Особенности зарядки последовательных аккумуляторов. (Балансиры)

Литиевые аккумулятор (Li-Io, Li-Po) являются самыми популярными на данный момент перезаряжаемыми источниками электрической энергии. Литиевый аккумулятор имеет номинальное напряжение 3.7 Вольт, именно оно указывается на корпусе. Однако, заряженный на 100% аккумулятор имеет напряжение 4.2 В, а разряженный “в ноль” – 2.5 В, вообще нет смысла разряжать аккумулятор ниже 3 В, во-первых, он от этого портится, во-вторых, в промежутке от 3 до 2.5 В аккумулятор отдаёт всего пару процентов энергии. Таким образом, рабочий диапазон напряжений принимаем 3 – 4.2 Вольта. Мою подборку советов по эксплуатации и хранению литиевых аккумуляторов вы можете посмотреть вот в этом видео

Есть два варианта соединения аккумуляторов, последовательное и параллельное.

При последовательном соединении суммируется напряжение на всех аккумуляторах, при подключении нагрузки с каждого аккумулятора идет ток, равный общему току в цепи, в общем сопротивление нагрузки задает ток разряда. Это вы должны помнить со школы. Теперь самое интересное, емкость. Емкость сборки при таком соединении по хорошему равна емкости аккумулятора с самой маленькой емкостью. Представим, что все аккумуляторы заряжены на 100%. Смотрите, ток разряда у нас везде одинаковый, и первым разрядится аккумулятор с самой маленькой емкостью, это как минимум логично. И как только он разрядится, дальше нагружать данную сборку будет уже нельзя. Да, остальные аккумуляторы еще заряжены. Но если мы продолжим снимать ток, то наш слабый аккумулятор начнет переразряжаться, и выйдет из строя. То есть правильно считать, что емкость последовательно соединенной сборки равна емкости самого малоемкого, либо самого разряженного аккумулятора. Отсюда делаем вывод: собирать последовательную батарею нужно во первых из одинаковых по емкости аккумуляторов, и во вторых, перед сборкой они все должны быть заряжены одинаково, проще говоря на 100%. Существует такая штука, называется BMS (Battery Monitoring System), она может следить за каждым аккумулятором в батарее, и как только один из них разрядится, она отключает всю батарею от нагрузки, об этом речь пойдёт ниже. Теперь что касается зарядки такой батареи. Заряжать ее нужно напряжением, равным сумме максимальных напряжений на всех аккумуляторах. Для литиевых это 4.2 вольта. То есть батарею из трех заряжаем напряжением 12.6 в. Смотрите что происходит, если аккумуляторы не одинаковые. Быстрее всех зарядится аккумулятор с самой маленькой емкостью. Но остальные то еще не зарядились. И наш бедный аккумулятор будет жариться и перезаряжаться, пока не зарядятся остальные. Переразряда, я напомню, литий тоже очень сильно не любит и портится. Чтобы этого избежать, вспоминаем предыдущий вывод.

Перейдем к параллельному соединению. Емкость такой батареи равна сумме емкостей всех аккумуляторов в нее входящих. Разрядный ток для каждой ячейки равен общему току нагрузки, деленному на число ячеек. То есть чем больше акумов в такой сборке, тем больший ток она может отдать. А вот с напряжением происходит интересная вещь. Если мы собираем аккумуляторы, имеющие разное напряжение, то есть грубо говоря заряженные до разного процента, то после соединения они начнут обмениваться энергией до тех пор, пока напряжение на всех ячейках не станет одинаковым. Делаем вывод: перед сборкой акумы опять же должны быть заряжены одинаково, иначе при соединении пойдут большие токи, и разряженный акум будет испорчен, и скорее всего может даже загореться. В процессе разряда аккумуляторы тоже обмениваются энергией, то есть если одна из банок имеет меньшую емкость, остальные не дадут ей разрядиться быстрее их самих, то есть в параллельной сборке можно использовать аккумуляторы с разной емкостью. Единственное исключение – работа при больших токах. На разных аккумуляторах под нагрузкой по-разному просаживается напряжение, и между “сильным” и “слабым” акумом начнёт бежать ток, а этого нам совсем не нужно. И то же самое касается зарядки. Можно абсолютно спокойно заряжать разные по емкости аккумуляторы в параллели, то есть балансировка не нужна, сборка будет сама себя балансировать.

