметно ниже.

И конечно вопрос, так что же все таки лучше. На мой взгляд естественно активный.
Дело в том, что в случае применения активного балансира вы фактически получаете общую емкость батареи без учета разницы между элементами, а при пассивном даже после балансировки все равно будете иметь только ту, которую имеет самый слабый элемент. Правда есть оговорка, результат напрямую зависит от мощности балансира и тока разряда.

Упрощенно, возьмем сборку из трех элементов, 1, 2 и 3Ач соединенных последовательно.
В случае с пассивным вы получите 1Ач так как даже после уравнивания при разряде ячейка 1Ач разрядится первой и плата защиты отключит нагрузку.
При активном заряд постоянно будет забираться у более заряженного элемента и отдаваться самому слабому и в теории можно получить усредненную емкость, в данном примере 2Ач, но КПД балансира конечно уменьшит этот результат.

Как это выглядит на практике. Работаете вы инструментом, потом пауза, пока батарея «отдыхает» балансир перекачивает энергию в самый слабый элемент, работаете дальше.
Есть и недостатки, при большом потреблении (например ИБП) помогать будет слабо, кроме того батарея в таком варианте изнашивается больше так как фактически идут циклы заряд/разряд. Но здесь уже вам решать, чем проще пожертвовать.

Альтернативные схемы балансировки
1. Вариант с отключением заряженных ячеек и выводом из схемы, встречал упоминания, но видимо сложности реализации и малый смысл свели на нет эту идею, тем более через коммутационные цепи идут и рабочий ток.

2. Заряд каждой ячейки независимым зарядным, по сути результат как при работе с транзисторным пассивным балансиром, хороший КПД, но те же недостатки в плане меньшей емкости и необходимость наличия многоканального блока питания. Как пример — зарядное устройство ImaxRC B3 PRO.
3. Балансировка при помощи DC-DC с гальванической развязкой, аналог активного балансира, но более сложный технически, соответственно смысла не имеет. Еще такой балансир называется двухуровневым так как он часто работает в паре с пассивным балансиром.

Как вы наверное уже догадались, речь пойдет о индуктивном балансире, две платы для 2-4S сборок и одна до 10S.

Количество ячеек, на которое рассчитан балансир, это максимальное значение, подключить можно и меньше, работать будет одинаково, просто платы на больше каналов стоят дороже.

В комплекте идут провода для подключения, к мелким платам двух цветов, общий черный, к ячейкам красные, у большой платы провода разноцветные, что немного удобнее.

Мелкие платы полностью идентичны, что неудивительно. Большая плата снизу матовая, даже немного непривычно, мелкие глянцевые.

На мелкой плате видны три балансира, довольно габаритные дроссели, заявленный ток балансировки 1.2А, максимальное напряжение каналов ограничено на уровне 4.3 вольта при помощи мелких стабилитронов, соответственно лучше не превышать его.

Большая плата имеет тот же заявленный ток в 1.2А, но контроллеры имеют другой корпус, да и дроссели явно поменьше. Плата универсальная, до 11S, одно место пустует. Также на этой плате имеется девять светодиодов индицирующих процесс балансировки соответствующих пар ячеек.
Кроме всего прочего эта плата покрыта приличным слоем защитного лака.

Обе платы построены на базе специализированного контроллера ETA3000.

В даташите есть типовая схема включения, там же указано что выпускается чип в двух вариантах корпуса, собственно это видно и на показанных платах. Первый тип, с квадратным чипом я и так знал, а на мелкой плате написано даже название контроллера.

И в данном случае это действительно чип изначально задуманный для схем балансировки, который умеет определять разницу напряжений на элементах, переходить в спящий режим для снижения потребления и даже показывать что идет процесс балансировки.

Также есть пример подключения нескольких контроллеров для больших сборок, но суть та же, что я показывал выше, каждый контроллер обслуживает батареи попарно: 1-2, 2-3, 3-4 и т.д.

Ток балансировки можно задавать в диапазоне 0.1-2А, для чего есть таблица номиналов элементов.

Переходим к тестам.
Для проверки была взята сборка из четырех LiFePO4 ячеек с емкостью 5700мАч из этого обзора. Плата защиты с пассивным балансиром и чтобы не мешала, пришлось её отключить, естественно так делать нельзя, но все было под постоянным контролем.

Перед отключением платы сначала полностью зарядил батарею.
После этого отключил плату и отпаял провода от неё
Чтобы имитировать разбалансировку частично разрядил ячейки, а так как знал их емкость, то сделал просто, включил разряд током 5.5А с ограничением по времени, для первого аккумуляторы это было 38 минут, второй не разряжал, третий 19 минут и четвертый 57 минут. Соответственно получил ориентировочный процент заряда по ячейкам:
1. 35%
2. 100%
3. 70%
4. 5%

Два последних фото время разряда и «скачанная» емкость.

Напряжение на ячейках с первой по четвертую, здесь и далее на фото порядок будет одинаков.

Балансир подключался родными проводами, хотя для более быстрой работы лучше их либо укоротить, либо заменить на провода с большим сечением.

Плата в процессе греется, но не сказал бы что сильно, ниже три термофото, примерно через 5-10 минут после запуска, потом через час и еще через час. Максимально было 47 градусов, при этом грелись компоненты отвечающие за ячейки 4-3 и 2-3, явно шла активная «перекачка» со второй ячейки (полностью заряженной) к третьей, а потом к четвертой (почти полностью разряженной).
Следить перестал в 4 ночи, в пол десятого утра плата была холодной.

Тест продолжался долго, хотя как потом выяснилось, это и не было особо нужно, да и по графику вы это также поймете.
Через 34 часа после начала теста напряжение на ячейках выглядело следующим образом.

Далее было два эксперимента, сначала подключил вторую мелкую плату, через час никаких изменений, отключил её и подключил уже большую.

Так как отпаивал провода, то попутно проверил собственный ток потребления платы, по минусовой шине было 1.77мкА с редкими пиками до 6мкА, так работает автоматика платы, по шине В4 ток был чуть больше, 2.14мкА, с такими же всплесками до 6мкА.

Погонял еще полтора часа, также никаких изменений. Вообще большую помощь здесь оказал мультиметр, позволяющий отслеживать изменения с разрешением до 0.1мВ.

Следующий тест, подключил конструкцию к зарядному устройству, но плату защиты оставил отключенной, для безопасности контролировал напряжение на втором элементе так как он был наименее разряжен.
Когда напряжение на аккумуляторе начало резко расти в конце заряда, то засветился первый светодиод на плате балансира, она начала «перекачивать» заряд в первую ячейку.
Через короткое время светилось уже три светодиода, энергия начала отбираться и на заряд остальных двух ячеек, третьей и четвертой. Обусловлено это тем, что у LiFePO4 очень ровная разрядная и зарядная кривые с резким спадом или падение в конце. Соответственно аккумулятор зарядился, напряжение стало резко расти, но на остальных оно отставало и плата начала «кормить» их.
На полный заряда второй ячейки ушло 1309мАч, напомню, в начале тесте он был полностью заряжен, соответственно это та емкость, которую плата «перекачала» остальным элементам. Но следует помнить, что средний процент заряда был еще ниже, часть энергии отбиралась и от третьего элемента с зарядом 70%.

Отключил заряд, некоторое время светились все три светодиода, через несколько минут погасло два, а еще через пару минут и последний выключился.

А теперь все в виде графика.
Красная стрелка, два часа после начала теста, интервалы по 30 мин.
Зеленая стрелка, 9 часов от начала теста, далее интервалы по часу, спустя семь часов интервалы делал по два часа.
Синяя стрелка, дополнительный заряд батареи до полного заряда второй ячейки и после этого еще 16 часов, сначала интервалы по пол часа, потом по часу-два и последний 6 часов.

Как можно видеть, долго следить смысла нет, буквально через несколько часов даже при большой разбалансировке напряжения «устаканиваются» и дальше изменения очень небольшие.

Примерно то же самое было показано в даташите, причем приведены два графика, в автономном режиме и во время заряда.
Указано что балансировка занимает 3 часа, но как вы понимаете, это зависит от тока балансира и емкости батареи.

Далее планировалось расширить эксперимент, для этого у меня лежала батарея от гироборда. Батарея собрана по схеме 10S2P и имеет емкость 4Ач. Но попала она ко мне порядком изношенной и тест, который я проводил примерно с год назад, показал емкость 2.2Ач, она и написана на батарее.
Подключил батарею к зарядному, но заряжалась она недолго и отключилась сама, сработала защита.

Идея эксперимента была такой:
1. Заряжаем батарею полностью
2. Разряжаем полностью, измеряем емкость
3. Опять полностью заряжаем.
4. Цепляем балансир, ждем несколько часов.
5. Ставим на заряд
6. Разряжаем и сравниваем емкость с п2.

Разрядилась батарея также довольно быстро, отдав при токе 4.4А всего 724мАч, ну да ладно, может так интереснее.
Зарядил опять до отключения платы защиты, ушло почти 800мАч.

Данная батарея была выбрана неспроста, во первых она 10S, что как раз подходит под балансир, во вторых у неё внутри есть плата защиты, а сами ячейки подключены через разъем. Правда есть нюанс, расположение контактов у батареи и балансира зеркальное, хотя размеры разъема одинаковые. Кстати товарищ который занимается подобными батареями сказал что так у них у всех, но у батарей для сигвея порядок контактов противоположный, т.е. как раз как у балансира.

Через меня прошло довольно много таких батарей и внутри они были примерно одинаковы.

Но видимо сегодня был не мой день, так как данная батарея имеет совершенно другую плату защиты, где разъем вообще не установлен, а выводы от ячеек припаяны к самой плате.

Ну ладно, подумал я и решил что так может даже и к лучшему, припаяю провода прямо к соединительной ленте от аккумуляторов. Но сначала надо было выяснить порядок подключения и куда паяться, а заодно измерить напряжения на аккумуляторах и здесь меня ждал второй облом, одна из веток оказалось в жестком КЗ. Я решил не отступать и попробовал «продавить» его большим зарядным током, хотя так категорически нельзя делать. Увы, даже при 18А токе ничего не изменилось, пара так и осталась закороченной.

Пришлось на этом эксперимент завершить, батарея у меня была одна.

Перед тем как перейти к выводам попробую немного пояснить, что я вообще получил при экспериментах и особенности применения данного типа балансиров.
Платы как и заявлено, обеспечивают разницу в пределах одной пары около 30мВ, но как всегда «есть один нюанс».
Дело в том, что одно дело разница в 30мВ для «обычных» литиевых аккумуляторов и совсем другое для LiFePO4. Ниже сравнительный график тестов двух типов батарей с одной емкостью и в одинаковых режимах.

Видно что у LiFePO4 он почти горизонтальный, потому для них 30мВ это большая разница в емкости, на вскидку легко около 10-20% в зависимости от участка кривой.
При этом у обычных литий-ионных напряжение падает почти линейно, соответственно эти же 30мВ дадут меньшую разницу в проценте заряда.

Если говорить упрощенно, то балансир гораздо лучше будет работать с обычными батареями, а не с LiFePO4, потому как малая разница напряжений не всегда говорит о малой разнице в емкости для этого типа батарей, думаю то же самое относится и к LTO.

Вот теперь выводы.
Могу сказать, что для «обычных» литий-ионных аккумуляторов балансир подойдет отлично, это видно даже без тестов просто по алгоритму работы. Работает быстро, греется мало, также имеет очень небольшой ток потребления в режиме ожидания. Но с LiFePO4 все заметно хуже и обусловлено это не столько качеством работы, сколько особенностью самих аккумуляторов, правда и тест был очень «жестокий», в реальности такой разброс (5-100%) встречается крайне редко.
Скорее всего я еще продолжу тесты и уж точно буду еще проверять с LiFePO4, которые пока ко мне в пути.

Балансир также хорошо будет работать в паре с пассивным, который размещен на плате защиты. Кстати, ни разу пока не встречал плат защиты со встроенным активным балансиром.
Ну а теперь мне очень хочется поиграться с конденсаторным балансиром, цена только расстраивает, четырехканальная версия стоит около 15 долларов.

На этом у меня все, надеюсь что было полезно.

Что такое разбалансировка батарей и как с ней бороться? — На токе

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

Содержание:

• Разбалансировка аккумуляторной батареи — что это?
• Выравнивание заряда аккумуляторной батареи — практика.
• Как работает балансировщик заряда аккумулятора?
• Методы балансировки (пассивный и активный).
• Общие советы по выбору аккумуляторов для системы.

Разбалансировка аккумуляторной батареи — что это?

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

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

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

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

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

Выравнивание заряда — практика

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

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

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

Как работает балансировщик заряда аккумулятора?

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

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

Методы балансировки

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

Пассивный метод

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

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

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

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

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

Активный метод

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

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

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

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

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

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

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

Общие советы по выбору аккумуляторов для системы

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

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

Заключение

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

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

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

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей

Необходимость балансировать (нивелировать) напряжения на Li-ion аккумуляторах в батарее вытекает из следующих соображений:

• Напряжение, ниже которого мы не можем разряжать отдельно взятый аккумулятор в батарее, состоящей из последовательно соединенных аккумуляторов, лежит в пределах 2,4–2,8 В (в зависимости от рекомендаций их производителя).
• Напряжение, выше которого мы не можем заряжать отдельно взятый аккумулятор, лежит в пределах 4,1–4,3 В.

Работа в указанных пределах напряжений дает гарантию долгой и безопасной эксплуатации аккумуляторов, за этим обычно «следит» контроллер аккумуляторной батареи.

В аккумуляторную батарею (АБ) стараются подобрать аккумуляторы, близкие по емкости (например, батарея может состоять из 4 аккумуляторов емкостью 10,12; 10,17; 10,19 и 10,21 А·ч). При сборке АБ учитывают, что напряжения на аккумуляторах должны иметь как можно более близкие значения (для нашего примера: 3,785; 3,784; 3,783 и 3,782 В). Однако зарядить их до определенного напряжения можно с некоторой точностью (например, ±0,01 В). К тому же, сами аккумуляторы, даже вышедшие с конвейера друг за другом, имеют немного отличающиеся характеристики: внутреннее сопротивление, токи саморазряда в режиме хранения, скорость деградации электродных материалов и т. д.

Рис. 1. «Окно» разбаланса, снижающее емкость АБ

При заряде/разряде все эти факторы приводят к появлению «окна», которое равно разности между напряжениями самого заряженного и самого разряженного аккумулятора (рис. 1), то есть напряжения, которые были примерно одинаковыми для всех аккумуляторов вначале, постепенно «разбегаются». При расширении этого «окна» емкость самой батареи начинает снижаться, поэтому заряд батареи необходимо будет прекратить, как только один из аккумуляторов достигнет конечного зарядного напряжения, то же самое произойдет и при разряде. В конечном итоге из-за расширения «окна» емкость самой батареи может достигнуть нуля, если не предпринимать определенных мер. Хоть как-то выйти из положения и продлить срок эксплуатации батареи без вмешательства извне может помочь система сведения этого «окна» к минимуму.

Системы баланса (СБ) можно разделить на несколько классов, которые взаимно пересекаются, дополняют друг друга, поэтому иногда трудно найти нужное решение при проектировании аккумуляторной батареи.

Системы баланса можно разделить по способу управления:

• управляемые;
• автономные.

