Схема балансира на конденсаторе: 4S конденсаторный балансир и немного о его устройстве. Тесты и обзоры аккумуляторов для электронных устройств. Обзоры электроники. Тесты и обзоры аккумуляторов для электронных устройств

4S конденсаторный балансир и немного о его устройстве. Тесты и обзоры аккумуляторов для электронных устройств. Обзоры электроники. Тесты и обзоры аккумуляторов для электронных устройств

$16.99

Перейти в магазин

Это уже третий обзор активного балансира и второй обзор конденсаторного, он же ёмкостной. В прошлый раз я сделал больше акцент о самой работе, но почти ничего не рассказал о механизме работы и сегодня это упущение будет исправлено.

Брал я данный балансир вместо индуктивного, так как он показался мне довольно слабым, тем более что планировалось использовать его с ёмкими аккумуляторами, впрочем не буду затягивать, перейду к обзору.

Упакован в небольшой антистатический пакет.

Из описания со страницы магазина

Сбалансированное пусковое напряжение: 3,0-4,2 В
Сбалансированное оконечное напряжение: 2,9 В (переход в спящий режим при пониженном напряжении)
Точность баланса: ≤ 5 мВ
Ток сна: ≤ 1 мА
Максимальный ток баланса: разница напряжения 0,1v1a; 0. 5v3.5a; 1.0v5.5a

но к сожалению не все так красиво, об этом в конце обзора.

Внутри плата балансира и провода со штекером для подключения к плате. Длина проводов около 20см, при этом провода очень жесткие и не сказал бы что большого сечения.

С верхней стороны почти всю площадь платы занимает десяток полимерных конденсаторов емкостью 2200мкФ на 6.3 вольта.
Кроме разъема на плате также имеются отверстия для припаивания проводов и я рекомендую использовать именно их, тогда можно использовать провода большего сечения.

Если перейти по ссылке в магазин, то внимательные читатели заметят некоторое отличие фотографии на странице товара и платы в обзоре.
В магазине показана плата с девятью конденсаторами и без разъема, я получил плату с десятью и с разъемом. Фото для заголовка пришлось в итоге искать на алиэкспресс.

Обратная сторона платы занята еще больше, вверху четыре предохранителя, ниже 16 транзисторов, еще ниже драйверы и генератор импульсов.

Перед тем как перейти к более детальному описанию сравнение с предыдущей протестированной платой, она была для 6S сборок, потому деталей почти в полтора раза больше.

Но замечу что кроме количества была разница и в самих компонентах, на правой плате транзисторы явно мощнее, кроме того имеется DC-DC преобразователь, а также для защиты плата покрыта лаком.

А вот то, о чем меня спрашивали в комментариях к предыдущему обзору, схема, ну и попутно попробую пояснить как вся эта “кухня” работает.

Для начала общая схема, в реальности на плате деталей примерно на пару десятков больше, не показаны мелкие керамические конденсаторы которые стоят по питанию каждого чипа и параллельно восьми полимерных конденсаторов.

Чтобы проще было понять схему, цветом выделил цепи первого и четвертого канала. Как видно, генератором импульсов является популярный таймер NE555, далее импульсы идут на четыре драйвера полевых транзисторов ну и потом на силовые ключи.

Ну а так как на полной схеме сложно разглядеть как что включено, то оставил для примера только задающий генератор, один драйвер и один комплект ключей.

Пускай вас не смущает то, что входы драйвера соединены вместе, у примененного EG2131 они инверсны относительно друг друга, т.е. при подаче логической единицы открывается верхний ключ, при подаче нуля открывается нижний. Решение простое и удобное, защитная пауза формируется судя по всему силами самого драйвера.

В качестве силовых ключей применены IRF7455 с сопротивлением открытого канала 7.5мОм.

Теперь о принципе работы.
Если убрать все лишнее со схемы и оставить только силовой узел, а его также для упрощения заменить на выключатели, то это будет выглядеть как-то так.
Верхние ключи включаются синхронно и в противофазе с нижними.

Принцип работы предельно прост и разбит на два такта. Из-за особенностей драйверов первым идет открытие нижнего ключа, но для просты понимания я покажу так, как будет нагляднее.

1. Верхние и средние конденсаторы через ключи соединены параллельно, при этом каждый канал включен последовательно. Напряжение на конденсаторах равно напряжению на ячейках.
2. Верхние ключи размыкаются и замыкаются нижние, все конденсаторы соединяются параллельно, напряжение на них выравнивается, т.е. более заряженные отдают энергию менее заряженным.
3. Нижние ключи размыкаются и замыкаются верхние, те конденсаторы которые отдали часть энергии опять заряжаются от ячеек с более высоким напряжением, а те которые получили энергию, отдают её ячейкам с меньшим напряжением.

На схемах показан первый и второй такт, далее они просто чередуются. Схема работает постоянно пока есть питание и в отличие от индуктивного балансира не передает заряд от 1 к 2 ячейке, потом от 2 к 3, от 3 к 4 и т.д, а выравнивает сразу всю батарею.

Частота работы около 7кГц и кстати в работе плата тихо, но неприятно пищит.
Поднять эффективность работы можно увеличением частоты, но в таком случае придется поставить и транзисторы с меньшим Rdson. Кроме того вырастет нагрузка на конденсаторы.
Но в любом случае как можно было видеть, подобный балансир можно сделать и самому, так как он не содержит никаких специализированных чипов, а только задающий генератор и комплекты драйвер + 4 транзистора + конденсаторы. Количество комплектов равно количеству подключаемых ячеек батареи.