В обоих рассмотренных случаях нужно соблюдать ток зарядки и ток разрядки. Ток зарядки для Li-Io не должен превышать половины ёмкости аккумулятора в амперах (аккумулятор на 1000 mah – заряжаем 0.5 А, аккумулятор 2 Ah, заряжаем 1 А). Максимальный ток разрядки обычно указан в даташите (ТТХ) аккумулятора. Например: ноутбучные 18650 и аккумы от смартфонов нельзя грузить током, превышающим 2 ёмкости аккумулятора в Амперах (пример: акум на 2500 mah, значит максимум с него нужно брать 2.5*2 = 5 Ампер). Но существуют высокотоковые аккумуляторы, где ток разряда явно указан в характеристиках.

Особенности зарядки аккумуляторов китайскими модулями

Стандартный покупной зарядно-защитный модуль за 20 рублей для литиевого аккумулятора (ссылка на Aliexpress )
(позиционируется продавцом как модуль для одной банки 18650) может и будет заряжать любой литиевый аккумулятор вне зависимости от формы, размера и емкости до правильного напряжения 4,2 вольта (напряжение полностью заряженного аккумулятора, под завязку). Даже если это огромный литиевый пакет на 8000mah (разумеется речь идет про одну ячейку на 3,6-3,7v). Модуль дает зарядный ток 1 ампер , это значит что им можно без опаски заряжать любой аккумулятор емкостью от 2000mah и выше (2Ah, значит зарядный ток – половина емкости, 1А) и соответственно время зарядки в часах будет равно емкости аккумулятора в амперах (на самом деле чуть больше, полтора-два часа на каждые 1000mah). Кстати аккумулятор можно подключать к нагрузке уже во время заряда.

Важно! Если вы хотите заряжать аккумулятор меньшей емкости (например одну старую банку на 900mah или крошечный литиевый пакетик на 230mah), то зарядный ток 1А это много, его следует уменьшить. Это делается заменой резистора R3 на модуле согласно приложенной таблице. Резистор необязательно smd, подойдет самый обычный. Напоминаю, что зарядный ток должен составлять половину от емкости аккумулятора (или меньше, не страшно).

Но если продавец говорит, что этот модуль для одной банки 18650, можно ли им заряжать две банки? Или три? Что если нужно собрать емкий пауэрбанк из нескольких аккумуляторов?
МОЖНО! Все литиевые аккумуляторы можно подключать параллельно (все плюсы к плюсам, все минусы к минусам) ВНЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕМКОСТИ. Спаянные параллельно аккумуляторы сохраняют рабочее напряжение 4,2v а их емкость складывается. Даже если вы берете одну банку на 3400mah а вторую на 900 – получится 4300. Аккумуляторы будут работать как одно целое и разряжаться будут пропорциональной своей емкости.
Напряжение в ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ сборке ВСЕГДА ОДИНАКОВО НА ВСЕХ АККУМУЛЯТОРАХ! И ни один аккумулятор физически не может разрядиться в сборке раньше других, здесь работает принцип сообщающихся сосудов. Те, кто утверждают обратное и говорят что аккумуляторы с меньшей емкостью разрядятся быстрее и умрут – путают с ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ сборкой, плюйте им в лицо.
Важно! Перед подключением друг к другу все аккумуляторы должны иметь примерно одинаковое напряжение, чтобы в момент спаивания между ними не потекли уравнительные токи, они могут быть очень большими. Поэтому лучше всего перед сборкой просто зарядить каждый аккумулятор по отдельности. Разумеется время зарядки всей сборки будет увеличиваться, раз вы используете все тот же модуль на 1А. Но можно спараллелить два модуля, получив зарядный ток до 2А (если ваше зарядное устройство может столько дать). Для этого нужно соединить перемычками все аналогичные клеммы модулей (кроме Out- и B+, они продублированы на платах другими пятаками, уже и так окажутся соединенными). Либо можно купить модуль (ссылка на Aliexpress ), на котором микросхемы уже стоят в параллель. Этот модуль способен заряжать током в 3 Ампера.

