Зачем нужен балансир для аккумуляторов

Аккумуляторы и батареи

Информационный сайт о накопителях энергии

Платы балансировки литиевого аккумулятора

Общим свойством всех литиевых аккумуляторов является нетерпимость к перезаряду и глубокой посадке напряжения. Есть около 10 разновидностей литий-ионных и полимерных аккумуляторов с использованием разных составов активных составляющих. Все они отличаются рабочим диапазоном по напряжению, но требовательны к соблюдению границ. Платы – это электрические схемы, внедренные в цепь для поддержания нужных параметров, отключения литиевых аккумулятора в случаях его неисправности. Для зарядки, балансировки, контроля разряда и защиты литиевых аккумуляторов составляются отдельные или совмещенные платы, которые выполняются на твердой подложке.

Балансировочная плата для литиевых аккумуляторов

Зачем нужен балансир при зарядке батареи? При последовательном соединении нескольких банок напряжение суммируется, и емкость батареи будет равна самой низкой, из всех элементов.

Чтобы не допустить перезаряда «ленивой» банки, ее нужно отключить от питания, как только на ней будет достигнуто зарядное напряжение. Это позволит другим элементам продолжить зарядку. Для выполнения контроля за равномерным зарядом служит балансир. Он должен быть включен в цепь с последовательным соединением элементов. Для параллельного соединения балансир не нужен, там уровень заряда распределяется равномерно, как в сообщающихся сосудах.

Плата балансира может быть выполнена отдельно или входить в общий защитный контур MBS для литиевых аккумуляторов. Называется сборка балансировочным шлейфом.

Целью внедрения схемы является недопущение перезаряда отдельных элементов. Если используется один и защищенный аккумулятор, в нем предусмотрен блок от перезаряда.

Плата защиты литиевого аккумулятора

Литиевые аккумуляторы при перезарядке, нагревании могут загореться или взорваться. При проседании напряжения возникают трудности с зарядкой. Каждый случай нарушения режима ведет к безвозвратной потере емкости банки. Поэтому любая сборка из литиевых аккумуляторов содержит защитную плату.

Если используются незащищенные элементы, контроллер заряда-разряда устанавливается непременно. РСВ-плата предусмотрена , как обязательный элемент во всех аккумуляторов для бытовых приборов.

РСВ –платы и РСМ-модули не являются контроллерами, они не регулируют ток и напряжение. Их задача – разорвать цепь, если случилось короткое замыкание, перегрев. Модули допускают разряд до 2,5 В, что опасно. Все модули защиты китайские, продукция выпускается миллионами и вряд ли тестируется каждая микросхема. Это не полноценная защита, аварийная.

Для защиты используют платы заряда и защиты MBS, подбираемые по удвоенной токовой нагрузке, со встроенным балансиром. Платы зарядки и защиты литиевых аккумуляторов представляют контроллеры, которые обеспечивают 2 этапа процесса и обеспечивают нужные параметры. Непременным условием второго этапа зарядки является отключение питания при достижении максимального рабочего напряжения литиевого аккумулятора.

Схемы плат защиты литиевого аккумулятора

Все литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы и собранные батареи должны иметь защиту. Чтобы провести зарядку в 2 этапа, необходимо обеспечить последовательно режим постоянного тока, постоянного напряжения. Используются в сборке РСМ или MBS платы.

Собрать самостоятельно или купить готовые платы для подключения, выбирать вам. Для зарядки литиевых аккумуляторов специалисты используют китайские изделия. Их заказывают на AliExpress, с бесплатной доставкой.

LM317

Простое зарядное устройство, стабилизатор тока.

Настройка заключается в создании напряжения 4,2 В подстройкой резисторов R4, R6. Сопротивление R8 является подстроечным сопротивлением. Погасший светодиод известит об окончании процесса. Недостатком этого устройства считают невозможность запитки от порта USB. Высокое напряжение питания 8-12 В, условие работы этого ЗУ.

ТР4056

Специалисты предлагают, для зарядки литиевого аккумулятора воспользоваться китайской платой ТП4056, с защитой от переплюсовки батарей или без. Купить ее можно на АлиЭкспресс, стоимость единицы обходится примерно в 30 центов.

Максимальный ток в 1 А регулируется заменой резистора R3. Напряжение 5 А, имеется индикатор зарядки.

• постоянно, напряжение на аккумуляторе;
• предзарядка, если на клеммах меньше 2,9В;
• максимальный постоянный ток 1 А, при замене резистора, увеличении сопротивления, ток падает;
• при напряжении 4,2 В начинается плавное снижение зарядного тока при постоянном напряжении;
• При токе 0,1С зарядка отключается.

Специалисты советуют покупать плату с защитой или выведенным контактом для температурного датчика.

NCP1835

Зарядная плата обеспечивает высокую стабильность зарядного напряжения при миниатюрном размере платы – 3х3 мм. Этим устройством обеспечивается зарядка литиевых аккумуляторов всех видов и размеров.