Возможно будет закономерный вопрос, а можно сделать такую схему на 100500 ячеек? Нет, на 100500 вряд ли, но вот на 100-120 относительно легко, а ограничивает количество максимальное напряжение изоляции драйвера транзисторов, у которых оно чаще имеет максимум в 600 вольт. Кроме того, при напряжении более 15-17 вольт надо применять стабилизатор или преобразователь напряжения для питания драйверов и генератора.

Тестировал балансир также как и индуктивный, для чего он был подключен к 4S сборке LiFePO4 аккумуляторов, при этом плата защиты была отключена.
При подключении ничего не сгорело, а на плате засветился светодиод индикации работы. Причем настолько яркий что им вполне можно было освещать комнату, а с тем что он очень мелкий, то реально выедал глаза.

Как и ранее батарея была сначала полностью заряжена, а затем разряжена так, чтобы получился большой разбаланс. Как и ранее первая ячейка разряжалась 38 минут током 5. 5А, третья 19 минут и четвертая 57 минут. В конце подготовки заряд по ячейкам выглядел следующим образом:

1. 35%
2. 100%
3. 70%
4. 5%

Так как у LiFePO4 аккумуляторов напряжение не очень сильно зависит от степени заряда, то даже между полностью заряженным (2) и почти полностью разряженным (4) разница составляла всего 0.5 вольта.

Я не проводил подробный тест с малыми интервалами, так как по сути такая проверка была в предыдущих обзорах, но периодически измерял, что происходит.
Результаты примерно через 2, 3 и 7 часов от начала, видно что напряжение быстро пришло к чему-то среднему, больше всего изменения конечно у самого разряженного аккумулятора (4). Хотя сложно назвать увеличение напряжения на 20мВ большим изменением.

В процессе посмотрел что с нагревом и оказалось, что больше всего температура была не в районе транзисторов, а около светодиода…
Температура почти сразу после начала теста и через пару часов.

После разбирательств выяснилось, что греется резистор светодиода (схема чертилась потом), который имеет номинал 220 Ом, что при напряжении на нем около 10 вольт и заполнении 50% дает усредненный ток порядка 22мА и мощность 0.

22Вт.

Конечно резистор был заменен, сначала поставил 1.5кОм, потом 3кОм, но думаю что реально увеличить и до 10кОм. Резистор поставил размера 0805, который отлично стал на место родного.

1. Нагрев в этом месте практически пропал и самым горячим чипом оказался NE555.
2. Причем что интересно, во время всех измерений, что в самом начале, что в конце (после цикла заряда), больше всех грелись транзисторы отвечающие за минусовую цепь третьей и четвертой ячеек

Примерно через 15 часов заметил, что напряжение на ячейках падает, причем падало оно даже на четвертой (самой разряженной) ячейке.
Результаты через 14, 26 и 36 часов от начала теста.

Как и в прошлый раз после примерно 34-36 часов балансировки батарея была заряжена до достижения напряжения 3.65 вольта на самом заряженном аккумуляторе (2). Но вот если тогда “залилось” 1309мАч, то теперь 3932мАч, что говорит о двух вещах:
1. Более активной балансировке
2. Большем потреблении самой платы, а также отсутствии “дежурного” режима.

После промежуточного заряда отключил балансир и измерил напряжения на ячейках, максимальный разброс составил 5мВ между второй и четвертой ячейками. При этом отмечу, что если в начале теста вторая ячейка имела самый большой заряд, а четвертая самый малый, то теперь они поменялись местами.

Как уже было написано выше, я не придерживался каких либо точных временных интервалов, но небольшой график все таки решил набросать. Ниже данные за примерно 50 часов, начальные до подключения балансира, ближе к концу виден цикл промежуточного заряда.

Думаю многих волнует вопрос, а сколько потребляет всё это. Измерение проходило уже после замены резистора светодиода, потому к результатам можно добавить около 20мА.
1, 2. Сначала проверил косвенно, батарея была подключена к зарядному устройству, также была подключена и плата защиты с пассивным балансиром. Батарея полностью заряжена, но ток меньше установленного тока отсечки (50мА), потому заряжать она так будет бесконечно. Все вместе потребляет 160мА, при отключении активного балансира ток падает до 90мА, соответственно получается потребление 70мА.
3, 4. Подключил плату к блоку питания без батареи и выяснилась приличная зависимость от напряжения питания, при 12 вольт ток был 33мА, если поднять до 15 вольт, то уже 65мА.

В описании было заявлено –

4S статический ток в полном состоянии (4,2 В * 4 элемента) 16,5 В 15 мА

Но как мы видим, это совсем не так, реально в 4 раза больше, не говоря о том, что там же указано

Ток сна: ≤ 1 мА

Собственно это по сути есть ответ и на вопрос, почему так много ушло на последующий заряд. Батарея с емкостью 5700мАч была заряжена примерно на 50% (5+33+66+100%) или около 2800-2900мАч. Через 36 часов теста при токе потребления пусть 40мА получается от неё забрали около 1500мАч. Расчет конечно грубый, но тем не менее, это объясняет, почему через время напряжение стало падать на четвертом элементе, хотя перед этим росло.

Ну что здесь сказать, выводы собственно те же что и в предыдущем обзоре, но все таки немного выскажусь.
Балансир работает, правда немного хуже чем 6S, который я тестировал ранее. Кроме того есть разница и в качестве изготовления, по крайней мере здесь плата не покрыта лаком.
Удивила логика разработчиков, придумавших питать светодиод током в 20-25мА при том что плата работает всегда и питается от батареи.
Кроме того, оказалось что балансир не соответствует заявленным характеристикам в плане собственного потребления.

