Circuitul unui echilibrator foarte simplu pentru încărcarea corectă a bateriilor cu litiu. Echilibrator DIY pentru baterii li-ion

Trimis de:

Nu, nu vorbim despre momeală de pescuit sau chiar despre acrobații de circ care se echilibrează sub un blat. Vom vorbi despre cum să obținem un echilibru al parametrilor bateriilor conectate în serie.

După cum știți, o celulă a bateriei este un dispozitiv de tensiune destul de scăzută, așa că sunt de obicei conectate în pachete în serie. În mod ideal, dacă parametrii tuturor bateriilor sunt aceiași, avem o sursă cu o tensiune de n ori mai mare decât o singură celulă și o putem încărca și descărca ca o singură baterie de tensiune mai mare.

Din păcate, acesta va fi cazul doar în mod ideal. Fiecare baterie din acest pachet, la fel ca tot ce este în această lume, este unică și este imposibil să găsești două complet identice, iar caracteristicile lor - capacitate, scurgere, stare de încărcare - se vor schimba odată cu timpul și temperatura.

Desigur, producătorii de baterii încearcă să selecteze parametrii cât mai apropiați, dar există întotdeauna diferențe. Și în timp, astfel de dezechilibre ale caracteristicilor pot crește și ele.

Aceste diferențe de caracteristici ale celulelor conduc la faptul că bateriile funcționează diferit și, ca urmare, capacitatea totală a bateriei compozite va fi mai mică decât cea a celulelor sale constitutive, de data aceasta și, în al doilea rând, resursa unui astfel de o baterie va fi si ea mai mica, pentru ca este determinat de cea mai „slabă” baterie, care se va uza mai repede decât altele.
Ce să fac?

Există două criterii principale pentru evaluarea gradului de echilibrare celulară:
1. Egalizarea tensiunii între celule,
2. Egalizarea sarcinii în celule.

De asemenea, vă puteți atinge obiectivele în realizarea acestor metode de echilibrare în două moduri:
1. Pasiv și
2. Activ.

Să explicăm ce s-a spus.
Cu criteriile de echilibrare, totul este clar, fie pur și simplu realizăm egalitatea tensiunilor pe celule, fie calculăm cumva încărcarea bateriei și ne asigurăm că aceste încărcări sunt egale (în acest caz, tensiunile pot diferi).

Nu este nimic complicat nici cu metodele de implementare. În metoda pasivă, pur și simplu transformăm energia din celulele cele mai încărcate ale bateriei în căldură până când tensiunile sau încărcările din ele sunt egale.
În metoda activă, transferăm sarcina de la o celulă la alta în orice mod posibil, cu pierderi minime dacă este posibil. Circuitele moderne implementează cu ușurință astfel de abilități.

Este clar că este mai ușor să disipezi decât să pompezi și este mai ușor să compari tensiunile decât să compari sarcinile.

De asemenea, aceste metode pot fi folosite atât în ​​timpul încărcării, cât și în timpul descărcării. Cel mai adesea, desigur, echilibrarea se efectuează la încărcarea bateriei, când există multă energie și nu se poate economisi mult și, prin urmare, fără pierderi mari, puteți utiliza disiparea pasivă a „excesului” de electricitate.
La descărcare, se folosește întotdeauna numai transferul activ de încărcare, dar astfel de sisteme sunt foarte rare datorită complexității mai mari a circuitului.

Să aruncăm o privire la implementare practică cele de mai sus.
La încărcare, în cel mai simplu caz, la ieșirea încărcătorului este plasat un dispozitiv numit „echilibrator”.
În continuare, pentru a nu-l scrie eu, voi introduce pur și simplu o bucată de text dintr-un articol de pe site-ul http://www.os-propo.info/content/view/76/60/. Este despre despre încărcarea bateriilor cu litiu.

