Каковы методы балансировки литиевых аккумуляторов? – Новости
Применение литиевых аккумуляторных батарей на рынке и в различных областях не редкость, принося много преимуществ для нашей жизни, промышленности и т.д. Конечно, наиболее важным звеном в процессе зарядки и разряжа литиевых аккумуляторов является балансовая связь, потому что необходимо обеспечить, чтобы выход литиевой батареи и выход были разумными для каждой ячейки. В настоящее время двумя наиболее распространенными методами балансировки литиевых аккумуляторов являются балансировка энергопотребления и балансировка передачи энергии.
Литий-батарейка энергопотребления уравнить, как следует из названия, заключается в использовании резисторов для слива избыточной энергии из определенного высоковольтного аккумулятора в литий-батарейном аккумуляторе. Стоимость этого метода балансировки относительно низка, а конструкция относительно проста. Он может играть определенную роль, когда напряжение между одной литиевой батареи в литиевой батарее не может достичь того же уровня, но относительно, этот метод также является более сбалансированным. Он склонен к отказу, и температура, испускаемая литиевой батареей выше, когда она сбалансирована. И есть одна вещь, потому что емкость каждой отдельной ячейки в литиевой батарее не то же самое, поэтому каждый раз, когда вы заряжаее, батарея с меньшей емкостью быстро достигнет насыщения. Поскольку батарея с большей емкостью все еще заряжается, емкость меньших литиевых батарей будет сбалансирована, и мощность будет потребляться в форме, похожей на количество разряда, и цикл будет продолжаться до тех пор, пока аккумулятор большой емкости не будет насыщен, так что вы можете себе представить, что общая производительность батареи меньшей емкости будет значительно снижена с течением времени , Это та же причина, как ухудшение производительности нашего мобильного телефона батареи в течение длительного времени.
Поэтому баланс энергопотребления литиевых аккумуляторов имеет большие недостатки.
Равновесие передачи энергии литиевого аккумулятора также хорошо понимается, то есть, чем выше энергия литиевой батареи в батарее передается в нижней энергии литиевой батареи. Этот вид уравнивания действительно очень практично на первый взгляд, но в реальных ситуациях, текущий тип передачи энергии уравнивания не очень совершенен, потому что этот способ уравнивания не передает энергию, обнаруживая напряжение одной ячейки, но передает энергию через емкость батареи. Когда энергетическая батарея передает энергию, потому что ток уравнивки и ток зарядки фиксируются и неуправляемы, во время передачи, батарея низкой емкости может достигать завышенной стоимости, и доска защиты от литий-батарей будет работать, чтобы остановить зарядку, то весь цикл, следовательно, закончится.
Особенности последовательного и параллельного подключения литиевых аккумуляторов
Для получения аккумуляторной батареи с заданными значениями емкости и напряжения аккумуляторы соединяются по определенной схеме – последовательно, параллельно или последовательно-параллельно. Для увеличения вольтажа сборки элементы питания соединяются последовательно, а для набора нужной емкости и суммирования силы тока ячеек – параллельно.
Количество последовательных соединений в сборке указывается числом возле буквы S (от английского слова series), а количество параллельных соединений – числом возле буквы Р (от слова parallel). Например, если АКБ собрана по схеме 12S14P, то она состоит из 12 последовательных и 14 параллельных соединений.
Особенности последовательного подключения литиевых аккумуляторов
Для последовательной сборки нужно брать элементы одного типа и равных размеров, с идентичными величинами емкости и напряжения, желательно – с совпадающими датами выпуска и номерами моделей. Если в сборке окажется «слабое звено», оно приведет к дисбалансу батареи. Но проблемный элемент питания может проявить себя не сразу.
Поэтому нужно раз в полугодие измерять напряжение на каждом элементе системы и при выявлении дисбаланса выполнять балансировку:
- если разброс по напряжению не превышает 0,1 В, это отлично, но в целях профилактики рекомендуется 1 раз в полугодие делать выравнивающий заряд;
- если разброс превышает 0,1 В, рекомендуется выполнить балансировку;
- если разброс превышает 0,2 В, балансировка обязательна.
Балансировка аккумуляторов
Эта процедура не допускает избыточного заряда одних элементов и недостаточной зарядки других. Такой дисбаланс приводит к преждевременному износу аккумуляторов, а балансировка не допускает этого. Для автоматического выравнивания заряда на ячейках используются специальные устройства – балансиры.
Простейший метод балансировки – провести цикл выравнивающего заряда при увеличенном зарядном напряжении на протяжении суток. Напряжение выравнивающего заряда берется около 2,4 В на ячейку вольтажом 2 В, 14,4 В – на аккумулятор 12 В, 28,8 В – на батарею 24 В и т.д. Точные значения напряжения выравнивающего заряда для конкретной батареи следует уточнить у производителя.
Альтернативный вариант балансировки (если 1 метод не помогает) – выравнивающая зарядка АКБ по отдельности с использованием зарядного устройства и сети 220 В. Если после этого разбалансировка составит более 0,1 В, необходимо повторно зарядить батарею с меньшим напряжением.
Особенности параллельного подключения Li-Ion батарей
Для параллельного соединения желательно брать аккумуляторы равной емкости и идентичной модели. И хотя требования в этом случае менее строгие, различия в характеристиках аккумуляторов провоцируют неравномерное распределение зарядных токов и снижение ресурса батареи.
При параллельном подключении Li-Ion аккумуляторов или батарей необходимо правильно подключать нагрузку «по диагонали» и использовать перемычки равной длины. Это необходимо для балансировки токов заряда-разряда каждого элемента и увеличения ресурса батареи.
Комбинированное соединение
При последовательно-параллельном соединении элементов учитываются рекомендации по обоим способам подключения. Литий-ионные аккумуляторы отлично подходят для создания батарей с любыми характеристиками, но нужно строго контролировать напряжение и силу тока каждого элемента. Для этого используются специальные платы защиты и мониторинга элементов – BMS.
Контроллер для li ion аккумуляторов с балансировкой. Балансировочное зарядное устройство для Li-ion. Упрощённая схема балансира для АКБ
Обычно в любой системе, состоящей из нескольких последовательно включенных батарей, возникает проблема разбалансировки заряда отдельных батарей. Выравнивание заряда – это метод проектирования, позволяющий увеличить безопасность эксплуатации батарей, время работы без подзарядки и срок службы.Новейшие микросхемы защиты батарей и указатели заряда компании Texas Instruments – BQ2084, семейства BQ20ZXX, BQ77PL900 и BQ78PL114, представленные в производственной линейке компании, – необходимы для реализации этого метода.
ЧТО ТАКОЕ РАЗБАЛАНСИРОВКА БАТАРЕЙ?
Перегрев или перезаряд ускоряют износ батареи и могут вызвать воспламенение или даже взрыв. Программно-аппаратные средства защиты уменьшают опасность. В блоке из многих батарей, включенных последовательно (обычно такие блоки применяются в лаптопах и медицинском оборудовании) существует возможность разбалансировки батарей, что ведет к их медленной, но неуклонной деградации.
Не существует двух одинаковых батарей, всегда есть небольшие отличия в состоянии заряда батарей (СЗБ), саморазряда, емкости, сопротивлении и температурных характеристиках, даже если речь идет о батареях одинаковых типов, от одного производителя и даже из одной производственной партии. При формировании блока из нескольких батарей производитель обычно подбирает схожие по СЗБ батареи посредством сравнения напряжений на них. Однако отличия в параметрах отдельных батарей все равно остаются, а со временем могут и возрасти. Большинство зарядных устройств определяет полный заряд по суммарному напряжению всей цепочки последовательно включенных батарей. Поэтому напряжение заряда отдельных батарей может варьироваться в широких пределах, но не превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда. Однако в слабом звене – батарее с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением напряжение может быть выше, чем на остальных полностью заряженных батареях. Дефектность такой батареи проявится позже при длительном цикле разряда. Высокое напряжение такой батареи после завершения заряда свидетельствует об ее ускоренной деградации. При разряде по тем же причинам (большое внутренне сопротивление и малая емкость) на этой батарее будет наименьшее напряжение. Сказанное означает, что при заряде на слабой батарее может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные батареи блока еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов батарей.
МЕТОДЫ БАЛАНСИРОВКИ
Разбалансировка батарей оказывает существенное нежелательное воздействие на время работы без подзарядки и срок службы. Выравнивание напряжения и СЗБ батарей лучше всего производить при их полном заряде. Существуют два метода балансировки батарей – активный и пассивный. Последний иногда называют «резисторной балансировкой». Пассивный метод довольно прост: разряд батарей, нуждающихся в балансировке, производят через байпасные цепи, рассеивающие мощность. Эти байпасные цепочки могут быть интегрированы в батарейный блок или помещаться во внешней микросхеме. Такой метод предпочтительно использовать в недорогих приложениях. Практически вся избыточная энергия от батарей с большим зарядом рассеивается в виде тепла – это главный недостаток пассивного метода, т.к. он сокращает время работы батарей без подзарядки. В активном методе балансировки для передачи энергии от батарей с большим зарядом к менее заряженным батареям используются индуктивности или емкости, потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод существенно более эффективен, нежели пассивный. Конечно, за повышение эффективности приходится платить – использовать дополнительные относительно дорогостоящие компоненты.
ПАССИВНЫЙ МЕТОД БАЛАНСИРОВКИ
Наиболее простое решение – выравнивание напряжения батарей. Например, микросхема BQ77PL900, обеспечивающая защиту батарейных блоков с 5-10 последовательно включенными батареями, используется в инструментах без токопроводящего кабеля, скутерах, бесперебойных источниках питания и медицинском оборудовании. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком, как показано на рисунке 1. Сравнивая напряжение батарей с запрограммированными порогами, микросхема при необходимости включает режим балансировки. На рисунке 2 показан принцип действия. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, заряд прекращается, подключаются байпасные цепочки. Заряд не возобновляется до тех пор, пока напряжение батареи ни снизится ниже порогового и процедура балансировки прекратится.
Рис. 1. Микросхема BQ77PL900, используемая в автономном
режиме работы для защиты блока батарей
При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего импеданса батарей (см. рис. 3). Дело в том, что внутренний импеданс вносит свой вклад в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызвана разбалансировка напряжений: разной емкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся на 100% заряженными. В микросхеме указателя заряда BQ2084 используется улучшенная версия балансировки, основанная на изменении напряжения. Чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика. Другое преимущество BQ2084 – измерение и анализ напряжения всех батарей, входящих в блок. Однако в любом случае этот метод применим лишь в режиме зарядки.
Рис. 2. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению
Рис. 3. Пассивный метод балансировки по напряжению
неэффективно использует емкость батарей
Микросхемы семейства BQ20ZXX, используют для определения уровня заряда фирменную технологию Impedance Track, базирующуюся на определении СЗБ и емкости батареи. В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд Q NEED , необходимый для достижения полностью заряженного состояния, после чего находится разница ΔQ между Q NEED всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, через которые происходит балансировка батареи до состояния ΔQ = 0. Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время: и при зарядке, и при разрядке батарей. При использовании технологии Impedance Track достигается более точная балансировка батарей (см. рис. 4).
Рис. 4.
АКТИВНАЯ БАЛАНСИРОВКА
По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. для передачи энергии от более заряженной батареи к менее заряженной вместо резисторов используются индуктивности и емкости, потери энергии в которых практически отсутствуют. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы без подзарядки.
Микросхема BQ78PL114, произведенная по фирменной технологии PowerPump, представляет собой новейший компонент компании TI для активной балансировки батарей и использует индуктивный преобразователь для передачи энергии. PowerPump использует n-канальный p-канальный MOSFET и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на рисунке 5. MOSFET и дроссель составляют промежуточный понижающий/повышающий преобразователь. Если BQ78PL114 определяет, что верхней батарее нужно передать энергию в нижнюю, на выводе PS3 формируется сигнал частотой около 200 кГц с коэффициентом заполнения около 30%. Когда ключ Q1 открыт, энергия из верхней батареи запасается в дросселе. Когда ключ Q1 закрывается, энергия, запасенная в дросселе, через обратный диод ключа Q2 поступает в нижнюю батарею.
Рис. 5.
Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе. Микросхема BQ78PL114 реализует три алгоритма балансировки:
- по напряжению на выводах батареи. Этот метод похож на пассивный метод балансировки, описанный выше;
- по напряжению холостого хода. В этом методе компенсируется различие во внутренних сопротивлениях батарей;
- по СЗБ (основан на прогнозировании состояния батареи). Метод схож с тем, который использован в семействе микросхем BQ20ZXX при пассивной балансировке по СЗБ и емкости батареи. В этом случае точно определяется заряд, который необходимо передать от одной батареи к другой. Балансировка происходит в конце заряда. При использовании этого метода достигается наилучший результат (см. рис. 6)
Рис. 6.
Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с внутренними байпасными ключами. В случае балансировки батарейного блока ноутбука токи балансировки составляют 25…50 мА. Подбирая значение компонентов можно достичь эффективности балансировки в 12-20 раз лучшей, чем при пассивном методе с внутренними ключами. Типичного значения разбалансировки (менее чем 5%) можно достичь за один или два цикла.
Кроме того, технология PowerPump имеет и другие очевидные преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы – заряд, разряд и даже тогда, когда батарея, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем батарея, получающая энергию. По сравнению с пассивным методом теряется гораздо меньше энергии.
ОБСУЖДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО МЕТОДА БАЛАНСИРОВКИ
Технология PowerPump быстрее производит балансировку. При разбалансировке 2% батарей емкостью 2200 мА·ч она может быть произведена за один или два цикла. При пассивной балансировке встроенные в батарейный блок силовые ключи ограничивают максимальное значение тока, поэтому может потребоваться много больше циклов балансировки. Процесс балансировки может быть даже прерван при большой разнице параметров батарей.
Увеличить скорость пассивной балансировки можно за счет использования внешних компонентов. На рисунке 7 приведен типичный пример такого решения, которое можно использовать совместно с микросхемами BQ77PL900, BQ2084 или семейства BQ20ZXX. Вначале включается внутренний ключ батареи, который создает небольшой ток смещения, протекающий через резисторы R Ext1 и R Ext2 , включенные между выводами батареи и микросхемой. Напряжение «затвор-исток» на резисторе RExt2 включает внешний ключ, и ток балансировки начинает протекать через открытый внешний ключ и резистор R Bal .
Рис. 7. Принципиальная схема пассивной балансировки
с использованием внешних компонентов
Недостаток этого метода заключается в том, что одновременно не может происходить балансировка смежной батареи (см. рис. 8а). Это происходит из-за того, что когда открыт внутренний ключ смежной батареи, через резистор R Ext2 не может протекать ток. Поэтому ключ Q1 остается закрытым даже тогда, когда открыт внутренний ключ. На практике эта проблема не имеет большого значения, т.к. при таком способе балансировки батарея, подключенная к Q2 быстро балансируется, а следом за ней балансируется и батарея, подключенная к ключу Q2.
Другая проблема заключается в возникновении высокого напряжения сток-исток V DS , которое может возникнуть когда балансируется каждая вторая батарея. На рисунке 8б показан случай, когда балансируются верхняя и нижняя батареи. При этом напряжение V DS среднего ключа может превысить максимально допустимое. Решение этой проблемы – ограничение максимального значения резистора R Ext или исключение возможности одновременной балансировки каждой второй батареи.
Метод быстрой балансировки – новый путь улучшения безопасности эксплуатации батарей. При пассивной балансировке цель заключается в том, чтобы сбалансировать емкость батарей, но из-за малых токов балансировки это возможно лишь в конце цикла заряда. Другими словами, перезаряд плохой батареи может быть предотвращен, но это не увеличит время непрерывной работы без подзаряда, т.к. слишком много энергии будет потеряно в байпасных резистивных цепочках.
При использовании технологии активной балансировки PowerPump одновременно достигаются две цели – балансировка емкости в конце цикла заряда и минимальное различие напряжений в конце цикла разряда. Энергия запасается и отдается слабой батарее, а не рассеивается в виде тепла в байпасных цепях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Корректная балансировка напряжения батарей – один из путей увеличения безопасности эксплуатации батарей и увеличения срока их службы. Новые технологии балансировки отслеживают состояние каждой батареи, что позволяет увеличить срок их службы и повысить безопасность эксплуатации. Технология быстрой активной балансировки PowerPump увеличивает время работы без подзарядки, а также позволяет максимально и с высокой эффективностью сбалансировать батареи в конце цикла разряда.
Особенности:
–Балансир
–
–Контроль по току
–
Описание выводов :
| Режим 4S: | Режим 3S: |
| ” B- ” – общий минус батареи ” B1 ” – +3,7В ” B2 ” – +7,4В ” B3 ” – +11,1В ” B+ ” – общий плюс батареи | ” B- ” – общий минус батареи ” B1 ” – закоротить на “B-” ” B2 ” – +3,7В ” B3 ” – +7,4В ” B+ ” – общий плюс батареи ” P- ” – минус нагрузки (зарядного устройства) ” P+ ” – плюс нагрузки (зарядного устройства) |
“>
Особенности:
–Балансир : Плата контроля HCX-D119 для 3S/4S Li-Ion батареи имеет встроенную функцию балансира. При этом, в процессе заряда батареи, напряжение на кажой из ячеек выравнивается до значения 4,2В.
Для того, чтобы воспользоваться функцией выравнивания напряжения вам необходимо выдержать батарею под напряжением 12,6/16,8В не менее 60 – 120 мин после окончания активной фазы зарядки батареи. Для работы балансира важно, чтобы напряжение было не выше 12,6 / 16,8В: при превышении этих напряжений контроллер встанет в состоянии защиты и балансировка аккумуляторов производиться не будет
–Контроль напряжения на каждой из ячеек : При выходе напряжения на какой-либо из ячеек за пороговые значения вся батарея автоматически отключается.
–Контроль по току : При превышении током нагрузки пороговых значений вся батарея автоматически отключается.
– Возможность работы c батареями 3S (3 последовательных аккумулятора) Контроллер HCX-D119 имеет 100% совместимость с Li-Ion батареями 3S (11,1В). Для переключения контроллера в режим 3S необходимо перемкнуть контакты R8, а резистор R7 переместить на R11 (R7, при этом, остается разорванным) и площадку “B1” замкнуть на площадку “B-“
Описание выводов :
| Режим 4S: | Режим 3S: |
| ” B- ” – общий минус батареи ” B1 ” – +3,7В ” B2 ” – +7,4В ” B3 ” – +11,1В ” B+ ” – общий плюс батареи ” P- ” – минус нагрузки (зарядного устройства) ” P+ ” – плюс нагрузки (зарядного устройства) | ” B- ” – общий минус батареи ” B1 ” – закоротить на “B-” ” B2 ” – +3,7В ” B3 ” – +7,4В ” B+ ” – общий плюс батареи ” P- ” – минус нагрузки (зарядного устройства) ” P+ ” – плюс нагрузки (зарядного устройства) |
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 . 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).
Общим свойством всех литиевых аккумуляторов является нетерпимость к перезаряду и глубокой посадке напряжения. Есть около 10 разновидностей литий-ионных и полимерных аккумуляторов с использованием разных составов активных составляющих. Все они отличаются рабочим диапазоном по напряжению, но требовательны к соблюдению границ. Платы – это электрические схемы, внедренные в цепь для поддержания нужных параметров, отключения литиевых аккумулятора в случаях его неисправности. Для зарядки, балансировки, контроля разряда и защиты литиевых аккумуляторов составляются отдельные или совмещенные платы, которые выполняются на твердой подложке.
Зачем нужен балансир при зарядке батареи? При последовательном соединении нескольких банок напряжение суммируется, и емкость батареи будет равна самой низкой, из всех элементов.
Чтобы не допустить перезаряда «ленивой» банки, ее нужно отключить от питания, как только на ней будет достигнуто зарядное напряжение. Это позволит другим элементам продолжить зарядку. Для выполнения контроля за равномерным зарядом служит балансир. Он должен быть включен в цепь с последовательным соединением элементов. Для параллельного соединения балансир не нужен, там уровень заряда распределяется равномерно, как в сообщающихся сосудах.
Плата балансира может быть выполнена отдельно или входить в общий защитный контур MBS для литиевых аккумуляторов. Называется сборка балансировочным шлейфом.
Целью внедрения схемы является недопущение перезаряда отдельных элементов. Если используется один и защищенный аккумулятор, в нем предусмотрен блок от перезаряда.
Плата защиты литиевого аккумулятора
Литиевые аккумуляторы при перезарядке, нагревании могут загореться или взорваться. При проседании напряжения возникают трудности с зарядкой. Каждый случай нарушения режима ведет к безвозвратной потере емкости банки. Поэтому любая сборка из литиевых аккумуляторов содержит защитную плату.
Если используются незащищенные элементы, контроллер заряда-разряда устанавливается непременно. РСВ-плата предусмотрена, как обязательный элемент во всех аккумуляторов для бытовых приборов.
РСВ –платы и РСМ-модули не являются контроллерами, они не регулируют ток и напряжение. Их задача – разорвать цепь, если случилось короткое замыкание, перегрев. Модули допускают разряд до 2,5 В, что опасно. Все модули защиты китайские, продукция выпускается миллионами и вряд ли тестируется каждая микросхема. Это не полноценная защита, аварийная.
Для защиты используют платы заряда и защиты MBS, подбираемые по удвоенной токовой нагрузке, со встроенным балансиром. Платы зарядки и защиты литиевых аккумуляторов представляют контроллеры, которые обеспечивают 2 этапа процесса и обеспечивают нужные параметры. Непременным условием второго этапа зарядки является отключение питания при достижении максимального рабочего напряжения литиевого аккумулятора.
Схемы плат защиты литиевого аккумулятора
Все литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы и собранные батареи должны иметь защиту. Чтобы провести зарядку в 2 этапа, необходимо обеспечить последовательно режим постоянного тока, постоянного напряжения. Используются в сборке РСМ или MBS платы.
Собрать самостоятельно или купить готовые платы для подключения, выбирать вам. Для зарядки литиевых аккумуляторов специалисты используют китайские изделия. Их заказывают на AliExpress, с бесплатной доставкой.
LM 317
Простое зарядное устройство, стабилизатор тока.
Настройка заключается в создании напряжения 4,2 В подстройкой резисторов R4, R6. Сопротивление R8 является подстроечным сопротивлением. Погасший светодиод известит об окончании процесса. Недостатком этого устройства считают невозможность запитки от порта USB. Высокое напряжение питания 8-12 В, условие работы этого ЗУ.
ТР4056
Специалисты предлагают, для зарядки литиевого аккумулятора воспользоваться китайской платой ТП4056, с защитой от переплюсовки батарей или без. Купить ее можно на АлиЭкспресс, стоимость единицы обходится примерно в 30 центов.
Максимальный ток в 1 А регулируется заменой резистора R3. Напряжение 5 А, имеется индикатор зарядки.
Этапы контроля:
- постоянно, напряжение на аккумуляторе;
- предзарядка, если на клеммах меньше 2,9В;
- максимальный постоянный ток 1 А, при замене резистора, увеличении сопротивления, ток падает;
- при напряжении 4,2 В начинается плавное снижение зарядного тока при постоянном напряжении;
- При токе 0,1С зарядка отключается.
Специалисты советуют покупать плату с защитой или выведенным контактом для температурного датчика.
NCP 1835
Зарядная плата обеспечивает высокую стабильность зарядного напряжения при миниатюрном размере платы – 3х3 мм. Этим устройством обеспечивается зарядка литиевых аккумуляторов всех видов и размеров.
Особенности:
- малое количество элементов;
- заряжает сильно разряженные аккумуляторы током около 30 мА;
- детектирует незаряжаемые батарейки, подает сигнал;
- можно задать время заряда от 6 до 748 минут.
Видео
Посмотрите на видео полный обзор платы заряда ТП4056
Сейчас всё большую популярность набирают литиевые аккумуляторы. Особенно пальчиковые, типа 18650 , на 3,7 В 3000 мА. Ни сколько не сомневаюсь, что ещё 3-5 лет, и они полностью вытеснят никель-кадмиевые. Правда остаётся открытым вопрос про их зарядку. Если со старыми АКБ всё понятно – собирай в батарею и через резистор к любому подходящему блоку питания, то тут такой фокус не проходит. Но как же тогда зарядить сразу несколько штук, не используя дорогие фирменные балансировочные ЗУ?
Теория
Для последовательного соединения аккумуляторов, обычно к плюсу электрической схемы подключают положительную клемму первого последовательное соединение аккумуляторов аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к минусу блока. Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Значит если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.
Энергия, накопленная в АКБ, равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы – параллельно или последовательно.
Литий-ионные батареи просто подключить к БП нельзя – нужно выравнивание зарядных токов на каждом элементе (банке). Балансировку проводят при зарядке аккумулятора, когда энергии много и её можно сильно не экономить и поэтому без особых потерь можно воспользоваться пассивным рассеиванием “лишнего” электричества.
Никель-кадмиевые АКБ не требуют дополнительных систем, поскольку каждое звено при достижении его максимального напряжения заряда перестает принимать энергию. Признаки полного заряда Ni-Cd – это увеличение напряжения до определенного значения, а затем его падение на несколько десятков милливольт, и повышение температуры – так что лишняя энергия сразу превращается в тепло.
У литиевых аккумуляторов наоборот. Разрядка до низких напряжений вызывает деградацию химии и необратимое повреждение элемнта, с ростом внутреннего сопротивления. В общем они не защищены от перезаряда, и можно потратить много лишней энергии, резко сокращая тем самым время их службы.