Если же сравнивать его с пассивным, то здесь также будут свои преимущества и недостатки.
У обозреваемого быстрее балансировка, выше её точность, так как балансир работает всегда.
Индуктивный проигрывает в точности и скорости, но за счет специализированного контроллера после балансировки переходит в “спящий режим”, потребляя совсем немного, да и стоит заметно дешевле.

Какой применять, также зависит от типа батареи, в случае “обычной” литий-ионной можно и индуктивный, сильно не проиграете, но в случае LiFePO4 однозначно лучше конденсаторный. Обусловлено это особенностью LiFePO4 аккумуляторов, а собственно их зарядно/разрядной кривой.

Дополнение
В процессе обсуждения выяснилось, что драйверы и транзисторы в реальности сильно ограничивают максимальное напряжение батареи, отчасти скорее всего из-за этого есть такая большая зависимость потребляемого тока от напряжения питания. По результатам тестов могу сказать, что использовать эту плату с “обычными” литий-ионными нельзя, разве что с LTO, ну или на крайний случай с LiFePO4, да и то потому, что я в таком режиме её уже тестировал.
Как решение, поставить стабилизатор, снижающий напряжение питания драйверов и NE555 до безопасной величины.

$16.99

Перейти в магазин

Балансир для Суперконденсаторов | 2 Схемы

Суперконденсаторы (ионисторы) все чаще используются в схемах питания, и балансировочная система необходима для правильного заряда последовательно соединенной конденсаторной батареи такой большой емкости EDLC .

Зарядка отдельных суперконденсаторов не проблема. Доступны специальные готовые комплексные зарядные устройства с защитой. Чуть хуже обстоит дело при зарядке пакетов, состоящих из нескольких последовательно соединенных суперконденсаторов. Из-за разброса допуска емкости напряжение на отдельных конденсаторах в сборке распределяется не всегда равномерно. Это опасно, так как даже незначительное превышение номинального напряжения заканчивается необратимым повреждением или даже взрывом конденсатора!

Таким образом, балансировочная схема необходима для правильной зарядки последовательно соединенных конденсаторов. Её основная задача — защитить конденсатор от повышения напряжения выше безопасного значения (2,45 В для конденсаторов на 2,5 В). В случае превышения 2,45 В устройство шунтирует заряженную батарею резистором, позволяя протекать току и заряжая оставшиеся элементы без повышения напряжения с наименьшей емкостью в сборке. Это несколько увеличивает время зарядки схемы и ухудшает эффективность зарядки, но обеспечивает надежность и долговечность упаковки.

Принципиальная схема балансира для суперконденсаторов

Схема балансира показана на рисунке, она работает как прецизионный стабилитрон. Напряжение VBAT с конденсатора подается на чип U1 типа LTC6703HV – микро компаратор со встроенным источником опорного напряжения 400 мВ и гистерезисом переключения 6,5 мВ. Делителем R1A/R1B/R2 устанавливается порог переключения схемы 2,45 В. Резистор R4 и конденсатор С1 фильтруют питание компаратора. Ключ с транзистором Q1 управляется с выхода компаратора. Резистор R3 подает питание на вход затвора, так как выход компаратора с открытым стоком. В зависимости от величины балансировочного тока следует подобрать резисторы R5A…R5C. Резисторы R5A и R5B (типа 2512 с мощностью 1 Вт) размещены на печатной плате. Из-за тепловыделения не рекомендуется снижать их значения ниже 33 Ом.

Максимальный ток балансировки не должен превышать 3 А. Светодиод LB сигнализирует об активности балансира. В прототипе при номиналах резисторов из схемы ток потребления ниже напряжения балансировки и не превышает 10 мкА, что делает его пренебрежимо малым по сравнению с током саморазряда конденсатора EDLC.

Балансир смонтирован на небольшой двухсторонней печатной плате. Схема сборки показана на рисунке.

Плата сборки балансира для суперконденсаторов

Во время пуска, питая схему от внешнего источника питания с измерением тока, обязательно надо проверить напряжение активации, которое должно быть 2,40…2,45 В для конденсаторов на 2,5 В. Точную настройку можно произвести с помощью лабораторного источника питания по подбору сопротивления R1A. В процессе работы резисторы R5A-R5C нагреваются, поэтому необходимо обеспечить достаточную циркуляцию воздуха вокруг балансира.

В связи с высокими значениями сопротивления используемых резисторов и требуемой точностью измерения порога срабатывания, плату после сборки необходимо промыть, чтобы удалить остатки флюса. Затем защитите печатную плату изоляционным лаком или препаратом для герметизации.

Используемый компаратор имеет малый гистерезис, упрощает конструкцию балансира и снижает потери мощности в балансной части. Схема точна, но отличается повышенной чувствительностью к колебаниям напряжения.

Самодельный балансир для ионистора

Соединения балансира и суперконденсатора должны выполняться как можно более коротким проводом сечением 2,5 мм2, чтобы колебания напряжения VBAT, связанные с включением балансира, не влияли на работу компаратора и не приводили к коммутационным колебаниям. Колебания не вредны для работы и схемы, но они увеличивают генерируемые электромагнитные помехи и излишне увеличивают время балансировки (меньшее заполнение кривой тока балансировки).

Оценка цепей активной балансировки для суперконденсаторов

by Ciprian Ionescu, Andreas Drumea, Paul Svasta, Alexandru Vasile, Norocel Codreanu
Политехнический университет Бухареста, Румыния, Центр технологической электроники и технологий межсоединений, UPB-CETTI 9 0006

представлено К. Ионеску на 2-м PCNS 10-13 сентября 2019 г., Бухарест, Румыния, в качестве документа 5.3.

