Балансир lipo аккумуляторов что это

Всем известно, что аккумуляторы имеют широкое применение в мехатронике, робототехнике, автоматических системах управления и промышленности в целом. Электроавтомобили, автономные роботы, системы резервного питания, мобильные средства связи и вычислительной техники – далеко не полный перечень вариантов их применения. Совершенствуются и сами аккумуляторы. В своих разработках в большинстве случаев мы применяем литий-ионные аккумуляторные батареи.

Особенности строения аккумуляторов (в частности химические процессы в них протекающие) диктуют необходимость применения разнообразных схем зарядных устройств и устройств контроля состояния аккумуляторов. Наиболее важное место здесь занимает система контроля и управления аккумуляторной батареей (далее — СКУ АБ, в иностранной литературе используется аббревиатура BMS – battery management syste).

Применение систем контроля и управления аккумуляторной батареей позволяет:

В ходе работы литий-ионных аккумуляторов возникает такое явление, как разбалансировка. Это связано с тем, что все аккумуляторы имеют различия в таких характеристиках, как ток саморазряда в режиме хранения, внутреннее сопротивление, скорость деградации электродных материалов и т.д. Соответственно различия в напряжениях аккумуляторов приводят к снижению их срока службы и выходу из строя. Для решения этой проблемы люди придумали системы балансировки аккумуляторов.

В данной статье мы постараемся рассказать о наших изысканиях в попытках разработать схему активной балансировки.

Так, определенные системы зарядки литий-ионных аккумуляторов построены на том, что зарядка прекращается в том момент, когда одна из батарей достигнет верхнего порога (для литий-ионных аккумуляторов он составляет 4,2 вольта, как правило). Соответственно, батареи, емкость которых ниже, не заряжаются в таком случае полностью и эффективность использования такой ячейки снижается (а ещё она быстрее выйдет из строя т.к. всё чаще и чаще может уходить в глубокий разряд если система позволяет).

Аналогично и с разрядкой аккумулятора – если система контроля отключает аккумуляторы, ориентируясь по первой ячейке, которая достигнет нижнего порога напряжения (3 вольта для литий-ионных аккумуляторов, как правило), то эффективность использования такой системы резко упадет. Говоря опять же, простым языком не будет использован весь потенциал аккумулятора. Заряжаться он будет, ориентируясь на самую «живую» ячейку, а отключаться при разрядке, ориентируясь на самую «дохлую».

Гораздо более катастрофичными могут оказаться последствия, если система ориентируется на среднее значения напряжения между ячейками при заряде или разряде аккумулятора. В таком случае ячейки с меньшей емкостью могут не успеть зарядиться до верхнего порога в 4,2 вольта, в то время, как другие ячейки зарядятся выше этого значения, что может привести к их взрыву. Аналогично, при разряде такие ячейки могут разрядиться ниже порога в 3 вольта, что приведет к серьезной потере емкости такой ячейки.

Поэтому литиевые аккумуляторы балансировать нужно. А если кто-то говорит, что и так работает, то рано или поздно он поедет в травму с ожогами. Ага. Вообще балансировку можно осуществлять активными методами и пассивными.

Балансировка с переключающимися емкостями (Рисунок 4) заключается в том, что энергия сначала закачивается в буферную емкость от i-ячейки, а затем передается из буферной емкости в соседнюю (i+1)-ячейку. Отсюда следует главный недостаток такой системы – передача заряда из ячеек, отдаленных друг от друга, крайне затруднительна.

Общий недостаток емкостных систем балансировки – броски тока при переключениях между ячейками, что может привести к выходу ключей из строя.

Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе.

Аналогично катушкам индуктивности можно использовать трансформаторы (с разным числом обмоток). Эффективность метода не очень высокая, но данная система решает проблемы больших токов при разрыве в цепи. Если опять вернуться к примеру со 100 ячейками по 3,6 вольта, то при обрыве в цепи на транзисторах будет напряжение не 360 вольт, а всего 3,6, что не приведет к их сгоранию.

Существует три варианта построения систем балансировки на трансформаторах. Первый, buck-boost converter, основан на том, что энергия передается между двумя соседними фиксированными парами ячеек (между соседней четной и нечетной ячейкой). Данный метод изображен на Рисунке 8.

Системы активной балансировки, построенные на использовании преобразователей – повышающих, понижающих, прямоходовых и обратноходовых, а так же двунаправленных, считаются наиболее эффективными топологиями. В таких системах ключи находятся со стороны вторичной обмотки трансформатора (со стороны аккумулятора), то есть на ключи действует только напряжение ячеек, что не приведет к их выгоранию. В то же время усилители находятся со стороны первичной обмотки трансформатора (то есть с той стороны, к которой подключается зарядное устройство). Такой подход позволяет минимизировать потери в ключах, и одновременно с этим согласовывает разные уровни напряжений с обеих сторон трансформатора.