Простите за совсем очевидные вещи, но люди по-прежнему путают, поэтому придется обсудить разницу между параллельным и последовательным соединением.
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ соединение (все плюсы к плюсам, все минусы к минусам) сохраняет напряжение аккумулятора 4,2 вольта, но увеличивает емкость, складывая все емкости вместе. Во всех пауэрбанках применяется параллельное соединение нескольких аккумуляторов. Такая сборка по-прежнему может заряжаться от USB и повышающим преобразователем напряжение поднимается до выходных 5v.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ соединение (каждый плюс к минусу последующего аккумулятора) дает кратное увеличение напряжения одной заряженной банки 4,2в (2s – 8,4в, 3s – 12,6в и так далее), но емкость остается прежняя. Если используются три аккумулятора на 2000mah, то емкость сборки – 2000mah.
Важно! Считается что для последовательной сборки священно обязательно нужно использовать только аккумуляторы одинаковой емкости. На самом деле это не так. Можно использовать разные, но тогда емкость батареи будет определяться НАИМЕНЬШЕЙ емкостью в сборке. Складываете 3000+3000+800 – получаете сборку на 800mah. Тогда спецы начинают кукарекать, что тогда менее емкий аккумулятор будет быстрее разряжаться и умрет. А это неважно! Главное и действительно священное правило – для последовательной сборки всегда и обязательно нужно использовать плату защиты BMS на нужное количество банок. Она будет определять напряжение на каждой ячейке и отключит всю сборку, если какая-то разрядится первой. В случае с банкой на 800 она и разрядится, БМС отключит нагрузку от батареи, разряд остановится и остаточный заряд по 2200mah на остальных банках уже не будет иметь значения – нужно заряжаться.

Плата BMS в отличии от одинарного зарядного модуля НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ЗАРЯДНЫМ УСТРОЙСТВОМ последовательной сборки. Для зарядки нужен настроенный источник нужного напряжения и тока . Об этом Гайвер снял видео, поэтому не тратьте время, посмотрите его, там об этом максимально досконально.

Можно ли заряжать последовательную сборку, соединив несколько одинарных зарядных модулей?
На самом деле при некоторых допущениях – можно. Для каких-то самоделок зарекомендовала себя схема с использованием одинарных модулей, соединенных также последовательно, но для КАЖДОГО модуля нужен СВОЙ ОТДЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ. Если заряжаете 3s – берёте три телефонных зарядки и подключаете каждую к одному модулю. При использовании одного источника – короткое замыкание по питанию , ничего не работает. Такая система также работает и как защита сборки (но модли способны отдавать не более 3 ампер) Либо же просто заряжайте сборку побаночно, подключая модуль к каждому аккумулятору до полного заряда.

Индикатор заряженности аккумулятора

Тоже насущная проблема – хотя бы примерно знать сколько процентов заряда остается на аккумуляторе, чтобы он не разрядился в самый ответственны момент.
Для параллельных сборок на 4,2 вольта самым очевидным решением будет сразу приобрести готовую плату пауэрбанка, на которой уже есть дисплей отображающий проценты заряда. Эти проценты не супер-точные, но всё же помогают. Цена вопроса примерно 150-200руб, все представлены на сайте Гайвера. Даже если вы собираете не пауэрбанк а что-то другое, плата эта довольно дешевая и небольшая, чтобы разместить ее в самоделке. Плюс она уже имеет функцию заряда и защиты аккумуляторов.
Есть готовые миниатюрные индикаторы на одну или несколько банок, 90-100р
Ну а самым дешевым и народным методом является использование повышающего преобразователя МТ3608 (30 руб.), настроенного на 5-5,1v. Собственно если вы делаете пауэрбанк на любом преобразователе на 5 вольт, то даже не нужно ничего докупать. Доработка заключается в установке красного или зеленого светодиода (другие цвета будут работать на другом выходном напряжении, от 6в и выше) через токоограничивающий резистор 200-500ом между выходной плюсовой клеммой (это будет плюс) и входной плюсовой (для светодиода это получится минус). Вы не ошиблись, между двумя плюсами! Дело в том, что при работе преобразователя между плюсами создается разница напряжения, +4,2 и +5в дают между собой напряжение 0,8в. При разряде аккумулятора его напряжение будет падать, а выходное с преобразователя всегда стабильно, значит разница будет увеличиваться. И при напряжении на банке 3,2-3,4в разница достигнет необходимой величины, чтобы зажечь светодиод – он начинает показывать, что пора заряжаться.

