Ładowarka balansująca. Jednoczesne ładowanie wielu akumulatorów

Mam stary śrubokręt, odpowiednio długo leżał bezczynnie, akumulatory kazały żyć długo. A ostatnio potrzebowałem go do montażu kuchni. Jeżeli ciekawi Was jak go ożywiłem przerabiając go na lit za niecałe 100 rubli to zapraszam pod kat.

Mam taką wiertarkę - na 18 woltów, 9N * m


Bez wahania wybrałem trzy opcje
1. kup nowy niedrogi śrubokręt za 1500-2500 rubli - prosto, szybko, ale to nie jest nasza metoda, ponieważ stare wiertło będzie leżało własnym ciężarem, a ręka nie podniesie się, aby go wyrzucić,
2. zamówić akumulatory NiCd - ok. 900-1200r - ale po co, skoro można kupić nowy za 1500r?
3. zamień na lit, ale tutaj budżet może być inny. Po zapoznaniu się z pytaniem dotyczącym maski dowiedziałem się, że do konwersji na lit najlepiej potrzebne będą:
- deska 3S, 4S lub 5S w zależności od wielkości akumulatora (potrzebuję 5 puszek akumulatorów do wiertarki 18 V, odpowiednio 5S - około 800r)
- najlepiej deska balansująca (jeżeli płyta zabezpieczająca jest bez balansera), jest to szczególnie pożądane, jeśli akumulatory nie są nowe lub pochodzą z różnych partii
- Same akumulatory litowo-jonowe, najlepiej prądowe, przeznaczone na duże prądy - od 350 rubli za sztukę, za 5 sztuk - od 1700 rubli.
W rezultacie okazuje się, że jest trochę drogi jak na moją tanią, starą wiertarkę (patrz 1 punkt), więc zdecydowano się stworzyć własną, ultrabudżetową wersję z balansem blackjacka.
Miałem starą baterię do laptopa (oddałem za to), po jej rozebraniu znalazłem w niej takie banki Samsunga. Z wyjątkiem 2 puszek, reszta działała całkiem nieźle, każdą ładowałem w power banku


Sprawdziłem je po naładowaniu pod kątem prądu zwarciowego (nie więcej niż 1 sekunda - może to być niebezpieczne, ponieważ banki nie są zabezpieczone).


Jak widać banki całkiem żyją - krótkotrwały prąd odrzutu przy zwarciu od 10 do 20A.
Taki schemat przeróbek rzuciłem i zgodnie z nim zrobię.


Ponieważ akumulatory nie są prądowe, aby ułatwić ich pracę, zdecydowano się na połączenie 2 akumulatorów równolegle (przy prądzie roboczym np. 10A, prąd emitowany przez każdy akumulator będzie wynosił 10/2 = 5A). W tym celu pożądane jest wybranie par o podobnych charakterystykach wyjściowych prądu. Poprawka schematu:


Zasadniczo moja wiertarka, sądząc po charakterystyce, nie jest zbyt mocna, dlatego w zasadzie można by umieścić po jednym banku dla każdego, choć najprawdopodobniej będą żyć mniej, ale ponieważ miałem 10 akumulatorów, zdecydowałem się umieścić wszystkie 10.
Nie robiłem zdjęć procesu montażu, w zasadzie nie ma tam nic ciekawego, można wlutować akumulatory do już zespawanych płatków bez obawy, że się przegrzeje.
Ponieważ wszystkie 10 baterii nie zmieściło się w starym bloku, okazało się, że jest to mała kołchoza


cóż, nic, bierzemy niebieską (co to była) taśmę elektryczną i ukrywamy wszystko, co zbędne -


już lepiej)
Jak widać z boku, wyciągnąłem złącze ładowania i równoważenia, które wyjąłem z uszkodzonej karty graficznej (lub płyty głównej, już nie pamiętam). Ponieważ potrzebuję 10 kontaktów, musiałem użyć takiego db15, gdybym użył mniej baterii, użyłby db9 - łatwiej je znaleźć


Pozostaje przylutować ładowarkę. Jako źródło napięcia 5 woltów wziąłem 5 niepotrzebnych ładunków z telefonów komórkowych, właśnie znalazłem 5 sztuk, chociaż wszystkie są różne, dla różnych prądów od 600 do 900 mA. Najlepiej używać tych samych, aby ładowanie następowało mniej więcej w tym samym czasie i można było ocenić, którym bankom ładowanie trwa dłużej.
Ważny! Trzeba to zrobić dokładnie według schematu stosując dla każdego kontrolera ładowania osobny zasilacz 5-8V, czyli zasilacze muszą być od siebie odizolowane galwanicznie. Nie da się zastosować jednego wydajnego zasilacza do wszystkich sterowników - nastąpi zwarcie w akumulatorach (TP4056 ma wspólny minus na wejściu i wyjściu).
Aby zmniejszyć gabaryty konstrukcji, wymontowałem ładowarki z futerałów. Z tyłu przykleiłem kontroler ładowania TP4056 na dwustronną taśmę klejącą i wymontowałem konstrukcję w osobnym etui