В частности, системы, построенные на повышающих преобразователях, передают энергию от одной ячейки ко всей группе ячеек. Пример такой системы показан на рисунке 11. Контроллер выбирает наиболее заряженную ячейку, включает соответствующий ей преобразователь, и энергия от ячейки начинает распределяться на всю группу.

Общей чертой обратноходовых преобразователей и buck-boost преобразователей является то, что они хранят энергию непосредственно в дросселе. В отличии от них, прямоходовой преобразователь только передает энергию через трансформатор, а для хранения энергии используются дополнительные элементы – катушки индуктивности. Сама энергия непосредственно передается с первичной обмотки от зарядного устройства.

Для создания системы активной балансировки был выбран метод балансировки на двунаправленном buck-boost преобразователе. Такой метод позволяет передавать энергию как от одной ячейки к группе ячеек (buck mode – передача энергии от наиболее заряженной ячейки), так и от группы ячеек к одной, наименее заряженной ячейке (boost mode). Для решения проблемы бросков тока будет использован контроллер тока, который позволяет формировать ШИМ-сигнал по току с постоянной амплитудой. Уникальность разрабатываемой системы заключается в том, что контроль преобразователя будет осуществляться одной единственной микросхемой, то есть микросхема будет непосредственно регулировать сигнал на первичной и вторичной обмотке трансформатора, а так же выполнять функции контроллера тока.

В области активной балансировки существует много наработок.

Известно изобретение «Устройство выравнивания напряжения на батарее» (патент США «Stackable Bi-directional Multicell Battery Balancer» №US8692516B2, МПК: H02J7/00, опубликован 08.04.2014).

Указанное устройство представляет собой систему из двунаправленных преобразователей энергии обратноходового типа, способную передавать энергию от всей батареи наименее заряженной ячейке и энергию от наиболее заряженной ячейки всей батарее. Так же устройство позволяет измерять напряжение каждого отдельного элемента литий-ионной АБ. Данной устройство построена на специализированных микросхемах компании Linear Technology (американская компания, производителей полупроводниковых элементов, микросхем, электроники и изделий на их основе) – LTC3300-1 и LTC6802-1 (Рисунок 12). Главным преимуществом данного изобретения является возможность его применения для высоковольтных батарей (напряжением до 1000 вольт). Недостатком данного устройства является сложность схемы управления, обуславливающая необходимость применения специализированной микросхемы LTC3300-1. Реализация логики работы данной микросхемы на элементной базе общего назначения достаточно сложна.

Другим примером изобретений в области активной балансировки является устройство контроля и балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, разработанное сотрудниками ЦНИИ РТК (Патент RU 176470 U1, опубликовано 22.01.2018, авторы: Гук М.Ю., Зыков Н.В., Иванов М.М., Кузнецов В.А.)

Данное устройство состоит из трансформатора с общим сердечников и одинаковыми по количеству витков рабочими обмотками, такими что, по крайней мере, две соседние ячейки имеют одну общую пару рабочих обмоток, которая своей общей точкой подключена к общей точке соединения этих ячеек, а свободными концами эта пара рабочих обмоток подключена через ключевые элементы к другим выводам соответствующих ячеек, а также генератора импульсов, выполненного в виде преобразователя постоянного напряжения и управляемых ключевых элементов, выпиленных на полевых транзисторах. Также в систему балансировки был введен коммутатор для измерения напряжения каждого элемента АБ в отдельности и микропроцессор для управления всей системой в целом. Микропроцессор с помощью коммутатора измеряет напряжение на ячейках АБ и выдает команду балансировочному устройству на проведение процедуры балансировки только при превышении разности напряжений на элементах АБ определённого порогового значения, что обеспечивает снижение потерь энергии и увеличение срока службы батареи.

Аналогичным к вышеописанному, но не имеющим возможности измерения напряжения каждого элемента АБ в отдельности, является устройство выравнивания напряжения на батарее (патент на изобретение США «Charge Redistribution Method For Cell Arrays», №US2014103857A1, МПК: H02J7/00, опубликован 17.04.2014).

В общем, посмотрели, поискали и решили, что интересно сделать всё-таки своё. Потому что кроме общего описания в этих патентах в общем-то и нет. Патентов на самом деле есть побольше, но привели несколько… Да и не о патентах вообще речь, а о том, что велосипеды изобретаются и делиться ими никто особо не хочет. Ну или нам не повезло просто.

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

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

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

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

Источник

Li-po для новичка.

На тему Li-po аккумуляторов уже много было статей, но все, же думаю, большинство и не подозревает, как и где их производят. Начнем с простого — узнаем, что такое Li-po аккумулятор. Наиболее доступно для всех будет, наверное википедия.

