Балансир для зарядки литиевых аккумуляторов
Скорей всего я бы не стал писать эту статью, если бы не одно обстоятельство. Несколько дней назад удалось придумать, как сделать очень хороший балансир на микросхеме TL431. Те, кто понимают, о чём речь, наверняка скажут – эка невидаль, да этих балансиров на TL431 – пруд пруди.
Не спорю – эти микросхемы для этих целей используются очень давно. Но, из-за свойственных им недостатков, целесообразность их применения всегда вызывала много вопросов. Нет ни малейшего желания приводить примеры уже существующих схем этих балансиров, и подробно рассматривать их недостатки.
Наверное, будет лучше, если я уделю больше времени, тому, что удалось сделать мне. Не покидают опасения, что что-то подобное уже было сделано до меня.
Но проводить глобальные исследования, нет, ни желания, ни времени, и если вдруг выяснится, что подобный балансир уже существует, то мне останется, лишь попросить прощения за свою неосведомлённость.
Прежде, чем описывать собственно балансир, необходимо вкратце пояснить его назначение.
Суть вот в чём – литиевые аккумуляторы, чаще всего, используются в виде последовательного соединённых отдельных секций. Это необходимо, чтобы получить необходимое выходное напряжение. Количество составляющих аккумулятор секций, колеблется в очень широких пределах – от нескольких единиц, до нескольких десятков. Есть два основных способа зарядки таких аккумуляторов.
Последовательный способ, когда зарядка осуществляется от одного источника питания, с напряжением, равным полному напряжению аккумулятора.
И параллельный способ, когда осуществляется независимая зарядка каждой секции от специального зарядного устройства, состоящего из большого количества гальванически не связанных друг с другом источников напряжения, и индивидуальных, для каждой секции, устройств контроля.
Наибольшее распространение, ввиду большей простоты, получил последовательный способ зарядки. Балансир, о котором идёт речь в статье, не используется в параллельных системах зарядки, поэтому параллельные системы зарядки в рамках данной статьи рассматриваться не будут.
При последовательном способе зарядки, одно из главных требований, которое необходимо обеспечить, следующее – напряжение ни на одной секции заряжаемого литиевого аккумулятора, при зарядке, не должно превысить определённой величины (величина этого порога зависит от типа литиевого элемента).
Обеспечить выполнение этого требования, при последовательной зарядке, не приняв специальных мер, невозможно…Причина очевидна – отдельные секции аккумулятора не идентичны, поэтому достижение максимально допустимого напряжения на каждой из секций при зарядке, происходит в разное время.
Складывается ситуация, когда мы обязаны зарядку прекратить, так как напряжение на части секций уже достигло максимально допустимого порога. В то же время, часть секций остаются недозаряженными.
Это плохо главным образом потому, что в итоге снижается общая ёмкость аккумулятора, так нам придётся прекратить разряд аккумулятора в тот момент, когда напряжение на самой «слабой» (недозаряженной) секции, достигнет своего минимально допустимого порога.
Чтобы не допустить повышение напряжения при зарядке, выше определённого порога, и служит балансир.
Его задача достаточно проста – следить за напряжением на отдельной секции, и, как только напряжение на ней при зарядке достигнет определенной величины, дать команду на включение силового ключа, который подключит параллельно заряжаемой секции балластный резистор.
При этом, если остаточный ток зарядки (а он, ближе к концу зарядки, уже достаточно мал, из-за малой разницы потенциалов между напряжением на заряжаемом аккумуляторе и напряжением на выходе зарядного устройства) будет меньше (или равен) тока протекающего через балластный резистор, то повышение напряжения на заряжаемой секции – прекратиться.
При этом зарядка остальных секций, напряжение на которых ещё не достигло максимально допустимых значений – продолжиться. Закончится процесс заряда тем, что сработают балансиры всех секций аккумулятора. Напряжение на всех секциях будет одинаковым, и равным тому порогу, на которые настроены балансиры.
Ток зарядки будет равен нулю, так как напряжение на аккумуляторе и напряжение на выходе зарядного устройства будут равны (нет разности потенциалов – нет тока зарядки). Будет протекать лишь ток через балластные резисторы. Его величина определяется величиной последовательно соединённых балластных резисторов и напряжением на выходе зарядного устройства.
Саму функцию контроля напряжения, легко смог бы выполнить любой компаратор, снабжённый опорным напряжением…Но компаратора у нас нет (точнее – он есть, но использовать его нам не удобно и не выгодно). У нас есть TL431. Но компаратор из неё, честно сказать – никакой.