Если соединить несколько литиевых элементов в ряд и запитать через зажимы на обоих концах блока, то мы не можем контролировать заряд отдельных элементов. Достаточно того, что одно из них будет иметь несколько более высокое сопротивление или чуть меньшую емкость, и это звено гораздо быстрее достигнет напряжения заряда 4,2 В, в то время как остальные будут еще иметь 4,1 В. И когда напряжение всего пакета достигнет напряжение заряда, может оказаться, что эти слабые звенья заряжены до 4,3 Вольт или даже больше. С каждым таким циклом будет происходить ухудшение параметров. К тому же Li-Ion является неустойчивым и при перегрузке может достичь высокой температуры, а, следовательно, взорваться.
Чаще всего на выходе источника зарядного напряжения ставится устройство, называемое “балансиром”. Простейший тип балансира – это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке Li-Ion с пороговым значением 4,20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно элементу, пропускающий через себя большую часть тока заряда и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.
Упрощённая схема балансира для АКБ
Вот упрощённая схема балансира тока на базе TL431. Резисторы R1 и R2 устанавливают напряжение 4,20 Вольт, или можно выбрать другие, в зависимости от типа батареи. Эталонное напряжение для регулятора снимается с транзистора, и уже на границе 4,20 В система начнет приоткрывать транзистор, чтобы не допустить превышения заданного напряжения. Минимальное увеличение напряжения вызовет очень быстрый рост тока транзистора. Во время тестов, уже при 4,22 В (превышение на 20 мВ), ток составил более 1 А.
Сюда подходит в принципе любой транзистор PNP, работающий в диапазоне напряжений и токов, которые нас интересуют. Если батареи должны быть заряжены током 500 мА. Расчет его мощности прост: 4,20 В х 0,5 А = 2,1 В, и столько должен потерять транзистор, что вероятно, потребует небольшого охлаждения. Для зарядного тока 1 А или больше мощность потерь, соответственно, растет, и все труднее будет избавиться от тепла. Во время теста были проверены несколько разных транзисторов, в частности BD244C, 2N6491 и A1535A – все они ведут себя одинаково.
Делитель напряжения R1 и R2 следует подобрать так, чтобы получить нужное напряжение ограничения. Для удобства вот несколько значений после применения которых, мы получим следующие результаты:
- R1 + R2 = Vo
- 22K + 33K = 4,166 В
- 15К + 22K = 4,204 В
- 47K + 68K = 4,227 В
- 27K + 39K = 4,230 В
- 39K + 56K = 4,241 В
- 33K + 47K = 4,255 В
Это аналог мощного стабилитрона, нагруженного на низкоомную нагрузку, роль которой здесь выполняют диоды D2…D5. Микросхема D1 измеряет напряжение на плюсе и минусе аккумулятора и если оно поднимается выше порога, открывает мощный транзистор, пропуская через себя весь ток от ЗУ. Как соединяется всё это вместе и к блоку питания – смотрите далее.
Блоки получаются действительно маленькие, и вы можете смело устанавливать их сразу на элементе. Следует только иметь в виду, что на корпусе транзистора возникает потенциал отрицательного полюса батареи, и вы должны быть осторожны при установке систем общего радиатора – надо использовать изоляцию корпусов транзисторов друг от друга.
Испытания
Сразу 6 штук балансировочных блоков понадобились для одновременной зарядки 6 аккумуляторов 18650. Элементы видны на фото ниже.
Все элементы зарядились ровно до 4,20 вольта (напряжение были выставлены потенциометрами), а транзисторы стали горячие, хотя и обошлось без дополнительного охлаждения – зарядка током 500 мА. Таким образом, можно смело рекомендовать данный метод для одновременного заряда нескольких литиевых аккумуляторов от общего источника напряжения.
Обсудить статью ОДНОВРЕМЕННАЯ ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ
Балансировочное устройство для заряда аккумуляторов lipo. Схема очень простого балансира, для правильной зарядки литиевых аккумуляторов. Тестирование ЗУ SkyRC e450
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.
Материал: АБС + металл + акриловые линзы. Светодиодная подсветка…
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 . 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).
Наука не стоит на месте, в результате чего литий-полимерные аккумуляторы прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Одни 18650 элементы чего стоят – о них не знает только ленивый. Причем в хобби радиоуправляемых моделей произошел качественный скачок на новый уровень! Компактность, высокая токоотдача и малый вес дают широкое поле для совершенствования существующих систем питания на базе аккумуляторов.
Наука пошла еще дальше, но мы остановимся пока на Li Ion варианте (литий-ионные).
Итак, в магазине было приобретено зарядно-балансировочное устройство торговой марки Turnigy для зарядки 2S и 3S сборок литий-полимерных аккумуляторов (разновидность литий ионных, далее LiPo).
На мой радиоуправляемый пенолет (модель сделанная из пенопластовых потолочных плит) Цессна 150 устанавливается батарея 2S – цифра перед S обозначает количество последовательно соединенных элементов LiPo. Заряжать было чем и раньше, но в поле носить зарядное устройство можно и попроще и подешевле.
Для чего столько заморочек?
При заряде литиево-полимерных батарей необходимо соблюдать несколько правил: сила тока должна поддерживаться на уровне 0,5С…1С, а напряжение аккумулятора не должно превышать 4,1…4,2 В.
Если в сборке присутствует несколько последовательно соединенных элементов, то небольшие отклонения в одном из них со временем приводят к преждевременной порче аккумуляторов, если схема не сбалансирована. Этот эффект не наблюдается у аккумуляторов NiCd или NiMh.
Как правило, в сборке все элементы имеют близкую, но не одинаковую, емкость. Если два элемента с разными емкостями соединены последовательно, то элемент с меньшей емкостью заряжается быстрее, чем с большей. Поскольку процесс заряда происходит до тех пор, пока не зарядится элемент с самой большой емкостью, то аккумулятор с меньшей емкостью будет перезаряжен. Во время разряда, наоборот, элементы с меньшей емкостью разряжаются быстрее. Это приводит к тому, что после многих циклов заряда-разряда различие емкостей увеличивается, а из-за частого перезаряда элементы с самой малой емкостью быстро приходят в негодность.
Эту проблему легко можно устранить, если контролировать потенциал элементов и следить, чтобы все элементы в блоке имели абсолютно одинаковое напряжение.
Поэтому крайне желательно использовать не просто зарядное устройство а с функцией балансирования.
Комплектация: зарядное устройство + кабель питания с крокодилами для подключения к блоку питания 12-15 Вольт или аккумулятору 12 Вольт.
Зарядное устройство при зарядке потребляет не более 900 мА.
Два индикатора зеленый и красный – зеленый контроль питания, красный горит когда идет процесс зарядки-балансировки. По окончанию процесса или при извлечении балансировочного разъема красный светодиод гаснет.
Заряд происходит до напряжения 4.2 В на элемент. Замер напряжений производился на работе, на образцовом вольтметре. Напряжения по окончанию заряда на 1 и 2 элементе были равны 4.20 Вольт, на 3 элементе небольшой перезаряд 4.24 Вольта.
Расчлененка:
Схема отчасти классическая: повышающий преобразователь, далее 3 компаратора дающие сигнал на контроллер (затертая маркировка в стиле китайцев) А вот силовая часть схемы вызвала недоумение. Причиной лезть в потроха стала моя невнимательность. Я оборвал случайно балансировочные провода на аккумуляторе 3S (от шуруповерта) и при пайке перепутал местами выход 1 и 3 элемента, в результате при подключении к ЗУ (зарядное устройство) из последнего пошел дымок. Визуальный осмотр выявил неисправный транзистор N010X описания на который я не нашел, но нашел упоминание на аналог – это оказался Р канальный полевой транзистор
Остальные детали при проверке оказались исправные. Запасов Р канальных полевиков дома не оказалось, в местном магазине цены бешеные. Вот тут то и пригодился древний диалап модем Зуксель, в котором оказалась нужная мне деталь (с более лучшими характеристиками). Поскольку зрение и размеры детали не дали возможности установить все на место, пришлось извратиться и установить деталь на свободное место с обратной стороны.
Не понравилось в силовой части то, что в режиме 2S зарядник работает как и большинство аналогичных, а вот с 3м элементом не все так просто. Деталь сгорела не просто так, она выполняла функцию подачи напряжения на заряжаемый аккумулятор в целом. Функционально зарядка выполняется сразу всех трех элементов, по мере зарядки 1 и 2 элемента открываются транзисторы и шунтируют элементы через резисторы давая тем самым току идти в обход заряженных элементов. Полевой транзистор отсекает напряжение в целом, он же контролирует заряд 3го элемента. А если 3й элемент зарядился раньше 1 и 2 го, то питание идет через диод на зарядку оставшихся элементов. Во общем схема мутная, прихожу к выводу что элементарная экономия деталей.
Виновник приключений свалившихся на мою голову:
Шуруповерт Бош переделанный на литиевые аккумуляторы от ноутбука взамен умерших от кристаллизации NiCd. На данный момент зарядное устройство перешло в разряд штатного к переделанному шуруповерту. Польный цикл заряда (4Ач) происходит примерно за 6 часов, но я еще ни разу не разряжал батарею в ноль, поэтому необходимости в длительном заряде нет.
Заключение
Бюджетное зарядное устройство. В частном случае подошло как нельзя кстати. Шуруповерт счастлив.
Ток зарядки 800мА дает ограничение на минимальную емкость заряжаемых элементов. Внимательно смотрите описание к своей батарее, где указан максимальный ток заряда. Нарушение правил эксплуатации может привести к порче и возгоранию аккумуляторов.
Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о зарядно-балансировочном устройстве SkyRC e450, позволяющим заряжать в режиме балансировки током от 1А до 4А практически все типы аккумуляторных сборок (2S-4S) на основе лития (Li-Ion / Li-Pol / Li-Fe / Li HV) и никеля (NiCd / NiMH). Данный прибор представляет огромный интерес, в первую очередь, для людей, увлекающихся РУ техникой и имеющих большой парк различных модельных аккумуляторов. Несмотря на огромный функционал, для обычных пользователей есть пара нюансов, поэтому кому интересно, милости прошу под кат.
Общий вид зарядно-балансировочного устройства SkyRC e450:
Зарядник был куплен с учетом нафармленных поинтов всего за 20 доларов:
Краткие ТТХ:
– Производитель – SkyRC
– Модель – e450
– Корпус – пластик
– Напряжение питания – 100-240V
– Зарядный ток – 1А – 4А (шаг 1А)
– Ток балансировки – 300ma
– Типы поддерживаемых аккумуляторов:
– – – литиевые (Li-Ion / Li-Poi / Li-Fe / Li HV) – 2S-4S
– – – никелевые (NiCd / NiMH) – 6S-8S
– Размеры – 110мм*69мм*41мм
– Вес – 225гр
Комплектация:
– зарядное устройство SkyRC e450
– сетевой кабель с евровилкой длиной 1м
– выходной силовой провод с модельным разъемом XT60
– инструкция
Зарядное устройство SkyRC e450 поставляется в очень компактной цветной коробочке из плотного гофрокартона:
С торцов коробки указаны все основные спецификации:
Для подключения к большинству модельных Li-Pol аккумуляторов, в комплекте присутствует силовой провод с разъемом XT60 на конце:
Данного провода хватит большинству пользователей, ведь разъем XT60 один из самых надежных и его стараются применять в большинстве мощных РУ моделей. Хотелось бы видеть какой-нибудь универсальный провод с несколькими разъемами (EC, T-Plug, jST и Tamiya). Хотя с другой стороны, второй дополнительный провод с двумя обычными крокодилами, решил бы эту проблему, поскольку крокодилами можно подключиться практически ко всем разъемам напрямую. Если не ошибаюсь, у модели e430 силовой разъем вообще не распаян, поэтому придется докупать сам разъем.
Для подключения к питающей сети служит сетевой провод с евровилкой длиной около 1м:
В комплекте имеется краткое руководство по эксплуатации на английском языке:
Итого, комплектация хорошая, все доступно для работы «из коробки».
Габариты:
Зарядное устройство SkyRC e450 очень компактное. Его размеры всего 110мм*69мм*41мм. Вот сравнение с распространенными зарядниками для 1S-3S аккумуляторов SkyRC e3 и его клоном Imax B3:
Ну и по традиции, сравнение с тысячной банкнотой и коробком спичек:
Вес зарядника также небольшой – около 223гр:
Внешний вид:
Зарядное устройство SkyRC e450 выполнено в черном пластиковом корпусе с множеством вентиляционных отверстий, хотя при работе греется не очень сильно:
По сути, данная зарядка представляет собой несколько доработанную модель e430, в которой добавлена возможность заряда высоковольтовых литиевых аккумуляторов (HV 4,35V), а также аккумуляторов на основе никеля (NiCd/NiMH). К тому же, инженеры увеличили зарядный ток до 4А и несколько изменили управление. Можно сказать, что данный комбайн имеет просто фантастические возможности, кроме нескольких НО, о которых чуть позже.