Чем измерять емкость аккумуляторов?

Мы уже привыкли в мнению, что для замера нужен Аймакс b6, а он стоит денег и для большинства радиолюбителей избыточен. Но есть способ замерить емкость 1-2-3баночного аккумулятора с достаточной точностью и дешево – простой USB-тестер.

Прислал:

Нет, речь пойдет не о рыболовной приманке, и даже не о цирковых акробатах балансирующих под куполом. Речь будет о том, как добиться баланса параметров аккумуляторов, соединённых последовательно.

Как известно, ячейка аккумулятора - достаточно низковольтное устройство, поэтому их обычно соединяют в пачки последовательно. В идеале, если параметры всех аккумуляторов одинаковы, мы имеем источник с напряжением в n-раз большим, чем одиночная ячейка, и заряжать-разряжать его мы можем как единый более высоковольтный аккумулятор.

Увы, так будет только в идеале. Каждый аккумулятор в этой пачке, как и всё в этом мире, уникален, и найти двух совершенно одинаковых невозможно, да и их характеристики - ёмкость, утечки, степень заряженности, будут меняются от времени и температуры.

Конечно, изготовители аккумуляторов стараются подбирать максимально близкие по параметрам, но различия всегда есть. И со временем, такие разбалансы характеристик могут ещё и возрастать.

Эти различия характеристик ячеек ведут к тому, что аккумуляторы работают по разному и, в результате общая ёмкость составной батареи будет ниже, чем составляющих её ячеек, это раз, а во-вторых, ресурс такого аккумулятора также будет ниже, т.к. он определяется самым "слабым" аккумулятором, который будет изнашиваться быстрее других.
Что же делать?

Есть два основных критерия для оценки степени балансировки ячеек:
1. Выравнивание напряжения на ячейках,
2. Выравнивание заряда в ячейках.

Достигать своих целей в достижении этих методов балансирования также можно двумя способами:
1. Пассивным и
2. Активным.

Поясним сказанное.
С критериями балансировки всё понятно, либо мы просто добиваемся равенства напряжений на ячейках, либо каким-либо образом вычисляем заряд аккумулятора и добиваемся, чтобы эти заряды сравнялись (при этом напряжения могут и различаться).

Со способами реализации тоже ничего сложного. В пассивном методе мы просто переводим в тепло энергию в наиболее заряженных аккумуляторных ячейках, до тех пор, пока напряжения или заряды в них не сравняются.
В активном же способе любым способом перекачиваем заряд из одной ячейки в другую, по возможности с минимальными потерями. Современная схемотехника легко реализует такие способности.

Понятно, что рассеять проще, чем перекачать, а сравнить напряжения проще, чем сравнить заряды.

Также эти методы могут применяться как при зарядке, так и при разрядке. Чаще всего, конечно, 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.
При разрядке всегда применяют только активную перекачку заряда, но такие системы весьма редки, из-за большей сложности схемы.

Поглядим на практическую реализацию вышесказанного.
При зарядке, в простейшем случае на выходе ЗУ ставится устройство, называемое "балансиром".
Далее, чтобы не сочинять самому, просто вставлю кусок текста из статьи с сайта http://www.os-propo.info/content/view/76/60/ . Речь идет о зарядке литиевых аккумуляторов.

"Простейший тип балансира - это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке LiPo с пороговым значением 4.20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно банке LiPo, пропускающий через себя большую часть тока заряда (1А и более) и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Фактически, выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.

В такой схеме поставленная задача заряда и выравнивания пары разных паков реально осуществима. Но такие балансиры на практике бывают только самодельными. Все фирменные микропроцессорные балансиры используют другой принцип работы.

Вместо того, чтобы рассеивать полные токи заряда в конце, микропроцессорный балансир постоянно контролирует напряжения на банках и постепенно выравнивает их в течение всего процесса заряда. К банке, заряженной больше других, балансир подключает параллельно некоторое сопротивление (порядка 50-80 Ом в большинстве балансиров), пропускающее через себя часть зарядного тока и лишь чуть-чуть замедляющее заряд этой банки, не останаливая его полностью. В отличие от транзистора на радиаторе, способного взять на себя основной ток заряда, это сопротивление обеспечивает лишь небольшой ток балансировки - порядка 100мА, а потому такой балансир не требует массивных радиаторов. Именно этот ток балансировки указывается в технических характеристиках балансиров и обычно составляет не более 100-300мА.