Tak wygląda po włączeniu na 220V


Kontroler ładowania świeci na niebiesko – oznacza to, że obciążenie nie jest podłączone (lub akumulatory są naładowane), na czerwono i zielono – diody ładowarek do telefonów komórkowych.
Teraz podłącz akumulator


Widać, że ładują się tylko 3 banki (świeci dioda czerwona), a pozostałe 2 nie (świeci dioda niebieska). Dzieje się tak dlatego, że niedawno go ładowałem i tylko 3 z 5 akumulatorów były rozładowane. Widać zatem, że przy każdym ładowaniu cała bateria jest zrównoważona - to główny plus tego schematu, jest to szczególnie ważne w przypadku korzystania z tak zużytych baterii z baterii laptopa.


Dla jasności nakręciłem wideo, może coś przeoczyłem w historii, a potem spójrz na wideo -

Minusy
1. Nie ma zabezpieczenia prądowego, więc nie ustawiam blokady uchwytu na blokadę (ikona wiertła), więc zabezpieczenie prądowe jest czysto mechaniczne - uchwyt zatrzaskuje się i nie blokuje po zaciśnięciu, nie występuje prąd zwarciowy. W zasadzie myślę, że taka ochrona jest wystarczająca.
2. Jeśli nie ma starych ładowarek do telefonów komórkowych, wyjdzie to nieco droższe. Ale możesz też popytać znajomych – na pewno wielu z nich leży bezczynnie.
3. Brak zabezpieczenia przed nadmiernym rozładowaniem. Cóż, tutaj musisz sprawdzić, czy moc spadła - natychmiast do ładowania! Ogólnie rzecz biorąc, jest to lit, tutaj nie trzeba czekać jak nikiel, aż bateria usiądzie, ale lepiej ją, jeśli to możliwe, naładować - w ten sposób baterie wytrzymają dłużej.

Ogólnie uważam, że ten program ma prawo do życia, szczególnie w przypadku reanimacji tak niedrogich i niezbyt mocnych śrubokrętów.
ps dał w komentarzach

Czasami zachodzi potrzeba ładowania akumulatora Li-Ion składającego się z kilku ogniw połączonych szeregowo. W przeciwieństwie do akumulatorów Ni-Cd, akumulatory Li-Ion wymagają dodatkowego układu sterującego, który będzie monitorował równomierność ich ładowania. Ładowanie bez takiego systemu prędzej czy później uszkodzi ogniwa akumulatora, a cały akumulator będzie nieefektywny, a nawet niebezpieczny.

Równoważenie to tryb ładowania, który kontroluje napięcie każdego pojedynczego ogniwa akumulatora i nie pozwala, aby napięcie przekroczyło ustawiony poziom. Jeżeli jedno z ogniw zostanie naładowane wcześniej, balanser przejmuje nadmiar energii i zamienia ją na ciepło, zapobiegając przekroczeniu napięcia ładowania danego ogniwa.

W przypadku akumulatorów Ni-Cd nie ma potrzeby stosowania takiego systemu, ponieważ każde ogniwo akumulatora przestaje otrzymywać energię po osiągnięciu odpowiedniego napięcia. Oznaką ładunku Ni-Cd jest wzrost napięcia do określonej wartości, po którym następuje spadek o kilkadziesiąt mV i wzrost temperatury, ponieważ nadmiar energii zamienia się w ciepło.

Przed ładowaniem Ni-Cd musi zostać całkowicie rozładowany, w przeciwnym razie wystąpi efekt pamięci, który doprowadzi do zauważalnego spadku pojemności i można go przywrócić jedynie przez kilka pełnych cykli ładowania / rozładowania.

W przypadku akumulatorów litowo-jonowych jest odwrotnie. Rozładowanie do zbyt niskich napięć powoduje degradację i trwałe uszkodzenie wraz ze wzrostem rezystancji wewnętrznej i spadkiem pojemności. Ponadto ładowanie w pełnym cyklu powoduje szybsze zużycie akumulatora niż w trybie ładowania podtrzymującego. Akumulator Li-Ion nie wykazuje objawów ładowania jak Ni-Cd, więc ładowarka nie jest w stanie wykryć, kiedy jest w pełni naładowany.