Зарядное устройство не изобилует элементами управления. Для управления зарядом служит единственная прямоугольная кнопка, отвечающая за тип аккумуляторов, а также переключатель с выбором зарядного тока.
Основные разъемы расположены с переднего (питание) и правого (балансировка) торцов:
По умолчанию, сетевой разъем заклеен наклейкой с предупреждением:
С подключенным комплектным «хвостиком» выглядит следующим образом:
Разобрать устройство я не смог, поскольку на корпусе нет ни одного винта. Скорее всего, корпус просто склеен, как модель Е3.
Управление и индикация работы:
По управлению все просто:
1) сначала подключаем зарядное устройство к сети. При этом должны мигнуть одновременно все четыре индикатора сначала красным, а затем зеленым цветом. После этого останется активным лишь один индикатор зеленого цвета, означающий, что зарядное устройство готово к работе. По умолчанию зарядник настроен на заряд Li-Pol аккумуляторов (крайний левый индикатор)
2) затем выбираем тип батареи (LiPo/LiFe/LiHV/NiMH) с помощью единственной прямоугольной кнопки и желаемый зарядный ток (1A/2A/3A/4А) с помощью переключателя
3) далее подключаем балансировочный разъем в соответствующее гнездо. Левый разъем – для 2S, средний – для 3S, правый – для 4S сборок (двух/трех/четырехбаночные сборки аккумуляторов)
4) подключаем выходные силовые разъемы
В инструкции четкая последовательность не указана. Я специально попробовал поменять местами 3 и 4 этапы, т.е. сначала подключил силовые разъемы, а затем балансировочные – разницы нет никакой.
Теперь по поводу заряда аккумуляторов на основе никеля (NiCd/NiMH). В данной модели можно заряжать лишь сборки 6S-8S, т.е. сборки с 6-8 последовательно соединенными аккумуляторами. Менее 6S нельзя, т.е. минимум как раз 7,2V (6S). В этом режиме никакой балансировки нет, подключение идет к силовым разъемам. Для заряда таких сборок необходимо выбрать тип аккумуляторов «NiMH» и зажать кнопку на 2 секунды, после этого начнется заряд.
Индикация заряда:
– индикатор горит красным цветом – уровень заряда батареи менее 25%
– индикатор мигает красным цветом – уровень заряда батареи от 25% до 50%
– индикатор мигает желтым цветом – уровень заряда батареи от 50% до 75%
– индикатор мигает зеленым цветом – уровень заряда батареи от 75% до 99%
– индикатор горит зеленым цветом – батарея полностью заряжена
Конечное напряжение при заряде:
– Li-Pol / Li-Ion – 4,2V на каждую банку
– Li-Fe – 3,6V на каждую банку
– Li HV – 4,35V на каждую банку
– NiCd / NiMH – 1,5V на каждую банку
Тестирование ЗУ SkyRC e450:
Поскольку SkyRC e450 – зарядно-балансировочное устройство, то немного расскажу о балансировке. Она предназначена для выравнивания напряжения на ячейках/банках аккумуляторной сборки, соединенных последовательно две или более (2S-4S). Как известно, аккумуляторов с абсолютно одинаковыми параметрами не бывает, поэтому один разряжается чуть быстрее, другой – чуть медленнее остальных. Следовательно, и при заряде один зарядится чуть быстрее, другой – чуть медленнее. Хотелось бы отметить важную особенность данных моделей, а именно наличие правильной балансировки. Есть зарядные устройства на 4S без силовых разъемов, где применены четыре отдельных зарядных модуля и выведены в балансировочной колодке наружу. Это такие же зарядники, как SkyRC e3, Imax B3 и т.д., но на четыре (4S) банки. Они заряжают быстрее, но балансировка там несколько страдает, к тому же отсутствуют «мозги», из-за чего можно с легкостью спалить как сам зарядник, так и аккумуляторы.
Для тестирования соберем простенький стенд из холдера/держателя на три аккумулятора, трех вольтметров и одного ампервольтметра:
Если вставить аккумы, то можно заметить большую разбалансировку:
Подключаем стенд к заряднику, выставляем необходимые параметры (тип аккумуляторов – Li-Pol/Li-Ion, зарядный ток – 4А):
Индикация уровня заряда батареи (сборки) достаточно грубая, поэтому особо ориентироваться на нее не стоит. Нужно лишь запомнить, что горящий красный индикатор – очень низкий уровень заряда, мигающий красный – средний уровень, мигающий зеленый – более 75%, а горящий зеленый индикатор – полностью заряжен.
К сожалению, зарядное устройство чуть занижает зарядный ток:
В подтверждение замер токовыми клещами UNI-T UT204A, обзор на которые я делал ранее:
Для скептиков, показания были аналогичными, что и с True RMS мультиметром UNI-T UT61E.
Теперь непосредственно о процессе заряда:
Аккумуляторы на основе лития, ЗУ SkyRC e450 заряжает по алгоритму CC/CV, метод балансировки – CV phase, т.е. балансир не активен до тех пор, пока какая-либо банка (ячейка) не перейдет в режим CV. При достижении на какой-либо банке напряжения 4,16-4,17V балансир активируется и грубо говоря, временно отключает данную банку, перенаправляя энергию заряда на оставшиеся банки. Анализируя поведение данной модели, могу сказать следующее: как только нижняя банка достигла напряжения 4,16-4,17V балансир активировался, ее заряд прекратился, а вся энергия заряда распределялась между оставшимися двумя. Это видно по фото ниже:
Причем самое интересное то, что верхняя банка начала отдавать часть энергии для заряда средней и как только напряжение на этих двух банках выровнялось (3,94V), заряд всех банок продолжился:
Несмотря на одновременный заряд всех трех банок, нижняя банка получала гораздо меньше, чем остальные две, сказывалась заслуга балансировки:
Поскольку балансировочный ток всего около 300ma, то процесс выравнивания напряжения при сильном дисбалансе не слишком быстрый. При небольшом разбросе напряжения на банках, балансировка занимает около 10минут, не более.
По достижении напряжения около 4,17V на всех трех банках, пошел практически «равномерный» заряд для всех трех банок, балансир следил за тем, чтобы напряжение на них было практически одинаковым:
По достижении определенного значения (около 4,2V), заряд прекратился:
Хотелось бы видеть точное побаночное напряжение 4,2V, но 4,19V, в принципе, вписывается с большим запасом (заявлена погрешность 0,02V). Главное, что уровень напряжения на всех банках один и тот же, а небольшой недозаряд даже полезен для сохранения ресурса работы аккумулятора.
Особенности данной модели или то, что мне не очень нравится:
Несмотря на все плюсы, зарядное устройство имеет и некоторые особенности, отчего сфера применения зарядника несколько сужается, точнее даже смещается в сторону чистого РУ моделизма:
– нельзя снизить ток для аккумуляторов на основе никеля (NiCd/NiMH) менее 1А. Учитывая невысокую емкость аккумуляторов на основе никеля, а также отсутствие балансировки, зарядный ток 1А для них высоковат. В режиме заряда никеля, минимальной сборкой является 6S (шесть банок)
– нельзя снизить ток для аккумуляторов на основе лития. Для компактных РУ моделей с небольшими аккумуляторами (2S 500-750mah) ток заряда в 1А вреден и может привести к возгоранию
– нельзя заряжать одиночные аккумуляторы (1S). Хоть эта функция и не была заявлена, но я до последнего надеялся, что ее можно реализовать. Если бы разработчики добавили режим 1S – это был бы, наверно, самый функциональный комбайн. С другой стороны, он составил бы сильную конкуренцию другим, более дорогим моделям, поэтому разработчиков можно понять
– зарядное устройство не имеет режима «разряда» или «хранения». Модельные «липольки» не рекомендуется хранить полностью заряженными, поэтому по окончании сезона их лучше разрядить до определенного значения
– зарядное устройство не имеет дополнительного гнезда для питания от бортового аккумулятора автомобиля или автоприкуривателя, как более «продвинутые» собратья, поэтому о зарядке модельных аккумуляторов в полевых условиях можно забыть, либо приобретать отдельно автомобильный инвертор 12V -> 220V
Плюсы:
+ бренд, гарантия качества
+ высокие токи заряда с возможностью выбора
+ качественная балансировка (300ma, хорошая точность)
+ встроенный БП
+ провод с разъемом XT60 в комплекте
+ простота управления и использования
Минусы:
– зарядный ток несколько занижен (максимум 3,7А)
– цена
Вывод: вцелом, зарядное устройство оставило хорошие впечатления. Оно достаточно компактное, не требует внешнего питания, с «мозгами» и простым управлением, хорошими токами заряда и точной балансировкой. Но вот отсутствие режима заряда отдельных аккумуляторов (1S) и небольшого тока заряда (0,5А) – это небольшой минус, отчего данная модель будет интересна только моделистам с мощными аккумуляторами. В связи с этим, если сравнить данную модель с популярным iMax B6, то последний выигрывает по функционалу, но проигрывает по удобству, оснастке и управлению. Скажем так, ЗУ SkyRC e450 сделан для «домохозяев», которым нужно лишь зарядить модельный аккумулятор и идти проверять его в деле…
За отсутствие кисок благодарим некоторых товарищей…
Наверняка, каждый радиолюбитель сталкивался с проблемой, подключая литиевые аккумуляторы последовательно, замечал что один садиться быстро а другой еще вполне держит заряд, но из за другого севшего вся батарея не выдает нужного напряжения. Это происходит от того что при зарядке всего блока батарей, они заряжаются не равномерно, и часть батарей набирают полную емкость а часть нет. Это приводит не только к быстрому разряду, но и к выходу из строя отдельных элементов, из за постоянной не до зарядки.
Исправить проблему достаточно просто, на каждый аккумуляторный элемент нужен так называемый балансир, устройство которое после полной зарядки батареи блокирует ее дальнейший перезаряд, и управляющим транзистором обводит зарядный ток мимо элемента.
Схема балансира достаточно проста, собрана на прецизионном управляемом стабилитроне TL431A, и транзисторе прямой проводимости BD140.
После долгих экспериментов схема немного изменилась, в место резисторов было установлено 3 последовательно включенных диода 1N4007, работать балансир стал как по мне стабильней, диоды при зарядке ощутимо греются, это следует учитывать при разводке платы.
Принцип работы очень прост, пока напряжение на элементе меньше 4,2 вольта, идет зарядка, управляемый стабилитрон и транзистор закрыты и не влияют на процесс зарядки. Как только напряжение достигнет 4,2 вольта, стабилитрон начинает открывать транзистор, который через резисторы суммарным сопротивлением 4 Ома шунтирует аккумулятор, тем самым не давая напряжению подняться выше верхнего порога 4,2 вольта, и дает возможность зарядиться остальным аккумуляторам. Транзистор с резисторами спокойно пропускает ток около 500 мА, при этом он нагревается градусов до 40-45. Как только на балансире загорелся светодиод аккумулятор который к нему подключен полностью заряжен. То есть, если у вас соединено 3 аккумулятора, то окончанием заряда нужно считать загорание светодиодов на всех трех балансирах.
Настройка очень проста, подаем на плату (без аккумулятора) напряжение 5 вольт через резистор примерно 220 Ом, и меряем на плате напряжение, оно должно быть 4,2 вольта, если оно отличается то подбираем резистор 220 кОм в небольших пределах.
Напряжение для зарядки нужно подавать примерно на 0,1-0,2 вольта больше чем напряжение на каждом элементе в заряженном состоянии, пример: у нас 3 последовательно соединенных аккумулятора по 4,2 вольта в заряженном состоянии, суммарное напряжение 12,6 вольта. 12,6 + 0,1 + 0,1 + 0,1 = 12,9 вольта. Также следует ограничит ток заряда на уровне 0,5 А.
Как вариант стабилизатора напряжения и тока можно использовать микросхему LM317, включение стандартное с даташита, схема выглядит следующим образом.
Трансформатор нужно выбирать с расчета – напряжение заряженной батареи + 3 вольта по переменке, для корректной работы LM317. Пример у вас батарея 12,6 вольта + 3 вольт = трансформатор нужен 15-16 вольт переменного напряжения.
Так как LM317 линейный регулятор, и падение напряжения на нем превратится в тепло, обязательно устанавливаем ее на радиатор.
Теперь немного о том как рассчитать делитель R3-R4 для стабилизации напряжения , а очень просто по формуле R3+R4=(Vo/1.25-1)*R2 , величина Vo – это напряжение окончания заряда (максимальное выходное после стабилизатора).