"Cel mai simplu tip de echilibrator este un limitator de tensiune. Este un comparator care compară tensiunea de pe banca LiPo cu o valoare de prag de 4,20 V. La atingerea acestei valori se deschide un puternic comutator tranzistor, conectat în paralel cu banca LiPo, trecând prin cea mai mare parte a curentului de încărcare (1A sau mai mult) și transformând energia în căldură. În acest caz, cutia în sine primește o parte extrem de mică din curent, care practic își oprește încărcarea, permițând vecinilor săi să se reîncarce. De fapt, egalizarea tensiunii pe celulele bateriei cu un astfel de echilibrator are loc abia la sfarsitul incarcarii cand celulele ating o valoare de prag.

Într-o astfel de schemă, sarcina de încărcare și nivelare a unei perechi de pachete diferite este de fapt fezabilă. Dar, în practică, astfel de balansoare sunt doar făcute în casă. Toate balansoarele cu microprocesor de marcă folosesc un principiu de funcționare diferit.

În loc să disipeze curenții de încărcare completă la sfârșit, echilibratorul cu microprocesor monitorizează continuu tensiunile din bancă și le egalizează treptat pe tot parcursul procesului de încărcare. La borcanul care este încărcat mai mult decât alții, echilibrerul conectează în paralel o oarecare rezistență (aproximativ 50-80 ohmi la majoritatea balansoarelor), care trece o parte din curentul de încărcare prin ea însăși și încetinește doar puțin încărcarea acestui borcan, fără a se opri. e complet. Spre deosebire de un tranzistor pe un radiator, care este capabil să preia curentul de încărcare principal, această rezistență oferă doar un curent de echilibrare mic - aproximativ 100 mA și, prin urmare, un astfel de echilibrator nu necesită radiatoare masive. Acest curent de echilibrare este indicat în specificatii tehnice echilibratoare și de obicei nu este mai mare de 100-300mA.

Un astfel de echilibrator nu se încălzește semnificativ, deoarece procesul continuă pe toată durata încărcării, iar căldura la curenți scăzuti are timp să se disipeze fără calorifere. Evident, dacă curentul de încărcare este semnificativ mai mare decât curentul de echilibrare, atunci dacă există o mare răspândire a tensiunilor peste bănci, echilibrerul nu va avea timp să le egalizeze înainte ca cel mai încărcat banc să atingă tensiunea de prag."
Sfârșitul citatului.

Exemplu diagrama de lucru Următoarele pot servi drept cel mai simplu echilibrator (luat de pe site-ul http://www.zajic.cz/).

Fig.1. Schema simpla echilibrist

De fapt, aceasta este o diodă zener puternică, apropo, foarte precisă, încărcată cu o sarcină de rezistență scăzută, al cărei rol este jucat aici de diodele D2...D5. Cipul D1 măsoară tensiunea la plus și minus al bateriei și dacă se ridică peste prag, se deschide tranzistor de putere T1, trecând prin sine tot curentul de la încărcător.

Fig.2. Un simplu circuit de echilibrare.

Al doilea circuit funcționează în mod similar (Fig. 2), dar în el toată căldura este eliberată în tranzistorul T1, care se încălzește ca un „fierbător” - radiatorul poate fi văzut în imaginea de mai jos.

În Fig. 3 se poate observa că balansierul este format din 3 canale, fiecare dintre ele realizat conform schemei din Fig. 2.

Desigur, industria stăpânește de mult timp astfel de circuite, care sunt produse sub forma unui microcircuit complet. Multe companii le produc. Ca exemplu, voi folosi materialele articolului despre metodele de echilibrare publicat pe site-ul RadioLotsman http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=59991, pe care le voi modifica sau elimina parțial pentru a nu pentru a umfla articolul.
Citat:
" Metoda de echilibrare pasivă.
Cea mai simplă soluție este egalizarea tensiunii bateriei. De exemplu, cipul BQ77PL900 oferă protecție pentru pachetele de baterii cu 5-10 baterii conectate în serie. Microcircuitul este o unitate completă din punct de vedere funcțional și poate fi folosit pentru a lucra cu un compartiment pentru baterii, așa cum se arată în Figura 4. Comparând tensiunea băncii cu pragul, microcircuitul, dacă este necesar, pornește modul de echilibrare pentru fiecare dintre bănci. .