Abstract

Суперконденсаторы зарекомендовали себя как многообещающая технология для дополнения батарей. Из-за их низкого номинального напряжения обычно строят батареи суперконденсаторов с последовательным соединением, чтобы получить более высокие уровни напряжения. Из-за производственных дисперсионных параметров при работе в многократных циклах заряда-разряда очень вероятно возникновение неравномерного состояния заряда (SOC). При зарядке постоянным током конденсатор, который первым достигает номинального уровня напряжения, может быть поврежден при дальнейшем заряде.

Для предотвращения этого предусмотрена дополнительная схема, кратко называемая балансировочной схемой. Балансировочная схема с резисторами и диодами — простое решение, но с большими потерями мощности и скромными характеристиками. Усовершенствованным решением является использование транзисторов для шунтирования зарядного тока при обнаружении перенапряжения на каждом выводе конденсатора. Еще лучшим решением является использование интеллектуального управления с помощью микроконтроллера или выделенных схем для контроля последовательного соединения суперконденсаторов.

В этой статье мы представляем наш опыт, основанный на специальной интегральной схеме. Схема была разработана TI на основе схем, уже используемых для ионно-литиевых аккумуляторов. Интегральная схема bq33100 [1] обеспечивает больше, чем балансировку батарей суперконденсаторов, являясь однокристальным решением, которое обеспечивает множество функций для управления зарядом, мониторинга и защиты конденсаторов серии до 5. Схема bq33100 может быть запрограммирована для периодического или по команде определения емкости и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) группы суперконденсаторов во время нормальной работы. Приведем результаты, доказавшие эффективность балансировки для батареи, использующей 5 конденсаторов по 22Ф, начиная с разных SOC на каждом конденсаторе и для разных зарядных токов. Тестовая плата, построенная на основе схемы, является производительной, энергоэффективной и может быть дополнительно улучшена, чтобы обеспечить управление балансировкой для большей емкости за счет увеличения тока зарядки и байпаса.

Введение в балансировку заряда конденсаторов

Суперконденсаторы или EDLC в настоящее время рассматриваются как многообещающая альтернатива аккумуляторам для хранения энергии, но не только. Определенным недостатком суперконденсаторов является их низкое номинальное напряжение. Использование в автомобильных приложениях при номинальном напряжении около 14 В требует последовательного соединения, типичного для шести (или пяти) отдельных EDLC, обычно называемых ячейками. Таким образом, полезная емкость уменьшается до C/6 (или C/5), см. рис. 1.

Рис. 1. Последовательное соединение суперконденсаторов (ячеек) для формирования суперконденсаторного модуля (СМ) или батареи

Для увеличения емкости при последовательном соединении необходимо построить суперконденсаторный модуль (СМ) с использованием также параллельных соединений. Это параллельное соединение также полезно для уменьшения эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) модуля [2]. В СМ весьма вероятно, что СЗ каждой ячейки будет неодинаков в реальной работе под нагрузкой и многократными циклами заряд-разряд.

Ячейка с более высокой емкостью будет показывать пониженное SOC (или напряжение). Неравномерное распределение будет более очевидным во время процесса зарядки. На процесс заряда последовательно соединенных конденсаторов влияют неравные значения емкости. EDLC как электронный компонент зависит от свойственных ему параметров от устройства к устройству, например, емкости, тока утечки или ESR (эквивалентного последовательного сопротивления).

Эти различия в емкости вызваны производственными отклонениями или старением. Емкость суперконденсатора может варьироваться в пределах ±20% от номинального значения. Это изменение емкости может создавать изменение напряжения суперконденсатора в процессе заряда-разряда (динамический). Напряжения отдельных конденсаторов в процессе заряда током I0 можно записать в виде:

(1)

с C1 по Cn емкость устройства от 1 до n соответственно.

Во время пауз в процессе заряда-разряда различные значения тока утечки конденсаторов могут создать дисперсию напряжений отдельных конденсаторов (статическую), определяемую как: ток конденсаторов с 1 по n соответственно.

И последнее, но не менее важное: изменение значений ESR конденсатора также создает некоторую дисперсию (динамическую) в отдельных напряжениях, когда последовательное соединение суперконденсатора подвергается процессу заряда-разряда. Результирующие напряжения:

(3)

где от R1 до Rn — ESR конденсатора от 1 до n соответственно, а I0 — зарядный ток.

Из (1) видно, что при зарядке постоянным током конденсаторы с большей емкостью будут заряжаться до более низких напряжений, а конденсаторы с меньшей емкостью – до более высоких напряжений. Таким образом, распределение напряжения изначально зависит от значений емкости, а по окончании заряда — от тока утечки.

Если цепь зарядки имеет соответствие напряжения, которое установлено как сумма номинальных напряжений конденсаторов, существует риск того, что некоторые конденсаторы будут заряжаться выше предела напряжения. Необходимо использовать некоторые методы для предотвращения этого факта. Простейшим пассивным методом реализации баланса напряжений является схема, показанная на рис. 2. Схема балансировки использует для каждого конденсатора C1-Cn резистор R1-Rn, включенный параллельно ему.

Значения сопротивлений выбираются в зависимости от тока утечки суперконденсатора. Такое параллельное соединение резисторов широко используется для последовательно соединенных электролитических конденсаторов. Эта схема резистивной балансировки может балансировать напряжения в дежурном режиме и не обеспечивает динамической балансировки. Другим недостатком являются потери энергии в процессе заряда-разряда, что ограничивает использование схемы в приложениях с низким энергопотреблением или низкой скоростью заряда/разряда.