Пример: нам нужно получить на выходе 12,9 вольта для 3-х. батарей с балансирами. R3+R4=(12.9/1.25-1)*240=2476,8 Ом. что примерно ровняется 2,4 кОм + у нас стоит подстроечный резистор, для точной подстройки (470 Ом), что позволит нам, без проблем установить расчетное выходное напряжение.
Теперь расчет выходного тока, за него отвечает резистор Ri, формула простая Ri=0.6/Iз , где Iз – максимальный ток заряда. Пример нам нужен ток 500 мА, Ri=0.6/0,5А= 1,2 Ом. Следует учитывать, что через данный резистор течет зарядный ток, потому мощность его стоит брать 2 Вт. Вот и все, платы я не выкладываю, они будут когда я соберу зарядное устройство с балансиром для своего металлоискателя.
Я его заряжаю через переходной провод с помощью Turnigy.
Переделка простая, но вот зарядное доступно не каждому.
Решил сделать простое и надежное балансировочное зарядное устройство. Большинство деталей найдется у любого мастера, а ряд деталей доступен для заказа из Китая, ну или можно купить в магазине радиотоваров.
Инструменты и материалы:
Корпус для устройства;
– платы зарядок для планшета;
– контроллера для литий-иона;
– разъем со штырями;
– разъем с гнездами;
– выключатель;
– провода, паяльник, клеевой пистолет.
Монтировать зарядное устройство буду в корпусе сгоревшего роутера. В процессе монтажа схемы, понял, что выбрал маленький корпус. Процесс сборки немного усложнился, но я с поставленной задачей справился, но об этом дальше. Плата роутера может еще для чего сгодится.
Для каждого канала, я применю платы от зарядок. Количество плат, можно применить и большего количества или меньшего. У меня три канала и зарядок тоже три.
Следить за процессом заряда будут контроллеры заряда для литий-иона. Применить можно и с BMS, но он в данном случае не нужен. У меня одна плата новая, а две со спаянными разъемами(куда то применял их). Разъем абсолютно не мешает работе и процессу сборки.
На заднюю панель роутера, нужно вырезать полоску пластика. У меня стеклотекстолит толщиной полтора миллиметра. В полоске вырезаем окошки под выключатель питания и разъем балансировки.
Разъем я применил от старого жесткого диска, на 4 контакта. Выключатель снял со сгоревшего блока ATX. Так же просверлил отверстия под винты. для крепления планки. Позже просверлю отверстие под сетевой шнур. Разъем приклеил на соду с супер клеем.
Контроллеры заряда будут установлены в корпусе и индикации не будет видно. Для этого я взял разноцветные светодиоды. Красный отображает процесс заряда, а зеленый его окончание.
Чтоб подпаять светодиоды к плате, я применил отрезки шлейфа IDE.
Платы контроллеров нужно соединить с платами зарядок. Я соединил их луженым проводом на 0.5 мм. Получилось довольно жестко.
Шлейфы со светодиодами припаял вместо штатных светодиодов контроллеров. Сразу бросается в глаза, что зеленый светодиод уменьшился в размере. Я допустил ошибку и не проверил светодиоды, они оказались сгоревшими. Припаял какие попались под руку.
Платы приклеил на термо клей. Держатся отлично, пробовал кидая на пол)) Перед приклеиванием подпаял сетевые провода.
Просверлил отверстие под сетевой шнур. Распаял один из проводов на выключатель. Второй сетевой соединил вместе с оставшимися проводами от плат зарядок.
Светодиоды приклеил на места, где раньше были установлены светодиоды платы роутера. Клеил на термо клей.
Выходные провода контроллеров соединил последовательно. Плюс припаял на первый контакт. На второй контакт, припаял соединение проводов минуса первого и плюса второго контроллеров. Далее распаиваем остальные провода по порядку.
Одеваем крышку и прикручиваем. Откладываем в сторону зарядное устройство и распаиваем зарядный провод.
Провода применил со сгоревшего блока питания. Распаял соответственно доработанного аккумулятора шуруповерта. По схеме провода распаиваются по порядку от первого к четвертому. Места спайки изолирую термоусадкой.
Плата защиты Battery Monitoring System (BMS) для литий-ионных аккумуляторов
Хочу описать своё виденье о том какой должна быть плата защиты для литий ионных аккумуляторов различной химии и различной ёмкости. Сейчас конечно очень большой выбор различных BMS для li-ion аккумуляторов. Но простые BMS имеют жёсткие и слишком критические настройки срабатывания, от чего часто аккумуляторы выходят из строя (в основном разбухают от перезаряда). А продвинутые BMS имеющие множество компонентов и умеющие измерять даже внутреннее сопротивление ячеек, и через ПК и интернет настраиваться и обмениваться данными, стоят пока очень дорого, и из-за своей сложности они сложны в использовании для простых людей, а так-же их стоимость высока.Думаю сейчас самая большая проблема в использовании литий-ионных аккумуляторов большой емкости это системы контроля и защиты таких аккумуляторов. Решения я повторюсь уже есть, но их можно пересчитать по пальцам, и они дорогие и не совсем универсальные, хотя в этом направлении прогресс не стоит на месте.
Само слово BMS означает Battery Monitoring System то-есть система мониторинга батареи, и этим коротким обозначением могут называться как простые аналоговые платы защиты, так и сложные микро-компьютерные системы мониторинга литий-ионных АКБ. Но как я уже написал выше – первые слишком примитивные и имеют слишком критические настройки срабатывания, а вторые слишком навороченные и дорогие. Но нет такой battery monitoring system, которая была-бы дешёвая и простая, но в тоже время имела возможность настройки под различные типы li-ion аккумуляторов, а так-же настройки отсечки заряд/разряд и настройки балансировки.
Фото плат защиты литий-ионных аккумуляторов
BMS для lifepo4
На этом фото простая и дешёвая плата защиты для lifepo4 аккумуляторов 4s 12v(4 ячейки). Такие BMS обычно устанавливаются внутри аккумуляторов, например в аккумуляторах электро-инструмента Платы защиты BMS могут быть различных размеров и на различное количество ячеек, то-есть отдельных аккумуляторов. Принцип работы таких плат очень простой, они отслеживают напряжение на каждой ячейке аккумулятора. И если на любой ячейке напряжение превысит порог срабатывания, то в BMS сработают силовые транзисторы и отключат аккумулятор от зарядного или потребителей. Так-же при установленном напряжении включается балансировка. Основной параметр, на который стоит обращать внимание это ток, на который рассчитана плата защиты.Ниже на фото более дорогая и полнофункциональная BMS
BMS
Есть и такие полноценные BMS, которые настраиваются и отображают все данные аккумулятора на ПК. Так-же имеют и дополнительный lcd дисплей для отображения текущего состояния АКБ Так-же существуют и другие виды BMS, например ориентированные на работу в составе солнечной электростанции, н так-же они могут использоваться и в электро-транспорте.BMS
Контроллер для литий-ионных аккумуляторов с полным контролем состояния ячеек и отображением состояния на ПК и lcd дисплее Ну и еще пример BMS созданной для электромобилейBMS для электромобиля
Контроллер и мониторинг работы литий-ионных аккумуляторов для электромобилейДостоинства и недостатки различных BMS
Дешёвые аналоговые платы защиты в основном предназначены для электротранспорта и электроинструмента, и имеют критические пороги защиты и балансировки, по-этому они не могут работать в буферном режиме и при этом балансировать ячейки. Это приводит к дисбалансу и частому срабатыванию защиты и перезаряду ячеек. А дорогие BMS умеют всё, но стоят очень дорого как я считаю, и рассчитаны на большие ёмкости, а для АКБ небольшой ёмкости эти BMS будут стоить дороже чем сам аккумулятор.Концепция моей BMS
1. Я думаю вполне достаточно контролировать ячейки и аккумулятор в целом только по напряжению, не усложняя дополнительными измерениями тока и сопротивления. Да, конечно для точного определения ёмкости и токов проходящих в цепи хотелось бы знать всё. Но обычному пользователю совершенно не интересно какие токи там блуждают между ячейками, их внутреннее сопротивление, или просто ток заряда/разряда. И ток зарядки обычно показывают контроллеры, через которые происходит заряд АКБ. А так-же если нет, то можно поставить амперметр отдельно. Думаю кроме измерения напряжения ничего больше мерить не нужно и по нему довольно точно можно видеть состояние АКБ и по отдельности ячеек.2. Еще думаю абсолютно лишние датчики температуры, так-как это лишние провода если плата защиты устанавливается не на АКБ. Ну и перегрев аккумулятора может происходить при огромных токах заряда/разряда что обычно никогда не происходит. Обычно аккумуляторы заряжаются и разряжаются небольшими токами относительно ёмкости, и скажем акб ёмкостью 100Ач никто не будет заряжать током 300-500А и разряжать такими токами. По этому перегрев при исправных ячейках просто невозможен.
3. Плата защиты АКБ обязательно должна иметь возможность настраиваться под разные типы li-ion АКБ, и настройки порогов балансировки. И для этого должен быть установлен дисплей и кнопочки управления. Конечно сейчас можно легко сделать связь с ПК и работать с настройками через программное обеспечение. Но это не удобно так-как ПК не всегда под рукой, да и проще видеть происходящее и настраивать прямо на BMS, чем соединяться с ПК, тем-более что не все уверенные пользователи ПК. В общем я за хороший и большой дисплей на самой BMS, а связь с ПК и мониторинг с записью логов просто ни к чему.
4. Настройка работы должна заключаться в следующем: Установка порога напряжения при котором отключается зарядное устройство. Например для lifepo4 это 3.6-3.9 вольт на ячейку. При этом порог отключения должен вручную изменяться и указываться любой, хоть 3,40вольт, хоть 4.30вольт, то-есть под любой тип литий-ионных аккумуляторов. И для работы в буферном режиме где аккумулятор находится постоянно под напряжением и 100% постоянный заряд губительно влияет на ячейки (они вздуваются).
При этом на плате не нужны встроенные силовые ключи для размыкания контакта. Вообще заряд и разряд нужно разделить на два раздельных канала, чтобы при отключении зарядного устройства от АКБ потребители не оказались в ситуации когда акб отключен и они питаются только от зарядного устройства. А в качестве ЗУ могут быть и солнечные батареи, и ветрогенератор, и любой другой источник с нестабильным и повышенным напряжением, от которого без АКБ могут сгореть подключенные потребители. Вот чтобы этого не случилось (как уже случалось) нужно разделить каналы отключения зарядки и потребителей.
При этом не нужно ставить на плате транзисторные ключи на определенный ток, так-как кому-то скажем хватит и 10А, а кому-то и 200А мало. Вместо ключей можно просто сделать маломощные выводы скажем с током на 1А, на которые можно вешать обычные или твердотельные реле, которыми и отключать зарядку и потребителей. Например если у вас ток зарядки не превышает 20А, то ставим на заряд реле на 20А. А если разряд через инвертор бывает токами до 100А, то ставить реле отключения потребителей на 100А.
5. Пороги балансировки ячеек тоже должны настраиваться и ток балансировки должен быть довольно мощный, думаю до 5А на случай использования некачественных ячеек с разным внутренним сопротивлением и разной емкости. Вот здесь можно использовать технологию PWM для установки тока балансировки. Или к примеру сделать возможность смены балансировочных резисторов на разный ток.
Внешний вид контроллера li-ion аккумуляторов
По внешнему виду я хочу видеть примерно такое устройство. Та-же с дисплеем, только раза в три побольше в общем 4-5 дюймов.BMS lcd
Контроллер литий-ионных аккумуляторов BMS так-же должна иметь выходы на ячейки, только на болтиках, количество думаю любое от 2S до 16S. Выход отключения зарядного устройства под внешнее реле отключения, так-же выход отключения потребителей аналогичный. И думаю больше ничего не нужно. И так-как балансиры будут находится внутри BMS, то должен быть массивный алюминиевый радиатор способный рассеивать до 300ватт энергии.Вообще конечно можно делать законченные BMS с внутренними ключами и различным током балансировки, и под разное количество ячеек, но их нужно будет десятки различных конфигураций выпускать. А так одна BMS подходящая под основные задачи. Ток балансировки 5А на ячейку конечно большеват так-как при 16 ячейках и работе всех балансиров мощность рассеиваемая в тепло будет до 300ватт. Но как я описал выше ток балансировки можно устанавливать. Ну и чтобы уменьшить габариты и радиатор максимальный ток балансировки можно уменьшить в 5 раз. 1А думаю тоже будет достаточно даже для АКБ большой ёмкости.