Fig.4. Chip BQ77PL900 și al doilea analog, unde structura internă este mai bine vizibilă (luat de aici http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm).

În fig. Figura 5 prezintă principiul funcționării acestuia. Dacă tensiunea oricărei baterii depășește un prag prestabilit, tranzistoarele cu efect de câmp sunt pornite și un rezistor de sarcină este conectat în paralel cu celula bateriei, prin care curentul ocolește celula și nu o mai încarcă. Celulele rămase continuă să se încarce.
Când tensiunea scade, comutatorul de câmp se închide și încărcarea poate continua. Astfel, la sfârșitul încărcării, aceeași tensiune va fi prezentă pe toate celulele.

Atunci când se aplică un algoritm de echilibrare care utilizează doar abaterea tensiunii ca criteriu, echilibrarea incompletă este posibilă datorită diferenței de rezistență internă a bateriilor (vezi Fig. 6.). Faptul este că o parte din tensiune scade peste această rezistență atunci când curentul trece prin baterie, ceea ce introduce o eroare suplimentară în răspândirea tensiunii în timpul încărcării.
Cipul de protecție a bateriei nu poate determina dacă dezechilibrul este cauzat de diferite capacități ale bateriei sau diferențe în rezistențele interne ale acestora. Prin urmare, cu acest tip de echilibrare pasivă nu există nicio garanție că toate bateriile vor fi încărcate 100%.

Cipul BQ2084 folosește o versiune îmbunătățită de echilibrare, bazată tot pe modificări de tensiune, dar pentru a minimiza efectul variației rezistenței interne, BQ2084 efectuează echilibrarea mai aproape de sfârșitul procesului de încărcare, când curentul de încărcare este scăzut.

Orez. 5. Metodă pasivă bazată pe echilibrarea tensiunii.

Orez. 6. Metoda de echilibrare pasivă a tensiunii.

Microcircuitele din familia BQ20Zхх utilizează tehnologia proprietății Impedance Track pentru a determina nivelul de încărcare, pe baza determinării stării de încărcare a bateriilor (SBC) și a capacității bateriei.

În această tehnologie, pentru fiecare baterie se calculează Qneedul de încărcare necesar pentru încărcarea completă a acesteia, după care se găsește diferența?Q între Qneed-ul tuturor bateriilor. Cipul se aprinde apoi tastele de alimentare, care descarcă toate celulele la nivelul celui mai puțin încărcat, până când încărcările sunt egalizate

Datorită faptului că diferența de rezistență internă a bateriilor nu afectează această metodă, aceasta poate fi folosită în orice moment, atât la încărcare, cât și la descărcarea bateriei. Cu toate acestea, după cum am menționat mai sus, este stupid să folosiți această metodă la descărcare, deoarece nu există niciodată suficientă energie.

Principalul avantaj al acestei tehnologii este o echilibrare mai precisă a bateriei (vezi Figura 7) în comparație cu alte metode pasive.

Orez. 7. Echilibrare pasivă bazată pe SZB și capacitate.

Echilibrare activă

În ceea ce privește eficiența energetică, această metodă este superioară echilibrării pasive, deoarece Pentru a transfera energie de la o celulă mai încărcată la una mai puțin încărcată, în loc de rezistențe, se folosesc inductanțe și capacități, în care practic nu există pierderi de energie. Această metodă este preferată în cazurile în care este necesară o durată maximă de viață a bateriei.

Dispunând de tehnologia proprie PowerPump, BQ78PL114 este cea mai recentă componentă activă de echilibrare a bateriei de la TI și utilizează un convertor inductiv pentru a transfera puterea.

PowerPump folosește un canal p cu canale n tranzistoare cu efect de câmpși un șoc, care este situat între o pereche de baterii. Circuitul este prezentat în Fig. 8. Comutatoarele de câmp și inductorul formează un convertor buck/boost.

