Зарядка последовательно включенных аккумуляторов

ОДНОВРЕМЕННАЯ ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ

Сейчас всё большую популярность набирают литиевые аккумуляторы. Особенно пальчиковые, типа 18650, на 3,7 В 3000 мА. Ни сколько не сомневаюсь, что ещё 3-5 лет, и они полностью вытеснят никель-кадмиевые. Правда остаётся открытым вопрос про их зарядку. Если со старыми АКБ всё понятно — собирай в батарею и через резистор к любому подходящему блоку питания, то тут такой фокус не проходит. Но как же тогда зарядить сразу несколько штук, не используя дорогие фирменные балансировочные ЗУ?

Теория

Для последовательного соединения аккумуляторов, обычно к плюсу электрической схемы подключают положительную клемму первого последовательное соединение аккумуляторов аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к минусу блока. Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Значит если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

Энергия, накопленная в АКБ, равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы — параллельно или последовательно.

Литий-ионные батареи просто подключить к БП нельзя — нужно выравнивание зарядных токов на каждом элементе (банке). Балансировку проводят при зарядке аккумулятора, когда энергии много и её можно сильно не экономить и поэтому без особых потерь можно воспользоваться пассивным рассеиванием «лишнего» электричества.

Никель-кадмиевые АКБ не требуют дополнительных систем, поскольку каждое звено при достижении его максимального напряжения заряда перестает принимать энергию. Признаки полного заряда Ni-Cd — это увеличение напряжения до определенного значения, а затем его падение на несколько десятков милливольт, и повышение температуры — так что лишняя энергия сразу превращается в тепло.

У литиевых аккумуляторов наоборот. Разрядка до низких напряжений вызывает деградацию химии и необратимое повреждение элемнта, с ростом внутреннего сопротивления. В общем они не защищены от перезаряда, и можно потратить много лишней энергии, резко сокращая тем самым время их службы.

Если соединить несколько литиевых элементов в ряд и запитать через зажимы на обоих концах блока, то мы не можем контролировать заряд отдельных элементов. Достаточно того, что одно из них будет иметь несколько более высокое сопротивление или чуть меньшую емкость, и это звено гораздо быстрее достигнет напряжения заряда 4,2 В, в то время как остальные будут еще иметь 4,1 В. И когда напряжение всего пакета достигнет напряжение заряда, может оказаться, что эти слабые звенья заряжены до 4,3 Вольт или даже больше. С каждым таким циклом будет происходить ухудшение параметров. К тому же Li-Ion является неустойчивым и при перегрузке может достичь высокой температуры, а, следовательно, взорваться.

Чаще всего на выходе источника зарядного напряжения ставится устройство, называемое «балансиром». Простейший тип балансира — это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке Li-Ion с пороговым значением 4,20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно элементу, пропускающий через себя большую часть тока заряда и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.

Упрощённая схема балансира для АКБ

Вот упрощённая схема балансира тока на базе TL431. Резисторы R1 и R2 устанавливают напряжение 4,20 Вольт, или можно выбрать другие, в зависимости от типа батареи. Эталонное напряжение для регулятора снимается с транзистора, и уже на границе 4,20 В система начнет приоткрывать транзистор, чтобы не допустить превышения заданного напряжения. Минимальное увеличение напряжения вызовет очень быстрый рост тока транзистора. Во время тестов, уже при 4,22 В (превышение на 20 мВ), ток составил более 1 А.

Сюда подходит в принципе любой транзистор PNP, работающий в диапазоне напряжений и токов, которые нас интересуют. Если батареи должны быть заряжены током 500 мА. Расчет его мощности прост: 4,20 В х 0,5 А = 2,1 В, и столько должен потерять транзистор, что вероятно, потребует небольшого охлаждения. Для зарядного тока 1 А или больше мощность потерь, соответственно, растет, и все труднее будет избавиться от тепла. Во время теста были проверены несколько разных транзисторов, в частности BD244C, 2N6491 и A1535A — все они ведут себя одинаково.

Делитель напряжения R1 и R2 следует подобрать так, чтобы получить нужное напряжение ограничения. Для удобства вот несколько значений после применения которых, мы получим следующие результаты:

• R1 + R2 = Vo
• 22K + 33K = 4,166 В
• 15К + 22K = 4,204 В
• 47K + 68K = 4,227 В
• 27K + 39K = 4,230 В
• 39K + 56K = 4,241 В
• 33K + 47K = 4,255 В

Схема устройства для балансировки аккумуляторов

Это аналог мощного стабилитрона, нагруженного на низкоомную нагрузку, роль которой здесь выполняют диоды D2. D5. Микросхема D1 измеряет напряжение на плюсе и минусе аккумулятора и если оно поднимается выше порога, открывает мощный транзистор, пропуская через себя весь ток от ЗУ. Как соединяется всё это вместе и к блоку питания — смотрите далее.