• малое количество элементов;
• заряжает сильно разряженные аккумуляторы током около 30 мА;
• детектирует незаряжаемые батарейки, подает сигнал;
• можно задать время заряда от 6 до 748 минут.

Видео

Посмотрите на видео полный обзор платы заряда ТП4056

Источник

Зачем нужен балансир для Li-ion аккумуляторов

Статья обновлена: 2020-12-10

Балансир для Li-ion аккумуляторов

Основной элемент, обеспечивающий работоспособность Li-ion-батарейки — литий. Он и дал название устройству. Литий-ионные аккумуляторы чрезвычайно востребованы, но весьма требовательны к параметрам зарядного устройства.

Литиевая батарейка: что это

Электроприборы окружают нас повсюду. Они делают нашу жизнь комфортной и позволяют решать многие бытовые и профессиональные задачи. Для того чтобы электрические устройства были полезными и отдавали потребителю рабочие качества, заложенные в них производителем, необходимы надежные элементы питания. Среди них лидируют литий-ионные батарейки. Большая часть их используется в портативной электронике.

Они обеспечивает работоспособность:

1. компьютерного оборудования;
2. фотоаппаратов;
3. медицинских приборов;
4. современных развивающих игрушек.

Кроме того, литий-ионные аккумуляторы приводят в движение электровелосипеды, электросамокаты, электромобили и так далее. Собранные в мощные батареи, они востребованы в авиатехнической отрасли и даже в военно-промышленном комплексе.

При этом они весят достаточно немного, имеют эргономичную конструкцию и по цене вполне доступны.

Для чего нужен балансир

Литий-ионные батареи могут состоять из разного количества элементов. Они представляют собой последовательно соединенные секции (их количество варьируется от нескольких штук до нескольких десятков).

Известны два варианта зарядки аккумуляторов: последовательный и параллельный. При последовательном способе заряд передается от одного элемента питания к другому. При параллельном питание реализуется для каждого элемента отдельно. Каждая секция использует индивидуальный источник питания и автономные контролирующие устройства.

Последовательный способ зарядки прост, удобен и быстр. Поэтому он применяется чаще всего. Для оптимизации этого процесса используется балансир для Li-ion аккумуляторов.

Базовое условие этого способа – напряжение каждой секции не должно выходить за рамки заданного параметра. Он, в свою очередь, зависит от типа литиевого элемента.

Разные секции не идентичны. Соответственно, достижение требуемого значения напряжения происходит не одновременно. В каких-то секторах оно уже достигло приемлемого максимума (напряжение полностью заряженного литий-ионного аккумулятора — примерно 4,3 В), а в других — только начинает набирать обороты.

Поскольку по достижении максимального значения в одной (любой) части зарядку необходимо прекратить, общая емкость аккумулятора оказывается сниженной. Ведь в других секторах напряжение не будет полным.

Если продолжить зарядку, то возможно вздутие и даже взрыв перезаряженных батарей (профессионалы называют их банками). Чтобы не допустить повышения напряжения при зарядке сверх определенного порога нужен балансир для литиевых аккумуляторов. Когда напряжение секции поднимется до заданного значения, он подключает силовой ключ.

Тот, в свою очередь, немедленно подключит к параллельно заряжаемой секции балластный резистор. Таким образом, пополнение напряжения в данном секторе будет остановлено.

Зарядка оставшихся секторов будет идти своим чередом — до требуемого значения, на которые настроен каждый балансир. Все считается законченным при срабатывании балансиров для литий-ионных аккумуляторов всех секторов.

Таким образом, именно балансиры для зарядки литиевых аккумуляторов обеспечивают безопасность процесса. Благодаря им можно получить одинаковое напряжение в секторах и обеспечить работоспособность всей батареи.

Источник

Балансир для LiFePO4

Статья обновлена: 2020-12-17

Статья о балансирах для LiFePO4 аккумуляторов. Назначение балансиров, преимущества их использования, особенности выбора и нюансы использования.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы отличаются стабильной и безопасной работой, но чувствительны к перезаряду и глубокому разряду. Чтобы уберечь их от преждевременного износа и выхода из строя, используют BMS платы и балансиры.

Ячейки в аккумуляторной батарее должны иметь одинаковые рабочие параметры. Даже незначительные отличия емкости у последовательно соединенных элементов приводят к неравномерному заряду и разряду, из-за чего более заряженные ячейки быстрее выходят из строя. К тому же, при неравномерном заряде снижается общая емкость батареи, т.к. процесс подзарядки АКБ прекращается до полного восполнения заряда всеми ячейками.

Выравнивание напряжения при помощи балансиров

Балансиры для литий-железо-фосфатных аккумуляторов выравнивают напряжение на ячейках в сборке и блокируют его рост выше порогового значения. Они контролируют напряжение на ячейках и при достижении заданного значения инициируют включение силового ключа. В результате параллельно подзаряжаемой секции подключается балластный резистор.