De exemplu, dacă BQ78PL114 determină că celula superioară este mai încărcată decât cea inferioară, atunci este generat un semnal la pinul PS3 care deschide tranzistorul Q1 cu o frecvență de aproximativ 200 kHz și un ciclu de lucru de aproximativ 30%.

Cu Q2 închis, se dovedește schema standard un regulator de comutare buck, cu dioda internă Q2 scurtcircuitând curentul inductorului în timpul stării închise a comutatorului Q1.

La pomparea din celula inferioară în cea superioară, când se deschide doar cheia Q2, obținem și un circuit tipic, dar de data aceasta al unui stabilizator de impulsuri step-up.

Cheile Q1 și Q2, desigur, nu ar trebui să fie deschise niciodată în același timp.

Orez. 8. Echilibrare folosind tehnologia PowerPump.

În acest caz, pierderile de energie sunt mici și aproape toată energia curge dintr-un borcan foarte încărcat într-un borcan slab încărcat. Cipul BQ78PL114 implementează trei algoritmi de echilibrare:
- prin tensiune la bornele bateriei. Această metodă este similară cu metoda de echilibrare pasivă descrisă mai sus, dar nu există aproape nicio pierdere;
- prin tensiune în circuit deschis. Această metodă compensează diferența în rezistențe interne baterii;
- în funcție de starea de încărcare a bateriei (pe baza previziunii stării bateriei). Metoda este similară cu cea folosită în familia de microcircuite BQ20Zxx pentru echilibrarea pasivă prin SSB și capacitatea bateriei. În acest caz, încărcarea care trebuie transferată de la o baterie la alta este determinată cu precizie. Echilibrarea are loc la sfârșitul încărcării. Când utilizați această metodă, se obține cel mai bun rezultat (vezi Fig. 9.)

Orez. 9. Echilibrare activă conform algoritmului de egalizare a stării de încărcare a bateriei.

Datorită curenților mari de echilibrare, tehnologia PowerPump este mult mai eficientă decât echilibrarea pasivă convențională cu disipare a energiei. La echilibrarea unui acumulator de laptop, curenții de echilibrare sunt de 25...50 mA. Prin selectarea valorilor componentelor, puteți obține o eficiență de echilibrare de 12-20 de ori mai bună decât prin metoda pasivă cu taste interne. O valoare tipică de dezechilibru (mai puțin de 5%) poate fi atinsă în doar unul sau două cicluri.

În plus, tehnologia PowerPump are și alte avantaje: echilibrarea poate avea loc în orice mod de funcționare - încărcare, descărcare și chiar și atunci când bateria care furnizează energie are o tensiune mai mică decât bateria care primește energie." (Sfârșitul citatului parțial.)

Să continuăm descrierea metodelor active de transfer a sarcinii de la o celulă la alta cu următorul circuit, pe care l-am găsit pe internet pe site-ul „HamRadio” http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm.

Un dispozitiv de stocare capacitiv, mai degrabă decât unul inductiv, este folosit ca circuit de pompare a încărcăturii. De exemplu, așa-numitele convertoare de tensiune bazate pe condensatoare comutate sunt cunoscute pe scară largă. Unul dintre cele populare este microcircuitul ICL7660 (MAX1044 sau analogul domestic KR1168EP1).

Practic, microcircuitul este folosit pentru a obține o tensiune negativă egală cu tensiunea sa de alimentare. Cu toate acestea, dacă dintr-un motiv oarecare tensiunea negativă la ieșire se dovedește a fi mai mare decât tensiunea de alimentare pozitivă, atunci microcircuitul va începe să pompeze sarcina „în direcția opusă”, luând-o de la negativ și dându-l la pozitiv, adică ea încearcă constant să egaleze aceste două tensiuni.

Această proprietate este utilizată pentru a echilibra două celule de baterie. Diagrama unui astfel de echilibrator este prezentată în Fig. 10.