Автономные системы баланса могут работать постоянно при заранее заданных условиях (например, в определенном диапазоне напряжений на аккумуляторной батарее), вне зависимости от того, идет заряд, разряд или батарея находится в режиме покоя, и даже вне зависимости от того, есть ли разбаланс на аккумуляторах (если разбаланса нет, то СБ работает вхолостую, разряжая батарею в режиме хранения, тогда ее лучше отключить). Автономные СБ могут работать и в определенные периоды времени, например, только при заряде АБ, имея свой датчик тока. Автономность здесь означает прежде всего то, что система баланса не зависит от других электронных блоков, входящих в состав или обеспечение аккумуляторной батареи, и работает самостоятельно как отдельный блок.

Рис. 2. Автономная система баланса Li-ion АБ

Отсюда вытекают преимущества такой системы баланса. Автономные СБ обычно более просты как по своему строению, изготовлению, ремонту, так и при их модернизации. Когда автономная СБ функционирует как отдельный блок (рис. 2), ее можно протестировать и в случае необходимости отключить или заменить, не затрагивая работу всей системы, просто выдернув такую СБ из соединительного разъема. Поэтому саму систему контроля АБ можно значительно упростить, она будет следить только за напряжениями на отдельных аккумуляторах в составе АБ и током, протекающим через датчик тока. (В данном случае в качестве датчика тока используется сенсорный резистор Rsns). Устройство контроля управляет силовыми ключами (обычно это MOSFETы, для батарей небольшой емкости или с малыми токами разряда). Простейшую схему построения СБ можно рассмотреть на примере АБ, состоящей из двух аккумуляторов (рис. 3).

Рис. 3. Пример реализации автономной пассивной системы баланса Li-ion АБ из двух аккумуляторов на компараторах

Компараторы DA1 и DA2 сравнивают напряжение общей точки G1 и G2 с общим напряжением на батарее и управляют балансировочными ключами К1 и К2 в зависимости от напряжений на аккумуляторах. Аккумулятор G1 (или G2) разряжается на резистор R4 (или R5).

К недостаткам автономных СБ можно отнести невысокую точность нивелирования аккумуляторов, из-за достаточно простого построения таких СБ. Если автономную СБ сделать, например, на основе более сложных средств измерения напряжения, то такая система станет избыточной, и блок измерения напряжений будет дублироваться, как в СБ, так и в контроллере управления АБ. (Хотя такой вариант не исключен полностью, все зависит от целей построения стратегии модернизации.)

Управляемые СБ, в отличие от автономных, не функционируют как отдельный блок, а управляются извне устройством (обычно модулем контроля и управления (МКУ) работой АБ). В зависимости от того, каким образом построена СБ и каков алгоритм работы МКУ, она может функционировать как на заряде, так и при определенных условиях на разряде и в режиме покоя. Управляя СБ извне и имея более сложный алгоритм управления в самом МКУ, можно добиться лучших результатов по нивелированию аккумуляторов в составе АБ. Для экономии энергии АБ в период покоя МКУ может отключить физически СБ от питания, а при необходимости — снова включить СБ и управлять нивелированием отдельных аккумуляторов.

По своему строению управляемые СБ в общем случае более сложные: не только по способу управления — необходим алгоритм управления, но и по физическому исполнению. Они оснащены дополнительными элементами управления, имеют дополнительные проводники (или разъем со шлейфом проводов) от МКУ.

Рис. 4. Пассивная, управляемая система баланса Li-ion АБ

Пример построения управляемой СБ представлен на рис. 4. Хотя эта схема и выглядит проще, чем пример неуправляемой СБ, тем не менее, в состав АБ должен входить контроллер (обычно микроконтроллер), имеющий свой алгоритм управления такой СБ. Балансировочные резисторы R1–R4 замыкаются ключами К1–К4 по команде устройства контроля.

Следующее разделение по способу размещения:

• в составе АБ;
• вне состава АБ.

В составе АБ. СБ, входящие в состав АБ, являются неотъемлемой частью батареи и располагаются внутри корпуса вместе с аккумуляторной сборкой, а чаще всего на одной плате с модулем контроля (МКУ). Особенность таких СБ — их относительная компактность, то есть незначительные масса и габариты по сравнению со всей АБ (для батарей важный показатель — удельные параметры: Вт·ч/кг, Вт·ч/дм³). Из этого следуют отличия таких СБ: они имеют малые токи нивелирования (следствие ограниченности массо-габаритных параметров, отведенных под СБ при проектировании АБ). Действительно, при стационарной системе можно позволить, чтобы СБ была сравнима по весу и габаритам с зарядным устройством, но при создании переносных приложений вряд ли кто-нибудь будет мириться с этим.

Малые токи нивелирования (от сотен мкА до сотен мА) компенсируются тем, что СБ постоянно расположена рядом с аккумуляторами. АБ чаще всего находится в режиме покоя. (Обычно период заряда/разряда относительно невелик по сравнению с периодом покоя. Поэтому, обходясь небольшими токами нивелирования, СБ удается предотвратить «разбегание» аккумуляторов за счет более длительного времени балансирования, если СБ работает в режиме покоя АБ, или более длительного времени заряда. Ток заряда при этом выбирают в пределах 0,07–0,15 Сн от емкости АБ).

Если в состав АБ входит встроенная СБ, то при достаточно большом разбалансе напряжений на аккумуляторах АБ необходимо заряжать малым током длительное время. Отношение тока заряда к току баланса выбирается таким, чтобы МКУ было чувствительно к зарядному току и четко идентифицировало, что происходит заряд и время заряда приемлемо (например, не более 24 часов).

Встроенные в АБ СБ чаще всего конструктивно изготавливаются из резистора и управляемого от МКУ ключа (для одного аккумулятора), замыкающего резистор N-го аккумулятора. Такие системы работают обычно только при заряде (рис. 4).

Встроенные СБ имеют свою нишу в построении АБ на основе Li-ion аккумуляторов. С одной стороны, они практически не увеличива- ют массо-габаритные показатели всей АБ (при емкости АБ не более 15 А·ч), упрощают структуру зарядного устройства (ЗУ), но, с другой стороны, для их эффективного использования необходимо увеличивать время заряда. Эти проблемы можно решить с помощью размещения СБ вне АБ.

Вне состава АБ. К СБ за пределами АБ уже не предъявляются жесткие требования по массо-габаритным показателям, поэтому такие СБ имеют токи нивелирования более высокие, чем при встроенной СБ. Спроектировать СБ вне АБ можно так, что она позволит нивелировать практически любой разбаланс чуть ли не за один цикл заряда номинальным током.

Конструктивно СБ вне состава АБ чаще всего располагается в одном корпусе с зарядным устройством (ЗУ). Такие СБ также могут быть как управляемыми, так и неуправляемыми, и создаются по различным способам балансирования (пассивные или активные).

К достоинствам СБ вне АБ можно отнести уменьшение массо-габаритных показателей АБ за счет выноса СБ за границы АБ. К недостаткам — увеличение тех же параметров ЗУ и количества проводников (жил), идущих от ЗУ к АБ (для N аккумуляторов дополнительно N+1 жила), а также контактов в выходном разъеме АБ. К тому же, каждый выведенный контакт от аккумулятора необходимо защищать как минимум предохранителем (плавким или самовосстанавливающимся), чтобы пользователь по неосторожности не замкнул эти концы при присоединении ответной части разъема. Сами предохранители должны находиться внутри АБ, что также занимает место и пространство внутри АБ, особенно при числе аккумуляторов более двух.

Если СБ управляется от внутреннего контролера АБ, то число контактов в разъеме заряда необходимо будет увеличить или ввести одно- или двухпроводный интерфейс обмена данными между СБ и контроллером АБ. Дополнительный интерфейс обмена данными также усложнит всю систему, как аппаратно, так и программно.

Пример неуправляемой СБ вне АБ показан на рис. 5.

Рис. 5. Неуправляемая система баланса вне АБ, совмещенная с зарядным устройством

АБ соединяется с зарядным устройством и с СБ через разъем Х1. СБ питается от ЗУ, отбирая часть тока на свои нужды, что необходимо учесть при проектировании ЗУ. Предохранители FU1–FU4 служат элементами защиты. Балансирование аккумуляторов осуществляется только в момент заряда или при присоединении к АБ разъема Х1, если такой алгоритм предусмотрен для СБ разработчиками, то есть балансирование осуществляется вне зависимости, идет ток заряда или нет.

Неуправляемая внешняя СБ ни при каких обстоятельствах не должна иметь возможности перезарядить любой из аккумуляторов выше установленного уровня (4,15–4,3 В) при нивелировании, иначе необходимо будет ввести еще один провод управления от внутреннего контроллера АБ на отключение СБ или предусмотреть специальную команду по интерфейсу. Введение дополнительного проводника или команд еще более усложняет систему, и внешняя неуправляемая СБ постепенно превратится в управляемую внешнюю СБ. Каким образом СБ может осуществить перезаряд отдельного аккумулятора, станет ясно после рассмотрения способов балансирования.

По способу балансирования СБ можно разделить на:

• пассивные;
• активные.

Пассивные СБ. Пассивные СБ отличаются тем, что часть энергии аккумулятора с бóльшим напряжением они рассеивают в виде тепла в окружающее пространство. При заряде, отбирая часть энергии (тока), такая СБ уменьшает ток заряда нивелируемого аккумулятора, уменьшая скорость заряда до тех пор, пока не зарядятся все остальные.

Такую СБ можно построить с помощью уже упоминавшегося резистора необходимой мощности и управляемого ключа (твердотельного реле, например, PVG612). Получится пассивная управляемая СБ (рис. 4). Нивелирование можно осуществлять практически на протяжении всего времени заряда.

Другой способ построения пассивной СБ—с помощью стабилитрона. Мощный стабилитрон можно собрать на основе микросхемы TL431 и транзистора с мощным резистором, на которых и будет рассеиваться выделяемое тепло. Это пассивная автономная СБ. Когда напряжение на аккумуляторе достигнет определенного уровня (например, 4,1 В), через транзистор потечет некоторый ток, уменьшая ток заряда аккумулятора. Остальные аккумуляторы будут заряжаться прежним током и «догонят» через некоторое время этот аккумулятор. Необходимо отметить, что нивелирование здесь будет происходить только в конце заряда, когда аккумуляторы приблизятся к порогу срабатывания стабилитронов. Время заряда при такой СБ увеличится, за счет того, что токи через аккумуляторы будут уменьшаться по мере их заряда. Тем не менее, такую систему баланса применяют из-за ее простоты.

Каждый из приведенных вариантов пассивной СБ можно разместить как в составе АБ, так и вне его. Когда применяют пассивный способ балансирования и СБ находится в составе АБ, обычно токи нивелирования невелики по понятным причинам: происходит рассеивание тепла внутри корпуса АБ. При использовании СБ вне АБ необходимо учитывать падение напряжения на контактных соединителях, проводах и т. д.

К достоинствам пассивных СБ можно отнести простоту реализации, к недостаткам — рассеивание энергии в виде тепла (использование радиаторов, вентиляторов и т. д. для отвода тепла), что приходится учитывать, чтобы не перегреть сами аккумуляторы. Особенно, если АБ должна работать при температурах окружающей среды до +50 °С и СБ находится внутри корпуса АБ или в непосредственной близости от аккумуляторов.

Активные СБ. Активные СБ отличаются тем, что они перераспределяют энергию от аккумуляторов с наибольшими напряжениями к аккумуляторам с наименьшими напряжениями. Такое перераспределение можно осуществить разными способами.

Рис. 6. Способы активного нивелирования напряжений АБ на DC/DC-преобразователях

Например, их можно построить следующим образом (рис. 6):

• От аккумулятора с наибольшим напряжением энергия отдается всей цепочке аккумуляторов в составе АБ.
• Энергия от всей цепочки аккумуляторов передается аккумулятору с наименьшим напряжением.

На рис. 6 изображена ситуация, когда АБ работает на нагрузку (для наглядности не изображены другие три преобразователя энергии). В первом случае ток I3 станет меньше тока нагрузки I4, а значит, аккумуляторы G2–G4 будут разряжаться медленнее (G1 здесь имеет самое высокое напряжение из всех четырех), во втором больше, аккумуляторы G2–G4 будут разряжать быстрее (G1 здесь имеет самое низкое напряжение из всех четырех). В качестве преобразователей энергии используют DC/DC-преобразователи.

Второй способ, по мнению автора, предпочтительнее по следующим причинам. Во-первых, если использовать управляемую активную СБ, при разряде АБ, состоящей из 8 последовательно включенных аккумуляторов, «проваливаются» по напряжению чаще всего не более одного-двух по истечении некоторого времени эксплуатации АБ (деградация аккумулятора). Можно снизить нагрузку на эти аккумуляторы, пуская в них ток, берущийся из всей цепочки. При этом мы задействуем всего 1–2 преобразователя (при первом способе их было бы 6–7, так как пришлось бы брать энергию от аккумуляторов с нормальными напряжениями и отдавать эту энергию в нагрузку). Необходимо учитывать, что каждый преобразователь имеет свой КПД. Построить СБ по второму способу перераспределения значительно легче: можно использовать один преобразователь и ключи (на рис. 6 показаны пунктиром), подключающие его к нужному аккумулятору. Так как «проваливается» всего 1–2 аккумулятора, одного преобразователя при втором способе перераспределения энергии может оказаться достаточно (его можно подключать попеременно то к одному, то к другому «провалившемуся» аккумулятору), чего не скажешь о первом способе перераспределения, где необходимо будет задействовать несколько преобразователей. Таким образом, СБ может не только балансировать, но и «продлевать» разряд АБ, и ее емкость будет падать не так значительно при некоторой деградации 1–2 аккумуляторов. «Продлевать» разряд — в смысле уменьшать нагрузку (если ток разряда больше тока, отдаваемого от преобразователя в аккумулятор) на единичный аккумулятор, который, в свою очередь, будет медленнее разряжаться и достигнет конечного разрядного напряжения за более длительное время (при постоянной нагрузке), чем без преобразователя.

Во-вторых, при заряде токи, отдаваемые от преобразователей всей цепочке аккумуляторов (при первом способе), будут суммироваться с зарядным током, что необходимо учитывать, так как общий ток заряда возрастет.

Рис. 7. Пример реализации активной системы баланса

В-третьих, СБ, построенную по второму способу, легче реализовать аппаратно (рис. 7). Здесь показан DC/DC-преобразователь, сделанный для двух аккумуляторов. Вторичные обмотки намотаны на один сердечник (число обмоток может доходить до десятка). Энергия перераспределяется в сердечнике, и самый разряженный аккумулятор в цепочке будет получать больше энергии, чем самый заряженный.

К достоинствам активных СБ можно отнести: высокий КПД, не рассеивание значительного количества тепла (особенно при емкостях АБ 50–300 А·ч и более и токах балансировки 3–7 А), как при пассивных СБ, продление срока службы АБ.

К достоинствам следует отнести и тот факт, что активная СБ может быть использована в качестве устройства подзаряда, что особенно важно для бесперебойных источников питания на основе Li-ion аккумуляторов. В таком случае СБ можно питать от сети 220 В, а не от АБ, и она может попеременно (или сразу, в зависимости от исполнения) по командам МКУ или самостоятельно (автономная СБ) подзаряжать как отдельные аккумуляторы, так и все вместе, выполняя и совмещая функцию системы баланса (СБ) и зарядного устройства (ЗУ).

К недостаткам нужно отнести относительную сложность и дороговизну исполнения такой СБ, значительное увеличение уровня шума и помех при работе DC/DC-преобразователя. Увеличение помех требует более сложной системы измерения напряжений на аккумуляторах, экранирования, фильтрации, продуманности расположения балансира и МКУ и т. д., что также ведет к некоторому удорожанию всей системы обеспечения батареи.