Рис. 2. Схема пассивной балансировки с резисторами

Другим способом балансировки напряжений ШД является схема, представленная на рис. 3. Схема состоит из стабилитронов DZ1–DZn, параллельно подключенных к суперконденсаторам вместо резисторов. Максимальное зарядное напряжение конденсатора ограничивается диодом из-за напряжения фиксации. Эта схема имеет преимущество перед резистивной тем, что отсутствуют потери мощности до выхода конденсатора на номинальное напряжение, а также в дежурном режиме.

Рис. 3. Пассивная схема балансировки с диодами Зенера (фиксирующие диоды)

Основным недостатком схемы балансировки такого типа является отсутствие возможности динамической балансировки напряжения. На самом деле можно было бы добиться динамического ограничения напряжения, но для этого потребовались бы фиксирующие диоды большой мощности. Сложности в реализации схемы связаны с применением низковольтных стабилитронов (2,4-2,6В).

Сильноточные и мощные стабилитроны недоступны для этого диапазона напряжений. Кроме того, на напряжение пробоя диодов Vz влияет большая дисперсия параметров и наблюдаются большие колебания температуры. Более совершенная схема должна выполнять автоматическую балансировку напряжения и предотвращать возникновение перенапряжения отдельных суперконденсаторов при последовательном соединении, сохраняя зарядный ток для СМ.

Решение этой схемы балансировки, представленное на рис. 4, основано на переключаемых резисторах. Схема состоит из резисторов и переключателей SW1 на SWn. Резисторы
R1-Rn подключены параллельно конденсатору C1-Cn с помощью переключателей SW1-SWn.

Рис. 4. Схема автоматической балансировки с переключаемыми резисторами

Контролируются напряжения на конденсаторах и, если напряжение превышает установленный порог (например, 2,5 В), подается команда на переключатель. Таким образом, зарядный ток отводится через резистор. После того, как напряжение на конденсаторе естественным образом уменьшится (из-за саморазряда) до значения ниже опорного напряжения, ключ выключится.

При включенном выключателе в резисторах возникают потери мощности, но в любом случае эта схема представляет собой хорошее балансировочное решение. Решением для реализации этой схемы является использование транзисторов в качестве обходных переключателей и источников опорного напряжения для сравнения напряжения конденсатора с выбранным порогом. Схема балансировочного контура, построенного по этому принципу, показана на рис. 5 а), а картина практической реализации на рис. 5 б). [3]

Рис. 5. а) Схема балансировочной цепи. б) Суперконденсаторный модуль (СМ) с шестью конденсаторами 200Ф/2,7В
и схемы балансировки прилагаются

Схема рассчитана на напряжение около 2,62 В и ток байпаса до 1А. Ограничение в токовой области определяется тепловыделением в резисторах R1 и Q2. Принцип работы основан на отведении зарядного тока через резистор (R1) и транзистор (Q2), как описано в предыдущем разделе.

Когда напряжение на выводах конденсатора достигает заданного предела, транзистор Q1 начинает проводить через него ток, что приводит к открытию транзистора Q2. Транзистор Q1 представляет собой маломощный SMD-транзистор BC807-40, а Q2 представляет собой сильноточный транзистор большой мощности FZT849.. Резистор R7 обеспечивает положительную обратную связь, ускоряющую включение транзистора Q2.

Опорное напряжение обеспечивается прецизионной схемой опорной ширины запрещенной зоны LM4004 и имеет внутреннее значение 2,048 В. Светодиод предназначен для индикации и будет гореть, когда Q2 будет включен, это означает, что схема балансировки активна. Лучшим решением являются новые разработанные интеллектуальные схемы зарядки и управления суперконденсаторами. Решение, основанное на принципе, показанном на рис. 4, представлено в следующем разделе.

II. Режим работы интеллектуальной схемы балансировки

В нашей реализации интеллектуальной схемы балансировки мы использовали интегральную схему bq33100 [1], которая обеспечивает не только балансировку модулей суперконденсаторов. В то же время это одночиповое решение, которое предоставляет множество функций для контроля заряда, мониторинга и защиты. Он может индивидуально контролировать 2, 3, 4 или 5 серий суперконденсаторов с индивидуальной балансировкой или до 9 серий конденсаторов с меньшим контролем, измеряя только напряжение батареи. Блок-схема системы, построенной на базе bq33100, представлена ​​на рис. 6.9.0006 Рис. 6: Блок-схема схемы активной балансировки и контроля на базе микросхемы bq33100

Мы использовали оценочную плату от Texas Instruments (TI), построенную на основе схемы bq33100. Плата предназначена для зарядки последовательно соединенных пяти суперконденсаторов. В состав системы входит коммуникационный адаптер SM Bus для подключения к ПК через порт USB и блок питания. Также использовался специальный, но настраиваемый пакет бесплатного программного обеспечения от TI [4].

Подробная схема системы представлена ​​на рис. 7. Она основана на рекомендациях по проектированию и примечаниях по применению из [1]. Напряжение питания платы должно быть достаточно высоким, чтобы обеспечить зарядное напряжение батареи суперконденсаторов (>n× 2,5 В), где n — количество последовательно соединенных суперконденсаторов в банке, или обеспечить минимальное питание батареи. IC.

Правая сторона схемы отвечает за зарядку. Напряжение, используемое для зарядки, задается стабилизатором Q1 и схемой D2 типа TL431, прецизионное опорное напряжение. Процесс заряда управляется транзистором pMOS Q6. Существует возможность использования четырех зарядных напряжений за счет управления включением-выключением транзисторов Q2 и Q3, затворы которых подключены к схеме управления. Четыре возможных уровня напряжения: 10,5, 11,1, 11,8 и 12,4 В.