Сравнивать напряжение с опорным она умеет очень хорошо, но вот выдать чёткую, однозначную команду на силовой ключ, она не может.
Вместо этого, при подходе к порогу, она плавно начинает загонять силовой ключ в активный (полуоткрытый) режим, ключ начинает сильно греться, и, в итоге, мы имеем не балансир, а полное дерьмо.
Вот именно эту проблему, которая не позволяла полноценно использовать TL431, удалось решить на днях. Ларчик просто открывался (но открывать его пришлось более двух лет) – надо было превратить TL431, в триггер Шмитта. Что и было сделано.
Получился идеальный балансир – точный, термостабильный, достаточно простой, с чёткой командой на силовой ключ.
И хотя этот балансир на TL431 немного сложнее сделанного ранее балансира на микросхеме KIA70XX, но зато и TL431, найти гораздо легче, и работает она точнее.
Ниже – две принципиальные схемы балансиров, рассчитанные для контроля порогов LiFePO4 и Li-ion аккумуляторов.
Превратить TL431 в триггер Шмитта, удалось добавив в схему p-n-p транзистор Т1 и резистор R5. Работает это так – делителем R3,R4 определяется порог контролируемого напряжения. В момент, когда напряжение на управляющем электроде достигает 2,5 Вольта, TL431 – открывается, открывается при этом и транзистор Т1.
При этом потенциал коллектора повышается, и часть этого напряжения через резистор R5 поступает в цепь управляющего электрода TL431. При этом TL431 лавинообразно входит в насыщение. Схема приобретает ярко выраженный гистерезис – включение происходит при 3,6 Вольт, а выключение – при 3,55 Вольт.
При этом в затворе силового ключа формируется управляющий импульс с очень крутыми фронтами, и попадание силового ключа в активный режим – исключено. В реальной схеме, при токе через балансировочный резистор равном 0,365 Ампер, падение напряжения на переходе сток-исток силового ключа составляет всего 5-6 мВ. При этом сам ключ, всегда остаётся холодным. Что, собственно, и требовалось.
Эту схему можно легко настроить для контроля любого напряжения (делителем R3,R4). Величина максимального тока балансировки определяется резистором R7 и напряжением на секции аккумулятора.
Коротко про точность. В реально собранном балансире на пять секций для аккумулятора LiFePO4, напряжения при балансировке уложились в диапазон 3,6-3.7 Вольт (максимально допустимое напряжение для LiFePO4 составляет 3,75 Вольт).
Резисторы при сборке использовались обычные (не прецизионные). На мой взгляд – очень хороший результат. Считаю, что добиваться большей точности при балансировке, никакого особого практического смысла – нет. Но для многих – это скорее вопрос религии, нежели физики.
И они вправе, и имеют возможность добиваться большей точности.
Рисунок ниже – плата отдельного балансира, и, для примера, плата балансира на шесть секций. Очевидно, что клонируя плату отдельного балансира, можно легко сделать плату балансира на любое количество секций и любых пропорций.
Вот таким зарядно-балансировочным устройством я теперь пользуюсь. Я использую блок питания, описанный в статье про инвертор с адаптивным ограничением тока. Но можно использовать и любой другой стабилизированный блок питания, доработав его шунтом.
Балансир выполнен в виде отдельной платы. Он подключается к балансировочному разъему аккумулятора во время зарядки.
Пара слов про комплектующие. TL431 и p-n-p биполярный транзистор (подойдёт практически любой) в корпусах SOT23, можно найти на материнских платах компьютеров.
Там же, можно найти и силовые ключи с “цифровыми” уровнями.
Я использовал CHM61A3PAPT (или можно – FDD8447L) в корпусах TO-252A – подходят идеально, хотя характеристики очень избыточны (на токи до 1А , можно найти и что-нибудь по-проще).
В современных устройствах контроля за литиевыми батареями, описанные выше функции возложены на микроконтроллер.Но это гораздо более сложные для повторения устройства, и их применение оправдано далеко не всегда. Думаю – совсем не плохо, когда есть выбор.
Так выглядит балансир “живьём”. За качество изготовления, вновь прошу прощения – из-за экономии времени, вновь рисовал плату обычным перманентным фломастером.
Источник: http://cxem.net/pitanie/5-295.php
Одновременная зарядка нескольких аккумуляторов
Источник: http://radioskot.ru/publ/zu/zarjadka_neskolkikh_akkumuljatorov/8-1-0-909
Балансир для li-ion аккумуляторов своими руками. Схема и описание
Иногда есть необходимость в зарядке Li-Ion аккумулятора, состоящего из нескольких последовательно соединенных ячеек.