Литий-полиме́рный аккумулятор (Li-po) — это более совершенная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя.

Такие аккумуляторы используется в мобильных телефонах, цифровой технике и т.д.
Обычные бытовые литий-полимерные аккумуляторы не способны отдавать большой ток, но существуют специальные силовые Li-po аккумуляторы, способные отдавать ток в 10 и даже 45 раз, превышающий численное значение ёмкости. Они широко применяются как аккумуляторы для радиоуправляемых моделей, а также в портативном электроинструменте.

Производство «батарей» можно увидеть на следующем видеоролике.

Преимущества Li-po, от li-ion, ni-cd, ni-MH в следующем.

-Большая плотность энергии на единицу объёма и массы (в сравнении с литий-ионными почти в 2 раза);
-Низкий саморазряд;
-Толщина элементов от 1 мм;
-Возможность получать очень гибкие формы;
-Отсутствие эффекта памяти;
-Незначительный перепад напряжения по мере разряда.
-Диапазон рабочих температур литий-полимерных аккумуляторов широкий: от -20 до +40 град.

Но, как и у всех вещей, есть и свои недостатки:

-Аккумуляторы пожароопасные при перезаряде или перегреве.
-Количество рабочих циклов 500-600, при разрядных токах в 2С (от емкости) до потери емкости в 20% (для сравнения: Ni-Cd- 1000 циклов, Ni-MH – 500, Li-Fe-PO4 — 2000).

Вообще говоря, каких–либо данных по количеству рабочих циклов пока еще очень мало и к приведенным в данном случае их характеристикам необходимо относиться критически. Кроме того, технология их изготовления совершенствуется, и возможно, что в данный момент цифры по этому типу аккумулятора уже другие. Надо сказать, что все время выходят новые «поколения» данных аккумуляторов, более совершенных, чем предыдущие.
Хочется заострить внимание на пожароопасности. Для примера возьмем видео:

Как видно, они любят «тихо умирать», оставляя после «смерти» «разрушения». Поэтому стоит всегда следить, как и где лежат Ваши аккумуляторы.

Но вполне по «дедовски» можно использовать кастрюлю «дорожайшей». Думаю если кастрюля испортиться, то это будет хорошим поводом приобрести новую!

Как и все вещи, аккумуляторы «стареют».

Литий-полимерные снижают ёмкость, в отличие от никелевых и никель-металл-гидридных, под воздействием заряда. Чем больше заряд аккумулятора, тем меньше срок его службы. Хранить их лучше заряженными на 40-50%, и температуре 0-10 градусов (холодильник).

Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. если и удается восстановить аккумулятор, то существенно снижается цикл «жизни». Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Через 2 года батарея теряет около 20% ёмкости. Соответственно, нет необходимости покупать аккумулятор «про запас» или черезмерно увлекаться «экономией» его ресурса.

И так, маленький «курс» ввода в данные аккумуляторы закончен. Теперь поговорим о «тех пределах» которые должен соблюдать каждый владелец ли-по.

Любой Li-po «акум» имеет свои рамки «существования», вот основные
— не перезаряжать больше 4.20в на ячейку.
— не разряжать ниже 3.00 вольт на ячейку.
— не протыкать, деформировать «оболочку» «батарейного аккумулятора».

Есть 2 соединения аккумуляторов для повышения разных характеристик:
— паралельное, повышается емкость и за ней токоотдача.
— последовательное, повышается вольтаж, емкость остается прежней.

Теперь поговорим о «зарядных устройствах».
Самое простое это балансир. Балансир создан для «балансировки» каждой «ячейки» аккумулятора по вольтажу, до 4.20в.
Для примера возьмем такое зарядно\балансировочное устройство: Hobbyking® DC-4S Balance Charger & Cell Checker 30w 2s

Данный балансир оснащен «вольтметром», который позволяет заменить «отдельный девайс». При заряде происходит «распределение заряда» побаночно. Как только зарядное устройство зарядит «акум», сработает система «оповещения заряда» — писк и надпись FUL.

Это является «базовым» выбором новичка. Если моделизм затянет «навсегда», то следует приобрести зарядное устройство получше.
Turnigy Accucel 6 50W Балансо/Зарядное устройство (с переходниками)

Данное зарядное устройство позволяет заряжать разные виды аккумуляторов. Выбирать разные токи заряда в отличии от балансира, переводить аккумуляторы в режим «хранения».

Важно! при заряде литий-полимерных аккумуляторов, выбирают ток заряда. Ток выбирает от емкости в Ампер-часах. К примеру, 1000мач — ток заряда 1.0А. Это является наиболее «мягким режимом» заряда.