Блоки получаются действительно маленькие, и вы можете смело устанавливать их сразу на элементе. Следует только иметь в виду, что на корпусе транзистора возникает потенциал отрицательного полюса батареи, и вы должны быть осторожны при установке систем общего радиатора — надо использовать изоляцию корпусов транзисторов друг от друга.

Испытания

Сразу 6 штук балансировочных блоков понадобились для одновременной зарядки 6 аккумуляторов 18650. Элементы видны на фото ниже.

Все элементы зарядились ровно до 4,20 вольта (напряжение были выставлены потенциометрами), а транзисторы стали горячие, хотя и обошлось без дополнительного охлаждения — зарядка током 500 мА. Таким образом, можно смело рекомендовать данный метод для одновременного заряда нескольких литиевых аккумуляторов от общего источника напряжения.

Форум по обсуждению материала ОДНОВРЕМЕННАЯ ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ

Самодельный аккумулятор на 9 В, литий-полимерный, собранный под стандартный корпус типа Крона.

Куда применить отжившие свой век моторы от винчестеров ПК — подключение такого двигателя и варианты идей.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока — занимательная теория работы мотор-колеса.

Источник

Как зарядить два аккумулятора одновременно

Приходится ли вам использовать энергию стартового аккумулятора иначе чем для запуска двигателя? Если да, то вы подвергаете себя опасности. Пропустите момент, когда напряжение аккумулятора опустится ниже критического уровня и окажетесь обездвиженным посреди водоема. Останется звонить с просьбой о помощи на берег или уповать на проходящее мимо судно.

Гораздо разумнее установить дополнительный аккумулятор, подключить к нему бортовое оборудование и без опасений пользоваться отопителем, холодильником, эхолотом или музыкальным центром как на ходу, так и на стоянках. Но прежде чем это делать необходимо решить, как заряжать обе аккумуляторные батареи

Последовательно соединенные аккумуляторы

У последовательно соединенных аккумуляторов напряжение увеличивается, а емкость остается прежней.

Два последовательно соединенных 12-вольтовых аккумулятора заряжают 24-вольтовым зарядным устройством

При последовательном соединенные аккумуляторы должны быть одного типа и возраста. Емкость и производитель так же должны быть одинаковыми. Если один из аккумуляторов до этого использовался, то скорее всего его емкость уже меньше номинальной и во время зарядки он зарядится первым. Но зарядное устройство может не «заметить» этого и попытается полностью зарядить оставшиеся. Температура и давление в корпусе старого аккумулятора возрастут. Начнет выделяться газ, а активный материал пластин станет разрушаться.

Под нагрузкой износ старого аккумулятора усилится. После того как слабые ячейки израсходуют заряд, хорошие еще продолжать давать ток. Напряжение на разряженных ячейках упадет до нуля, а затем их полярность поменяется на противоположную (чаще всего это происходит в больших батареях). Последует неконтролируемы рост давления и температуры и наступит катастрофа.

Заменять батарею последовательно соединенных аккумуляторов рекомендуется целиком. Если меняете только один, состояние заряда всех аккумуляторов должно остаться одинаковым. Небольшую разницу устранит зарядное устройство на этапе абсорбции. При больших отличиях сильнее заряженный аккумулятор будет перезаряжаться, а в не дозаряженном начнется сульфатация.

Два последовательно соединенных 12-вольтовых аккумулятора заряжают 24-вольтовым зарядным устройством. Три – 36-вольтовым.

Параллельно соединенные аккумуляторы

При параллельном соединении аккумуляторов увеличивается емкость, а напряжение не меняется. Аккумуляторы в батарее должны быть одного типа и возраста, а соединяющие их кабели, короткими и толстыми, чтобы уменьшить падение напряжения.