Вот на этом всё, думаю я подробно объяснил что хотелось бы видеть и почему именно так…
Как работает балансировка ячеек
Как работает балансировка ячеекБалансировка на Orion BMS происходит только тогда, когда BMS запитана в режиме ЗАРЯДА (питание от контакта 3 на главном разъеме ввода / вывода) . Когда любая из ячеек в аккумуляторной батарее превышает начальное напряжение балансировки, BMS запускает алгоритм балансировки для всех ячеек. BMS будет искать самую низкую ячейку, а затем нагрузить все ячейки, которые больше максимальной разницы в напряжении над самой нижней ячейкой. Например, если аккумуляторная батарея состоит из 4 ячеек по 3.5, 3,51, 3,65 и 3,49 вольт, а максимальная разница в напряжении настроена на 10 мВ (0,01 вольт), BMS будет прикладывать нагрузку к ячейке только 3,65 В, чтобы снизить ее до 10 мВ с остальной частью клетки. Этот алгоритм продолжается до тех пор, пока все элементы не будут сбалансированы до предопределенной максимальной разницы в напряжении, и продолжается даже после того, как BMS отключила зарядное устройство. Как только все ячейки находятся в пределах этого напряжения, балансировка остановится до тех пор, пока питание не будет отключено и повторно подано на контакт 3 на BMS (т.е.е. следующий цикл зарядки).
BMS имеет функцию безопасности, предотвращающую чрезмерную разрядку любой ячейки во время балансировки в случае неисправной или мертвой ячейки. Минимальный порог уравновешивающего напряжения позволяет программисту указать порог напряжения, при котором BMS не может отводить энергию из ячейки. В то время как остальные ячейки будут продолжать балансировать, BMS не будет создавать нагрузку на любую ячейку, которая ниже этого порога, даже если ячейка ниже этого порога требует балансировки.Цель этой функции – защитить элементы от чрезмерного разряда и предотвратить возможное состояние гонки, когда BMS снимает заряд с чередующихся ячеек.
Настройка начального напряжения балансировки обычно должна быть настроена на напряжение, которое указывает на то, что ячейка находится в пределах примерно 5-10% от максимального уровня заряда. Для фосфата железа это обычно около 3,5 В и зависит от химического состава. Рекомендуемое максимальное дельта-напряжение (разница в напряжении от самого высокого к самому низкому элементу) составляет 10 мВ для большинства литий-ионных химических соединений, таких как фосфат железа, но может быть отрегулировано немного ниже для определенных химикатов с линейной кривой разряда (например, для многих типов марганца или полимера. клетки.) Слишком низкое значение вызовет состояние гонки, снижающее или устраняющее эффективность алгоритма балансировки, и рекомендуется 10 мВ, если не были проведены исследования по более низкому значению. При балансировке сильно разбалансированного блока выбор большего числа, например 20 мВ, может увеличить скорость объемной балансировки, но затем его следует уменьшить до 10 мВ для более точной балансировки.
Минимальное значение уравновешивающего напряжения просто предназначено для предотвращения чрезмерной разрядки элементов. Это значение может быть установлено на довольно низкое напряжение, часто напряжение, соответствующее уровню заряда около 25%.Для фосфата железа подходит напряжение от 3,0 до 3,2 В. Минимальное значение уравновешивающего напряжения должно быть достаточно низким, чтобы BMS могла эффективно выполнять балансировку, и должно быть ниже установочного напряжения.
Во время балансировки BMS балансировка будет время от времени останавливаться, чтобы позволить напряжениям ячеек стабилизироваться и повторно оценить баланс ячеек в пакете. Это обычная часть алгоритма балансировки и происходит через определенные промежутки времени. Если сам блок BMS находится при повышенной температуре, BMS приостанавливает работу на более длительный период времени, чтобы предотвратить перегрев.Чтобы предотвратить опасность ожога, BMS вообще не будет балансировать, когда температура радиатора выше 50 ° C.
Что такое балансировка литиевой батареи?
Введение
Как правило, балансировка батареи – это термин, используемый в дронах / БПЛА и некоторых моделях RC. Это означает, что напряжение каждой ячейки аккумуляторной батареи должно быть сбалансировано. Кроме того, разность напряжений каждой ячейки составляет «промежуток по напряжению» , промежуток по напряжению каждой ячейки не должен слишком сильно превышать .Следовательно, мы должны гарантировать, что когда каждая ячейка заряжается и разряжается, повышение и падение напряжения находятся в сбалансированном и приемлемом диапазоне.
Последствия использования литиевой батареи без балансировки батареи
Батареи, которые мы обычно используем, одноэлементные, такие как батареи наших мобильных телефонов, и когда аккумулятор, который вы используете, упакован несколькими элементами, последовательно или параллельно, вам необходимо знать о балансировке литиевой батареи.
Давайте возьмем пример, представьте, что наша аккумуляторная батарея похожа на разные резервуары, такое же, как давление воды в каждом резервуаре, таким образом, одинаковая производительность каждого резервуара.Если мы не сможем обеспечить равный уровень давления воды в каждом резервуаре, это приведет к тому, что один бассейн будет сухим, а другой – полным. Однако их персонал не будет проверять оставшуюся емкость каждого резервуара, тогда один бассейн будет переполнен из-за равномерного долива воды.
Сравнение балансировки аккумуляторных батарей. Сравнение зарядки и разрядки аккумуляторных ячеек. Мы должны убедиться, что напряжение и емкость каждой ячейки находятся на одном уровне, в противном случае продолжительность работы и срок службы литиевой батареи будут снижены, а производительность батареи также будет снижена.На рисунке ниже показано, что напряжение каждой отдельной ячейки на батарее 6S, разрыв по напряжению менее 0,01 В, это всего лишь 8 мВ.
Проверка разрыва напряжения литиевой батареи 6S (Источник: Grepow)Таким образом, балансировка литиевой батареи является одним из важнейших факторов, определяющих качество батареи. В процессе работы он будет генерировать разрядное напряжение, но мы можем контролировать это в приемлемом диапазоне с помощью балансировки батареи.
Как добиться балансировки литиевой батареи?
Система управления батареями (BMS)
Как правило, сама батарея не может обеспечить балансировку батареи, поэтому это может быть достигнуто с помощью системы управления батареями (BMS).Производитель аккумуляторов интегрирует в эту плату BMS функцию балансировки аккумуляторов и другие функции защиты, такие как защита от перенапряжения при зарядке, индикатор SOC, сигнализация / защита от перегрева и т. Д.
Щелкните здесь, чтобы узнать больше о системе управления батареями (BMS): Grepow BMS
Зарядное устройство для литиевых батарей с функцией балансировки
Он также называется «Balance Battery Charger», в зарядное устройство интегрирована функция балансировки, оно поддерживает различные аккумуляторы с разным количеством серий (например.грамм. 1 ~ 6S). Вы заряжаете литиевые батареи с помощью такого зарядного устройства, вы также можете достичь баланса, даже если ваши батареи не имеют платы BMS.
Gensace (суббренд Grepow) Зарядное устройство IMARS 3: ПодробнееПлата баланса
Когда вы используете балансировочное зарядное устройство, вам также необходимо соединить заряд и вашу батарею с балансировочной платой, чтобы выбрать конкретное гнездо на балансировочной плате, на следующем рисунке показан образец балансировочной платы.
Плата баланса (Источник: Google) Преимущества балансировки литиевых батарейКак я упоминал ранее, поддержание напряжения в приемлемом диапазоне, это может продлить время работы аккумулятора и срок его службы. Это может снизить стоимость замены новой литиевой батареи, а также повысить безопасность использования батареи, так что ваша батарея будет в более стабильном состоянии.
Подробнее об аккумуляторахСледите за официальным блогом Grepow, где мы регулярно обновляем отраслевые статьи, чтобы держать вас в курсе.
Сайт Grepow: https://www.grepow.com/
Блог Grepow: https://www.grepow.com/blog/
Артикул:Вэнь, Сихуа (сентябрь 2009 г.). «Балансировка элементов увеличивает время работы и увеличивает срок службы батареи» . Журнал аналоговых приложений: 14
BU-803a: Согласование и балансировка ячеек
Узнайте, что качественные элементы – лучшая основа для долговечной аккумуляторной батареиПроизводитель не может предсказать точную емкость, когда элемент снимается с производственной линии, и это особенно верно для свинцово-кислотных и других аккумуляторов, которые требуют ручной сборки.Даже полностью автоматизированное производство ячеек в чистых помещениях вызывает различия в производительности. В рамках контроля качества каждая ячейка измеряется и разделяется на категории в соответствии с их уровнями производительности. NiMH и другие элементы большой емкости могут быть зарезервированы для специальных приложений и проданы по более высокой цене; крупный средний сегмент пойдет на коммерческие и промышленные рынки; а низкосортные элементы могут оказаться в потребительском продукте или в универмаге. Езда на велосипеде не приведет к значительному увеличению емкости аккумуляторной батареи нижнего уровня, и покупатель должен знать о различиях в емкости и качестве, которые часто отражаются в ожидаемой продолжительности жизни.
Согласование ячеек по емкости важно, особенно для промышленных батарей, и идеального совпадения невозможно. При небольшом отклонении элементы на основе никеля адаптируются друг к другу после нескольких циклов зарядки / разрядки, как у игроков в спортивной команде-победительнице. Высококачественные соты продолжают работать дольше, чем низкокачественные аналоги, а замирание становится более равномерным и контролируемым. С другой стороны, ячейки более низкого класса расходятся быстрее с течением времени и использования, а отказы из-за несовпадения ячеек более распространены.Несоответствие ячеек – частая причина выхода из строя промышленных аккумуляторов. Производители профессиональных электроинструментов и медицинского оборудования тщательно выбирают элементы, чтобы обеспечить высокую надежность и долгий срок службы батарей.
Давайте посмотрим, что происходит со слабой клеткой, которая связана с более сильными клетками в пачке. Слабый аккумулятор имеет меньшую емкость и разряжается быстрее, чем его сильные собратья. Если первым стать пустым, то их сильные братья переполнят своих слабых братьев до такой степени, что высокая нагрузка может подтолкнуть слабую ячейку к обратной полярности.Никель-кадмий может выдерживать обратное напряжение минус 0,2 В при нескольких миллиампер, но превышение этого значения вызовет постоянное короткое замыкание. При зарядке слабый элемент сначала достигает полного заряда, а затем перезаряжается, генерируя тепло, в то время как сильные братья все еще принимают заряд и остаются холодными. Слабый элемент испытывает недостаток как при зарядке, так и при разрядке; он продолжает ослабевать, пока не прекращает борьбу.
Допуск емкости между элементами в промышленной батарее должен составлять +/– 2.5 процентов. Высоковольтные блоки, рассчитанные на большие нагрузки и широкий диапазон температур, должны еще больше снизить допуск по емкости. Существует сильная корреляция между балансом клеток и долголетием.
На рис. 1 показана циклическая характеристика пяти устаревших литий-ионных аккумуляторов в зависимости от совпадения ячеек. Элементы соединены по схеме 2P4S с центральным отводом, образуя две аккумуляторные секции, которые в нашем примере плохо согласованы. Разница в производительности между двумя секциями составляет 5, 6, 7 и 12 процентов.При циклическом включении все батареи демонстрируют большие потери емкости в течение 18 циклов, но наибольшее снижение происходит, когда батарея демонстрирует несоответствие емкости на 12 процентов.
Рис. 1: Производительность цикла в зависимости от совпадения ячеек [1]Батарейные блоки с хорошо подобранными ячейками работают лучше, чем те, в которых ячейка или группа ячеек отличаются последовательным подключением.
Конфигурация: 5Ah призматический литий-ионный аккумулятор, соединенный в 2P4S (14,8 В, 10 Ач) с центральным отводом.
Качественные литий-ионные элементы имеют одинаковую емкость и низкий саморазряд в новом состоянии.Добавление балансировки ячеек полезно, особенно когда пакет стареет, и производительность каждой ячейки снижается в своем собственном темпе. Проблема возникает, когда элемент в цепочке теряет емкость или развивает повышенный саморазряд. Это можно отнести к высокотемпературным пятнам в большой батарее. Клетки низкого качества также могут быть подвержены неравномерному старению. Литий-фосфат имеет более высокий саморазряд, чем другие литий-ионные, и это усложняет балансировку ячеек (см. BU-802b: Что делает повышенный саморазряд?)
Эксперт по батареям однажды сказал: «Я не видел работающей схемы балансировки ячеек.«Для многоэлементных батарей он предложил использовать качественные литий-ионные элементы, сортированные на заводе по емкости и напряжению. Это хорошо работает с литий-ионными батареями до 24 В; блоки выше 24В должны иметь балансировку. Большая часть балансировки пассивна; активная балансировка сложна и используется только в очень больших системах.
Пассивная балансировка вызывает утечку из высоковольтных ячеек на резисторе во время заряда по кривой 70–80% SoC; Активная балансировка переводит дополнительный заряд от ячеек с более высоким напряжением во время разряда к элементам с более низким напряжением. Активная балансировка – предпочтительный метод для электромобилей, но для него требуются преобразователи постоянного тока в постоянный. Скорректированные токи находятся только в диапазоне мА. Приложение большой нагрузки во время ускорения с последующей быстрой зарядкой с рекуперативным торможением требует хорошо настроенных ячеек в высоковольтной батарее для достижения ожидаемого срока службы. Аккумуляторы для электромобилей в Tesla, BMW i3 и других электромобилях используют активную балансировку, чтобы минимизировать нагрузку на клетки.
