зачем нужны балансиры для аккумуляторов

Выравнивание заряда батарей обеспечивает долгое время работы и продлевает срок службы

Texas Instruments

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

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

ЧТО ТАКОЕ РАЗБАЛАНСИРОВКА БАТАРЕЙ?

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. Пассивная балансировка, основанная на СЗБ и емкости

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. Балансировка по технологии PowerPump

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

Рис. 6. Активная балансировка по алгоритму выравнивания СЗБ

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.

Источник

Активный емкостной балансир для 6S аккумуляторных батарей

После обзора индуктивного балансира ко мне обратился один из читателей и предложил сделать обзор балансира, который он как раз планирует заказать для своей литиевой батареи. Договорились, заказ сделан, получен и в итоге он попал ко мне на стол, причем помимо самого балансира человек дал мне еще батарею, с которой этому балансиру и придется работать, за что ему отдельное спасибо.

Также кроме балансира и батареи дополнительно положил кабель для подключения к зарядному и разъем для балансира.

Начну с батареи.
Литиевая 6S сборка с заявленной емкостью 12Ач, причем даже с ремешком, я как-то таких раньше не встречал, все чаще обычные, цилиндрические.
Сборка рассчитана на максимальный ток нагрузки 25С, параметры заряда — 4.2 вольта на ячейку и ток до 2С, выпускается в вариантах от 3S до 12S.

Вести 1.6кг, размеры без учета проводов 177х71х63мм, но в районе заделки ремешка есть утолщение из-за которого создается ощущение что батарею немного раздуло.

Для подключения к балансиру используется обычный разъем с шагом 2.5мм на 7 контактов. Запасная ответная часть не пригодилась, но все равно приятно что человек подумал что возможно она может понадобиться.
Для силовой цепи использован разъем XT90
Силовые провода имеют сечение 10AWG, очень мягкие и здесь я сделаю небольшое отступление. разъем с проводами подключены к батарее через клемник, я настоятельно не рекомендую применять подобные клемники из-за их низкой надежности и рекомендую использовать пайку.

Батарею показал и вот теперь можно перейти собственно к плате балансира. Она бывает и других фирм, в частности Heltec.

Из всей полезной информации на странице продавца только краткая информация (гуглоперевод)

Режим равновесия: конденсатор (Полная группа), эквалайзер
Рабочее напряжение 2,0-4,2 в
Пониженного напряжения сна значение: сна напряжение может быть выбран из 2,0 V 3,0 V 3,7 V, поддерживая трехкомпонентная литиевая, литий-железо-фосфатных аккумуляторов, титанат лития
Точность балансировки: менее 5 мВ
Текущее равновесное: 0,1 V 1A 0.2V2A, тем больше разница напряжения, тем больше ток
Максимальный ток выравнивания 6A
Сбалансированная статическая мощность: 12 мА
Подходит для аккумулятора: 30Ah-300Ah

Платка небольшая, размеры 80х50х16мм, провода очень мягкие, длина около 45см, при этом черный провод немного короче.

Сверху типичный внешний признак емкостного балансира, толпа полимерных конденсаторов, в данном случае емкостью 2200мкФ 6.3В. Балансир 6S и сверху видно 6 пар конденсаторов + еще пара, судя по всему общие для всего балансира.

Снизу также вся плата забита компонентами и основное поле занято полевыми транзисторами, в сумме их 24 штуки, по 4 на каждый канал. Также видны 6 чипов в корпусе SO-8 предположительно драйверы транзисторов, мелкий чип в корпусе SOT23-6, судя по рядом стоящему дросселя почти наверняка DC-DC и еще один чип в SOT23-5, возможно генератор.
Также вверху видно шесть предохранителей, маркированных буквой U, ток срабатывания я не определил, в таблицах он почему-то не попадается, но нашел их на Али, пишут что 72 вольта и ток 6.3-8А.

Плата покрыта защитным лаком, что повышает надежность.

Человек, приславший плату, уже сам интересовался что на ней стоит и потому снял лак с пары компонентов.
Транзисторы — MDU1518, 30 вольт, 94А, 4.2/6.2мОм
Восьминогий чип рядом предположительно драйвер EG2131
Чип DC-DC не определил.
Задающий генератор скорее всего что-то аналогичное банальному 555 таймеру.