Другой способ реализации показан на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема активной СБ: в качестве промежуточного накопителя энергии используется конденсатор С

Конденсатор С заряжается от цепочки наиболее заряженных аккумуляторов (например, от G1–G3), через ключи К7, К1, а разряжается на один аккумулятор G4, ключи К6, К8. При заряде конденсатор может заряжаться от напряжения всей АБ, через ключи К1, К8. Резистор ограничивает бросок тока при заряде или разряде конденсатора, чтобы не перегружать ключи К1–К8. Такая система баланса была выполнена автором на основе MSP430F1232, этот микроконтроллер обладает широкими возможностями по управлению своим внутренним энергопотреблением. MSP430F1232 имеет на своем борту АЦП и позволяет измерять напряжение на аккумуляторах через резистивные делители (на схеме не показаны). Балансир управляется извне МКУ, но может и самостоятельно принимать решения при определенном разбалансе напряжений, в определенном диапазоне напряжений на аккумуляторах, и осуществлять балансировку. МКУ имеет возможность принудительно отключить балансир. В результате получается управляемо-автономный балансир.

Стоит упомянуть о еще одном способе балансировки и отнести его к активному. Дело в том, что некоторые проектировщики АБ вообще не используют СБ, а заряжают каждый аккумулятор своим зарядным устройством. Схема такого способа выглядит так же, как и на рис. 5, только вместо СБ и одного ЗУ присутствуют 4 ЗУ (обычно в одном корпусе и имеют единую систему индикации конца заряда). В конце заряда все аккумуляторы будут иметь одинаковое напряжение. Такой способ применяют, когда АБ состоит из 2–3 последовательно соединенных аккумуляторов средней емкости (10–30 А·ч). При этом цена на все ЗУ не так сильно возрастает, но зато не нужно вообще «связываться» с СБ.

Существуют также комбинированные СБ—активно-пассивные. Часть аккумуляторов (например, цепочка из четырех последовательно соединенных) балансируются активным способом, а внутри цепочки каждый аккумулятор — пассивным. Такой метод можно применять для относительно высоковольтных батарей, состоящих из нескольких десятков последовательно соединенных аккумуляторов, причем активная и пассивная части могут находиться как в составе, так и вне АБ.

В заключение отметим, что для АБ небольшой емкости выпускаются специализированные микросхемы для литиевых батарей, которые обычно имеют встроенную пассивную систему баланса. Для АБ большой емкости необходимо проектировать СБ самостоятельно. Без СБ АБ начнет постепенно терять емкость из-за «разбега» напряжений.

Активные и пассивные системы баланса Li-ion АБ

Введение

Как известно, при работе с Li-ion аккумуляторами следует соблюдать определенные режимы их эксплуатации. В частности, производитель аккумулятора четко регламентирует граничные значения напряжений заряда и разряда. Таким образом, при формировании Li-ion аккумуляторных батарей (АБ) из последовательно соединенных ячеек возникает необходимость нивелирования разброса напряжений между ячейками. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, при разряде батареи по достижении хотя бы одной из ячеек граничного напряжения разряда необходимо отключить всю АБ от нагрузки, так как дальнейший ее разряд повлечет нарушение требований режима эксплуатации для этой ячейки. Однако при наличии существенного разброса по напряжению между ячейками АБ в недоразря-женных ячейках все еще остается некоторый запас энергии, использовать который, очевидно, не представляется возможным. С другой стороны, при заряде возникает обратная ситуация. По достижении хотя бы одной из ячеек граничного напряжения заряда необходимо отключить АБ от зарядного устройства с целью предотвращения выхода этой ячейки за границы требований режима эксплуатации. В данном случае, при наличии существенного разброса по напряжению между ячейками АБ, некоторые из ячеек оказываются существенно недозаряженными. Таким образом, оказывается невозможным использовать всю потенциальную емкость АБ.

Возникновение разброса по напряжению между ячейками АБ в процессе ее эксплуатации может являться следствием соответствующего разброса значений емкости ячеек, а также различной скорости их саморазряда. Причиной возникновения разброса значений этих параметров являются индивидуальные особенности аккумуляторов, входящих в ее состав. При изготовлении АБ, конечно же, осуществляется подбор аккумуляторов с очень близкими (до 1-3%) значениями емкости и прочих характеристик, однако практически невозможно предугадать, как будут меняться характеристики аккумулятора в процессе его старения и выработки ресурса. Кроме того, эксплуатация АБ в критических режимах или близких к таковым негативно скажется на характеристиках аккумуляторов, но степень влияния такого рода фактора для разных экземпляров аккумуляторов будет различной.

Все сказанное выше предопределяет неизбежность столкновения разработчиков АБ с проблемой разброса значений напряжения ее ячеек, или, как часто говорят, с проблемой разбаланса АБ. Причем эта проблема встает тем острее, чем больше последовательно соединенных ячеек в АБ. Для решения этой проблемы применяют системы баланса АБ, основной задачей которых является сведение к минимуму разброса по напряжению между ячейками. Таким образом, при разряде или заряде все ячейки АБ достигают установленных пределов почти одновременно, что позволяет в полной мере использовать потенциал батареи.

Системы баланса (СБ) как таковые можно классифицировать по нескольким признакам: различают управляемые и неуправляемые СБ, входящие в состав АБ и внешние. Однако прежде всего СБ подразделяют на два типа — активные и пассивные. Конечно же, существуют разные способы реализации СБ каждого из этих типов. Например, активные СБ могут быть трансформаторными или емкостными [1].

В настоящее время производители реализуют различные подходы к построению СБ. Выбор в каждом конкретном случае определяется требованиями (техническими, эксплуатационными, экономическими и др.), предъявляемыми к АБ в целом, а также особенностями ее построения. Далее мы рассмотрим основные принципы работы активных и пассивных СБ и выделим основные факторы, которые должны быть приняты во внимание при выборе того или иного подхода к построению СБ.

Итак, любая СБ должна осуществлять балансировку АБ, то есть стремиться уменьшить (а в идеальном случае — свести к нулю) разброс значений напряжений на аккумуляторах, входящих в состав АБ. Работа СБ позволяет избегать описанных выше проблем, связанных с разбалансом, что положительно сказывается на величине отдаваемой емкости АБ, а также, в долгосрочной перспективе, увеличивает ее ресурс.

Перед тем как перейти к принципам работы СБ различных типов, рассмотрим процессы, протекающие в АБ. На рис. 1 показана зависимость напряжения на аккумуляторе от степени его заряженности. На графике приведены кривые, полученные при заряде током 0,5Сн аккумулятора с положительным электродом на основе кобальтата лития при различных значениях температуры, и именно такой аккумулятор мы будем рассматривать в качестве наглядного примера. (Аккумуляторы с другими материалами имеют другие значения зависимости, где необходимо применять иные алгоритмы балансировки, но суть изложенного остается той же.)

Рис. 1. Зависимость напряжения на аккумуляторе от степени заряда при заряде током 0,5Сн

Считается, что аккумулятор, изготовленный из определенных материалов (электролит, электродные массы), при определенной степени заряженности имеет вполне определенное значение напряжения с небольшой поправкой на температуру. Причем это значение не зависит от значения емкости аккумулятора, будь то аккумулятор от мобильного телефона емкостью в 1 А·ч, высокоемкий аккумулятор емкостью 100 А·ч или тот же высокоемкий аккумулятор, деградировавший в процессе эксплуатации и имеющий емкость 93 А·ч.

Хотя, как уже говорилось выше, при производстве АБ применяются строгие методики отбора аккумуляторов для минимизации разброса по параметрам между аккумуляторами в рамках одной АБ, со временем, в силу различных факторов, все-таки возникает некоторый разброс по емкости. Ясно, что в начале эксплуатации АБ этот разброс будет несущественным. В идеальном случае (при одинаковом старении аккумуляторов) он может оставаться несущественным продолжительное время, однако так бывает не всегда.

В качестве примера рассмотрим случай существенного разброса значений емкости. Представим, что АБ состоит из двух последовательно соединенных аккумуляторов емкостью 50 и 100 А·ч (значения взяты для наглядности, вообще АБ с таким разбросом вполне можно считать вышедшей из строя), и эти аккумуляторы изготовлены из идентичных материалов. Допустим, что они заряжены до одинакового напряжения (рис. 2а). В таком случае, хотя напряжения и одинаковые, очевидной является разность в запасенной энергии, имеющаяся между аккумуляторами.

Рис. 2. Разность емкостей аккумуляторов при одном и том же напряжении

 

Если начать заряжать такую батарею, то ток заряда, текущий через каждый аккумулятор, будет одинаковым. Таким образом, по истечении некоторого времени заряда оба аккумулятора запасут одинаковое количество энергии, однако степень заряженности и, как следствие, напряжение на них изменится по-разному (рис. 2б). Очевидно, что напряжение на аккумуляторе емкостью 50 А·ч будет возрастать быстрее, чем на аккумуляторе емкостью 100 А·ч, и он первым достигнет конечного зарядного напряжения.

Рассмотрим, каким образом будет производиться балансировка АБ, взятой нами в качестве примера, системами различных типов.

 

Пассивная СБ

Пассивная СБ будет пытаться уменьшить ток заряда того аккумулятора, напряжение на котором возрастает быстрее. В общем случае это можно представить как замыкание такого аккумулятора шунтирующим резистором R. Таким образом, через этот аккумулятор будет протекать лишь часть зарядного тока. Оставшаяся же часть тока потечет через шунт R (рис. 3).

Рис. 3. Шунтирование аккумулятора резистором R при заряде

Аккумулятор G₁ имеет емкость 50 А·ч, G₂ — 100 А·ч. При снижении тока заряда на величину I_R скорость заряда аккумулятора G₁ уменьшится, следовательно, уменьшится и скорость возрастания напряжения на нем. Таким образом, при достижении конечного зарядного напряжения на аккумуляторе G₁ аккумулятор G₂, через который все это время протекал полный ток заряда, запасет несколько большее количество энергии, чем при отсутствии системы баланса. Величина этой добавки определяется разностью токов заряда аккумуляторов, умноженной на время заряда, и без фазы падающего тока составит I_R×t [2]. Во время разряда батареи пассивная СБ, как правило, никаких действий не производит. Разряд в штатном режиме будет остановлен, когда напряжение на одном из аккумуляторов (в данном случае на аккумуляторе G₁) достигнет минимального допустимого значения.

При следующем цикле заряда ситуация несколько изменится, так как в аккумуляторе G₂ останется некоторое количество энергии и, следовательно, напряжение на нем будет выше, чем на аккумуляторе G₁. Поэтому в начале заряда СБ будет шунтировать резистором аккумулятор G₂. Затем, когда напряжение на G₁ превысит напряжение на G₂, шунтироваться будет уже аккумулятор G₁. Естественно, шунтирование аккумулятора G₂ в начале заряда выглядит неэффективным, так как получается, что СБ в этот момент работает против себя. На самом деле больших проблем из-за этого не возникает.

Во-первых, в хорошо подобранной батарее разброс по емкости между аккумуляторами несравнимо меньше, чем в рассматриваемом примере, даже после длительной эксплуатации, вследствие чего шунтирование «не того» аккумулятора будет кратковременным. Во-вторых, глядя на рис. 1, можно заметить, что на графике есть пологий участок (5-60%), и при не очень большом разбросе емкостей разница напряжений между аккумуляторами на этом участке может быть сравнима с погрешностью измерения СБ. Следовательно, в этот период никакого шунтирования производиться не будет.

В итоге при правильно работающей пассивной СБ возникает ситуация, когда в конце заряда АБ все аккумуляторы в ней оказываются полностью заряженными, а в конце разряда в аккумуляторах с несколько большей емкостью остается некоторое количество энергии, которое в данном случае не используется. Таким образом, общая емкость АБ из последовательно соединенных аккумуляторов оказывается не больше, чем у аккумулятора с минимальной емкостью.

Обобщая сказанное, можно выделить несколько основных недостатков пассивных СБ. В первую очередь, это невозможность использования всей энергии, которую может запасти батарея. Кроме того, при прохождении тока через шунтирующие резисторы на них происходит рассеивание энергии в виде тепла, что снижает КПД системы «АБ — зарядное устройство». При использовании АБ средней емкости (десятки А·ч), не говоря уже о высокоемких, количество выделяемого тепла будет велико, и разработчикам придется предусмотреть систему теплоотвода, что в некоторых приложениях бывает весьма непросто. Также при использовании пассивной СБ иногда прибегают к преднамеренному увеличению времени заряда путем ограничения зарядного тока. При большом разбалансе это способствует более эффективной работе СБ благодаря увеличению соотношения I_R/I_ch, однако увеличение времени заряда приводит к снижению эксплуатационных характеристик батареи.

В каких же случаях стоит применять пассивные СБ? Это необходимо делать тогда, когда необходимо скомпенсировать ток саморазряда одинаковых или очень близких по емкости аккумуляторов. Даже одинаковые аккумуляторы одного и того же производителя могут иметь разные токи саморазряда. При хранении АБ разность токов саморазряда приведет к тому, что в разных аккумуляторах останется разное количество энергии, даже при одинаковой емкости последних. Достоинством пассивных СБ является их низкая стоимость, а также компактность и простота. Важно и то, что пассивные СБ мало влияют на удельные характеристики всей АБ (Вт·ч/кг), однако их применение накладывает дополнительные требования по подбору аккумуляторов перед комплектованием и сборкой батареи.

Другими словами, при использовании пассивной СБ все аккумуляторы в АБ должны иметь приблизительно одинаковые емкости и один и тот же химический состав, то есть быть от одного производителя. И даже желательно, чтобы они были выбраны из одной поставочной партии. Такой подход налагает требования к качеству материалов и технологии производства, а значит, непосредственно к качеству аккумулятора. Это будет являться некоторой гарантией одинакового старения (деградации электродных масс, то есть потери емкости с течением времени) всех аккумуляторов в АБ.

 

Активные СБ

Активные СБ способны перераспределять энергию внутри АБ и могут работать как при разряде, так и при заряде. На рис. 4 схематически показан принцип такого перераспределения при разряде.

Рис. 4. Принцип действия активной СБ

Перераспределение энергии происходит от аккумулятора G₂, имеющего большую емкость, к аккумулятору G₁, имеющему меньшую емкость. Активная СБ берет часть энергии у G₂, увеличивая его ток разряда (I_G2), и уменьшает ток разряда G₁ (I_G1). В идеальном случае, если принять КПД активной СБ за 100%, а напряжения на аккумуляторах примерно равными, то входной и выходной ток СБ будут равны (I_Bout = I_Bin). При заряде ситуация изменится на противоположную, и активная СБ будет уменьшать ток заряда аккумулятора G₁ и увеличивать ток заряда G₂, становясь для G₁ своего рода шунтом, показанным на рис. 3, но не преобразующим энергию в тепло, а передающим ее аккумулятору G₂.

Проведем оценочный расчет (без учета КПД СБ): какие же токи балансировки необходимо иметь, чтобы сбалансировать приведенную в качестве примера батарею в различных режимах разряда. Учтем при этом время разряда, что часто необходимо потребителю для расчета работы АБ.

При одночасовом разряде максимальный ток АБ в нагрузку составит 75 А, ток баланса — 25 А; при 2-часовом режиме ток разряда — 37,5 А, ток баланса — 12,5 А; при 4-часовом режиме ток разряда — 18,75 А, ток баланса — 6,25 А; при 8-часовом режиме ток разряда — 9,375 А, ток баланса — 3,125 А. По расчетам видно, что при 4-…8-часовом режиме разряда даже на АБ с очень большим разбросом по емкости, взятой нами в качестве примера, балансировочные токи остаются небольшими. Но и такие токи перераспределения энергии внутри АБ способны повысить отдаваемую в нагрузку емкость, которая во всех режимах разряда составит 75 А·ч. Эта емкость, естественно, больше, чем при использовании пассивной СБ, так как появляется возможность отдать в нагрузку всю энергию, запасенную в АБ.