Такой балансир существенно не нагревается, поскольку процесс идет в течение всего заряда, и тепло при небольших токах успевает рассеиваться без радиаторов. Очевидно, что если ток заряда будет существенно выше тока балансировки, то при большом разбросе напряжений на банках балансир не успеет выровнять их до того момента, как самая заряженная банка достигнет порогового напряжения. "
Конец цитаты.

Примером рабочей схемы простейшего балансира могут служить следующие (взято с сайта http://www.zajic.cz/).

Рис.1. Простая схема балансира.

Фактически это мощный стабилитрон, кстати, весьма точный, нагруженный 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 T1, пропуская через себя весь ток от ЗУ.

Рис.2. Простая схема балансира.

Аналогично работает и вторая схема (Рис.2.), но в ней всё тепло выделяется в транзисторе Т1, который греется как "чайник" - радиатор видно на картинке ниже.

На Рис.3 видно, что балансир состоит из 3-х каналов, каждый из которых выполнен по схеме Рис.2.

Конечно, промышленность уже давно освоила подобные схемы, которые выпускаются в виде законченной микросхемы. Их выпускают многие компании. Как пример, воспользуюсь материалами статьи о методах балансировки, опубликованной на сайте "РадиоЛоцман" http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=59991 , которые буду частично изменять или убирать, чтобы не раздувать статью.
Цитата:
" Пассивный метод балансировки.
Наиболее простое решение - выравнивание напряжения батарей. Например, микросхема BQ77PL900, обеспечивает защиту батарейных блоков с 5-10 последовательно включенными батареями. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком, как показано на рисунке 4. Сравнивая напряжение банки с пороговым, микросхема, при необходимости, включает режим балансировки для каждой из банок.

Рис.4. Микросхема BQ77PL900, и второй аналог, где лучше видно внутреннее устройство (взят отсюда http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm ).

На Рис. 5 показан принцип её действия. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, включаются полевые транзисторы и подключают параллельно ячейке аккумулятора нагрузочный резистор, через который ток идет в обход ячейки и уже не заряжает её. Остальные ячейки при этом продолжают заряжаться.
При падении напряжения, полевик закрывается и зарядка может продолжаться. Таким образом, в конце зарядки на всех ячейках будет присутствовать одинаковое напряжение.

При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего сопротивления батарей (см. Рис. 6.). Дело в том, что на этом сопротивлении падает часть напряжения когда через аккумулятор протекает ток, что вносит дополнительную погрешность в разброс напряжений при заряде.
Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызван разбаланс - разной ёмкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся заряженными на 100%.

В микросхеме BQ2084 используется улучшенная версия балансировки, также основанная на изменении напряжения, но, чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика.

Рис. 5. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению.

Рис. 6. Пассивный метод балансировки по напряжению.

Микросхемы семейства BQ20Zхх, используют для определения уровня заряда фирменную технологию Impedance Track, базирующуюся на определении состояния заряда батарей (СЗБ) и ёмкости батареи.

В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд Qneed, необходимый для полной её зарядки, после чего находится разница?Q между Qneed всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, которые разряжают все ячейки до уровня наименее заряженной, до тех пор, пока заряды не уравняются

Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время, как при при зарядке, так и при разрядке аккумулятора. Однако, как уже говорилось выше, при разряде этот метод использовать глупо, т.к. энергии всегда не хватает.

Основное преимущество этой технологии - более точная балансировка батарей (см. рис. 7) по сравнению с другими пассивными методами.

Рис. 7. Пассивная балансировка, основанная на СЗБ и ёмкости.

Активная балансировка

По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. для передачи энергии от более заряженной ячейки к менее заряженной, вместо резисторов используются индуктивности и ёмкости, 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 полевой транзисторы и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на Рис.8. Полевики и дроссель составляют собой понижающий/повышающий преобразователь.

Например, если BQ78PL114 определяет, что верхняя ячейка заряжена больше, чем нижняя, то на выводе PS3 формируется сигнал открывающий транзистор Q1 с частотой около 200 кГц и скважностью около 30%.