Обычно во время зарядки мы всегда использовали максимальный уровень, остальные уровни используются схемой bq33100 для других целей, например, для процесса обучения, о котором говорилось ранее. Максимальный зарядный ток задается номиналами резисторов R2 и R3, подключенных соответственно к опорной цепи D1. В настоящей реализации Imax=Vref/Req, где Vref=2,5 В является типичным значением для D1, а Req=10 Ом/2=5 Ом. Это приводит к максимальному зарядному току 500 мА.

Рис. 7. Полная принципиальная схема оценочной платы суперконденсатора с использованием схемы bq33100

В модуле суперконденсаторов конденсаторы соединены последовательно и подключены снаружи к разъему TB2. Общие точки между двумя соседними конденсаторами подключаются к выводам ИС bq3310, с помощью резисторов R8-R11, требуемым номиналом 1кОм. Выводы VC1-VC5 микросхемы используются для контроля напряжения, а также для управления балансировкой. Исключение составляют выводы конденсатора С5, для которых предусмотрены два вывода: один для контроля напряжения (вывод 10-VC5), а другой вывод (вывод 13-VC5BAL) используется для контроля процесса балансировки.

Высокая точность измерения достигается за счет использования в ИС 16-битного дельта-сигма АЦП с 16-канальным мультиплексированием. АЦП используется для измерения напряжения всех отдельных конденсаторов или целой батареи, а также для измерения тока заряда/разряда, а также для измерения температуры с использованием термистора Th2. ток через банк измеряется с помощью R18, шунтирующего резистора на 20 мОм.

Балансировка реализована путем управления пятью транзисторами pMOS Q4 A и B, Q5 A и B и Q9. Сопротивления нагрузки представлены R14-R17 и R31 со значением 100 Ом. Это приводит к току балансировки 25 мА, что составляет примерно 20-ю часть от максимального зарядного тока. Более высокие балансировочные токи возможны за счет снижения значений сопротивления. Это приводит к более высокой скорости балансировки за счет более высокого рассеивания и более мощных МОП-транзисторов.

Специально разработанная для измерения емкости и ESR плата имеет разрядную цепь, состоящую из транзисторов Q7, Q8, R28, R27, R26 и D4. Биполярный переходной транзистор Q7 обеспечивает постоянный ток, R27 и R28 являются стоковой нагрузкой, а Q8 является переключателем для управления разрядкой. Диод D4 используется для защиты. Без D4, когда напряжение модуля суперконденсатора низкое, контакт REG27 микросхемы всегда находится на уровне 2,7 В, а переход база-коллектор Q7 может быть смещен напрямую.

Интегральная схема bq33100 может быть запрограммирована на определение через определенные промежутки времени или по определенной команде емкости и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) модуля суперконденсатора при нормальной работе. Этот процесс называется «Обучение». Основные этапы этой процедуры, полностью контролируемой микросхемой, представлены на рис. 8. Интегральная схема bq33100 выполняет следующую последовательность действий для определения емкости и ESR:

1. суперконденсаторы, 2,4 В для одной ячейки, поэтому 12 В для модуля 5 серии суперконденсаторов
2. Разряд с использованием нагрузки постоянным током (до 500 мА) до определенного напряжения и запись напряжения и времени
3. Зарядка до V Learn Max,
4. Разряд с использованием нагрузки постоянного тока и внутренняя запись тока и времени
5. Расчет емкости и ESR на основе по записанному напряжению и току
6. Определить новое зарядное напряжение для нормальной работы (5×2,4 В )

Рис. 8. Циклы, используемые схемой для измерения емкости и ESR (обучение)

С отмеченными точками на рис. 8, мы можно использовать (4) и (5) для расчета емкости и ESR соответственно.

(4)

(5)

Для обеспечения последовательной связи использовался имеющийся в продаже модуль SMBus EV2300 [5] от TI, подключаемый к разъему J1.

Рис. 9. Экран программного обеспечения bqEVSW, показывающий напряжение конденсатора, условия зарядки и регистры флагов

Для связи с оценочной платой мы использовали бесплатное оценочное программное обеспечение от TI, называемое возможность изменять регистры bq33100 и задавать различные параметры для работы. Большинство параметров по умолчанию не нужно изменять. Мы изменили параметры специально для зарядного тока и перенапряжения, защиты от перегрузки по току.

Программное обеспечение микросхемы использует передовые алгоритмы и фактические измеренные данные для определения SOC и доступной емкости батареи суперконденсаторов. Часть рабочего экрана bqEVSW показана на рис. 9. Видны напряжения на каждом конденсаторе, почти законченный процесс балансировки и установленные флаговые регистры FC- Full Charge и CB- Capacitor Balancing (красный цвет) .

III. Результаты

Мы проверили эффективность балансировки для двух конденсаторных батарей, одна из которых использует 5 конденсаторов по 22F, а вторая состоит из 5 серий суперконденсаторов по 200F. Эффективная емкость 4,5Ф, соответственно 40Ф. Мы использовали максимальное зарядное напряжение 10,5 В, что соответствует 2,1 В для одного конденсатора. Мы использовали разные сценарии работы.

Первый заключается в том, что все конденсаторы начинают процесс зарядки с одного и того же SOC, и мы отслеживаем эволюцию отдельных конденсаторов. Эволюция напряжения, начиная с того же SOC, в данном случае нулевого, представлена ​​на рис. 10.