Таким образом, даже при значительном падении емкости одной из ячеек внутри АБ (в нашем примере — в два раза) емкость АБ состоящая из двух последовательно соединенных аккумуляторов, упала всего на 25%. Чем больше последовательно соединенных аккумуляторных ячеек в АБ, тем меньшее влияние оказывает снижение емкости (деградация) одной ячейки на емкость всей АБ при использовании активных СБ.

Чем больше ток, который может выдать СБ, и меньше ток нагрузки, тем больший разбаланс емкостей может свести активная СБ. Понятно, что до бесконечности увеличивать балансировочные токи нельзя, иначе АБ превратится в DC/DC-преобразователь и значительно ухудшатся ее удельные характеристики.

Значительным преимуществом активных СБ является намного меньшее выделение тепла при работе по сравнению с пассивными. Поэтому там, где необходим балансировочный ток более 5 А, применяют активные СБ. Благодаря современным достижениям в области создания DC/DC-преобразователей можно изготавливать компактные и высокоэффективные активные СБ со значительным балансировочным током (десятки ампер) при КПД >0,85. Способность активных СБ работать и при разряде освобождает от необходимости растягивать время заряда, для того чтобы сбалансировать АБ, как это делается при использовании пассивных СБ. Потребитель всегда нуждается в АБ, которую можно заряжать как можно быстрее, а затем использовать АБ как можно дольше, получив при этом хорошие удельные характеристики.

К недостаткам активных СБ следует отнести дороговизну по сравнению с пассивными СБ, затраты времени и средств на проектирование и изготовление. А также то, что в подключенном к АБ состоянии активные СБ имеют заметное потребление тока на холостом ходу, поэтому их часто проектируют как управляемые, то есть СБ включают в необходимые моменты времени. Управление должно осуществляться от системы обеспечения функционирования (СОФ, battery management system, BMS), что предполагает наличие алгоритма в самой СОФ для управления СБ.

В настоящее время производители электронных компонентов выпускают широкий спектр решений для реализации различных подходов к построению активных систем баланса Li-ion АБ. Как правило, такие решения представляют собой отдельную интегральную микросхему, для работы которой необходимо несколько внешних элементов (трансформаторы/катушки индуктивности, MOSFET-транзисторы). Функционал управления активным балансированием батареи также может быть интегрирован непосредственно в микросхему контроля. Таким образом, разработчик АБ имеет возможность построить активную систему баланса с учетом всех требований, определяемых назначением и структурой батареи, в том числе ее емкостью, номинальным напряжением, режимами работы и, что немаловажно, стоимостью.

В качестве примера современного решения для реализации активной системы баланса рассмотрим микросхему LTC3300-1 фирмы Linear Technology (рис. 5). Одна такая микросхема способна перераспределять энергию в батарее, содержащей до шести последовательно соединенных Li-ion аккумуляторов. При этом имеется возможность построения системы баланса для высоковольтных батарей (с напряжением до 1000 В) на основе необходимого количества микросхем LTC3300-1, каждая из которых будет обслуживать свою группу аккумуляторов. Применение этой микросхемы возможно как в тандеме с микросхемой контроля Li-ion батареи LTC6803-1 того же производителя, так и с другими устройствами контроля, в том числе и спроектированными самим разработчиком батареи. Это обусловлено наличием цифрового интерфейса управления, аппаратно совместимого с SPI, и простого протокола обмена управляющей и мониторинговой информацией.

Рис. 5. Схема включения микросхемы LTC3300-1

Благодаря возможности использования внешних компонентов с различными характеристиками можно соответствующим образом варьировать характеристики разрабатываемой системы баланса. В частности, применив мощные MOSFET-транзисторы, можно повысить ток баланса до 10 А. Конечно, можно обратить внимание и на малогабаритные или более дешевые внешние компоненты, если для конечного изделия критичны такие параметры, как размеры, тепловыделение или цена.

Отметим, что при разработке микросхемы LTC3300-1 особое внимание уделялось защите от сбоев и нештатных ситуаций. В частности, если микросхема обнаружит нарушение целостности связанных с ней электрических цепей, перенапряжение на каком-либо из аккумуляторов или другую нештатную ситуацию, она незамедлительно прекратит цикл балансирования, если таковой был запущен, во избежание повреждения составных частей батареи. В протоколе информационного обмена также предусмотрена защита от сбоев при передаче путем введения контрольной суммы (CRC) в пакет данных. Поведение микросхемы при обнаружении ошибки в принятых данных четко регламентировано документацией и, следовательно, заранее известно разработчику, что позволяет не терять контроль за поведением системы баланса при отработке нештатных ситуаций такого рода.

Говоря об области применения активных СБ, во-первых, следует упомянуть АБ большой емкости, где даже токи, компенсирующие саморазряд (при ограниченном времени заряда), могут достигать десятков ампер, что неприемлемо много для пассивных СБ. При этом аккумуляторы большой емкости имеют относительно высокую стоимость, и стоимость активной СБ на их фоне незначительна. Во-вторых, активные СБ предпочтительнее, если требуется увеличение надежности АБ и продление ее срока службы, так как, даже имея высокозатратные методики подбора аккумуляторов в АБ и качественные аккумуляторы, не всегда можно предсказать скорость деградации отдельных ячеек в АБ. В конце срока эксплуатации АБ степень деградации отдельных аккумуляторов может быть различной, что можно компенсировать активной СБ.

 

Заключение

Еще раз подчеркнем, что системы баланса АБ могут быть реализованы различными способами. И активные, и пассивные СБ имеют право на существование как различные способы решения поставленной задачи при учете их достоинств и недостатков. Использование того или иного типа СБ в каждом конкретном случае диктуется особенностями самой АБ, предполагаемой сферой ее применения и, конечно же, комплексом предъявляемых к ней требований.

Литература

1. Рыкованов А. С. Системы баланса Li-on аккумуляторных батарей // Силовая электроника. 2009. № 1.
2. Рыкованов А. С., Румянцев А. М. Способы заряда Li-ion аккумуляторов и батарей на их основе // Компоненты и технологии. 2012. № 11.

Особенности соединения и зарядки литиевых аккумуляторов

Есть два варианта соединения аккумуляторов, последовательное и параллельное. При последовательном соединении суммируется напряжение на всех аккумуляторах, при подключении нагрузки с каждого аккумулятора идет ток, равный общему току в цепи, в общем сопротивление нагрузки задает ток разряда. Это вы должны помнить со школы. Теперь самое интересное, емкость. Емкость сборки при таком соединении по хорошему равна емкости аккумулятора с самой маленькой емкостью. Представим, что все аккумуляторы заряжены на 100%. Смотрите, ток разряда у нас везде одинаковый, и первым разрядится аккумулятор с самой маленькой емкостью, это как минимум логично. И как только он разрядится, дальше нагружать данную сборку будет уже нельзя. Да, остальные аккумуляторы еще заряжены. Но если мы продолжим снимать ток, то наш слабый аккумулятор начнет переразряжаться, и выйдет из строя. То есть правильно считать, что емкость последовательно соединенной сборки равна емкости самого малоемкого, либо самого разряженного аккумулятора. Отсюда делаем вывод: собирать последовательную батарею нужно во первых из одинаковых по емкости аккумуляторов, и во вторых, перед сборкой они все должны быть заряжены одинаково, проще говоря на 100%. Существует такая штука, называется бмс, бэттери мониторинг систем, она может следить за каждым аккумулятором в батарее, и как только один из них разрядится, она отключает всю батарею от нагрузки. Теперь что касается зарядки такой батареи. Заряжать ее нужно напряжением, равным сумме максимальных напряжений на всех аккумуляторах. Для литиевых это 4.2 вольта. То есть батарею из трех заряжаем напряжением 12.6 в. Смотрите что происходит, если аккумуляторы не одинаковые. Быстрее всех зарядится аккумулятор с самой маленькой емкостью. Но остальные то еще не зарядились. И наш бедный аккумулятор будет жариться и перезаряжаться, пока не зарядятся остальные. Переразряда я напомню литий тоже очень сильно не любит и портится. Чтобы этого избежать, вспоминаем предыдущий вывод. Но ещё существует такая штука, как балансировка ячеек. Специальный зарядный контроллер грубо говоря имеет доступ к каждой ячейке и персонально заряжает ее на 100% независимо от остальных. В интернете есть куча схем на стабилитронах и прочей рассыпухе, но мы здесь с вами не для этого, мы паять не любим. Для двух и трех аккумуляторов есть модуль защиты зарядки и балансировки, но я опять же собрал вас здесь сегодня не для этого.

Перейдем к параллельному соединению. Емкость такой батареи равна сумме емкостей всех аккумуляторов в нее входящих. Разрядный ток для каждой ячейки равен общему току нагрузки, деленному на число ячеек. То есть чем больше акумов в такой сборке, тем больший ток она может отдать. А вот с напряжением происходит интересная вещь. Если мы собираем аккумуляторы, имеющие разное напряжение, то есть грубо говоря заряженные до разного процента, то после соединения они начнут обмениваться энергией до тех пор, пока напряжение на всех ячейках не станет одинаковым. Делаем вывод: перед сборкой акумы опять же должны быть заряжены одинаково. Иначе при соединении пойдут большие токи, и разряженный акум будет испорчен, и скорее всего может даже загореться. В процессе разряда аккумуляторы тоже обмениваются энергией, то есть если одна из банок имеет меньшую емкость, остальные не дадут ей разрядиться быстрее их самих, то есть в параллельной сборке можно, но не очень желательно использовать аккумуляторы с разной емкостью. И то же самое касается зарядки. Можно абсолютно спокойно заряжать разные по емкости аккумуляторы в параллели. То есть балансировка не нужна, сборка будет сама себя балансировать. Делать так опять же не очень желательно, но можно.

Перейдем к делу. Допустим мы хотим использовать аккумуляторы последовательно, для увеличения напряжения. По хорошему, чтобы правильно использовать такую сборку, аккумуляторы должны быть одной емкости, желательно из одной партии на производстве, а также перед соединением они должны быть заряжены до одного напряжения. Такую идеальную сборку можно заряжать напряжением, равным сумме максимальных напряжений для лития, то бишь 4.2В. для этого подойдут готовые блоки питания, вставил в розетку и заряжаешь. Либо понижающий модуль, настроенный на нужное напряжение? Или например лабораторный блок пиатния. Но в мире нет ничего идеального, поэтому более правильно будет заряжать через бмс, которая отключит батарею если один из аккумуляторов зарядится на 100%. А еще более правильно будет использовать зарядник с балансировкой ячеек, который тоже стоит денег.

5 / 5 ( 6 голосов )

ПОХОЖИЕ ЗАПИСИ

BMS платы — полный обзор контроллеров для защиты аккумуляторов

В наш современный век всеобщей популяризации литиевых батарей любой, даже простой пользователь бытовых устройств, должен хотя-бы примерно представлять их функционирование и факторы риска при их эксплуатации. Среди произошедших несчастных случаев с аккумуляторами (например, электронных сигарет) лишь небольшой процент обязан производственному браку, чаще всего неисправности возникают в результате неправильной эксплуатации.

В нашей статье мы рассмотрим новейшие технологии, которые призваны защитить литиевые аккумуляторы, а также расскажем, почему они так важны.

Из теории литиевых аккумуляторов можно узнать, что им противопоказан перезаряд, переразряд или разряд слишком большими токами, а также короткие замыкания. При переразряде, в аккумуляторе образуются металлические связи между катодом и анодом, которые приводят к короткому замыканию при зарядке аккумулятора, что может привести к порче не только элементов питания, но и зарядного устройства. Перезаряд же (набор аккумулятором напряжения больше разрешенного) почти сразу ведёт к возгоранию, а зачастую даже к взрыву.

Для горения литиевых аккумуляторов не нужен кислород – оно происходит анаэробно, поэтому стандартные методы тушения не подходят; также, при реакции лития с водой выделяется еще и горючий газ водород, который только ухудшает ситуацию. Разряд высокими токами приводит к вздутию аккумулятора, а если нарушается целостность оболочки – происходит реакция лития с водяными парами в воздухе, что само по себе способно спровоцировать возгорание.

Всё это отнюдь не перечёркивает явные преимущества аккумуляторов, среди них:

• большая плотность энергии на единицу массы
• низкий процент саморазряда
• практически полное отсутствие эффекта памяти (когда заряд неполностью разряженного элемента приводит к снижению ёмкости)
• большой температурный диапазон работы

Незначительное снижение напряжения в процессе разряда накладывает некоторые обязанности на пользователя. Нельзя допустить превышения максимального напряжения (4.25 В), снижение напряжения ниже минимального (2.75 В), а также превышения рабочего тока, который отличается для каждой модели. И в этом хитром деле нам помогут специальные устройства – BMS-контроллеры!

В переводе с английского, BMS (Battery Management System) – система управления батареей. Понятие слишком широкое, поэтому оно описывает почти все устройства, так или иначе обеспечивающие корректную работу аккумуляторов в данном устройстве, начиная с простых плат защиты или балансировки, заканчивая сложными микроконтроллерными устройствами, подсчитывающими ток разряда и количество циклов заряда (например, как в батареях ноутбуков). Мы не будем рассматривать сложные устройства – как правило, они специфичны и не предназначаются для рядового радиолюбителя, а выпускаются только под заказ для крупных производителей устройств.

То, что продаётся повсеместно, условно можно разделить на четыре категории:

• балансиры
• защиты (по току, напряжению)
• платы, обеспечивающие заряд (да, они тоже считаются устройствами BMS)
• те или иные комбинации вышеперечисленных вариантов, вплоть до объединения всего в одно устройство

Чем функциональней и разветвлённей защита – тем больше ресурс работы вашего аккумулятора.

Давайте посмотрим, по какому принципу BMS системы выполняют своё предназначение.

Структурно на плате можно выделить:

• микросхема защиты
• аналоговая обвязка (для определения тока/балансировки аккумуляторов)
• силовые транзисторы (для отключения нагрузки)

Рассмотри подробнее работу каждой из защит.

Существует множество вариантов узнать, какой ток течёт по линии. Самый распространённый – шунт (измерение падения напряжения на резисторе с низким сопротивлением и большой мощностью), но он требует большой точности измерений и весьма громоздкий. Метод с измерением на основе эффекта Холла лишён этих недостатков, но стоит дороже, поэтому самый распространённый метод определения КЗ на линии – измерение напряжения, которое проседает практически до нуля в режиме КЗ.

Современные контроллеры позволяют сделать это в очень короткий промежуток времени, за который ущерб не нанесётся ни подключенному устройству, ни самому аккумулятору. Но защита по току может функционировать и на шунте – ведь в случае BMS тут не нужно точное измерение, важен лишь переход падения напряжения через определённый порог. Как только событие наступает, контроллер сразу же отключает нагрузку при помощи транзисторов.

С этой защитой разобраться попроще, так как измерение напряжения легко можно сделать, используя аналогово-цифровой преобразователь. Но и тут есть некая специфика – стоит отметить, что если контроллер защищает большую сборку из последовательно соединённых аккумуляторов, то обычно он меряет напряжение каждой банки персонально, так как ввиду мельчайших различий в элементах они имеют мельчайшие же различия по ёмкости, что выливается в неравномерный разряд и возможность высадить «в ноль» отдельный элемент.