Fig. 10. Circuit de echilibrare cu pompare de sarcină capacitivă.

Cipul de înaltă frecvență conectează condensatorul C1 fie la bateria superioară G1, fie la bateria inferioară G2. În consecință, C1 va fi încărcat dintr-unul mai încărcat și descărcat într-unul mai descărcat, transferând de fiecare dată o parte din încărcare.
În timp, tensiunile bateriilor vor deveni aceleași.

Energia din circuit practic nu este disipata randamentul circuitului poate ajunge pana la 95...98% in functie de tensiunea de pe baterii si de curentul de iesire, care depinde de frecventa de comutare si capacitatea C1.

În același timp, consumul real al microcircuitului este de doar câteva zeci de microamperi, adică. este sub nivelul de auto-descărcare al multor baterii și, prin urmare, microcircuitul nici nu trebuie să fie deconectat de la baterie și va face în mod constant încet treaba de a egaliza tensiunea pe celule.

În realitate, curentul de pompare poate ajunge la 30...40mA, dar eficiența scade. De obicei zeci de mA. De asemenea, tensiunea de alimentare poate fi de la 1,5 la 10V, ceea ce înseamnă că microcircuitul poate echilibra atât degetele obișnuite Ni-Mh, cât și bateriile cu litiu.

Notă practică: în Fig.10. arată un circuit care echilibrează bateriile cu o tensiune mai mică de 3V, astfel încât al șaselea picior (LV) este conectat la ieșirea 3. Pentru a echilibra bateriile cu litiu cu mai multe tensiune înaltă, pinul 6 trebuie lăsat liber, nu conectat nicăieri.

De asemenea, cu această metodă este posibil să echilibrezi nu numai două, ci și cantitate mare baterii. În Fig.11. arată cum se face asta.

Fig. 11. Cascadarea microcircuitelor de transfer de sarcină.

Ei bine, și în sfârșit, o altă soluție de circuit care implementează transferul capacitiv de încărcare de la o baterie la alta.
Dacă ICL7660 era un multiplexor care putea conecta condensatorul C1 doar la două surse, atunci luând un multiplexor cu un număr mare de canale de comutare (3, 4, 8) puteți egaliza tensiunile pe trei, patru sau opt bănci cu un singur cip. Mai mult, băncile pot fi conectate în orice mod, fie în serie, fie în paralel. Principalul lucru este că tensiunea de alimentare a microcircuitului este mai mare decât tensiunea maximă de pe bănci.

Circuitul așa-numitului „convertor de tensiune reversibil”, descris în revista „Radio” 1989, nr. 8, este prezentat în Fig. 12.

Fig. 12. Convertor de tensiune reversibil ca echilibrator pe multiplexorul 561KP1..

La dispozitivul de nivelare pot fi conectate până la patru elemente. Condensatorul C2 este conectat alternativ la diferite elemente, asigurând transferul de energie din aceste elemente și egalând tensiunea pe ele

Numărul de celule din baterie poate fi redus. În acest caz, în locul elementelor excluse, este suficient să conectați un condensator cu o capacitate de 10..20 μF.

Curentul de echilibrare al unei astfel de surse este foarte mic, de până la 2 mA. Dar din moment ce funcționează constant, fără a fi deconectat de la baterii, își îndeplinește sarcina - egalând încărcările celulelor.

În concluzie, aș dori să notez că modern element de bază vă permite să echilibrați celulele unei baterii compozite practic fără pierderi și este deja suficient de simplu pentru a înceta să mai fie ceva „mișto” și inaccesibil.

Prin urmare, un radioamator care proiectează dispozitive alimentate cu baterie ar trebui să se gândească la trecerea la metode active de transfer de energie între bănci într-o baterie, cel puțin „modul de modă veche”, concentrându-se pe egalitatea tensiunilor între celulele bateriei și nu acuzațiile din ele.

Toate articolele de pe site au permisiunea de a fi copiate, dar cu indicarea obligatorie a unui link către noi.