Приложения с одной ячейкой в мобильных телефонах и планшетах не нуждаются в балансировке ячеек.Емкость между ячейками может варьироваться, и каждая ячейка может стареть на своих условиях, не причиняя вреда, за исключением обеспечения более короткого времени работы. Потребитель соглашается с этим уменьшением; это часть запланированного устаревания потребительских товаров (см. BU-801a: Как оценить время работы от батареи)
Для всех литий-ионных элементов требуется схема защиты, которая гарантирует, что последовательно подключенные элементы не превышают 4,25 В на элемент (большинство литий-ионных аккумуляторов) при зарядке и отключаются, когда самый слабый элемент падает до 2,80 В на элемент или ниже.Разъединитель разряда не позволяет более сильным элементам подтолкнуть истощенный элемент к обратной полярности. Схема защиты действует как ангел-хранитель, который защищает более слабых братьев и сестер от издевательств со стороны более сильных. Это может объяснить, почему литий-ионные аккумуляторы для электроинструментов служат дольше, чем никелевые аккумуляторы без схемы защиты. Схема защиты также защищает аккумулятор от чрезмерного тока нагрузки (см. BU-304: Схемы защиты)
С течением времени и использования элементы батареи становятся несовместимыми, и это также относится к свинцово-кислотным.Ячейки, которые развивают высокий саморазряд, приведут к дисбалансу и последующему выходу из строя. Производители автомобилей для гольфа, подъемных платформ, скрубберов для пола и других транспортных средств с батарейным питанием рекомендуют выравнивающий заряд, если разница напряжений между элементами превышает +/– 0,10 В или если удельный вес изменяется более чем на 10 пунктов (0,010 на шкала SG).
Уравнительный заряд – это заряд поверх заряда, который доводит все элементы до полного насыщения. Эту услугу необходимо выполнять с осторожностью, поскольку чрезмерная зарядка может повредить аккумулятор (см. BU: 404: Уравнительный заряд). Разница в удельном весе в 40 баллов создает проблемы с производительностью, и элемент считается неисправным.(Разница в 40 пунктов означает, что одна ячейка имеет удельную плотность 1,240, а другая – 1,240.) Заряд может временно покрыть дефицит, но, скорее всего, дефект снова появится снова через несколько часов из-за высокого саморазряда неисправного элемента.
Батареи в портативном мире
Материал по Battery University основан на незаменимом новом 4-м издании « Batteries in a Portable World – A Handbook on Battery for Non-Engineers », которое доступно для заказа через Amazon.com.
% PDF-1.4 % 1 0 объект > поток 2016-06-29T10: 02: 01-04: 00 Microsoft® Word 20132021-11-27T09: 15: 05-08: 002021-11-27T09: 15: 05-08: 00iText 4.2.0 от 1T3XTapplication / pdfuuid: f68b0ce9- 58b9-426a-8cad-9c413ad54209uuid: 219ca9ad-bd56-4904-bb3c-a494d8eedd33uuid: f68b0ce9-58b9-426a-8cad-9c413ad54209
Уравновешивание межфазных реакций для достижения длительного срока службы высокоэнергетических литий-металлических батарей
Liu, J. et al. Пути создания практичных высокоэнергетических литий-металлических батарей с длительным циклом работы. Нат. Энергетика 4 , 180–186 (2019).
Артикул Google ученый
Whittingham, M. S. Окончательные пределы реакций интеркаляции для литиевых батарей. Chem. Ред. 114 , 11414–11443 (2014).
Артикул Google ученый
Уиттингем М.С. Литиевые батареи и катодные материалы. Chem. Ред. 104 , 4271–4302 (2004).
Артикул Google ученый
Сяо Дж. Как литиевые дендриты образуются в жидких батареях. Наука 366 , 426–427 (2019).
Артикул Google ученый
Xu, W. et al. Литий-металлические аноды для аккумуляторных батарей. Energy Environ. Sci. 7 , 513–537 (2014).
Артикул Google ученый
Jiao, S. et al. Поведение литий-металлических анодов при различной загрузке емкости и высокой плотности тока в литий-металлических батареях. Джоуль 2 , 110–124 (2018).
Артикул Google ученый
Wu, B., Lochala, J., Taverne, T.И Сяо Дж. Взаимодействие между поверхностью раздела твердого электролита (SEI) и ростом дендритного лития. Nano Energy 40 , 34–41 (2017).
Артикул Google ученый
Chen, S. et al. Критические параметры для оценки монетных ячеек и карманных ячеек перезаряжаемых литий-металлических батарей. Джоуль 3 , 1094–1105 (2019).
Артикул Google ученый
Cao, X. et al. Монолитные межфазные границы твердого электролита, образованные во фторированных электролитах на основе ортоформиата, сводят к минимуму истощение и измельчение лития. Нат. Энергетика 4 , 796–805 (2019).
Артикул Google ученый
Ren, X. et al. Эфирные электролиты с высокой концентрацией для стабильных высоковольтных литий-металлических батарей. ACS Energy Lett. 4 , 896–902 (2019).
Артикул Google ученый
Fang, C. et al. Количественное определение неактивного лития в литий-металлических батареях. Nature 572 , 511–515 (2019).
Артикул Google ученый
Ямада Ю., Ван, Дж., Ко, С., Ватанабе, Э. и Ямада, А. Достижения и проблемы в разработке электролитов аккумуляторных батарей с концентрацией соли. Нат. Энергетика 4 , 269–280 (2019).
Артикул Google ученый
Fan, X. et al. Невоспламеняющийся электролит позволяет использовать литий-металлические батареи с агрессивным химическим составом катода. Нат. Nanotechnol. 13 , 715–722 (2018).
Артикул Google ученый
Shen, L. et al. Прогресс в разработке стратегий подавления дендритов лития от внутреннего к внешнему за счет иерархических структур. Малый 27 , 2000699 (2020).
Артикул Google ученый
Zhang, Y. et al. На пути к лучшим металлическим литиевым анодам: проблемы и стратегии. Mater. Сегодня 33 , 56–74 (2020).
Артикул Google ученый
Лин, Д., Лю, Ю. и Цуй, Ю. Возрождение металлического литиевого анода для высокоэнергетических батарей. Нат. Nanotechnol. 12 , 194–206 (2017).
Артикул Google ученый
Niu, C. et al. Самосглаживающийся анод для получения высокоэнергетических литий-металлических батарей в реальных условиях. Нат. Nanotechnol. 14 , 594–601 (2019).
Артикул Google ученый
Канг Н. и др. Катодная пористость – это недостающий ключевой параметр для оптимизации удельной энергии литий-серной батареи. Нат. Commun. 10 , 4597 (2019).
Артикул Google ученый
Hwang, J. et al. Изготовление литий-металлической батареи, способной выдержать практические условия эксплуатации электромобилей. Energy Environ. Sci. 12 , 2174–2184 (2019).
Артикул Google ученый
Уэ, М., Сакауши, К. и Уосаки, К. Базовые знания в области исследования аккумуляторов, устраняющие разрыв между академическим сообществом и промышленностью. Mater. Horiz. 7 , 1937–1954 (2020).
Артикул Google ученый
Shi, P. et al. Электрохимическая диаграмма ультратонкого анода из металлического лития в карманных ячейках. Adv. Матер. 31 , 1
5 (2019).Артикул Google ученый
Паланисами, М., Парих, В. П., Парех, М. Х. и Пол, В. Г. Сборка ячеек для литий-металлической батареи и демонстрация прототипа с использованием специального полипропиленового сепаратора. Energy Technol. 8 , 2000094 (2020).
Артикул Google ученый
Zhang, X. et al. Переосмысление того, как внешнее давление может подавить дендриты в литий-металлических батареях. J. Electrochem. Soc. 166 , A3639 – A3652 (2019).
Артикул Google ученый
Бараи П., Хига К. и Сринивасан В. Влияние внешнего давления и транспортных свойств электролита на рост дендритов лития. J. Electrochem. Soc. 165 , A2654 – A2666 (2018).
Артикул Google ученый
Niu, C. et al. Высокоэнергетические карманные элементы из металлического лития с ограниченным набуханием анода и длительными стабильными циклами. Нат. Энергетика 4 , 551–559 (2019).
Артикул Google ученый
Lee, Y.G. et al. Высокоэнергетические твердотельные литий-металлические батареи с длительным циклом работы с композитными анодами из серебра и углерода. Нат. Энергетика 5 , 299–308 (2020).
Артикул Google ученый
Weber, R. et al. Длительный срок службы и морфология лития без дендритов в безанодных литиевых ячейках с двойным солевым жидким электролитом. Нат. Энергетика 4 , 683–689 (2019).
Артикул Google ученый
Louli, A.J. et al.Изучение влияния механического давления на характеристики безанодных литий-металлических элементов. J. Electrochem. Soc. 166 , A1291 – A1299 (2019).
Артикул Google ученый
Louli, A.J. et al. Диагностика и устранение неисправностей безанодных ячеек с помощью электролитного и морфологического анализа. Нат. Энергетика 5 , 693–702 (2020).
Артикул Google ученый
Genovese, M. et al. Комбинаторные методы повышения эффективности циклирования металлического лития. J. Electrochem. Soc. 165 , A3000 – A3013 (2018).
Артикул Google ученый
Сяо, Дж., Ян, Ю., Лю, Д. и Дэн, З. Д. Приложение Li-Batt Design (Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория, 2020).
Wu, B. et al. Передовые методы работы с перезаряжаемыми литий-металлическими батареями. Дж.Электрохим. Soc. 166 , A4141 – A4149 (2019).
Артикул Google ученый
Xiao, J. et al. Понимание и применение кулоновской эффективности в литий-металлических батареях. Нат. Энергетика 5 , 561–568 (2020).
Артикул Google ученый
Zhu, Y. et al. Принципы проектирования самоформирующихся интерфейсов, обеспечивающих стабильные аноды из металлического лития. Proc. Natl Acad. Sci. США 117 , 27195–27203 (2020).
Артикул Google ученый
Ren, X. et al. Включение высоковольтных литий-металлических батарей в практических условиях. Джоуль 3 , 1662–1676 (2019).
Артикул Google ученый
Lu, D. et al. Механизм выхода из строя быстрозаряжаемых литий-металлических батарей с жидкими электролитами. Adv. Energy Mater. 5 , 1400993 (2015).
Артикул Google ученый
Гуденаф, Дж. Б. и Парк, К. С. Литий-ионная аккумуляторная батарея: перспектива. J. Am. Chem. Soc. 135 , 1167–1176 (2013).
Артикул Google ученый
Янг С., Завалий П. Ю. и Уиттингем М. С. Аноды для литиевых батарей: новое слово в олове. Электрохим. Commun. 5 , 587–590 (2003).
Артикул Google ученый
Kim, D. et al. Трехмерный анод на основе углерода с контролируемой пористостью для литий-металлических батарей с помощью процесса на основе суспензии. Chem. Commun. 56 , 13040–13043 (2020).
Артикул Google ученый
Kim, S. et al. Корреляция электрохимического и механического откликов: дифференциальный анализ перезаряжаемых литий-металлических элементов. J. Источники энергии 463 , 228180 (2020).
Артикул Google ученый
Li-Ion BMS – Белая книга
Гораздо проще собрать аккумуляторную батарею из сбалансированных ячеек, чем сбалансировать ее после сборки. Ручная балансировка трудоемка и требует большого ухода; а на то, чтобы позволить BMS сделать общий баланс, могут потребоваться недели.
Чтобы уравновесить ячейки перед сборкой пакета, нужно соединить их все параллельно и дать им некоторое время сидеть.
Ячейки параллельно.
Как только ячейки будут подключены параллельно, ток будет течь от ячеек с более высоким SOC к ячейкам с более низким SOC. Это потому, что (в общем) напряжение ячейки увеличивается с уровнем SOC.
Ток будет начинаться с высокого уровня (до 5 C) и экспоненциально уменьшаться до 0 A по мере того, как уровни SOC ячеек уравновешиваются относительно друг друга.
Этот график предназначен для 2 ячеек, соединенных параллельно. Наиболее заряженная ячейка (ячейка 2, синяя) разряжается в другую ячейку (ячейка 1, зеленая).В тот момент, когда ячейки соединяются вместе, их напряжение на клеммах перескакивает до среднего значения (оранжевого цвета) и остается на нем с этого момента. Их OCV асимптотически приближаются к выходному напряжению, а их токи асимптотически приближаются к 0 А.
Участок из 2-х сот соединенных параллельно.
ВНИМАТЕЛЬНО! Для некоторых типов ячеек, если они близки к полной зарядке, начальный ток может достигать 100 C! Такой уровень тока может повредить наименее заряженные ячейки.