Судя по количеству каналов здесь используется другой принцип балансировки чем в индуктивном балансире. Сначала конденсаторы каждого канала заряжаются от соответствующих аккумуляторов. Напряжение на конденсаторах такое же как на аккумуляторах.
Потом при помощи транзисторов отключаются от аккумуляторов и соединяются параллельно, заряд выравнивается
После этого конденсаторы каналов опять подключаются к аккумуляторам, но теперь у них одинаковое напряжение, соответственно более заряженный аккумулятор опять заряжает конденсатор, а менее заряженный подзаряжается от конденсатора.

Такая схема позволяет более точно выравнивать напряжение на ячейках батареи.

Батарея пришла полностью разряженной, напряжение на ячейках здесь и далее будет показываться начиная от первой до шестой, при этом первой считается та, что подключена к минусовому (общему) проводу схемы, он помечен черным цветом.
Также заметен небольшой дисбаланс, общее напряжение батареи было 18.467 вольта.

Здесь и далее все напряжения приводятся при отключенном балансире, тем где измерения проводились с балансиром я отмечу отдельно.

Эксперимент будет проводится в режиме максимальной сложности, для чего я заряжу только одну ячейку, первую по схеме.
На полный заряд ушло 12.25Ач, что соответствует указанной на батарее емкости.
После заряда на первой ячейке было 4.1819 вольта, общее 19.574. Дальше я сведу все в одну табличку, но пока буду показывать на фото ключевые моменты в хронологическом порядке.

Естественно в процессе мне было интересно измерить ток в цепи аккумуляторов, но вносить дополнительную погрешность не хотелось, потому я пошел немного другим путем и измерил сопротивление проводов, по падению напряжения на которых можно определить ток.
У меня получилось 13.37мОм на длине 44см, провод маркирован как 18AWG. по таблице сопротивление куска провода такой длины и такого сечения должно быть 9.2мОм, что близко к измеренному, но допускаю что сам провод имеет заниженное сечение.

Для удобства измерения я припаял к первой и второй ячейкам куски проволочных выводов, к которым подключал один щуп мультиметра, второй подключался к контакту разъема не разрывая цепи.
В итоге получил следующие значения (интервал измерения 20 минут).
1. сразу после подключения, 1S — 4.78А, 2S — 287мА
2. 20 минут — 1S — 3.17А, 2S — 127мА
3. 40 минут — 1S — 2.33А, 2S — 40мА
4. 60 минут — 1S — 1.93А, 2S — 27мА

Для балансира был заявлен ток балансировки до 5-6А, в самом начале у меня были сходные результаты, думаю они могли бы быть выше если бы провода были более короткими.

Нагрев платы был сосредоточен в районе балансира первой ячейки, измерения через 20, 60 и 100 минут после старта.

Везде к плате подключался минусовой щуп мультиметра, а к разъему плюсовой, при это видно, что у последнего аккумулятора ток течет в обратную сторону.

На самом деле такое измерение не совсем корректно, так как он имеет импульсный характер, но надеюсь что мультиметр смог измерить средний ток корректно.

После этого я подключил первую ячейку к зарядному и решил проверить, сколько емкости она израсходовала.
Теоретически, при емкости 12Ач и полной балансировке должно получиться 2+2+2+2+2+2Ач вместо исходных 12+0+0+0+0+0Ач, соответственно на заряд первой ячейки должно уйти около 10Ач, но конечно это в идеальных условиях и со 100%КПД. В ходе заряда потратилось 8.231Ач, что в принципе также говорит о том, что первая ячейка отдала большую часть на заряд остальных пяти.

В принципе эти измерения я проводил для себя, но привел их только потому, что в отличие от предыдущих теперь ток был отрицательный не только по шестому каналу, а и по второму.

Напряжение на ячейках через 35 часов после начала теста и одного повторного заряда первой ячейки выглядели следующим образом.
Замечу, что ячейки 2-6 заряжались только от первой. Максимальная разница была между первой и второй ячейками, 16мВ. Общее напряжение на сборке 22.626 вольта.