Основыне обозначения в названиях li-po
S — количество ячеей аккумулятора, 1S=3.7в
С — количественная токоотдача аккумулятора. Формула расчета проста, емкостьАч*количествоС= ток в Амперах. К примеру, 1000мач 25С — 1*25=25Ампер.
Р — количество «ячеек» аккумулятора соединенных параллельно. К примеру 3S1P, 3S — 11.1V, 1P — одна «ячейка» на 1S.

Теперь хочется разобраться в видах «акумов» которые есть на «хобби кинге». Возьмем наиболее похожие аккумуляторы (емкость, токоотдача, вольтаж) и сравним их между собой.

Утилизация. Чаще всего используют такие способы. Обрезав все нужные проводочки сделать следующие

-Разрядить все «банки» аккумулятора в 0.00в.
-Закинуть в соленую воду на несколько часов. На 1л банку в основном 2-3 ложки павареной соли.
-Рразрезать «ячейки акума» до полного «самоуничтожения». Внимание, эта операция достаточно опасная, соблюдать меры безопасности.

Первые в списке «цена-качество» будут аккумуляторы серии B-Grade.
Аккумулятор B-Grade 1000mAh 3S 25C литий-полимерный, В-класс

Надо сказать, что «значения» всего «немного приукрашены». В качестве дешевых аккумуляторов для тестирования разных установок подходят. На модели можно ставить, но отлетать с ним можно совсем мало циклов.
Вот «заявленные» характеристики:
Емкость: 1000mAh (на самом деле может быть и 500-1100, качество делают «лишь бы было»)
Напряжение: 3S1P / 11,1V / 3Cell
Токоотдача: 25C постоянно (очень возможно что «округлена»)
Балансировочный разъем: JST-XH
Силовой разъем: JST
Вес: 88г (как и все вещи, надо взвешивать самому)

Дальше бы поставил серию ZIPPY Flightmax.
Аккумулятор ZIPPY Flightmax 1000mAh 3S1P 25C

Почему вторым местом, все просто, эти «акумы» более качественные, имеют «меньшие рамки» разброса характеристик, другими словами «качественнее».
Технические характеристики:
Емкость: 1000mAh
Напряжение: 3S1P / 3 Cell / 11.1v
Ток разряда: 25C Постоянный / 35C Кратковременный
Вес: 90г (реальный вес 92гр)
Размеры: 73x36x18мм
Разъем для балансировки: JST-XH
Силовой разьем: 2 Pin Mini JST

Дальше можно поставить можно аккумуляторы серии Zippy Compact. Меньшие размеры, меньший вес, реально заявленные характеристики.
Аккумулятор ZIPPY Compact 1000mAh 3S 25C литий-полимерный

Хороший аккумулятор взамен Turnigy nano-tech по цене. Более маленькие размеры позволяют сделать меньший отсек для «батареи» и тем самым «сэкономить» важные граммы для пилотажной модели. Надо сказать, что качество по такой цене даже порадовало, «банки» ровно припаяны, хорошего качества.

Емкость: 1000mAh
Напряжение: 3S1P / 3 Cell / 11.1V
Токоотдача: 25C постоянно / 35C кратковременно
Балансировочный разъем: JST-XH
Силовой разъем: ХT60
Вес: 82г (соответствует действительности)

Дальше можно поставить Turnigy или Rhino, довольно похожи по качеству (были разной емкости), но вес разный.
Turnigy 1000mAh 3S 25C Lipo Pack
Rhino 1050mAh 3S 11.1v 20C Lipoly Pack

Емкость: 1000мАч
Конфигурация: 3S1P / 11.1в / 3 элемента
Постоянный ток разряда: 25C
Максимальный ток разряда (10 секунд): 30C
Вес: 94 г
Размер: 78 x 36 x 19мм
Разъем для зарядки: JST-XH

Емкость : 1050mAh
Постоянный ток разряда: 20C
Максимальный ток разряда: 30C (15сек)
Конфигурация : 3S 11.1v
Размер: 73x18x35мм
Вес : 100.3г
Разъем для разряда: XT60

Надо сказать, что вес «рино» больше из-за всяких «наклеек».

На данный момент наиболее качественными и лучшими являются Turnigy nano-tech.
Turnigy nano-tech 1000mah 3S 25

Емкость: 1000mAh
Напряжение: 3S1P / 3 Cell / 11.1V
Токоотдача: 25C постоянный / 50C пиковый
Вес: 79 грамм (включая провода и разъёмы)
Размеры: 77x35x17мм
Балансировочный разъем: JST-XH
Силовой разъем: XT60

Скажу, что это просто «золото» для 3D летчиков, вес, качество — «потрясают».

Дополнив статья тут.
Если соединяется параллельно 2 аккумулятора для повышения емкости и токоотдачи, то надо использовать 2 одинаковых аккумулятора и отключать сразу после полета.

так, вроде «лучше», чем статья раньше. Будут замечания, пишите, ставьте «минусики» :))))

Источник