При закрытом Q2 получается стандартная схема понижающего импульсного стабилизатора, при этом внутренний диод Q2 замыкает ток индуктивности во время закрытого состояния ключа Q1.

При перекачке же из нижней ячейки в верхнюю, когда открывается только ключ Q2 получаем также типовую схему, но уже повышающего импульсного стабилизатора.

Ключи Q1 и Q2, естественно, одновременно никогда открываться не должны.

Рис. 8. Балансировка по технологии PowerPump.

Потери энергии при этом невелики и почти вся энергия перетекает из сильно заряженной в малозаряженную банку. Микросхема BQ78PL114 реализует три алгоритма балансировки:
- по напряжению на выводах батареи. Этот метод похож на пассивный метод балансировки, описанный выше, но при этом потерь почти нет;
- по напряжению холостого хода. В этом методе компенсируется различие во внутренних сопротивлениях батарей;
- по состоянию заряда батареи (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. 9.)

Рис. 9. Активная балансировка по алгоритму выравнивания состояния заряда батареи .

Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с рассеиванием энергии. 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 5%) можно достичь уже за один или два цикла.

Кроме того, технология PowerPump имеет и другие преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы - заряд, разряд и даже тогда, когда батарея, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем батарея, получающая энергию. " (Конец частичного цитирования.)

Продолжим описание активных способов перекачки заряда из одной ячейки в другую следующей схемой, которую нашел в Интернете на сайте "HamRadio" http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm .

В качестве схемы перекачки заряда использован не индуктивный, а ёмкостной накопитель. Например, широко известны, так называемые, преобразователи напряжения на коммутируемых конденсаторах. Одна из массовых - это микросхема ICL7660 (MAX1044 или отечественный аналог КР1168ЕП1).

В основном микросхема используется для получения отрицательного напряжения, равного напряжению её питания. Однако, если отрицательное напряжение на её выходе окажется по каким-то причинам больше по величине, чем положительное напряжение питания, то микросхема начнёт качать заряд "в обратную сторону", забирая из минуса, и отдавая в плюс, т.е. она всё время пытается уравнять эти два напряжения.

Это свойство и использовано для балансировки двух аккумуляторных ячеек. Схема такого балансира приведена на Рис.10.

Рис.10. Схема балансира с ёмкостной перекачкой заряда.

Микросхема с высокой частотой подключает конденсатор С1 либо к верхнему аккумулятору G1, либо к нижнему G2. Соответственно С1 будет заряжаться от более заряженного и разряжаться в более разряженный, каждый раз перенося какую-то порцию заряда.
Со временем напряжения на аккумуляторах станут одинаковыми.

Энергия в схеме практически не рассеивается, КПД схему может достигать до 95…98% в зависимости от напряжения на аккумуляторах и выходного тока, который зависит от частоты переключения и ёмкости С1.

При этом собственно потребление микросхемы составляет всего несколько десятков микроампер, т.е. находится ниже уровня саморазряда многих аккумуляторов, и поэтому микросхему можно даже не отключать от аккумулятора и она будет постоянно неспешно выполнять работу по выравниванию напряжения на ячейках.

Реально ток перекачки может достигать 30…40мА, но КПД при этом снижается. Обычно десяток мА. Также напряжение питания может быть от 1.5 до 10В, а это значит, что микросхема может балансировать как обычные Ni-Mh пальчики, так и литиевые аккумуляторы.

Практическое замечание: на Рис.10. показана схема которая балансирует аккумуляторы с напряжением меньше 3В, поэтому её шестая ножка (LV) подключена к выходу 3. Для балансировки литиевых аккумуляторов с более высоким напряжением, вывод 6 нужно оставить свободным, никуда не подключать.

Также, этим методом возможно балансировать не только два, но и большее количество аккумуляторов. На Рис.11. показано, как это сделать.

Рис.11. Каскадирование микросхем перекачки заряда.