Несколько параллельно соединенных 12-вольтовых аккумуляторов заряжают 12-вольтовым зарядным устройством. Время зарядки батареи при этом будет больше, чем отдельно взятого аккумулятора

Устройства зарядки нескольких аккумуляторов

Для одновременной зарядки нескольких групп аккумуляторов используют следующие устройства

Переключатели аккумуляторов

Проще всего два разных по назначению аккумулятора подключить к устройству зарядки с помощью ручного переключателя. Как правило используют рассчитанные на высокий ток четырехпозиционные модели. В положении 1 + 2 переключатель соединяет аккумуляторы параллельно, в остальных разъединяет их. Четырехпозиционный переключатель устанавливают на катерах и яхтах с двумя аккумуляторами, попеременно используемыми и для запуска двигателя, и для питания бортовой нагрузки

К переключателю не рекомендуется подсоединять дополнительную нагрузку со стороны аккумуляторов, чтобы не нарушать его изолирующие функции. Однако на практике для устройств 24-часой готовности (помпа, зарядное устройство и т.д.) делают исключение.

Генератор двигателя соединяют с переключателем или со стороны нагрузки, или со стороны сервисной батареи. В первом случае аккумуляторы можно заряжать вместе или по отдельности, но генератору нужна защита. Перевод ручки переключателя во время работы двигателя в положении OFF приведет к скачку напряжения, который может вывести диоды выпрямителя из строя. При втором способе опасности для генератора нет, но аккумуляторы будут заряжаться только одновременно.

Характеристики переключателей АКБ:

Система с ручным переключателем не застрахована от человеческих ошибок. Если во время работы генератора аккумуляторы разъединены, один из них не зарядится. Если соединены при заглушенном двигателе, оба разрядятся и в следующий раз двигатель не запустится.

Четырехпозиционный переключатель, попеременно подключающий стартовый и сервисный аккумуляторы встречается на катерах очень часто. Однако, если аккумуляторы разного типа, например, гелевый и с жидким электролитом, то один из них будет постоянно перезаряжен, а другой недозаряжен и оба раньше времени выйдут из строя.

Диодные изоляторы

Изоляторы аккумуляторов используют свойство диодов пропускать ток только в одном направлении. Ток идет от источника зарядки к обоим аккумуляторам, а изолятор не дает ему проходить между аккумуляторами и предохраняет батареи от разряда.

Самый большой недостаток изоляторов на диодах – падение напряжения. Разница между полностью заряженным и разряженным 12-вольтовым аккумулятором — 0,8-1 вольт, поэтому потеря 0,6-1 вольт на диодах означает, что напряжение на сервисных аккумуляторах всегда будет меньше, чем необходимого для нормальной зарядки

Стандартный регулятор получает данные о напряжении в электрической системе с выхода генератора, а не с клемм аккумулятора. Если в цепи есть диоды, то регулятор «не знает», что на аккумуляторах 13,6-13,8 вольт, а не 14,2 как на генераторе. Если потери напряжения не компенсировать, генератор прекратить зарядку задолго до того, как аккумуляторы зарядятся до 100%. В результате — хроническая недозарядка, сульфатация и уменьшение емкости.

Развязывающее реле

В отличии от диодного изолятора реле развязки не делит ток между аккумуляторами, а соединяет их параллельно. Реле срабатывает, и подключает второй аккумулятор, когда напряжение на первом превышает установленный порог. После того как напряжение снижается, реле размыкается и изолирует батареи. Развязывающее реле лишено недостатков диодного изолятора — падение напряжения на нем не превышает сотых долей вольта

Моделей реле развязки множество. Самое простое активируется контрольным напряжением, например, от замка зажигания. Аналоговые реле соединяют и разъединяют аккумуляторы автоматически, но имеют фиксированное напряжение срабатывания. Цифровые модели позволяют регулировать напряжение срабатывания с шагом 0,1-0,2 вольта. Такие устройства отслеживают тренд напряжения и «принимают решение» о переключении только когда он длится определенное время. Благодаря этому удается избежать «дребезга» реле при кратковременных колебания напряжения.

Отдельная группа — бистабильные развязывающие реле. Они не потребляют ток в замкнутом состоянии и их удобно использовать для одновременной зарядки нескольких аккумуляторов от маломощных источников электрической энергии – солнечных панелей или ветрогенераторов.

Контроллеры аккумуляторов

К этой группе относят управляемые микроконтроллером устройства на MOSFET транзисторах, падение напряжения на которых даже при максимальном токе не превышает 0,03-0,01 вольт.

В отличии от батарейных изоляторов и реле, пытающихся одновременно зарядить два разных аккумулятора микропроцессорный разделитель изолирует аккумуляторы. Источник зарядки получает реальное представление о состоянии заряжаемой батареи и скорость зарядки возрастает. После того как первый аккумулятор заряжен, подключается второй, и зарядка продолжается. Подробнее о современных зарядных изоляторах аккумуляторов.

Сравнительные характеристики переключателя, реле и делителя аккумуляторов:

Источник