Далее я подключил к зарядному уже всю батарею, но на всякий случай контролировал напряжение на самой заряженной ячейке, так как платы защиты у батареи нет.
1, 2. Ближе к концу заряда напряжение на первой ячейке поднялось до критического значения в 4.25 вольта, но так как далее оно не росло, то заряд прерывать не стал
3, 4. В итоге на заряд ушло 9.296Ач, максимальное напряжение на первой ячейке составило 4.2517, измерялось прямо на плате балансира, потому есть погрешность.

Думаю здесь сильно помогло бы уменьшение длины проводов, на канале с большим напряжением балансир лучше мог бы перераспределять энергию.

В реальности напряжение на первой ячейке было немного выше и почти сразу после отключения от зарядного составило 4.256 вольта, общее напряжение батареи 25.194 вольта. Максимальный разбаланс был между первой и второй ячейками и составил 79мВ.

А это результаты через 12 часов, максимальный разброс составил всего 1мВ и опять между первой и второй ячейками. По моему отлично.

И конечно результаты в числовом и графическом виде.
Слева в графе время в минутах, первые три часа проверял каждые 20 минут, потом уже больше спонтанно так как основная фаза балансировки была завершена.
Желтым выделен результат через 6 и 18 часов после промежуточного заряда первой ячейки.

То же самое в виде графика, нумерация по горизонтальной оси соответствует строкам таблицы.

Также попутно я измерял напряжения и при подключенном балансире, здесь нумерация немного другая, проще ориентироваться на время от начала тестирования. Также здесь добавлены результаты после полного заряда батареи, выделены оранжевым.
Замечу что при подключенном балансире разбаланс в конце составил всего 0.6мВ!

На графике видны этапы промежуточного заряда, точка 7 с зарядом первой ячейки и точка 11 с полным зарядом.

Общее напряжение батареи было 25.1 вольта, затем я её опять подключил к зарядному и на заряд ушло всего 178мАч.
Кстати, на странице продавца было указано собственное потребление платы в 25мА, у меня получилось меньше, 178/12=15мА и это с учетом того что батарея продолжала балансироваться.

И конечно выводы.
На мой взгляд балансир отличный. Есть варианты лучше, но точно не за этот ценник, потому я их даже не рассматриваю, потому как там цену надо умножить в несколько раз.
Преимущество в сравнении с индуктивным в том, что он не перекачивает энергию по пути от первой ячейки ко второй, потом от второй к третьей и т.д. а балансирует всю батарею сразу, распределяя энергию от самого заряженного элемента остальным менее заряженным.
Собственно принцип этот принцип работы позволил довести точность балансировки до 0.6-1мВ, дальше я просто уже не следил за процессом.

Есть и недостатки, при большом разбалансе процесс не быстрый, а кроме того балансир явно потребляет больше, чем это делает индуктивный, где всем управляет специальный чип умеющий переходить в спящий режим. Думаю, что отчасти из-за последнего фактора его рекомендуют применять с емкими батареями.

Но даже с указанными недостатками могу рекомендовать. Лично мне понравилось то, что он смог неплохо отбалансировать батарею даже при том что в сборке был заряжен всего один элемент из шести.

Кроме того есть рекомендации по улучшению работы как непосредственно того комплекта, что я обозревал, так и в общем.
1. Не использовать полиэтиленовые клемники в силовых цепях, лучше либо взять что-то более качественное, либо спаять провода.
Вообще с залуженными проводами может проявляться эффект, когда после нагрева их прижим ослабляется и дальше просто начинает плавиться клемник. Позже человек, который прислал плату, сказал что это временное решение только для проверки.
2. Разъем балансировки, на мой взгляд он слабоват для токов порядка 4-6А, так как изначально предназначен скорее для контроля, также лучше заменить на более мощный.
3. Длину проводов к балансиру лучше укоротить, тогда он начнет работать более динамично и сможет обеспечить больший ток при меньших перепадах. При балансировке малыми токами это не поможет, но вот в конце заряда/разряда может выручить.
4. Плата защиты, она нужна. Когда подключал/отключал провода, да и вообще ковырялся с платой, то все боялся что что-то коротнет, спецэффекты были бы знатные 🙂

На этом у меня пока все, надеюсь что было полезно.

Источник