Абсолютно лучший способ уравновесить ячейки – это параллельное соединение ячеек с уровнем SOC не более 80%. а затем используйте источник питания (3,6 В для фосфатных элементов, 4,2 В для LiPo или кобальтовых элементов), чтобы медленно довести все элементы до 100% SOC.
Ячейки параллельно с источником питания
Конечно, этот метод требует дополнительного времени для зарядки всех ячеек от их среднего значения SOC до 100%.
Время зарядки [ч] = (1 – начальное состояние заряда [%] / 100%) * количество ячеек * емкость элемента [Ач] / ток питания [А]
Тогда возникает вопрос: сколько времени это займет?
На самом деле, намного быстрее, чем вы думаете: с 20 секунд до 12 часов.
Время зависит от:
- Где это делается: на средних уровнях SOC или когда почти заполнено
- Внутреннее последовательное сопротивление ячейки в этом SOC
- Наклон кривой зависимости напряжения от SOC на этом SOC
- Начальный дисбаланс SOC
- Желаемый финальный матч SOC
(Обратите внимание, что емкость ячеек не имеет значения.)
Дисбаланс ячеек, ток балансировки и OCV (напряжение холостого хода) ячеек уменьшаются с постоянной времени, которая равна:
Постоянная времени [ч] = Относительное сопротивление ячейки [Ом – Ач] / Падение напряжения на кривой SOC [В]
Или, говоря более практическим языком:
Постоянная времени [м] = 0.6 * Относительное сопротивление [мОм – Ач] / крутизна зависимости напряжения от кривой SOC при этом SOC [мВ / 1%]
Теперь, когда у нас есть постоянная времени, легко рассчитать, сколько времени нужно, чтобы перейти от заданного% разбаланса SOC до желаемого соответствия SOC.
Время балансировки [м] = Постоянная времени [м] * e (начальный дисбаланс / конечный дисбаланс)
Один интересный момент заключается в том, что если все ячейки начинаются со среднего уровня SOC (скажем, 50% +/- 30%), то в момент, когда все ячейки соединяются параллельно, напряжение ячейки перескочит до нового значения, которое соответствует среднему SOC всех ячеек.Это напряжение будет оставаться постоянным на протяжении всего процесса балансировки. К тому времени, когда все ячейки будут сбалансированы, их SOC будет одинаковым и равным начальному среднему SOC. Следовательно, напряжение ячейки будет точно таким же, как и пусковое напряжение. Это независимо от того, сколько ячеек используется, и независимо от их начального SOC (в пределах указанного выше диапазона). Причина в том, что в диапазоне средних уровней SOC сопротивление ячейки и наклон напряжения в зависимости от SOC в значительной степени постоянны.
С другой стороны, если некоторые ячейки начинают полностью заполнены или полностью пусты, их сопротивление и наклон не будут постоянными. Следовательно, напряжение ячейки будет начинаться с другого напряжения, а затем, как только все ячейки войдут в средний диапазон, он быстро установится до конечного напряжения.
Начальный относительный ток просто:
Начальный ток [C] = Delta SOC [%] * Наклон [мВ / 1%] / Относительное сопротивление [Ом / Ач]
Где «Delta SOC» – это разница между SOC ячейки и средним SOC всех ячеек.
Или, с точки зрения фактического тока:
Начальный ток [A] = дельта SOC [%] * наклон [мВ / 1%] / сопротивление [Ом]
Где «Сопротивление» – это относительное сопротивление [Ом / Ач], деленное на емкость ячейки [Ач].
Например, следующий график относится к «силовым» элементам LiFePO4 (тип A123 M1) при примерно 50% SOC, сбалансированном от 10% -ного дисбаланса SOC до совпадения 0,1%.
Его постоянная времени составляет около 7,5 минут, а время баланса – около 34 минут.
График балансировки “силовых” ячеек LiFePO4.
В этой таблице перечислены типичные значения для различных типов ячеек.
Таблица разделена на 3 раздела:
- Средний диапазон: используйте этот раздел, если ячейки имеют SOC от 20 до 80%.
- 100% SOC, как зарядка, так и разрядка: используйте эти 2 секции, если элементы почти заполнены
- Зарядка: используйте этот раздел для менее заряженных элементов
- Разрядка: используйте этот раздел для наиболее заряженных элементов.
В каждом разделе перечислены:
- Относительное последовательное сопротивление ячейки при этом SOC; чтобы получить фактическое сопротивление, разделите это значение на мощность; например, если относительное сопротивление составляет 70 мОм – Ач, а емкость – 100 Ач, то фактическое сопротивление равно 0.7 мОм
- Наклон кривой зависимости напряжения от SOC для этой ячейки при этом SOC: изменение мВ для каждого изменения SOC на 1%
- Постоянная времени (в минутах) для этой ячейки в этом SOC
- Начальный относительный ток (в С), когда элемент, SOC которого на 10% ниже среднего, сначала подключается к другим элементам; чтобы получить фактический ток (в амперах), умножьте это значение на мощность; например, если ток 5 C, а емкость 100 Ач, то ток 500 A
- Сколько времени потребуется (в минутах) для балансировки с 10% до 0.1% дисбаланса SOC
Ток в красном цвете указывает на то, что начальный ток превышает 10 C, что для многих типов ячеек является чрезмерным. Это особенно проблема для ячеек с самым низким SOC, потому что максимальный ток заряда обычно меньше максимального тока разряда. Поэтому для этих типов ячеек никогда не подключает ячейку напрямую параллельно, если они заполнены .
| Тип ячейки | На среднем уровне SOC | Заряд, близкий к 100% SOC | Разряд, близкий к 100% SOC | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Rela- активное сопротивление- [мОм – Ач] | Напряжение vs.Наклон SOC [мВ / 1%] | Время – т [м] | Начальный относительный ток при 10% нестабильности копье [C] | Время балансировки, от 10% до 0,1% [м] | Rela- активное сопротивление- [мОм – Ач] | Напряжение в зависимости от наклона SOC [мВ / 1%] | Время – т [м] | Начальный относительный ток при 10% нестабильности копье [C] | Время балансировки, от 10% до 0,1% [м] | Rela- активное сопротивление- [мОм – Ач] | Напряжение vs.Наклон SOC [мВ / 1%] | Время – т [м] | Начальный относительный ток при 10% нестабильности копье [C] | Время балансировки, от 10% до 0,1% [м] | |
| Мощность LiFePO4 (A123 M1) | 38 | 2 | 7,5 | 0,80 | 34,5 | 100 | 150 | 0,4 | 15,0 | 1,8 | 25 | 150 | 0.1 | 60,0 | 0,5 |
| Стандартный LiFePO4 (CALB) | 170 | 2 | 51,0 | 0,12 | 234,9 | 680 | 150 | 2,7 | 2,2 | 12,5 | 170 | 150 | 0,7 | 8,8 | 3,1 |
| LiFeYPo4 (Thundersky) | 40 | 0.25 | 168,0 | 0,04 | 773,7 | 280 | 100 | 1,7 | 3,6 | 7,7 | 70 | 100 | 0,4 | 14,3 | 1,9 |
| LiMn2O2 (GoldPeak) | 100 | 4,5 | 6,7 | 0,90 | 30,7 | 200 | 500 | 0,2 | 25.0 | 1,1 | 50 | 500 | 0,1 | 100,0 | 0,3 |
| Power LiPo (Kokam SLPB-H5) | 15 | 10 | 1,2 | 5,00 | 5,5 | 80 | 30 | 1,6 | 3,8 | 7,4 | 20 | 30 | 0,4 | 15,0 | 1,8 |
| Стандартный LiPo (Kokam SLPB) | 120 | 7.5 | 9,6 | 0,63 | 44,2 | 480 | 125 | 2,3 | 2,6 | 10,6 | 120 | 125 | 0,6 | 10,4 | 2,7 |
| Кобальт (Sony) | 300 | 6 | 30,0 | 0,20 | 138,2 | 1200 | 50 | 14,4 | 0.4 | 66,3 | 300 | 50 | 3,6 | 1,7 | 16,6 |
Приведенные выше формулы получены в результате инженерного анализа электрической цепи, состоящей из нескольких параллельно включенных ячеек.
Во-первых, нам нужна формула для постоянной времени ячейки в конкретном SOC.
Из кривой зависимости напряжения от SOC ячейки мы можем извлечь две точки данных:
- Наклон напряжения от SOC [В /%]; например, для ячейки LiFePO4 при средних уровнях SOC это около 2 мВ / 1% дельта SOC.
- Сопротивление относительно емкости; делим дельту между двумя кривыми при 50% SOC, по дельте тока, вызвавшей сдвиг кривой; например, для “силового” элемента LiFePO4 при средних уровнях SOC это около 25 м & Омега-Ач
Теперь мы посмотрим, как мы можем использовать эти две точки данных вместе с аналогией с конденсатором, для оценки постоянной времени ячейки при определенном SOC.
Здесь нужно быть осторожным: буква «C» обозначает емкость, когда речь идет о конденсаторе, но он также представляет ток относительно емкости, когда мы говорим о ячейках.
Если бы это были конденсаторы вместо ячеек, постоянная времени была бы TC [с] = R * C [Ом-Фарад], где R – внутреннее последовательное сопротивление конденсатора, а C – его емкость.
Для ячейки вместо сопротивления у нас есть сопротивление относительно емкости; и вместо емкости у нас есть наклон кривой зависимости напряжения от SOC.
Напряжение разряженного конденсатора с течением времени имеет наклон V / T [В / с] = I / C [A / Фарад],
где I – ток, разряжающий его, а C – емкость.
Или, если мы хотим найти емкость: C [F] = I [A] / (V / T [В / с])
Заряд в ячейке:
Q [Кулоны] = емкость ячейки [Ач] * 3600 [с]
Заряд в конденсаторе:
Q [Кулоны] = Емкость [Фарад] * Напряжение дельты [В]
Эквивалентная емкость:
C [Фарад] = заряд [кулоны] / дельта-напряжение [В] = емкость элемента [Ач] * 3600 [с] / дельта-напряжение [В]
Последовательное сопротивление:
R [Ом] = Относительное сопротивление [Ом / Ач] / Емкость элемента [Ач]
Постоянная времени:
TC [с] = R * C =
= Относительное сопротивление [Ом / Ач] / Емкость элемента [Ач] * Емкость элемента [Ач] * 3600 [с] /
/ Напряжение треугольника [В] =
= Относительное сопротивление [Ом] / Ач] * 3600 [с] / Напряжение [В]
TC [ч] = Относительное сопротивление [Ом / Ач] * 3600 [с] / Напряжение [В] /
/3600 [с] = Относительное сопротивление [Ом / Ач] / Напряжение треугольника [В]
В более практичных единицах:
TC [м] = относительное сопротивление [Ом / Ач] / дельта-напряжение [В] * 60 =
= относительное сопротивление [мОм / Ач] / дельта-напряжение [мВ] * 0.6 * 100 =
= Относительное сопротивление [мОм / Ач] / дельта-напряжение [мВ / 1%] * 0,6
Активная балансировка литий-ионных аккумуляторов для электромобилей Дебадьюти Банерджи, Анирбан Гири, Шиб Санкар Саха :: SSRN
6 стр. Размещено: 3 янв 2020
Дата написания: 30 ноября 2019 г.
Абстрактные
В электромобилях (EV) используются аккумуляторные батареи, содержащие последовательно-параллельные комбинации нескольких небольших единиц для удовлетворения высоких требований к мощности приводной системы.В последние годы литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы широко используются в электромобилях для хранения энергии вместо обычных свинцово-кислотных аккумуляторов из-за преимуществ более высокого напряжения элементов, отсутствия эффекта памяти, низкого саморазряда, более длительного срока службы аккумулятора и уменьшенный размер и вес. Однако для литий-ионных аккумуляторных батарей требуются внешние схемы балансировки мощности для защиты от повреждений в результате перезарядки и глубокой разрядки. В этой работе предлагается активная схема для балансировки заряда литий-ионных аккумуляторных батарей.Предлагаемая схема балансировки заряда использует многообмоточный обратноходовой преобразователь с числом активных переключателей n + 1 для защиты стека из числа n последовательно соединенных ячеек. Производительность предлагаемой системы была подтверждена компьютерным моделированием в MATLAB с 4-элементным аккумулятором. Результаты моделирования были обнаружены в хорошем согласии с предсказанным поведением системы.
Ключевые слова: BMS, Балансировка ячеек, Обратный преобразователь, Литий-ионная батарея, Многообмоточный трансформатор, Состояние заряда
Рекомендуемое цитирование: Предлагаемая ссылка
Банерджи, Дебадьюти и Гири, Анирбан и Саха, Шиб Санкар, Активная балансировка ячеек литий-ионных аккумуляторов для электромобилей (30 ноября 2019 г.