Некоторые системы не подключают нагрузку, не дождавшись дозаряда аккумулятора до определённого напряжения после срабатывания триггера по переразряду, то есть недостаточно подзарядить элемент пару минут, чтобы он поработал ещё хоть малое время – обычно необходимо зарядить до номинального напряжения (3.6 – 4.2В, в зависимости от типа аккумулятора).

Редко встречается в современных устройствах, но не зря большинство аккумуляторов для телефонов оборудовано третьим контактом – это и есть вывод терморезистора (резистора, имеющего чёткую зависимость сопротивления от окружающей температуры). Обычно перегрев не наступает сам собой и раньше успевают сработать другие виды защиты – например, перегрев может быть вызван коротким замыканием.

Зарядка литиевых аккумуляторов происходит в 2 этапа: CC (constant current, постоянный ток) и CV (constantvoltage, постоянное напряжение). В течение первого этапа зарядное устройство постепенно поднимает напряжение таким образом, чтобы заряжаемый элемент брал заданный ток (обычное рекомендованное значение равно 1 ёмкости аккумулятора). Когда напряжение достигает 4В, зарядка переходит на второй этап и поддерживает напряжение 4.2В на батарее.

Когда элемент практически перестанет брать ток, он считается заряженным. На практике, алгоритм можно реализовать и при помощи обычного лабораторного блока питания, но зачем, если есть специализированные микросхемы, заранее «заточенные» под выполнение этой последовательности действий, например, самая известная из них – TP4056, способна заряжать током до 1А.

Напоследок мы оставили самую интересную функцию BMS – функцию балансировки элементов многобаночного аккумулятора.

Итак, что же такое балансировка? Сам процесс её подразумевает выравнивание напряжений на элементах батареи, соединённых последовательно для повышения общего напряжения сборки. Из-за небольших отличиях в ёмкости батарей они заряжаются за немного разное время, и когда одна банка может уже достигнуть апогея зарядки, остальные могут ещё недобрать заряд.

При разряде такой сборки большими токами наиболее заряженные элементы по закону Ома возьмут на себя больший ток (при равном сопротивлении ток будет зависеть от напряжения, которое находится в знаменателе формулы), что вызовет их ускоренный износ и может вывести элемент из строя. Для того, чтобы избежать этой проблемы, применяют аккумуляторные балансиры – специальные устройства, выравнивающие напряжения на банках до одного уровня.

Активные балансиры производят балансировку уже при зарядке – зарядив одну банку сборки, они отключают её от питания, продолжая заряжать вторую. Как яркий пример такого устройства – популярное среди моделистов ЗУ Imax B6, в режиме Balance оно сразу проверяет напряжения индивидуально на каждой банке и справляется с этим на отлично.

Пассивные балансиры наоборот, разряжают элементы до одного значения малыми токами через резисторы. Их основной плюс – они не требуют внешнего питания, а также являются более точными за счёт применения аналоговых комплектующих (и более дешёвыми, так как не содержат сложных микросхем).

Рассмотрим некоторые примеры готовых плат BMS:

Итак, в завершение хочется сказать, что под каждую задачу на современном рынке можно найти такую плату менеджмента заряда аккумуляторов, которая удовлетворит Ваши потребности и надёжно защитит устройство и сами аккумуляторы.

Не стоит недооценивать важность техники безопасности, и если в небольших устройствах с низкими токами потребления защита является правилом хорошего тона, то для высокотоковых проектов она практически панацея, способная спасти даже жизнь в непредвиденной ситуации.

Творите, а магазин Вольтик.ру всегда предоставит возможность выбрать и купить нужные Вам компоненты!

Аккумуляторная батарея онлайн | Почему в аккумуляторных батареях

необходима правильная балансировка ячеек

Комментарий Антона Бека, менеджера по аккумуляторным продуктам, Epec

Когда литиевая аккумуляторная батарея сконструирована с использованием нескольких последовательно соединенных ячеек, очень важно разработать электронные элементы для постоянного выравнивания напряжений ячеек. Это не только для производительности аккумуляторной батареи, но и для оптимального срока службы.

Использование балансировки ячеек позволяет нам разработать батарею большей емкости для приложения, поскольку балансировка позволяет батарее достичь более высокого уровня заряда (SOC).Многие компании предпочитают не использовать балансировку ячеек в начале своей разработки, что снижает затраты, но без инвестиций в оборудование и программное обеспечение для балансировки ячеек конструкция не позволяет SOC приближаться к 100%.

Что такое клеточный дисбаланс?
Если литиевые элементы перегреты или перезаряжены, они склонны к ускоренной деградации элементов. Они могут загореться или даже взорваться, поскольку может возникнуть тепловое разгонное состояние, если напряжение литий-ионного элемента превышает 4,2 В даже на несколько сотен милливольт.

Аккумуляторная батарея с балансировкой ячеек

Каждый аккумулятор, который мы разрабатываем и производим в Epec, имеет схему защиты от перенапряжения (иногда даже резервную) в сочетании со стандартной балансировкой ячеек, которая предотвратит такое событие. В многоэлементном аккумуляторном блоке, который обычно используется в портативных компьютерах и медицинском оборудовании, последовательное размещение ячеек открывает возможность дисбаланса ячеек, более медленной, но стойкой деградации батареи.

Что такое балансировка ячеек?
Балансировка ячеек — это процесс выравнивания напряжений и уровня заряда между ячейками, когда они полностью заряжены.Нет двух одинаковых ячеек. Всегда есть небольшие различия в уровне заряда, скорости саморазряда, емкости, импедансе и температурных характеристиках. Это верно, даже если элементы одной модели, одного производителя и одной партии. Производители сортируют элементы по одинаковому напряжению, чтобы соответствовать как можно точнее, но все еще есть небольшие различия в импедансе отдельных ячеек, емкости и скорости саморазряда, которые в конечном итоге могут привести к расхождению напряжения с течением времени.

Большинство типичных зарядных устройств аккумуляторов обнаруживают полный заряд, проверяя, достигло ли напряжение всей цепочки ячеек точки регулирования напряжения. Напряжения отдельных ячеек могут изменяться до тех пор, пока они не превышают пределы защиты от перенапряжения. Однако слабые элементы (с меньшей емкостью / более высоким внутренним сопротивлением), как правило, демонстрируют более высокое напряжение, чем остальные элементы серии при полном завершении заряда. Затем эти элементы еще больше ослабляются за счет непрерывных циклов перезарядки.Более высокое напряжение более слабых ячеек при завершении заряда вызывает ускоренное ухудшение емкости. Если максимальное рекомендованное зарядное напряжение будет превышено даже всего на 10 процентов, это приведет к увеличению скорости деградации на 30 процентов.

На стороне разряда слабые элементы, как правило, имеют более низкое напряжение, чем другие элементы, из-за либо более высокого внутреннего сопротивления, либо более высокой скорости разряда в результате более низкой емкости. Это означает, что если какая-либо из слабых ячеек достигнет предела защиты ячейки по напряжению, в то время как напряжение батареи все еще будет достаточным для питания системы, полная емкость батареи никогда не будет использована, поскольку защита батареи предотвратит чрезмерную разрядку (что может привести к повреждению элемент), останавливая разряд всей батареи, когда напряжение на одной ячейке становится ниже порогового значения напряжения ячейки (обычно около 2.7 В).

Методы балансировки ячеек
Основное решение балансировки ячеек уравнивает напряжение и состояние заряда между элементами, когда они находятся в полностью заряженном состоянии. Балансировка ячеек обычно подразделяется на два типа:

1. Пассивный
2. Активный

Пассивная балансировка ячеек
Метод пассивной балансировки ячеек несколько прост и понятен. Разрядите элементы через диссипативный обходной путь.Этот байпас может быть встроенным или внешним по отношению к интегральной схеме (IC). Такой подход выгоден при использовании недорогих систем. Тот факт, что 100% избыточной энергии от элемента с более высокой энергией рассеивается в виде тепла, делает пассивный метод менее предпочтительным для использования во время разряда из-за очевидного влияния на время работы батареи.

Активная балансировка ячеек
Активная балансировка ячеек, которая использует емкостное или индуктивное переключение заряда для передачи заряда между элементами батареи, значительно более эффективна, поскольку энергия передается туда, где она необходима, а не отводится.Конечно, компромиссом для повышения эффективности является необходимость в дополнительных компонентах по более высокой цене.

Резюме
Балансировка ячеек важна не только для повышения производительности и увеличения срока службы батареи, но и добавляет элемент безопасности в батарею. Одной из новых технологий для повышения безопасности батарей и увеличения срока их службы является усовершенствованная балансировка ячеек. Поскольку новые технологии балансировки ячеек отслеживают объем балансировки, необходимой для отдельных ячеек, срок службы аккумуляторных блоков увеличивается, а общая безопасность аккумуляторных батарей повышается.

Активная балансировка аккумуляторных ячеек | Analog Devices

При пассивной и активной балансировке ячеек каждая ячейка в батарейном стеке контролируется для поддержания работоспособного состояния заряда батареи (SoC). Это продлевает срок службы батареи и обеспечивает дополнительный уровень защиты, предотвращая повреждение элемента батареи из-за глубокой разрядки или чрезмерной зарядки. Пассивная балансировка приводит к тому, что все аккумуляторные элементы имеют одинаковую SoC за счет простого рассеивания избыточного заряда в спускном резисторе; однако это не увеличивает время работы системы (см. блог «Балансировка ячеек пассивной батареи»).Активная балансировка ячеек — это более сложный метод балансировки, который перераспределяет заряд между аккумуляторными элементами во время циклов зарядки и разрядки, тем самым увеличивая время работы системы за счет увеличения общего полезного заряда в аккумуляторной батарее, уменьшения времени зарядки по сравнению с пассивной балансировкой и уменьшения выделяемого тепла. при балансировке.

Активная балансировка ячеек во время разряда

На приведенной ниже диаграмме представлен типичный аккумуляторный блок, в котором все элементы работают на полную мощность.В этом примере полная емкость отображается как 90% заряда, потому что поддержание батареи на уровне 100% емкости или около нее в течение длительных периодов времени сокращает срок службы батареи быстрее. 30% представляют собой полностью разряженные, чтобы предотвратить глубокую разрядку ячеек.

Рисунок 1. Полная мощность.

Со временем некоторые элементы станут слабее других, что приведет к профилю разряда, представленному на рисунке ниже.

Рисунок 2. Несоответствующий разряд.

Видно, что даже несмотря на то, что в некоторых батареях может оставаться довольно много емкости, слабые батареи ограничивают время работы системы.Несоответствие батареи 5% приводит к неиспользованию 5% емкости. С большими батареями это может быть чрезмерное количество энергии, которое не используется. Это становится критически важным для удаленных систем и систем, к которым трудно получить доступ, поскольку это приводит к увеличению количества циклов зарядки и разрядки аккумулятора, что сокращает срок службы аккумулятора, что приводит к более высоким затратам, связанным с более частой заменой аккумулятора.

При активной балансировке заряд перераспределяется от более сильных элементов к более слабым, что приводит к полностью разряженному профилю батареи.

Рисунок 3. Полное истощение при активной балансировке.

Активная балансировка ячеек во время зарядки

При зарядке батарейного блока без балансировки слабые элементы достигают полной емкости раньше, чем более сильные батареи. Опять же, ограничивающим фактором являются слабые клетки; в этом случае они ограничивают общий объем заряда, который может удерживать наша система. На приведенной ниже диаграмме показана зарядка с этим ограничением.

Рисунок 4. Зарядка без балансировки.

При активном балансировочном перераспределении заряда во время цикла зарядки стек может достичь своей полной емкости. Обратите внимание, что такие факторы, как процент времени, отведенного для балансировки, и влияние выбранного тока балансировки на время балансировки здесь не обсуждаются, но являются важными соображениями.

Активные балансировщики ячеек

Analog Devices Inc. предлагает семейство активных балансировщиков ячеек, каждое из которых соответствует различным системным требованиям. LT8584 — это 2.Монолитный обратноходовой преобразователь тока разряда 5А, используемый вместе с семейством мультихимических мониторов аккумуляторных элементов LTC680x; Заряд может быть перераспределен от одного элемента к верху аккумуляторной батареи или к другой аккумуляторной ячейке или комбинации ячеек в стопке. На каждую ячейку батареи используется один LT8584.

Рис. 5. 12-элементный аккумуляторный модуль с активной балансировкой.

LTC3300 — это автономный двунаправленный контроллер обратного хода для литиевых и LiFePO4 батарей, обеспечивающий до 10 А уравновешивающего тока; поскольку он двунаправленный, заряд от любой выбранной ячейки может передаваться с высокой эффективностью к 12 или более соседним ячейкам или от них.Один LTC3300 может сбалансировать до шести ячеек.

Рисунок 6. Высокоэффективная двунаправленная балансировка.

LTC3305 — это автономный стабилизатор свинцово-кислотных аккумуляторов, вмещающий до четырех ячеек; он использует пятую аккумуляторную батарею (AUX) и постоянно размещает ее параллельно с каждой из других батарей (по одной за раз), чтобы сбалансировать все элементы батареи (свинцово-кислотные батареи прочные и могут справиться с этим).

Рисунок 7. Балансир с четырьмя батареями с запрограммированными фронтами высокого и низкого напряжения батареи.

Вкратце

Как активная, так и пассивная балансировка ячеек — эффективный способ улучшить работоспособность системы путем мониторинга и согласования SoC каждой ячейки. Активная балансировка ячеек перераспределяет заряд во время цикла зарядки и разрядки, в отличие от пассивной балансировки ячеек, которая просто рассеивает заряд во время цикла зарядки. Таким образом, активная балансировка ячеек увеличивает время работы системы и может повысить эффективность зарядки. Активная балансировка требует более сложного решения, занимающего большую площадь; пассивная балансировка более рентабельна.Независимо от того, какой метод лучше всего подходит для вашего приложения, Analog Devices Inc. предлагает решения как для интегрированных в наши ИС управления батареями (например, LTC6803 и LTC6804), так и для дополнительных устройств, которые работают вместе с этими ИС, чтобы обеспечить точную и надежную систему управления батареями. .

Балансировка ячеек LiFePO4 и как сбалансировать ячейки LiFePO4

Если вы знакомы с литиевыми батареями, вы знаете, что они состоят из элементов. Эта концепция не так уж чужда, если учесть, что герметичные свинцово-кислотные (SLA) батареи также состоят из элементов.Оба типа батарей требуют балансировки ячеек, но что такое балансировка ячеек? Как происходит балансировка ячеек? Как это влияет на производительность?

Прежде чем мы перейдем к балансировке ячеек LiFePO4, напомним, как собрать батарею. Различные приложения имеют разные требования к напряжению и ампер-часам, и поэтому батарея может иметь всего одну ячейку или может иметь много элементов. Например, для создания 12,8-вольтовой батареи требуется 4 элемента LiFePO4 (каждый с напряжением 3,2 В).Свинцово-кислотный 12-вольтовый эквивалент состоит из 6 свинцово-кислотных элементов по 2 вольта.

Перед сборкой батареи важно убедиться, что все элементы LiFePO4 согласованы — по номинальной емкости, напряжению и внутреннему сопротивлению — и они также должны быть сбалансированы после изготовления.

ЧТО ТАКОЕ БАЛАНСИРОВКА ЯЧЕЕК?