Рис. 10. Эволюция напряжения для запуска со всеми полностью разряженными конденсаторами (22F)

Схема начинает процесс балансировки сразу после заряда процесс завершен, то есть напряжение модуля суперконденсатора достигло запрограммированного значения (10,5 В) и установлен флаг FC (Полная зарядка). При запуске процесса балансировки устанавливается флаг CB. Во время этого процесса через батарею пульсирует чистый ток, пиковое значение которого не превышает 30 мА, как видно на рис. 7. Балансировка напряжений в диапазоне ±1 мВ занимает около 600 с, что очень хорошо. Это включает в себя время зарядки стека суперконденсаторов.

Рис. 11. Эволюция напряжения для запуска с конденсатором C3, имеющим избыточное напряжение 500 мВ

В другом сценарии суперконденсатор C3 (22F) был предварительно заряжен при 700 мВ, остальные суперконденсаторы настроены на 200 мВ, поэтому существует разница в 500 мВ , относительно большой дисбаланс. В этом случае время, необходимое для доведения C3 до напряжения около 2,1 В, было очень большим, около 1600 секунд, как видно на рис. 11.

Другая ситуация, предположим, что процесс заряда начинается с напряжения 1,1 В, за исключением суперконденсатора C2, который был заряжен при 300 мВ, что отличается от предыдущей ситуации, когда конденсатор имел большее начальное напряжение. Сейчас разница в напряжениях 800мВ, очень большой дисбаланс, что говорит о возможной неисправности конденсатора. На рис. 12 представлены кривые заряда.

Рис. 12. Эволюция кривых напряжения и тока при запуске с конденсатором С2, имеющим 800 мВ при напряжении

. Видно, что в этом случае время, необходимое для балансировки напряжений всех конденсаторов, очень велико, около 2800 секунд. В случае модуля суперконденсатора 200F балансировка была невозможна в пределах ± 1 мВ, но в десять раз больше в пределах ± 10 мВ, достигаемой после более чем 1500 секунд, начиная с состояния полной зарядки. Мы пришли к выводу, что единственным ограничением в использовании более высоких емкостей является время, необходимое для зарядки и балансировки.

На рис. 13 а) показана измерительная установка: ПК с установленным программным обеспечением bqEVSW, подключенный через USB к SMB-модулю EV2300, оценочная плата и блоки суперконденсаторов слева. На рис. 13b) показан увеличенный вид платы bq33100.

Рис. 13. а) Измерительная установка для оценки балансировки модулей суперконденсаторов;
б) оценочная плата на базе схемы bq33100

IV. Выводы

Балансировка модулей суперконденсаторов выполнена с использованием интеллектуальной схемы контроля и балансировки. Схема оценки работает хорошо и в пределах 600 секунд задача балансировки для обычных небалансных напряжений, которые могут появиться во время работы. В случае больших расхождений в начале процесса балансировки, превышающих ±100 мВ, процесс занимает более чем в два раза больше указанного времени, в зависимости от начального SOC.

Необходимо модифицировать схему для балансировки модуля суперконденсатора, включающего конденсаторы 200F, в смысле увеличения зарядного тока и балансировочного тока, а также более высокой мощности для потребляющей нагрузки, R27/R28 на рис. 7.

См. также связанная подробная техническая статья о методах балансировки суперконденсаторов и их сравнении.

Ссылки

[1] http://www. ti.com/lit/ds/symlink/bq33100.pdf, техническое описание bq33100, Texas Instruments, по состоянию на март. 2019.
[2] П. Дж. Грбович, Ультраконденсаторы в системах преобразования энергии, John Wiley & Sons Ltd, 2014.
[3] К. Ионеску, А. Василе, Р. Негрою, «Исследования схем балансировки для модулей суперконденсаторов», 39th Международный весенний семинар по электронным технологиям (ISSE) Место проведения: Пльзень, Чешская Республика, 18–22 мая, стр. 521–526, 2016 г.
[4] http://www.ti.com/product/BQ33100/toolssoftware, Evaluation Software для bq33100, Texas Instruments, по состоянию на февраль 2019 г.
[5] http://www.ti.com/lit/ug/sluu159e/sluu159e.pdf, Руководство пользователя интерфейсной платы оценочного модуля EV2300, Texas Instruments, по состоянию на февраль 2019 г.
. Банки», 41-й Международный весенний семинар по электронным технологиям (ISSE), Златибор, Сербия, 16-20 мая 2018 г.

Балансировка напряжений батареи суперконденсаторов | Электронный дизайн

Что вы узнаете:

• Суперкап и ультракап используются для хранения энергии в приложениях от электромобилей до сети.
• Последовательно соединенные суперконденсаторы могут столкнуться с проблемами дисбаланса напряжения, что может привести к «перенапряжению» ячейки.
• Балансировку ряда суперконденсаторов можно выполнить с помощью параллельных резисторов, тщательно подобранных полевых транзисторов или с помощью динамического мониторинга стека.

Вы можете использовать суперконденсаторы в качестве накопительного элемента для сбора энергии (рис. 1) . Они также используются для хранения энергии для цепей фотовспышек. Электромобили и автомобили на водородных топливных элементах могут использовать суперконденсаторы для обеспечения резерва с низким импедансом для быстрого ускорения и накопления большого количества энергии от систем рекуперативного торможения. Достоинство суперконденсаторов в электромобилях было подтверждено приобретением Tesla производителя суперконденсаторов Maxwell Technologies в 2019 году. Батареи хороши для хранения энергии; их много держит, но быстро не разрядишь. Supercaps хороши для хранения энергии. То есть они могут доставлять меньшее количество энергии за короткий промежуток времени. Мощность — это энергия с течением времени, поэтому вы часто будете видеть суперконденсаторы и батареи в параллельной архитектуре, где система может хранить и принимать большое количество энергии, а также отдавать и поглощать большое количество энергии (рис. 2) .