Ну, и напоследок, ещё одно схемное решение, реализующее ёмкостную передачу заряда от одного аккумулятора к другому.
Если в ICL7660 представляла собой мультиплексор, который мог подключать конденсатор С1 только к двум источникам, то взяв мультиплексор с большим числом каналов переключения, (3, 4, 8) можно одной микросхемой уравнивать напряжения уже на трех, четырех или восьми банках. Причем, банки могут быть соединены как угодно, как последовательно, так и параллельно. Главное, чтобы напряжение питания микросхемы было выше максимального напряжения на банках.

Схема так называемого "обратимого преобразователя напряжения", описанного в журнале "Радио" 1989, № 8, показана на Рис.12.

Рис.12. Обратимый преобразователь напряжения в качестве балансира на мультиплексоре 561КП1..

К выравнивающему устройству может быть подключено до четырех элементов. Конденсатор С2 поочередно подключается к различным элементам, обеспечивая перекачку энергии этих элементов и выравнивание напряжения на них

Число элементов в батарее может быть уменьшено. В этом случае вместо исключенных элементов достаточно подключить конденсатор емкостью 10..20мкФ.

Ток балансировки такого источника весьма мал до 2 мА. Но так как он работает постоянно, не отключаясь от аккумуляторов, то свою задачу - уравнивание зарядов ячеек, он выполняет.

В заключение хочу заметить, что современная элементная база позволяет выполнять балансировку ячеек составного аккумулятора практически без потерь и уже достаточно проста, чтобы перестать быть чем-то "крутым" и недоступным.

И поэтому радиолюбителю, конструирующему устройства на аккумуляторах, полагаю, стоит задуматься о переходе на активные методы перекачки энергии между банками в батарее, пусть хотя бы "по старинке", ориентируясь на равенство напряжений между аккумуляторными ячейками, а не зарядов в них.

Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас .

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 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.

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.

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.

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.

Прислал:

Понятно, что рассеять проще, чем перекачать, а сравнить напряжения проще, чем сравнить заряды.

Примером рабочей схемы простейшего балансира могут служить следующие (взято с сайта http://www.zajic.cz/).

Рис.1. Простая схема балансира.

Рис.2. Простая схема балансира.

На Рис.3 видно, что балансир состоит из 3-х каналов, каждый из которых выполнен по схеме Рис.2.

Рис. 5. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению.

Рис. 6. Пассивный метод балансировки по напряжению.

Рис. 7. Пассивная балансировка, основанная на СЗБ и ёмкости.

Ключи Q1 и Q2, естественно, одновременно никогда открываться не должны.

Рис. 8. Балансировка по технологии PowerPump.

Рис. 9. Активная балансировка по алгоритму выравнивания состояния заряда батареи .

Рис.10. Схема балансира с ёмкостной перекачкой заряда.

Рис.11. Каскадирование микросхем перекачки заряда.

Рис.12. Обратимый преобразователь напряжения в качестве балансира на мультиплексоре 561КП1..

Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас .

Есть у меня старый шуруповерт, лежал без дела довольно долго, соответственно аккумуляторы приказали долго жить. И вот недавно он мне потребовался, кухню собирать. Если интересно как я его оживил переделкой на литий менее чем за 100 рублей - то добро пожаловать под кат.

Дрель у меня такая - на 18 вольт, 9Н*м

Навскидку мне корячилось три варианта
1. купить новый недорогой шуруповерт рублей за 1500-2500 - просто, быстро, но это не наш метод, тк старая дрель будет лежать мертвым грузом, а выкинуть рука не поднимется,
2. заказать NiCd аккумуляторы - около 900-1200р - а смысл, если новый можно за 1500р взять?
3. переделать на литиевые, а вот тут бюджет может быть разным. Ознакомившись с вопросом на маське выяснил, что для переделки на литий в идеале нужно:
- плата 3S, 4S или 5S в зависимости от размера батареи (мне на 18 вольт дрели надо 5 банок АКБ, соответственно 5S - около 800р)
- желательно плата балансировки (если плата защиты без балансира), особенно желательно если аккумуляторы не новые или из разных партий
- сами Li-ion АКБ, желательно токовые, те расчитанные на высокие токи работы - от 350р за штуку, за 5 шт - от 1700р.
По итогу дороговато выходит для моей дешевой старой дрели (см 1 пункт), поэтому было решено делать свой ультра-бюджетный вариант с блэкджеком балансировкой.
У меня был старый аккумулятор от ноутбука (отдали за так), разобрав который обнаружил в нем такие банки Samsung. За исключением 2 банок остальные были вполне рабочие, зарядил каждую в повер банке

проверил их после зарядки на ток КЗ (не более 1 секунды - это может быть опасно, тк банки без защиты).

