Особенности зарядки последовательных аккумуляторов

Особенности зарядки последовательных аккумуляторов.
(Балансиры)
Разместил 24.01.2010
nik34
nik34 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 изза 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.)
Сравнение эффективности активного и пассивного методов балансировки, а также некоторые проблемы возникающие при этих методах более
подробно рассмотрены в статье-источнике, которая, напомню, находится здесь http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=59991.
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.
Автор: Носов Николай
24.01.10
Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас www.mobipower.ru.
Источник:
www.mobipower.ru