Cu siguranță, fiecare radioamator a întâmpinat o problemă la conectarea bateriilor cu litiu în serie, a observat că una se termină repede, iar cealaltă încă ține încărcare, dar din cauza celeilalte, întreaga baterie nu produce tensiunea necesară. Acest lucru se întâmplă deoarece la încărcarea întregului pachet de baterii, acestea nu sunt încărcate uniform, iar unele baterii câștigă capacitate maximă, în timp ce altele nu. Acest lucru duce nu numai la descărcare rapidă, dar și defecțiunii elementelor individuale, din cauza lipsei constante de încărcare.
Remedierea problemei este destul de simplă; fiecare celulă a bateriei necesită un așa-numit echilibrator, un dispozitiv care, după ce bateria este complet încărcată, blochează reîncărcarea acesteia și folosește un tranzistor de control pentru a trece curentul de încărcare pe lângă celulă.
Circuitul de echilibrare este destul de simplu, asamblat pe o diodă zener controlată cu precizie TL431A și un tranzistor de conducție directă BD140.

Dacă în ultimii ani cele mai interesante știri tehnologice interne au fost legate în principal de software, apoi în 2019 s-au întâmplat o mulțime de lucruri interesante în domeniul hardware-ului. Mai mult decât atât, statul a preluat hotărâtor înlocuirea importurilor, și nu doar software.

Agențiile guvernamentale au distrus de fapt platformele T în 2019: compania este în agonie, „80% dintre angajați demisionează”, site-ul a fost oprit

La fluxul inepuizabil de probleme ale companiei T-Platforms, al cărei fondator și CEO se află în custodie, s-a adăugat o reducere de personal pe scară largă. Organizația nu are suficienți bani nu doar pentru salarii, ci și, poate, chiar și pentru a susține site-ul corporativ, scrie CNews.

Rostec vrea să creeze cipuri rusești pentru Bluetooth, Wi-Fi, NFC și Internet of Things

Rostec își propune să dezvolte cipuri pentru rețelele wireless în Rusia Tehnologii Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, NFC, LPWAN, NB-IoT și Thread. Ar trebui să existe și sisteme proprietare pe un cip pentru Internetul lucrurilor și stații de bază LPWAN. Investițiile totale în dezvoltarea Internetului Lucrurilor în Rusia până în 2030 se vor ridica la peste 200 de miliarde de ruble.

Kaspersky lucrează la primul cip din Rusia pentru a accelera inteligența artificială

Kaspersky Lab a semnat un acord de cooperare strategică cu dezvoltatorul primului procesor neuromorf din Rusia pentru accelerare hardware operarea sistemelor cu inteligență artificială. Cipul va permite procesarea locală a unor volume mari de date și va permite rețelelor neuronale să fie antrenate în continuare în timpul funcționării.

Rusia are nevoie de Mir, de preferință tot: în Rusia li se va cere să preinstaleze Mir Pay pe smartphone-uri în loc de Apple Pay și Google Pay

Izvestia relatează că Serviciul Federal Antimonopol (FAS) are în vedere posibilitatea creării unui serviciu Mir Pay. aplicare obligatorie pentru preinstalare pe electronice vândute în Rusia. Judecând după tendințele din ultimul an, o astfel de inițiativă ar trebui aprobată de autoritățile țării.

Nelansarea a aproape jumătate dintre sateliții din Roscosmos s-a explicat prin sancțiuni asupra microcircuitelor rezistente la radiații și indisponibilitatea OneWeb.

Roscosmos nu a reușit să finalizeze 45 de lansări, în principal din cauza lipsei de pregătire nava spatiala Compania OneWeb și Ministerul Apărării, a declarat directorul general al corporației ruse Dmitri Rogozin, comentând declarația viceprim-ministrului Iuri Borisov conform căreia programele de lansare spațială ale Rusiei au fost finalizate „puțin mai mult de 50 la sută”. TASS raportează acest lucru.