Термин «балансировка» происходит от согласования ячеек по емкости и напряжению и контроля их напряжений посредством циклического переключения батареи для поддержания баланса или близких к равным напряжениям на всех уровнях состояния заряда (SOC).Важно отметить, что балансировка ячеек происходит до и после сборки батареи и должна происходить в течение всего срока службы батареи, чтобы батарея сохраняла оптимальную производительность. Это похоже на то, как мы поддерживаем баланс между отдельными батареями, когда мы размещаем их последовательно.

БАЛАНСИРУЮЩИЕ ЯЧЕЙКИ LIFEPO4

Аккумуляторные блоки

LiFePO4 (или любые литиевые аккумуляторные блоки) имеют печатную плату либо со схемой баланса, либо с модулем защитной схемы (PCM), либо с платой схемы управления аккумулятором (BMS), которая контролирует аккумулятор и его элементы (дополнительную информацию см. В этом блоге. об интеллектуальной литиевой защите цепи).В батарее с уравновешивающей схемой схема просто уравновешивает напряжения отдельных ячеек в батарее с оборудованием, когда батарея приближается к 100% SOC — отраслевой стандарт для фосфата лития-железа должен уравновешивать напряжение ячейки выше 3,6 вольт. В PCM или BMS баланс также обычно поддерживается аппаратным обеспечением, однако в схеме, защищающей батарею, есть дополнительные средства защиты или возможности управления, которые выходят за рамки того, что делает схема баланса, например, ограничивая ток заряда / разряда батареи.

Аккумуляторы

SLA не контролируются так же, как литиевые, поэтому они не сбалансированы таким же образом. Батарея SLA сбалансирована за счет зарядки батареи чуть более высоким напряжением, чем обычно. Поскольку аккумулятор не имеет внутреннего контроля, для предотвращения теплового разгона необходимо будет контролировать их внешнее устройство (так называемый ареометр) или человек. Это не делается автоматически, но обычно выполняется в рамках планового графика технического обслуживания.

АКТИВНАЯ ПРОТИВ ПАССИВНОЙ БАЛАНСИРОВКИ КЛЕТОК

Пассивная балансировка ячеек — это когда ток, поступающий в батарею, отводится через резисторы.В этом случае ток входит в батарею и заполняет ячейки. Если одна ячейка «заполнена», резисторы забирают эту энергию и сжигают ее (превращая ее в тепло), так что ток, протекающий в полную ячейку, уменьшается до тех пор, пока все ячейки не будут сбалансированы.

Активная балансировка ячеек направляет ток в первую очередь к наименее заполненным ячейкам и разряжает «полные» ячейки для зарядки «низких» ячеек. В этом случае ток поступает в батарею и вместо того, чтобы заполнять все ячейки с одинаковой скоростью, концентрируется на заполнении более пустых ячеек, пока они не достигнут уровня других ячеек.Когда все ячейки равны, ток равномерно направляется во все ячейки, пока они не будут полностью заряжены (и полностью сбалансированы).

Активная и пассивная балансировка ячеек выполняет одинаковую функцию; Единственная разница в том, что активная балансировка выполняется быстрее и эффективнее.

ПОЧЕМУ ВАЖНА БАЛАНСИРОВКА КЛЕТОК LIFEPO4?

В аккумуляторах LiFePO4, как только элемент с самым низким напряжением достигает точки отсечки напряжения разряда, обозначенной BMS или PCM, он полностью отключит аккумулятор.Если элементы были разбалансированы во время разряда, это может означать, что у некоторых элементов есть неиспользованная энергия и что батарея на самом деле не «разряжена». Аналогичным образом, если элементы не сбалансированы во время зарядки, зарядка будет прервана, как только элемент с самым высоким напряжением достигнет напряжения отключения, и не все элементы LiFePO4 будут полностью заряжены, и аккумулятор тоже не будет заряжен. .

Что в этом плохого? Для начала, несбалансированная батарея будет иметь меньшую емкость и более высокое напряжение отключения на уровне батареи.Кроме того, постоянная зарядка и разрядка несбалансированной батареи со временем усугубят это. Относительно линейный профиль разряда ячеек LiFePO4 делает все более важным, чтобы все ячейки были согласованы и сбалансированы — чем больше разница между напряжениями ячеек, тем ниже достижимая емкость.

Теория состоит в том, что все сбалансированные элементы разряжаются с одинаковой скоростью и поэтому каждый раз отключаются при одном и том же напряжении. Это не всегда так, поэтому наличие балансировочной схемы (или PCM / BMS) гарантирует, что при зарядке элементы батареи могут быть полностью сбалансированы для сохранения проектной емкости и полной зарядки.Правильное обслуживание является ключом к продлению срока службы литиевой батареи, и балансировка ячеек является важной частью этого.

Если у вас есть дополнительные вопросы о балансировке ячеек, литиевых батареях или о чем-либо еще, свяжитесь с нами.

Какие методы балансировки ячеек и как их использовать

Номинальный литиевый элемент рассчитан только на напряжение около 4,2 В, но для его приложений, таких как электромобили, портативная электроника, ноутбуки, блоки питания и т. Д., Нам требуется намного более высокое напряжение, чем его номинальное напряжение .По этой причине разработчики объединяют более одной ячейки последовательно, чтобы сформировать аккумуляторную батарею с более высокими значениями напряжения. Как мы знаем из нашей предыдущей статьи о батареях для электромобилей, когда батареи объединяются последовательно, значение напряжения складывается. Например, когда четыре литиевых элемента с напряжением 4,2 В подключены последовательно, эффективное выходное напряжение полученной аккумуляторной батареи будет 16,8 В.

Но вы можете представить, что соединение множества ячеек в ряд — это как посадка множества лошадей на колесницу.Только если все лошади будут двигаться с одинаковой скоростью, колесница будет двигаться с максимальной эффективностью. Из четырех лошадей, если одна лошадь бежит медленно, то остальные три также должны снизить свою скорость, что снижает эффективность, и если одна лошадь бежит быстрее, она в конечном итоге повредит себе, потянув за собой груз трех других лошадей. Аналогично, , когда четыре элемента соединены последовательно, значения напряжения всех четырех элементов должны быть равны, чтобы получить аккумуляторную батарею с максимальной эффективностью. Метод поддержания равных напряжений всех ячеек называется балансировкой ячеек. В этой статье мы узнаем больше о балансировке ячеек, а также кратко о том, как их использовать на аппаратном и программном уровне.

Зачем нужна балансировка ячеек?

Балансировка ячеек — это метод, в котором уровни напряжения каждой отдельной ячейки, соединенной последовательно для формирования аккумуляторного блока , поддерживаются равными для достижения максимальной эффективности аккумуляторного блока. Когда разные элементы объединяются в аккумуляторную батарею, всегда проверяется, что они имеют одинаковый химический состав и значение напряжения.Но после того, как аккумулятор установлен и подвергается зарядке и разрядке, значения напряжения отдельных ячеек имеют тенденцию меняться по некоторым причинам, которые мы обсудим позже. Это изменение уровней напряжения вызывает разбалансировку ячеек, что приводит к одной из следующих проблем

Термический побег

Худшее, что может случиться, — это тепловой разгон. Как мы знаем, литиевые элементы очень чувствительны к перезарядке и разрядке. В пачке из четырех ячеек, если в одной ячейке 3.5 В, в то время как другой — 3,2 В, заряд будет заряжать все элементы вместе, поскольку они включены последовательно, и он будет заряжать элемент 3,5 В до напряжения, превышающего рекомендованное, поскольку другие батареи все еще требуют зарядки.

Деградация клеток

Когда литиевый элемент заряжается даже немного выше рекомендованного значения, эффективность и срок службы элемента снижаются. Например, небольшое увеличение зарядного напряжения с 4,2 В до 4,25 В приведет к ускорению разряда аккумулятора на 30%.Таким образом, если балансировка ячеек не точна, даже небольшая перезарядка сократит срок службы батареи.

Неполная зарядка Pack

По мере того, как батареи в пакете стареют, несколько элементов могут быть слабее соседних элементов. Эти недельные элементы будут огромной проблемой, поскольку они будут заряжаться и разряжаться быстрее, чем нормальный здоровый элемент. При зарядке аккумуляторной батареи с последовательными ячейками процесс зарядки должен быть остановлен, даже если одна ячейка достигает максимального напряжения.Таким образом, если две ячейки в аккумуляторном блоке получают неделю, они будут заряжаться быстрее, и, следовательно, оставшиеся элементы не будут заряжены до максимума, как показано ниже.

Неполное использование энергии Pack

Аналогично, в том же случае, когда аккумуляторная батарея разряжается, более слабые элементы будут разряжаться быстрее, чем здоровые, и они достигнут минимального напряжения быстрее, чем другие элементы. Как мы узнали в нашей статье о BMS, батарея будет отключена от нагрузки, даже если одна ячейка достигнет минимального напряжения.Это приводит к неиспользованной мощности батареи, как показано ниже.

Принимая во внимание все вышеупомянутые возможные недостатки, мы можем сделать вывод, что балансировка ячеек будет обязательной для использования аккумуляторной батареи с максимальной эффективностью . Тем не менее, есть несколько приложений, в которых начальная стоимость должна быть очень низкой, а замена батареи не является проблемой в тех приложениях, где можно было бы избежать балансировки ячеек. Но в большинстве приложений, включая электромобили, балансировка ячеек является обязательной для получения максимального заряда аккумуляторной батареи.

Что вызывает разбалансировку ячеек в аккумуляторных батареях?

Теперь мы знаем, почему важно поддерживать баланс всех ячеек в аккумуляторной батарее. Но чтобы решить проблему должным образом, мы должны знать, почему клетки становятся неуравновешенными, из первых рук. Как было сказано ранее, когда аккумуляторная батарея формируется путем последовательного размещения ячеек, необходимо убедиться, что все ячейки имеют одинаковые уровни напряжения. Таким образом, новый аккумулятор всегда будет иметь сбалансированные элементы. Но при вводе блока в эксплуатацию ячейки выходят из равновесия по следующим причинам .

Дисбаланс SOC

Измерение SOC ячейки сложно; следовательно, очень сложно измерить SOC отдельных ячеек в батарее. Идеальная методика балансировки ячеек должна соответствовать ячейкам с одинаковым SOC, а не с одинаковыми уровнями напряжения (OCV). Но поскольку практически невозможно сопоставление ячеек только по напряжению при изготовлении блока, изменение SOC со временем может привести к изменению OCV.

Изменение внутреннего сопротивления

Очень трудно найти элементы с одинаковым внутренним сопротивлением (IR), и по мере старения батареи IR элемента также изменяется, и, таким образом, в аккумуляторном блоке не все элементы будут иметь одинаковый IR.Как мы знаем, IR вносит вклад во внутренний импеданс ячейки, который определяет ток, протекающий через ячейку. Поскольку ИК изменяется, ток через ячейку и ее напряжение также меняются.

Температура

Зарядная и разрядная способность элемента также зависит от температуры вокруг него. В огромном аккумуляторном блоке, таком как в электромобилях или солнечных батареях, элементы распределены по площадям с отходами, и может быть разница температур между самим аккумулятором, из-за чего одна ячейка заряжается или разряжается быстрее, чем остальные ячейки, вызывая дисбаланс.

Из приведенных выше причин ясно, что мы не можем предотвратить разбалансировку ячейки во время работы. Итак, единственное решение — использовать внешнюю систему, которая заставляет клетки снова уравновешиваться после того, как они становятся несбалансированными. Эта система называется системой балансировки батареи . Для балансировки ячеек батареи используется множество различных типов аппаратного и программного обеспечения. Давайте обсудим виды и широко используемые техники.

Типы балансировки аккумуляторных ячеек

Методы балансировки ячеек можно в целом разделить на следующие четыре категории, которые перечислены ниже.Мы обсудим каждую категорию.

1. Пассивная балансировка ячеек
2. Активная балансировка ячеек
3. Балансировка ячеек без потерь
4. Редокс-шаттл

1. Пассивная балансировка ячеек

Метод пассивной балансировки ячеек — самый простой из всех методов. Его можно использовать там, где стоимость и размер являются основными ограничениями. Ниже приведены два типа пассивной балансировки ячеек.

Маневровая зарядка

В этом методе фиктивная нагрузка, такая как резистор, используется для снятия избыточного напряжения и выравнивания его с другими элементами. Эти резисторы называются байпасными резисторами или прокачивающими резисторами . Каждая ячейка, соединенная последовательно в блоке, будет иметь собственный байпасный резистор, подключенный через переключатель, как показано ниже.

Пример схемы выше показывает четыре ячейки, каждая из которых подключена к двум байпасным резисторам через переключатель, такой как MOSFET. Контроллеры измеряют напряжение всех четырех ячеек и включают МОП-транзистор для ячейки, напряжение которой выше, чем у других ячеек .При включении МОП-транзистора эта конкретная ячейка начинает разряжаться через резисторы. Поскольку мы знаем стоимость резисторов, мы можем предсказать, сколько заряда рассеивается ячейкой. Конденсатор, подключенный параллельно ячейке, используется для фильтрации скачков напряжения во время переключения.

Этот метод не очень эффективен, поскольку электрическая энергия рассеивается в виде тепла в резисторах, а схема также учитывает коммутационные потери. Другой недостаток заключается в том, что весь ток разряда протекает через МОП-транзистор , который в основном встроен в контроллер IC, и, следовательно, ток разряда должен быть ограничен низкими значениями, что увеличивает время разряда.Один из способов преодоления этого недостатка — использовать внешний переключатель для увеличения разрядного тока , как показано ниже

.

Внутренний P-канальный МОП-транзистор запускается контроллером, который вызывает разряд элемента (I-смещение) через резисторы R1 и R2. Значение R2 выбирается таким образом, чтобы падение напряжения, возникающее на нем из-за протекания разрядного тока (I-bias), было достаточным для запуска второго N-канального MOSFET. Это напряжение называется напряжением затвора истока (Vgs), а ток, необходимый для смещения полевого МОП-транзистора, называется током смещения (I-bias).

После включения N-канального МОП-транзистора ток течет через балансировочный резистор R-Bal . Значение этого резистора может быть низким, позволяя проходить через него большему току и, таким образом, быстрее разряжать аккумулятор. Этот ток называется током стока (I-сток). В этой схеме полный ток разряда складывается из тока стока и тока смещения. Когда P-канальный MOSFET выключается контроллером, ток смещения равен нулю, и, следовательно, напряжение Vgs также становится равным нулю.Это отключает N-канальный MOSFET, и батарея снова становится идеальной.

ИС пассивной балансировки ячеек

Несмотря на то, что метод пассивной балансировки неэффективен, он чаще используется из-за своей простоты и низкой стоимости. Вместо разработки оборудования вы также можете использовать несколько готовых микросхем, таких как LTC6804 и BQ77PL900 от известных производителей, таких как Linear и Texas Instruments соответственно. Эти ИС могут быть включены в каскад для мониторинга нескольких ячеек и сэкономить время и затраты на разработку.

Ограничение заряда

Метод ограничения начислений — самый неэффективный из всех. Здесь учитываются только безопасность и срок службы батареи, при этом отказываясь от эффективности. В этом методе непрерывно контролируются напряжения отдельных ячеек.

Во время процесса зарядки, даже если одна ячейка достигает полного зарядного напряжения, зарядка прекращается, а другие ячейки остаются наполовину. Точно так же во время разряда, даже если одна ячейка достигает минимального напряжения отключения, аккумуляторная батарея отключается от нагрузки до тех пор, пока аккумулятор снова не зарядится.

Хотя этот метод неэффективен, он снижает требования к стоимости и размеру. Следовательно, он используется в приложениях, где батареи можно часто заряжать.