В отличие от Ni-Cd аккумуляторов, для Li-Ion аккумуляторов необходима дополнительная система управления, которая будет следить за равномерностью их заряда.
Зарядка без такой системы рано или поздно приведет к повреждению элементов аккумулятора, и вся батарея будет неэффективна и даже опасна.
Балансировка – это режим заряда, который контролирует напряжение каждой отдельной ячейки в батареи аккумулятора и не допускает превышения напряжения на них выше установленного уровня. Если одна из ячеек зарядиться раньше остальных, балансир берет на себя избыточную энергию и переводит ее в тепло, не допуская превышения напряжения заряда конкретной ячейки.
Для Ni-Cd аккумуляторов нет необходимости в такой системе, поскольку каждый элемент батареи при достижении своего напряжения перестает принимать энергию. Признак заряда Ni-Cd – это увеличение напряжения до определенного значения, с последующим его снижением на несколько десятков мВ и повышением температуры, поскольку излишняя энергия переходит в тепло.
Перед зарядкой Ni-Cd должны быть разряжены полностью, в противном случае возникает эффект памяти, который приведет к заметному снижению емкости, и восстановить ее можно только путем нескольких полных циклов заряда/разряда.
С Li-Ion аккумуляторами все наоборот. Разрядка до слишком низких напряжений вызывает деградацию и необратимое повреждение с увеличением внутреннего сопротивления и уменьшением емкости.
Также зарядка полным циклом быстрее изнашивает аккумулятор, чем в режиме подзарядки.
Аккумулятор Li-Ion не проявляет симптомов заряда как у Ni-Cd, так что зарядное устройство не может обнаружить момент полного заряда.
Li-Ion как правило заряжают по методу CC/CV, то есть, на первом этапе заряда устанавливают постоянный ток, например, 0,5 С (половина от емкости: так для для аккумулятора емкостью 2000 мАч ток заряда составит 1000мА).
Далее при достижении конечного напряжения, которое предусмотрел производитель (например, 4,2 В), заряд продолжают стабильным напряжением. И когда ток заряда снизится до 10..30мА аккумулятор можно считать заряженным.
Если у нас батарея аккумуляторов (несколько аккумуляторов соединенных последовательно), то мы заряжаем, как правило, только через клеммы на обоих концах всего пакета. При этом мы не имеем никакой возможности контролировать уровень заряда отдельных звеньев.
Возможно, что будет так, что один из элементов будет иметь более высокое внутреннее сопротивление или чуть меньшую емкость (в результате износа аккумулятора), и он быстрее остальных достигнет напряжение заряда 4,2 В, в тоже время у остальных будет только по 4,1 В, и вся батарея не покажет полный заряд.
Когда напряжение батареи достигнет напряжение заряда, может оказаться так, что слабый элемент зарядиться до 4,3 В или даже больше.
С каждым таким циклом такой элемент будет все больше и больше изнашиваться, ухудшая свои параметры, до тех пор, пока это не приведет к выходу из строя всей батареи.
Мало того, химические процессы в Li-Ion нестабильны и при превышении напряжения заряда значительно повышается температура аккумулятора, что может привести к самовозгоранию.
Простой балансир для li-ion аккумуляторов
Что же тогда делать? Теоретически самый простой способ заключается в использовании стабилитрона, подключенного параллельно каждому элементу батареи. При достижении напряжения пробоя стабилитрона, он начнет проводить ток, не позволяя повышаться напряжению. К сожалению, стабилитрон на напряжение 4,2 В не так легко найти, а 4,3 В уже будет слишком много.
Выходом из данной ситуации может быть применение популярного регулируемого стабилитрона TL431. Правда в этом случае ток нагрузки не должен превышать более 100 мА, что очень мало для заряда. Поэтому ток необходимо усилить при помощи транзистора. Такая схема, подключенная параллельно к каждой ячейки, защитит ее от перезаряда.
Это слегка измененная типовая схема подключения TL431, в datasheet ее можно найти под названием „hi-current shunt regulator” (сильноточный регулятор шунта).
На резисторах R1 и R2 собран делитель напряжения. Их сопротивление таково, что при достижении напряжения заряда на аккумуляторе 4,2В на управляющем входе TL431 должно появиться 2,5 вольта.
При достижении напряжении на управляющем выводе TL431 2,5 вольт, регулируемый стабилитрон начнет проводить ток, открыв тем самым транзистор.
Транзистор зашунтирует цепь питания, и напряжение не будет подниматься более 4,2 вольт.