Как видно, банки вполне живые - кратковременный ток отдачи по КЗ от 10 до 20А.
Накидал такую схему переделки, по ней и буду делать.

Так как аккумуляторы не токовые для облегчения их работы было решено ставить по 2 акб в параллель (при рабочем токе например в 10А, ток выдаваемый каждым акб будет 10/2=5А). Для этого желательно подобрать пары с похожими характеристиками отдачи по току. Исправляю схему:

В принципе, моя дрель, судя по характеристикам не особо мощная, поэтому в принципе можно было бы и по одной банке ставить, правда проживут они скорее всего меньше, но так как батареи у меня были в количестве 10 штук решил ставить все 10.
Процесс сборки не фотографировал, в принципе там ничего интересного, батареи паять можно к уже приваренным лепесткам не боясь что перегреешь.
Так как все 10 аккумуляторов в старый блок не влезли, получилось немного колхозно

ну ничего, берем синюю (какая была) изоленту и прячем все лишнее -

уже лучше)
Как видите сбоку я вывел зарядно-балансировочный разъем, который выпаял из сломанной видеокарты (или материнской платы, не помню уже). Так как мне надо 10 контактов, пришлось использовать такой db15, если бы аккумуляторов меньше применил бы вот db9 - их найти проще

Осталось спаять зарядное. В качестве источников напряжения 5 вольт взял 5 ненужных зарядок от мобильников, как раз нашел 5 штук, правда все разные, на разный ток от 600 до 900мА. В идеале использовать одинаковые, так зарядка бы происходила примерно одновременно и можно было бы оценивать какие банки долше заряжаются.
Важно! Делать нужно точно по схеме используя на каждый контролер заряда свой отдельный блок питания 5-8В, то есть блоки питания должны быть гальванически развязаны друг от друга. Один мощный блок питания на все контроллеры использовать нельзя - будет короткое замыкание акумуляторов (у TP4056 общий по входу и выходу корпус-минус).
Для уменьшения размеров конструкции вынул зарядные из корпусов. На тыловую сторону приклеил на двухсторониий скотч контроллер заряда TP4056 и убрал конструкцию в отдельный корпус

Вот так выглядит при включении в 220В

Синим светит контроллер заряда - индикация о том что нагрузка не подключена (или акб заряжены), красным и зеленым - светодиоды зарядных от мобильников.
Теперь подключим аккумулятор-

Видно что заряжаются только 3 банки (горит красный диод), а оставшиеся 2 - нет (горит синий диод). Это потому что я его недавно заряжал, и разрядились только 3 из 5 акб. Такм образом, видно что при каждой зарядке происходит балансировка всей батареи - в этом главный плюс этой схемы, особенно это важно при использовании таких поюзанных акб от батареи ноутбука.

Для наглядности снял ролик, возможно что-то упустил в рассказе, то смотрите на видое -

Подведем итоги.
Плюсы
1. Дешево - мне потребовалось купить только контроллеры заряда TP4056, что обошлось мне в 60 рублей за 5 штук, остальное было или достал бесплатно. Сейчас доставка у этого продавца только платная, +еще около 1$, можно найти и дешевле наверное.
2. Балансировка аккумуляторов при каждой зарядке.

Минусы
1. Нет защиты по току, поэтому я не ставлю фиксатор патрона на блокировку (значек сверла) поэтому защита по току чисто механическая - патрон прощелкивается и не блокируется при зажиме, ток кз не возникает. В принципе данной защиты считаю достаточно.
2. Если нет старых зарядок от мобильников, то выйдет немного дороже. Но их можно и у знакомых поспрашивать - наверняка у многих валяются без дела.
3. Нет защиты от переразряда. Ну тут надо смотреть если мощность упала - сразу на зарядку! А вообще это же литий, тут не надо как на никеле ждать когда батарея сядет, а лучше заряжать при возможности - так батареи и прослужат дольше.

В общем данную схему считаю имеющей право на жизнь, особенно для реанимации таких недорогих и не супермощных шуруповертов.
ps в коментах дали