2. Активная балансировка ячеек

При балансировке пассивной ячейки избыточный заряд не использовался, поэтому он считается неэффективным. В то время как при активном балансировании избыточный заряд от одной ячейки передается другой ячейке с низким зарядом, чтобы уравнять их . Это достигается за счет использования элементов накопления заряда, таких как конденсаторы и индукторы.Существует множество методов для выполнения активной балансировки ячеек, давайте обсудим наиболее часто используемые.

Зарядные корабли (летающие конденсаторы)

В этом методе используются конденсаторы для передачи заряда от ячейки высокого напряжения к ячейке низкого напряжения. Конденсатор подключается через переключатели SPDT, сначала переключатель подключает конденсатор к ячейке высокого напряжения, а после того, как конденсатор заряжен, переключатель подключает его к ячейке низкого напряжения, где заряд от конденсатора течет в ячейку.Поскольку заряд перемещается между ячейками, этот метод называется «челноки заряда». Рисунок ниже должен помочь вам лучше понять.

Эти конденсаторы называются летающими конденсаторами , поскольку они находятся между низковольтными и высоковольтными ячейками, несущими зарядные устройства. Недостатком этого метода является то, что заряд может передаваться только между соседними ячейками. Также требуется больше времени, так как конденсатор должен быть заряжен, а затем разряжен для переноса зарядов.Он также очень менее эффективен, поскольку при зарядке и разрядке конденсатора будут потери энергии, а также необходимо учитывать потери при переключении. На изображении ниже показано, как летающий конденсатор будет подключен к аккумуляторной батарее

Индуктивный преобразователь (метод Buck Boost)

Другой метод активной балансировки ячеек — это использование индукторов и переключающих цепей. В этом методе схема переключения состоит из повышающего преобразователя .Заряд от высоковольтной ячейки накачивается в индуктор, а затем разряжается в низковольтную ячейку с помощью понижающего повышающего преобразователя . На рисунке ниже представлен индуктивный преобразователь всего с двумя ячейками и повышающим преобразователем с одним понижающим преобразователем.

В приведенной выше схеме заряд может быть передан из ячейки 1 в ячейку 2 путем переключения полевых МОП-транзисторов sw1 и sw2 следующим образом. Сначала замыкается переключатель SW1, что заставляет заряд из ячейки 1 течь в индуктор с током I-charge.Когда индуктор полностью заряжен, переключатель SW1 размыкается, а переключатель sw2 замыкается.

Теперь полностью заряженный индуктор изменит свою полярность и начнет разряжаться. На этот раз заряд индуктора перетекает в ячейку2 с током I-разряда. Когда индуктор полностью разряжен, переключатель sw2 размыкается, а переключатель sw1 замыкается, чтобы повторить процесс. Приведенные ниже формы сигналов помогут вам получить четкое изображение.

В течение времени t0 переключатель sw1 замкнут (включен), что приводит к увеличению тока заряда I и увеличению напряжения на катушке индуктивности (VL).Затем, когда индуктор полностью заряжен в момент t1, переключатель sw1 размыкается (выключается), что заставляет индуктор разрядить заряд, накопленный на предыдущем этапе. Когда индуктор разряжается, он меняет свою полярность, поэтому напряжение VL отображается отрицательно. При разряде ток разряда (I разряда) уменьшается от максимального значения. Весь этот ток поступает в ячейку 2 для ее зарядки. Допускается небольшой интервал от момента t2 до t3, а затем в t3 весь цикл повторяется снова.

Этот метод также страдает серьезным недостатком, заключающимся в том, что заряд может передаваться только от более высокого элемента к более низкому элементу. Также следует учитывать потери при переключении и падение напряжения на диодах. Но он быстрее и эффективнее, чем конденсаторный метод.

Индуктивный преобразователь (с обратным ходом)

Как мы обсуждали, метод понижающего повышающего преобразователя может передавать заряды только от более высокого элемента к более низкому элементу. Этой проблемы можно избежать, используя обратный преобразователь и трансформатор.В преобразователе обратного типа первичная сторона обмотки подключена к аккумуляторной батарее, а вторичная сторона подключена к каждой отдельной ячейке аккумуляторной батареи, как показано ниже

Как мы знаем, батарея работает от постоянного тока, и трансформатор не будет работать до тех пор, пока не будет переключено напряжение. Таким образом, чтобы начать процесс зарядки, переключатель на стороне первичной обмотки Sp переключается. Это преобразует постоянный ток в импульсный, и первичная обмотка трансформатора активируется.

Теперь на вторичной стороне каждая ячейка имеет свой собственный переключатель и вторичную катушку. Путем переключения МОП-транзистора низковольтного элемента мы можем заставить эту конкретную катушку действовать в качестве вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, заряд первичной обмотки передается вторичной обмотке. Это вызывает разрядку общего напряжения аккумуляторной батареи в слабую ячейку.

Самым большим преимуществом этого метода является то, что любой слабый элемент в батарее может быть легко заряжен от напряжения батареи, а не конкретная ячейка разряжается.Но поскольку в нем используется трансформатор, он занимает много места и сложность схемы высока.

3. Балансировка без потерь

Балансировка без потерь — это недавно разработанный метод, который снижает потери за счет уменьшения количества аппаратных компонентов и обеспечения большего программного управления. Это также упрощает систему и упрощает ее проектирование. В этом методе используется схема матричной коммутации, которая обеспечивает возможность добавления или удаления элемента из батареи во время зарядки и разрядки.Ниже показана простая схема переключения матрицы для восьми ячеек.

В процессе зарядки аккумулятор, находящийся под высоким напряжением, будет извлекаться из батареи с помощью переключателей. На приведенном выше рисунке ячейка 5 извлекается из упаковки с помощью переключателей. Считайте, что круги с красной линией — это разомкнутые переключатели, а круг с синей линией — замкнутые переключатели. Таким образом, время покоя более слабых элементов увеличивается во время процесса зарядки, чтобы сбалансировать их во время зарядки.Но напряжение зарядки необходимо соответствующим образом отрегулировать. Эту же технику можно использовать и во время разряда.

4. Редокс-челнок

Последний метод предназначен не для разработчиков оборудования, а для инженеров-химиков. В свинцово-кислотных аккумуляторах у нас нет проблемы с балансировкой ячеек, потому что, когда свинцово-кислотный аккумулятор перезаряжается, он вызывает выделение газов, что предотвращает его чрезмерный заряд. Идея Redox-шаттла состоит в том, чтобы попытаться достичь того же эффекта на литиевые элементы, изменив химический состав электролита литиевых элементов.Этот модифицированный электролит должен предотвратить перезарядку элемента.

Алгоритмы балансировки ячеек

Эффективный метод балансировки ячеек должен сочетать аппаратное обеспечение с правильным алгоритмом. Существует множество алгоритмов балансировки ячеек, и это зависит от конструкции оборудования. Но типы можно свести к двум разным разделам.

Измерение напряжения холостого хода (OCV)

Это простой и наиболее часто используемый метод.Здесь измеряются напряжения открытых ячеек для каждой ячейки, и схема балансировки ячеек работает для выравнивания значений напряжения всех ячеек, соединенных последовательно. OCV (напряжение холостого хода) просто измерить, и, следовательно, сложность этого алгоритма меньше.

Измерение степени заряда (SOC)

В этом методе SOC ячеек сбалансирован. Как мы уже знаем, измерение SOC ячейки — сложная задача, поскольку мы должны учитывать значение напряжения и тока ячейки в течение определенного периода времени, чтобы вычислить значение SOC.Этот сложный алгоритм используется там, где требуется высокая эффективность и безопасность, например, в аэрокосмической и космической отраслях.

На этом статья завершается. Надеюсь, теперь вы получили краткое представление о том, что такое балансировка ячеек, как она реализована на аппаратном и программном уровне. Если у вас есть какие-либо идеи или методы, поделитесь ими в разделе комментариев или воспользуйтесь форумом для получения технической помощи.

Автомобильная балансировка нагрузки для литий-ионных аккумуляторов

1. Chevy Volt HEV содержит 192-элементный литий-ионный аккумулятор, размещенный в 5.Т-образная конструкция длиной 5 футов и весом 183 кг. Он произведен LG Chem и имеет мощность 18,4 кВтч. (Предоставлено General Motors)

Хотя другие технологии обещают долгосрочную перспективу, литий-ионная технология — очевидный выбор для питания электромобилей (электромобилей) нынешнего поколения (Рис. 1) .

Но в отличие от традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов, литий-ионные аккумуляторы требуют значительного ухода и питания. Зарядка включает в себя гораздо больше, чем просто подключение генератора.Даже разрядка после определенного момента может привести к необратимым повреждениям. Это привело к разработке сложных стратегий зарядки и разрядки на уровне отдельной ячейки.

Почему литий- I включен?

Литий с атомным номером 3 — самый легкий металл. Он обладает наибольшим электрохимическим потенциалом и обеспечивает наибольшую удельную энергию на вес — оба огромных преимущества для батареи. К сожалению, металлический литий также нестабилен, огнеопасен и потенциально взрывоопасен при контакте с воздухом или водой.Излишне говорить, что исследования аккумуляторов были сосредоточены на материалах, в которых используются более безопасные формы этого вещества.

В положительном электроде перезаряжаемой литий-ионной аккумуляторной батареи используется одно из множества интеркалированных соединений лития. К ним относятся оксид лития, никеля, марганца, кобальта («NMC») и фосфат лития-железа («LFP»), каждый из которых имеет несколько разные характеристики. Отрицательный электрод чаще всего делают из графита.

Жидкий электролит состоит из солей лития в органическом растворителе, таком как этиленкарбонат или диметилкарбонат.Во время работы ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда и в обратном направлении во время зарядки.

Литий-ионный аккумулятор

имеет ряд преимуществ перед более ранними химическими составами электромобилей, такими как свинцово-кислотный и никель-металлогидридный (NiMH). Он легкий, не имеет памяти и демонстрирует низкий саморазряд (около 1% в неделю). Номинальное напряжение элемента составляет 3,6 В по сравнению с 1,5 В для никель-металлгидридных аккумуляторов и 2,0 В для свинцово-кислотных, поэтому для получения высоких напряжений, необходимых для электродвигателей электромобилей, необходимо последовательно соединять меньшее количество элементов.

Мы прошли долгий путь в разработке аккумуляторов с первых дней появления электромобилей. Батарея Nissan Leaf, например, содержит 192 литий-ионных элемента с NMC и графитовыми электродами. Ячейки расположены в виде последовательного / параллельного массива 96 × 2 для номинальной выходной мощности 360 В и плотности энергии 140 Втч / кг. В 1996 году GM EV1, первый серийный электромобиль от крупного производителя, использовал свинцово-кислотные батареи с сопоставимой мощностью (312 В), но удельной энергией всего 31 Втч / кг.

Здесь драконы

Литий-ионные аккумуляторы

обладают многими желательными характеристиками, но они гораздо менее устойчивы, чем другие химические элементы, к таким условиям, как перезаряд, переразряд, перегрев и чрезмерный ток.

Отклонения от установленных пределов могут иметь потенциально катастрофические последствия, и не только в автомобилестроении. Boeing 787 Dreamliner был остановлен на три месяца в 2013 году после двух пожаров, связанных с тепловым разгоном его литий-ионных аккумуляторов. Рисунок 2 показывает относительно небольшое безопасное рабочее окно.

2. Литий-ионные элементы должны храниться в узком диапазоне температур и напряжений, чтобы избежать выхода из строя. (С разрешения Министерства транспорта США)

Основные параметры батареи

В любом транспортном средстве, которое использует аккумулятор как часть трансмиссии, очень важно, чтобы система управления аккумулятором (BMS) постоянно отслеживала состояние аккумулятора, независимо от типа аккумулятора.Это верно во всех отношениях: микрогибриды; автомобили с традиционным приводом, в которых используются свинцово-кислотные аккумуляторы для функций остановки и запуска; гибридные электромобили (HEV), в которых используются как обычные, так и электродвигатели; и аккумуляторные электромобили (BEV), которые являются полностью электрическими.

Для оценки состояния аккумулятора или элемента обычно используются два параметра:

Состояние c harge (SoC) : Это эквивалент указателя уровня топлива в обычном автомобиле.Он измеряет доступную энергию в батарее от 0% (разряжена) до 100% (полностью заряжена). Обратной метрикой является глубина разряда (DoD).

Состояние ч ealth (SoH) : Показатель качества, который измеряет состояние аккумулятора или элемента по сравнению с его идеальным состоянием, если аккумулятор не соответствует техническим характеристикам при поставке. SoH обычно начинается со 100%, а затем снижается с течением времени по мере старения батареи.

BMS использует SoC и SoH для принятия решений и регулирования производительности.

Зарядка и разрядка батареи происходят через клеммы, подключенные к каждому концу последовательного стека, а не на уровне элементов. В свинцово-кислотных и никель-металлгидридных соединениях измерение и контроль отдельных ячеек не требуются, потому что они относительно нечувствительны к избыточной или недостаточной зарядке. Однако литий-ионные аккумуляторы требуют более сложной стратегии.

Литий-ионная балансировка нагрузки

В аккумуляторной батарее электромобиля используются сотни ячеек, соединенных последовательно и параллельно, для хранения энергии, достаточной для работы.Nissan Leaf состоит из двух модулей по 96 литий-ионных элементов, соединенных последовательно, а в автобусных аккумуляторах может быть более ста элементов, подключенных последовательно.

Внутри батареи каждая отдельная ячейка, хотя и очень похожа, но не идентична. Возможны вариации из-за емкости, внутреннего сопротивления, скорости саморазряда, порога перенапряжения, температурных градиентов в батарее, характеристик старения и многих других факторов.

Следствием этих изменений является то, что в любой момент времени в течение срока службы батареи один элемент (или небольшая группа элементов) в батарее будет иметь более высокий уровень заряда, чем другие элементы.Точно так же у другой ячейки будет меньше заряда, чем у других.

Для литий-ионных аккумуляторов очень важно, чтобы ни один отдельный элемент не был перезаряжен или разряжен, чтобы оставаться в пределах безопасной рабочей зоны. Зарядка всего батарейного блока должна прекратиться, когда «высокий» элемент достигает полного заряда, даже если другие элементы находятся на уровне менее 100%. Точно так же разрядка должна заканчиваться, когда «нижняя» ячейка становится пустой, даже если энергия остается в других ячейках.

Таким образом, производительность всей батареи будет ограничиваться только парой элементов.В цикле зарядки аккумулятор никогда не станет полностью заряженным; в цикле разряда энергия тратится зря.

Эти клеточные дисбалансы со временем будут увеличиваться. В конце концов, производительность как зарядки, так и разрядки упадет ниже допустимого уровня, что потребует замены аккумулятора.

Чтобы справиться с этой ситуацией, разработчики управления батареями разработали метод балансировки нагрузки. Он контролирует отдельные ячейки и снижает разницу в заряде между ними.

Заряд измерительной ячейки

Заряд отдельной ячейки может быть определен путем измерения ее напряжения холостого хода (OCV) и определения соответствующего состояния заряда (или глубины разряда) из графика, аналогичного показанному на рис. 3 . Результаты можно улучшить, применив поправочные коэффициенты, полученные как по току, так и по температуре. На протяжении многих лет производители последовательно улучшали характеристики, чтобы батарея могла поддерживать выходное напряжение почти на всем диапазоне заряда.