Суперконденсаторы, используемые в электронике, могут иметь емкость до 3000 Ф. Это много энергии, соперничающей с небольшими батареями. Головная боль в том, что при разряде суперкап имеет линейное снижение выходного напряжения. Другая проблема с суперконденсаторами заключается в том, что они имеют тенденцию работать при низком рабочем напряжении; 2,7 В — типичное значение (рис. 3) . По этой причине принято последовательно соединять два или более суперконденсаторов для достижения более полезного рабочего напряжения.

Проблемы с последовательным соединением

Проблема с последовательно соединенными суперконденсаторами заключается в том, что напряжение на каждой ячейке конденсатора не будет одинаковым. Первой проблемой будет переносимость самих клеток. Многие производители имеют допуск ±20%. Таким образом, если вам не повезло с последовательностью ячейки с высокой толерантностью с ячейкой с низкой толерантностью, у вас будет дисбаланс напряжения между ячейками, который обязательно вызовет перенапряжение в одной ячейке. Помните, когда вы занимаетесь крупносерийным производством, вам всегда «везет», когда дело доходит до таких маловероятных происшествий.

Производители аккумуляторов считают перенапряжение формой злоупотребления. Это приведет к потере емкости, увеличению эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), вздутию, возможной вентиляции, разложению электролита, газообразованию и, в конечном счете, сокращению срока службы. Другими формами неправильного обращения с клетками являются перегрев и чрезмерное механическое воздействие. Они приведут к таким же неблагоприятным условиям.

Балансировка резисторов

Простой способ балансировки цепочки суперконденсаторов — параллельное подключение резисторов (рис. 4) . Эмпирическое правило – это тот же коэффициент десяти, который вы используете для создания ненагруженного делителя напряжения. Каким бы ни был ток утечки суперконденсатора, вы используете параллельный резистор, ток которого в 10 раз превышает ток при номинальном напряжении элемента.

Однако у этого подхода есть несколько проблем. Это не решает проблему дисбаланса допусков и добавляет допуски резисторов к проблеме допусков конденсаторов. Резисторы будут потреблять ток, который должен быть подан, иначе он разрядит цепочку конденсаторов. Они также не допускают изменения утечки суперкап в зависимости от времени и температуры.

Балансировка полевых транзисторов

Гораздо предпочтительным решением является использование тщательно подобранных полевых транзисторов, которые будут слегка включаться, когда конденсаторная ячейка приближается к рабочему номинальному напряжению (рис. 5) . Производитель полевого транзистора может контролировать пороговое напряжение с помощью ионной имплантации плавающего затвора, технологического процесса или ручного выбора. При ионной имплантации вы получаете более предсказуемый и точный ток при напряжении элемента — детали проверяются на это при тестировании, поэтому вы можете считать их предварительно выбранными для вашего приложения.

Активная балансировка с полевыми транзисторами является более прямым решением. Полевые транзисторы будут регулировать напряжение ячейки и даже учитывать старение и изменения температуры. Не забудьте охарактеризовать свои ячейки суперконденсатора с течением времени, температурой, ударами и любыми другими факторами, которые, по вашему мнению, могут повлиять на них, включая солнечный свет, высоту над уровнем моря, радиацию или другие переменные среды, зависящие от приложения.

Динамический мониторинг стека

В более продвинутой форме активной балансировки используется микросхема, которая измеряет напряжение элемента и подает надлежащие шунтирующие токи для поддержания баланса элемента (рис. 6) . Такой чип, как BQ33100 от Texas Instruments, может балансировать 2, 3, 4 или 5 конденсаторов. Он будет контролировать до цепочки из 9 конденсаторов. Это полезно для таких приложений, как блейд-компьютеры, медицинское оборудование, источники бесперебойного питания и системы хранения данных RAID.

Такие компании, как Analog Devices, также имеют микросхемы для зарядки, мониторинга и балансировки массивов суперконденсаторов. Dialog Semiconductor также производит чипы для управления суперконденсаторами и располагает обширной информацией о применении этих схем.

Готовое решение

Из-за некоторых проблем с последовательными конденсаторами вы можете рассмотреть возможность использования только одной ячейки с более высокой емкостью, а затем добавить повышающий преобразователь для повышения напряжения 2,7 В до уровня, который можно использовать. . Поскольку напряжение на конденсаторе будет падать линейно при разряде, вам в любом случае может понадобиться импульсный повышающий стабилизатор.

Хотя не многие понижающие стабилизаторы работают от напряжения 2,7 В, вы можете использовать шину более высокого напряжения для питания микросхемы регулятора. Другим решением было бы создание повышающей схемы из дискретных транзисторов. Если вы можете позволить себе использовать один из чипов управления, многие из них поставляются с включенным преобразованием buck-boost.

Независимо от того, решите ли вы проблему балансировки с помощью резисторов, полевых транзисторов или микросхем, вы создадите более надежную систему накопления энергии. Аналогичные проблемы существуют с цепочками аккумуляторных элементов, и для них также существуют балансировочные микросхемы и схемы. То, что вы узнаете из балансировки суперконденсаторов, можно применить к батареям и другим архитектурам хранения энергии.

Всегда помните, что соединение компонентов вместе никогда не бывает таким простым, как это выглядит на странице схемы. Также имейте в виду, что если вы хотите смоделировать эти строки в Spice, вы должны смоделировать изменения между ячейками и изменения температуры. Возможно, вам будет лучше с настоящими клетками и температурной камерой. Унция проб стоит фунта теории.