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?
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 QNEED, необходимый для достижения полностью заряженного состояния, после чего находится разница ΔQ между QNEED 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:
- 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. 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 RExt1 и RExt2, 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 RBal.
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 RExt2 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 VDS, которое может возникнуть когда балансируется каждая вторая батарея. На рисунке 8б показан случай, когда балансируются верхняя и нижняя батареи. При этом напряжение VDS среднего ключа может превысить максимально допустимое. Решение этой проблемы – ограничение максимального значения резистора RExt или исключение возможности одновременной балансировки каждой второй батареи.
а) Соседние батареи не могут быть сбалансированы одновременно.
(б) Высокое напряжение сток-исток (VDS ) при балансировке батарей через одну (каждая вторая батарея)
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
Как работает балансировка литий ионных аккумуляторов
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 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). Вообще поиск показал, что есть решение у Texas Instruments, которое мы и попробуем реализовать. Зарядное устройство и нагрузка подключаются к первичной обмотке трансформатора, а батареи – ко вторичной обмотке.
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