По иронии судьбы, это усовершенствование затруднило получение системой управления осмысленной обратной связи. Поскольку небольшие различия в напряжении элементов могут соответствовать большим различиям в заряде, измерение напряжения должно быть точным с точностью до нескольких милливольт, что требует высокоточного аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

АЦП с разрешением 14 бит, работающий с опорным напряжением 5 В, является практическим выбором для литий-ионной ячейки с OCV около 4,2 В. Обычно один АЦП измеряет напряжения нескольких ячеек, используя мультиплексор для переключения между каналами. .Архитектура регистра последовательного приближения (SAR) является предпочтительной, поскольку у нее нет задержки между последовательными выборками.

3. Литий-ионный аккумулятор с электродом LFP может поддерживать почти постоянное значение OCV до 95% глубины разряда. (Предоставлено TI)

Как только заряд каждой ячейки известен, схема балансировки нагрузки может действовать для выравнивания зарядов. Можно выбрать один из двух подходов: пассивная балансировка и активная балансировка.

Пассивная балансировка нагрузки

Пассивная система балансировки нагрузки забирает энергию из наиболее заряженной ячейки и рассеивает ее в виде тепла, обычно через резистор. На рисунке 4 показана схема отдельной ячейки в стеке. Значение R _DISCH рассчитывается на основе желаемого тока балансировки, напряжения ячейки и R _{DS (ON)} переключателя на полевых транзисторах.

4. В схеме пассивной балансировки нагрузки значение VSENSEn + 1 является показателем заряда в Celln + 1. Когда заряд ячейки слишком высок, включается Qn + 1, рассеивая энергию через Rdisch_n + 1. BAT0 — это отрицательная клемма питания. (Предоставлено TI / Автор)

Алгоритм управления, работающий на микроконтроллере BMS, уравновешивает заряд в каждой ячейке, измеряя ее напряжение VSENSE и разряжая ячейку, если необходимо, до тех пор, пока все ячейки не будут иметь одинаковое напряжение.BMS также проверяет условия отказа уровня заряда батареи, такие как перегрев, перенапряжение и пониженное напряжение. После того, как все элементы сбалансированы, аккумулятор в целом можно зарядить, чтобы полностью зарядить каждую ячейку.

Активная балансировка нагрузки

Пассивная балансировка — это односторонняя система, которая снижает энергию в наиболее заряженной ячейке. Активная балансировка добавляет дополнительный уровень сложности. Он по-прежнему получает энергию от наиболее заряженного элемента, но вместо того, чтобы просто рассеивать его, система передает заряд наименее заряженным элементам через ряд двунаправленных преобразователей постоянного тока в постоянный.Микроконтроллер следит за состоянием всех ячеек и определяет, какой из них следует зарядить или разрядить.

5. Активная система балансировки нагрузки использует двунаправленные преобразователи постоянного тока в постоянный для источника или потребления тока под управлением микроконтроллера BMS. (Предоставлено TI)

На рисунке 5 показана блок-схема типичного активного механизма балансировки нагрузки.

Коммутационная матрица позволяет направлять заряд в ячейку или из ячейки под управлением микроконтроллера BMS через SPI или другой интерфейс.Блок подключает ток от преобразователя постоянного тока, который может быть положительным или отрицательным, к элементу, который необходимо заряжать или разряжать. Несколько блоков можно использовать вместе, чтобы сбалансировать большую стопку аккумуляторных элементов.

Изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный обменивается энергией между отдельным элементом и аккумуляторной батареей. Вместо использования резистора величина тока контролируется алгоритмом балансировки нагрузки. Блок преобразователя постоянного тока также проверяет условия отказа на уровне ячейки.

Тенденции будущего

Стоимость аккумуляторных блоков для электромобилей снизилась с 1000 долларов за киловатт-час в 2007 году до примерно 450 долларов в 2014 году, при этом ведущие производители BEV стоят около 300 долларов за киловатт-час. Прогнозы показывают, что отметка в 250 долларов США за киловатт-час должна быть достигнута примерно к 2020 году, что еще больше снизится из-за экономии на масштабе по мере того, как укореняется домашнее хранилище энергии.

Исследования аккумуляторов — активная область, при этом университетские лаборатории выпускают объявления о «следующем большом событии» почти ежемесячно.Однако в реальном мире литий-ионная технология продолжает свое дело, медленно, но неуклонно улучшая технологичность и плотность энергии — скорее эволюция, чем революция.

Сектор электроники с балансировкой нагрузки также демонстрирует характеристики зрелого рынка с более дешевыми продуктами, интеграцией большего количества функций и увеличением опций с новыми устройствами, предназначенными для определенных сегментов рынка.

Ячейки предварительной балансировки | Система управления литий-ионными аккумуляторами Orion

Литий-ионные элементы

часто отправляются от производителя в разном состоянии заряда.Иногда это происходит из-за того, что производитель выбирает элементы из разных партий, элементов с сильно различающейся скоростью разряда или из-за того, что производитель проводит выборочные испытания некоторых из элементов. Это проблема при сборке аккумуляторной батареи, так как элементы должны быть приведены примерно до одинакового уровня заряда, прежде чем аккумулятор можно будет использовать.

Orion BMS и Orion Jr. BMS обладают возможностями балансировки для уравновешивания ячеек друг с другом. Однако, чтобы уменьшить количество потраченной впустую энергии и снизить затраты, BMS предназначена для обслуживания уже примерно сбалансированного аккумуляторного блока и не предназначена для обеспечения начальной полной балансировки.Полная балансировка происходит только один раз, и проектирование BMS для обработки этого единственного события в течение срока службы пакета значительно увеличило бы стоимость, размер и вес BMS.

Первый шаг — определить, нужно ли вам предварительно балансировать ячейки или нет. Если ваши ячейки уже сбалансированы, предварительная балансировка, очевидно, не требуется. Точно так же, если время, необходимое BMS для балансировки ваших ячеек, приемлемо, предварительная балансировка не требуется.

Максимальный ток балансировки Orion BMS составляет около 200 мА.Этого тока достаточно для поддержания баланса в большинстве конфигураций с ячейками до 1000 Ач (балансировка необходима только для корректировки разницы в саморазряде между элементами, которая обычно измеряется в микроампер (мкА). Общее практическое правило состоит в том, что Orion BMS может скорректировать около 25 ампер-часов дисбаланса в неделю или около 3 ампер-часов в день.Если пакет циклируется и используется во время начального баланса, балансировка может занять значительно больше времени, поскольку балансировка происходит только тогда, когда аккумулятор почти полностью заполнен заряда.Для небольших аккумуляторных блоков, таких как 40-100 ампер-часов, может быть приемлемо просто позволить BMS сбалансироваться в течение нескольких дней, независимо от того, насколько разбалансирован аккумулятор. Для больших пакетов, близких к 1000 Ач, балансировка BMS может занять очень много времени, поэтому настоятельно рекомендуется предварительная балансировка. В общем, хорошее практическое правило — попытаться установить балансировку аккумулятора в пределах 40 ампер-часов или меньше, прежде чем передавать его системе BMS для балансировки.

Имейте в виду, что часть аккумуляторного блока может использоваться во время начального баланса, и для некоторых приложений допустимо использовать аккумулятор во время начального баланса (например.грамм. приложение резервного питания). Неиспользуемая часть — это разница между самой высокой и самой низкой ячейками в упаковке. Например, если аккумуляторная батарея состоит из 4 ячеек с SOC 60%, 80%, 70% и 75%, полезная часть батареи составляет 80%, так как разница в балансе от самого низкого до самого высокого элемента составляет 20%.

С некоторыми химическими составами легче определить разницу в балансе по напряжениям, чем с другими. В частности, в случае фосфата железа трудно определить разницу в уровне заряда только по напряжению.Разница между 3,2 В (напряжение открытого элемента / без нагрузки) и 3,35 В (напряжение открытого элемента) намного более значительна, чем разница между 3,35 и 3,65 В. 3,2 вольта (напряжение открытого элемента) может соответствовать примерно 30-40%, в то время как 3,35 вольт может соответствовать состоянию заряда, близкому к 80-85%. Иногда это вызывает путаницу относительно того, сильно ли разбалансирован аккумуляторный блок.

Если предварительная балансировка необходима, существует несколько общих методов предварительной балансировки ячеек:

Метод 1. Зарядите все элементы по отдельности. Перед сборкой элементов в блок, каждый отдельный элемент можно зарядить независимо с помощью зарядного устройства, предназначенного для одного ионно-литиевого элемента. Важно, чтобы при использовании этого метода зарядное устройство ДОЛЖНО быть настроено так, чтобы оно не перезаряжало элемент. Никогда не оставляйте зарядку аккумулятора без автоматического отключения зарядного устройства.

Метод 2: соедините все элементы параллельно и полностью зарядите вместе. Перед сборкой батареи элементы можно соединить параллельно и зарядить вместе.Этот метод может не работать с некоторыми типами ячеек или в случае значительного дисбаланса ячеек, поскольку значительные токи могут течь от одной ячейки к другой. Текущий поток можно рассчитать, разделив разность напряжений от самой низкой до самой высокой ячейки на внутреннее сопротивление. Если вы не уверены, будет ли течь ток, или если вы используете химический состав, отличный от фосфата железа, воспользуйтесь одним из других методов . Зарядное устройство должно быть настроено на максимальное напряжение, не превышающее максимальное напряжение элемента, указанное производителем элемента.Для того, чтобы этот метод работал, элементы должны иметь заряд при параллельном подключении (простое параллельное соединение не позволит протекать току, достаточному для уравновешивания батареи).

Метод 3: Измерьте напряжение каждой ячейки и отрегулируйте вручную с помощью зарядного устройства или нагрузки. Это самый сложный метод, но он может быть значительно быстрее, чем другие, если только небольшое количество ячеек значительно разбалансировано, а остальная часть пакета уже хорошо сбалансирована.Это особенно полезный метод после замены ячейки в пакете. Используйте изолированную нагрузку или изолированное зарядное устройство, чтобы вручную отрегулировать уровень заряда конкретного элемента, требуя регулировки, чтобы привести его в равновесие с остальной частью батареи. Следует уделить особое внимание тому, чтобы аккумулятор не был чрезмерно заряжен или разряжен этим методом. Этот метод можно использовать для балансировки элемента после того, как он был собран в последовательную батарею, но абсолютно необходимо гарантировать, что нагрузка или зарядное устройство изолированы, чтобы не возникло короткое замыкание внутри батареи.

Метод 4. Попросите производителя «собрать» ячейки. Хотя это обычно не вариант для небольших систем, в производственных условиях производители элементов могут «объединять» элементы и согласовывать их в зависимости от текущего состояния заряда, характеристик внутреннего сопротивления и емкости элементов. Создание пакета с использованием примерно одинаковых ячеек не только устраняет необходимость в предварительном балансе, но также сохраняет пакет в лучшем состоянии в долгосрочной перспективе, поскольку все клетки, вероятно, стареют одинаково.

AN2462 — Авторское право (C) 2019 Ewert Energy Systems

Понимание роли балансировки ячеек в аккумуляторных батареях

Обычно балансировка ячеек выполняется путем обхода некоторых ячеек во время циклов заряда или разряда. Принятие точной балансировки ячеек обеспечивает большую емкость для предполагаемого применения, поскольку это повышает уровень заряда (SoC). Читайте дальше, чтобы узнать больше о концепции балансировки ячеек, ее важности и приложениях.

Что такое балансировка клеток?

Балансировка ячеек — это процесс выравнивания напряжений и SoC между ячейками, когда они подключены и при полной зарядке. Разницу в напряжениях ячеек корректируют максимально мгновенно или постепенно, используя байпасные ячейки.

Известно, что нет двух одинаковых элементов питания, даже если они одного производителя и одной модели. Есть небольшие изменения в характеристиках каждой ячейки, будь то SoC, импеданс, емкость или температурные характеристики.

Как из элементов формируются аккумуляторные батареи

Ячейки расположены в виде модулей, а затем соединены между собой, образуя аккумуляторную батарею, как показано на рисунке 1. В большинстве случаев напряжение между соединенными сериями ячеек рассматривается как мера для обнаружения SoC.

Рис. 1. Батарейные блоки формируются путем объединения отдельных ячеек. Изображение любезно предоставлено UL.

Существует небольшая свобода действий в отношении изменений напряжения отдельных элементов, но она не может превышать допустимые пороговые значения.Важно отметить, что элементы с более низкой емкостью или более высоким внутренним импедансом имеют более высокое напряжение на них во время цикла зарядки и подвержены влиянию перезаряда, что приводит к ухудшению их емкости. Точно так же во время цикла разряда они испытывают более низкое напряжение на них, что приводит к неполному использованию общей емкости.

Важность балансировки ячеек

Неуравновешенность напряжений ячеек может возникать по разным причинам, и в большинстве случаев их трудно понять.Самый распространенный тип дисбаланса связан с разными SoC подключенных ячеек. Общая емкость ячеек изначально может быть разной, и при подключении это может привести к несбалансированности.

Изменения внутреннего импеданса — еще одна причина дисбаланса ячеек в основном во время цикла разряда и может привести к дисбалансу сопротивления. Дисбаланс в аккумуляторной батарее может привести к серьезным последствиям, и ее состав показан на Рисунке 2.

Рисунок 2. Состав аккумуляторной батареи. Изображение любезно предоставлено UFO Battery.

Элементы имеют тенденцию разрушаться раньше, чем их ожидаемый срок службы, из-за воздействия перенапряжения, которое является результатом дисбаланса напряжений элементов. Это ухудшение может быть связано с разбалансировкой SoC или даже с разбалансировкой в ​​результате различий в общей емкости.

Когда дефицит емкости превышает пороговый предел, напряжение элемента резко возрастает, что приводит к высокой скорости деградации, которая еще больше увеличивает напряжение элемента.Это создает серьезную угрозу безопасности из-за риска взрыва. Что касается химического состава аккумуляторов, литий-ионные аккумуляторы больше всего подвержены дисбалансу из-за их способности накапливать всю переданную энергию.

Дисбаланс в элементах может также привести к перезарядке элементов, что, в свою очередь, представляет серьезную угрозу безопасности. Перегрев батареи приводит к внутренним химическим реакциям компонентов с электролитом, а также может привести к тепловому уносу. Взрыв — это цепная реакция — одна неисправная ячейка может вывести из строя весь аккумулятор.

Если зарядка останавливается на уровне чуть меньше максимальной емкости, можно в основном предотвратить перегрев. Однако это приводит к снижению емкости. Тот же подход может быть применен и во время цикла разряда, но это может повлиять на общую продолжительность цикла. Для предотвращения возможного взрыва обычно используются схемы защиты от перенапряжения. Это сделано в целях безопасности и никоим образом не предотвращает ускоренную деградацию элемента.

Применение аккумуляторной батареи

Батарейные блоки используются в бесчисленных приложениях в нашей повседневной жизни, от мобильных телефонов до огромных автомобилей.Батарейный блок может состоять из любого количества отдельных батарей, организованных в последовательную или параллельную конфигурацию с целью обеспечения необходимой электроэнергии для устройств. Эмпирически установлено, что эффективное функционирование аккумуляторной батареи зависит от того, насколько оптимально сбалансированы отдельные элементы. Обычно в аккумуляторных батареях используются литий-ионные батареи, поскольку они обладают высокой удельной мощностью.

Аккумуляторы

составляют важную часть медицинских приложений, таких как ультразвуковые устройства, хирургические инструменты и широкий спектр портативных беспроводных медицинских устройств.В области робототехники аккумуляторные блоки чрезвычайно важны от использования в игрушках до беспилотных транспортных средств, от роботов-спасателей до автоматизированного оборудования в нескольких отраслях промышленности. Они незаменимы в системах связи, включая различные устройства беспроводной связи, оборудование для обеспечения безопасности и контроля безопасности.