Так как через транзистор будет протекать большой ток, то следует выбрать мощный транзистор, у которого мощность рассеивания не ниже:
P = U*I,
где U – напряжение заряда, I – ток заряда.
Например, при токе заряда 0,5А транзистор должен иметь рассеиваемую мощность не менее 4,2В*0,5А = 2,1Вт. Так же желательно установить его на теплоотвод.
Ниже приведен список сопротивлений резисторов R1 и R2 на разное напряжение заряда:
R1 + R2 => U
22к + 33к => 4,166 В
15к + 22к => 4,204 В
47к + 68к => 4,227 В
27к + 39к => 4,230 В
39K + 56к => 4,241 В
33к + 47к => 4,255 В
Резистор R3 – нагрузочное сопротивление базы транзистора. Его сопротивление может быть 470Ом…1кОм.
Источник
Источник: http://www.joyta.ru/10092-balansir-dlya-li-ion-akkumulyatorov-svoimi-rukami-sxema-i-opisanie/
LTO аккумуляторы — балансировка и защита
Три дня (и три ночи) читаю про разные техники балансировки отдельных ячеек аккумуляторных батарей разной химии, вольтажа, ёмкости. О сколько мне открытий чудных в связи с этим чтением явилось!
Зачем балансир?
Долго эксплуатируя батарею, важно следить чтобы все «банки» последовательной сборки обладали одним (схожим) напряжением.
Скажем, имеем сборку из двух аккумуляторов. Чтобы поднять напряжение сборки, их соединили последовательно, то есть так: (-+) — (-+). Подаём на крайние — и + сборки напряжение заряда и вот беда. Одна банка заряжается быстрее, вторая наоборот, отстаёт.
Зарядка, которая не знает что творится внутри сборки, просто выставляет 2х нужное напряжение. И получается, например на убежавшей вперёд банке +10% напряжения, а на подоотставшей напротив -10%. Это значит, что первая банка помрёт от перезаряда быстрее.
Печаль ещё в том, что чем дальше банка при смерти, тем быстрее она будет обгонять соседей. Положительная обратная связь.
При разряде та же картина. И даже если есть отключение нагрузки по предельному напряжению сборки, то та банка что просела ниже всех (всё та же умирающая), просядет ниже критического минимума и будет всё мертвее с каждым разрядом. Жесть, фильм ужасов, неприятность. Банки надо срочно балансировать!
В сборке из двух аккумуляторов всё звучит плохо, но на сколько неприятно происходящее внутри неконтроллируемой и небалансируемой сборки из 12 ячеек? У меня дома как раз такая сборка свинцово-кислотных АКБ на 24В. Или чуть поменьше, другая сборка — там 5 ячеек литий-титанатных аккумуляторов.
Оказалось, что грубо есть два типа балансиров, кто б сомневался. Один глупый, но мощный (пассивный). Второй умный и слабый (активный).
Пассивный балансир
Работает только при зарядке. Представим подована Сергея, который сидит с двумя вольтметрами над нашей сборке из двух аккумуляторов. Он смотрит на вольтметры и, если вдруг какой-то покажет цифру выше некоей пороговой (для моих LTO аккумов это 2.75 В), то Сергей балансир подключает в параллель к банке сопротивление. Ну, например, лампочку. Как в этой схеме:
(по клику на картинку — ссылка на первоисточник)
На этой картинке 4 одинаковых устройства. Настройка напряжения, когда загорится лампочка в этом случае подстроечниками поканально. То есть берём лабораторный БП, подаём на вход желаемое напряжение. крутим резюк до момента включения лампочки. Идём на второй, третьй .. двадцать третий канал, делаем то же.
Конечно же, так же распространены схемы балансиров без подстройки — под заранее придуманный порог напряжений (под разную химию аккумуляторов разное и напряжение).
Косяки схемы для меня теперь очевидны. Балансир греется, тратит энергию. Он не сможет подровнять ячейки в режиме хранения и разряда, не сможет сделать это и в режиме не полного заряда. В общем, грусть-печаль. Но дёшево. И, что порой важно, ток балансировки может быть на порядок больше чем у активных!
+ дёшево; + большой ток;
— работает только снимая лишний перезаряд.
Источник: http://astro.milantiev.com/2017/12/25/lto-balance-bms/
Компактная зарядка/балансир для лития Li-po 2S/3S – ImaxRC B3 PRO. Счастье так близко..
Подписка
- Магазины Китая
- BANGGOOD.COM
- Зарядные устройства
Понадобилась зарядка для 3х баночной литиевой батареи и дабы не покупать класический iMax B6, я заглянул в бенгуд посмотреть какая есть альтернатива. Оказалось альтернатив много и сравнивая возможности зарядки и своего кошелька выбор пал на сабж.