Когда остаточный ток зарядки становится меньше величины тока, проходящего через балластный резистор, рост напряжения на заряжаемой секции останавливается. Но ячейки с меньшим напряжением продолжают заряжаться до тех пор, пока сработают балансиры всех частей батареи. В результате напряжение на всех ячейках будет равным пороговому значению, на которое настроены балансиры.

Основной принцип балансировки – шунтирование резисторами ячеек батареи с наибольшим напряжением. Стандартные балансиры рассчитаны на литий-железо-фосфатные элементы с номинальным напряжением 3,2 В. По заказу поставляются модули с балансировочными резисторами для ячеек с номинальным напряжением 3,6– 3,7 В.

Типы балансиров

Балансиры бывают управляемые и неуправляемые, внешние и входящие в состав АКБ. Но прежде всего они подразделяются на:

1. Активные балансиры для LiFePO4 – такие системы выравнивают напряжение в процессе зарядки. После зарядки 1-го элемента из сборки они прекращают его питание и продолжают заряжать 2-й аккумулятор. Производители создают балансиры с использованием различных подходов. В частности, активные системы балансировки бывают трансформаторными и емкостными.
2. Пассивные балансиры для LiFePO4 аккумуляторов – такие системы балансировки разряжают ячейки до одинакового значения небольшими токами с использованием резисторов. Их ключевые преимущества – независимость от внешнего питания и высокая точность, которая достигается благодаря использованию аналоговых компонентов.

Принцип работы пассивных балансиров

Пассивные системы баланса снижают зарядный ток аккумулятора, у которого наблюдается наиболее интенсивный рост напряжения. В классическом варианте это осуществляется замыканием элемента питания шунтирующим резистором R. В результате через замкнутый аккумулятор зарядный ток протекает только частично, а остальной ток идет через шунт R. Скорость заряда зашунтированного аккумулятора снижается, и напряжение на нем растет медленнее. Когда напряжение заряда достигает конечного значения, на всех элементах оно оказывается практически равным.

Цена пассивных балансиров невысока, т.к. они не содержат сложных микросхем. К тому же, они компактны и незначительно влияют на удельные характеристики батареи. К недостаткам пассивных систем относят невозможность использования всего объема энергии, которую способна запасти АКБ, и рассеивание энергии в форме тепла при прохождении через шунты. В результате уменьшается КПД системы «АКБ – зарядное устройство».

Использовать пассивные балансиры рекомендуется в батареях с очень близкими по емкости аккумуляторами, т.е. применение пассивных систем баланса накладывает дополнительные требования при выборе ячеек перед комплектованием и сборкой АКБ. В идеале все элементы в сборке должны быть одинакового химического состава, равной емкости, одного производителя и даже из одной партии.

Принцип работы активных балансиров

Активные балансиры умеют перераспределять энергию между ячейками батареи и способны работать и при разряде, и при заряде. Энергия перераспределяется от элемента с большей емкостью к элементу с меньшей емкостью. При заряде активный балансир уменьшает зарядный ток элемента с большей емкостью и увеличивает ток заряда элемента с меньшей емкостью. При разряде наоборот: балансир берет часть энергии у элемента с большей емкостью и увеличивает его разрядный ток, уменьшая при этом ток разряда элементов с меньшей емкостью.

У активных балансиров LiFePO4 схемы сложнее, зато выделение тепла намного меньше, чем при работе пассивных моделей. Поэтому активные системы балансировки незаменимы в случаях, когда нужен балансировочный ток свыше 5 А. У таких моделей высокий КПД (более 85%), а их способность работать при разряде позволяет не увеличивать время заряда для балансировки батареи.

Недостатками активных систем считаются высокая стоимость, сложность проектирования и изготовления. Собрать активный балансир для LiFePO4 своими руками проблематично. Еще один недостаток активных балансиров – ощутимое потребление тока на холостом ходу. Чтобы снизить потребление тока, такие устройства делают управляемыми – с возможностью включения при необходимости.

Как работает 2-х уровневый балансир для LiFePO4

В 2-уровневых балансирах для литий-железо-фосфатных аккумуляторов реализован следующий принцип выравнивания напряжения:

• 1 уровень. В процессе заряда, когда напряжение на ячейке достигает 3,49–3,51 В, включается изолированный DC-DC преобразователь и скидывает излишки энергии на соседний элемент. Если соседний элемент имеет достаточное напряжение, энергия скидывается на следующую ячейку и т.д. КПД этого цикла – порядка 70%, что не вызывает местных нагревов и значительного выделения тепла. Перераспределение энергии происходит между всеми элементами батареи.
• 2 уровень. Когда напряжение на элементе достигает 3,67–3,69 В, для профилактики избыточного заряда включается пассивный балансир с разрядным током 800 мА.

Источник