Заказ был оплачен, на следующий день отправлен(спасибо магазину!) и началось томное ожидание. Каков результат и вывод — прошу под кат.
Спустя месяц посылка была получена. Упаковка стандартная для бенга: черный полиэтиленовый пакет, товар завернут в вспененный полиэтилен. Коробка немного пострадала но не смертельно. Внутренности уцелели.
В комплекте: коробка, зарядка, инструкция на английском, кабель. Кабель короткий с американской вилкой — улетел в мусор. На замену используется кабель от переносного магнитофона.Зарядка — это такая себе коробкочка 88х55х30мм, пластик черный, качество нормальное.
На лицевой стороне расположены 3 двухцветных (красный/зеленый) светодиода отображающие статус банки. Зеленый — заряжено, красный — заряжается. Светодиод отсутствующей банки горит зеленым.
То есть при включении зарядки без батареи все лампочки горят зеленым. Немного странный алгоритм.
Электрические параметры обещанные производителем: Напряжение питания: 110-220В Мощность: 20Вт Исходящий ток(ток нагрузки): 1600мА, на корпусе указано 3х700мА. Вес: 100г — по факту меньше.
Инструкция
Перейдем к вскрытию. Корпус открывается легко — 4 самореза. Как видно саморезы не подбирали или корпус изготовлен не верно — все стойки, в которые вкручены саморезы, лопнули.
Фото
Плата на вид достаточно качественная, монтаж тоже.
Еще фото
С обратной стороны флюс смыт но не окончательно, так же присутствуют «сопли» термоклея которыми зафиксированы стойки светодиодов.
Еще фото
Блок питания выполнен на популярном чипе DK112, а зарядная часть выполнена на еще более популярном 🙂 чипе TP4056, которым все знают по компактной плате зарядки Li-po батарей. По одному TP4056 на канал. Токозадающий резистор — 1.5 кОм, что по спецификации соответствует максимальному току заряда 780 мА. Впервые вижу что бы китайцы занижали параметры устройства )))Кстати, ток заряда на банку можно регулировать изменив сопротивление резистора. Это на тот случай если не нужен такой большой ток заряда, а зарядка эта есть или подходит по каким то другим причинам. 780 мА — это не мальнький ток, а если еще его утроить, то нагрев должен быть приличный. Так и есть — при зарядке коробка греется но не горячая, скорее всего потому что чипы находятся далеко от корпуса. По-хорошему на чипы надо бы наклеить радиатор но пока нет ничего подходящего. Посмотрим насколько долго хватит ресурсов TP4056 — в отзывах на бенге есть один о горевшем канале. Благо сами чипы TP4056 стоят десяток на доллар так что можно их легко менять.
Зарядка батареи
К зарядному была подключен батарея 2S (4500х2) с зарядом примерно 70%.Зарядка ее аккуратно зарядила, слачала погас один светодиод, потом второй.Итог: одна банка 4.17В, вторая — 4.2В. Хороший результат.
Еще фото
Для сравнения замер батареи пищалкой и мультиметром.
Позже была заряжена батарея 2S (300х2) и на одной банке так же был недозаряд: 4.16/4.20В. Причина в чипах TP4056, толи китайские допуски, толи отбраковка… При желании можно заменить TP4056 которая недозаряжает дабы получить идеальную зарядку. Какой максимальный ток отдает зарядка при заряде батареи 3S и вытягивает ли встроенный БП пока неизвестно, так как нет такой батареи под рукой, да и как ток мерять по трем каналам, можно конечно померять общий ток после выхода бп, но в следующий раз. В общем подведем итоги.
Плюсы: имеет встроенный блок питания, умеет балансировать заряд между банками, хорошая цена.
Минусы: слабо реализована система охлаждения зарядной части ( желательно установить радиаторы на TP4056, просверлить дополнительные отверстия в корпусе для лучшей вентиляции), короткий кабель с плоской вилкой, не идеальный конечный результат заряда(хотя возможно это мои придирки).
Выводы: зарядное мне понравилось и имеет право на существование. Если у вас нет надобности в мультизарядке и есть к примеру только один прибор с многобаночной батареей, то данное зарядное устройство будет хорошим выбором для использования его вблизи розетки.
При наличии желания и прямых рук зарядку можно модернизировать для получения более точного напряжения заряда. Планирую купить +20 Добавить в избранное Обзор понравился +21 +34
Источник: https://pluspda.ru/blog/china-stores/44765.html
(нет голосов)
Загрузка...
detector