Li-Ion ładuje się najczęściej metodą CC/CV, czyli na pierwszym etapie ładowania ustawia się prąd stały np. 0,5 C (połowa pojemności: czyli dla akumulatora 2000 mAh ładowanie prąd wyniesie 1000 mA). Ponadto po osiągnięciu końcowego napięcia dostarczonego przez producenta (na przykład 4,2 V) ładowanie jest kontynuowane przy stabilnym napięciu. A gdy prąd ładowania spadnie do 10..30mA, akumulator można uznać za naładowany.

Jeśli mamy baterię akumulatorów (kilka akumulatorów połączonych szeregowo) to ładujemy z reguły tylko poprzez zaciski na obu końcach całego pakietu. Jednocześnie nie mamy możliwości kontrolowania poziomu opłat poszczególnych linków.

Możliwe, że jedno z ogniw będzie miało większą rezystancję wewnętrzną lub nieco mniejszą pojemność (w wyniku zużycia akumulatora) i szybciej od pozostałych osiągnie napięcie ładowania o 4,2 V, a pozostałe będą miały zaledwie 4,1 B, a cały akumulator nie będzie wskazywał pełnego naładowania.

Kiedy napięcie akumulatora osiągnie napięcie ładowania, może się zdarzyć, że słabe ogniwo zostanie naładowane do 4,3 V lub nawet więcej. Z każdym takim cyklem taki element będzie się coraz bardziej zużywał, pogarszając swoje parametry, aż w końcu doprowadzi to do awarii całego akumulatora. Co więcej, procesy chemiczne w Li-Ion są niestabilne i po przekroczeniu napięcia ładowania następuje znaczny wzrost temperatury akumulatora, co może doprowadzić do samozapłonu.

Prosty balanser do akumulatorów litowo-jonowych

Co w takim razie zrobić? Teoretycznie najłatwiej jest zastosować diodę Zenera połączoną równolegle z każdym ogniwem akumulatora. Po osiągnięciu napięcia przebicia dioda Zenera zacznie przewodzić prąd, nie pozwalając na wzrost napięcia. Niestety diodę Zenera 4,2 V nie jest łatwo znaleźć, a 4,3 V byłoby już za dużo.

Wyjściem z tej sytuacji może być skorzystanie z popularnego . To prawda, że ​​​​w tym przypadku prąd obciążenia nie powinien przekraczać więcej niż 100 mA, co jest bardzo małe do ładowania. Dlatego prąd należy wzmocnić tranzystorem. Taki obwód, podłączony równolegle do każdego ogniwa, zabezpieczy je przed przeładowaniem.

Jest to nieco zmodyfikowany typowy schemat połączeń TL431, można go znaleźć w arkuszu danych pod nazwą „regulator bocznikowy wysokoprądowy”.

Pracując nad niektórymi konstrukcjami zasilanymi z autonomicznego źródła zasilania, pojawiło się pytanie o wybór tego drugiego.

Moim zdaniem najlepsze dostępne są akumulatory LI-ION, zwłaszcza, że ​​posiadam pewną ilość niezabezpieczonych puszek po bateriach do laptopów. Ale pojawia się z nimi dobrze znany problem - ich złożony algorytm ładowania, jeśli nie będzie przestrzegany, akumulator nie będzie stale ładowany, szybko ulegnie awarii, a przy przeładowaniu również, ale z aktywnym zniszczeniem. Gwałtowne przeładowanie następuje, gdy napięcie na naładowanym elemencie zostanie przekroczone o 1-2 setne wolta od wymaganego, prawie niemożliwe jest wyśledzenie tego, dlatego producenci zalecają automatyczne ograniczniki.

Istnieją rozwiązania i gotowe urządzenia do tego celu, zarówno przystawki do ładowarek do akumulatorów niezabezpieczonych, jak i akumulatory do zabudowy.

Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku akumulatorów niezabezpieczonych potrzebny jest balanser - ogranicznik napięcia ładowania i zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem. Nie ma sensu robić wielu małych urządzeń dla każdego słoika, postanowiłem zrobić przedrostek dla ładowarki.

Ciekawe i proste rozwiązanie znaleziono wśród Czechów. Taka mocna dioda Zenera, która działa przy napięciu granicznym elementu. Powtarzalność obwodu jest doskonała, ze znanymi dobrymi częściami.

Schemat jednego modułu.

Balancer składa się z trzech identycznych, niezależnych modułów i przeznaczony jest do ładowania akumulatora jednoogniwowego, akumulatora składającego się z dwóch lub trzech pudełek połączonych szeregowo.

Ładowanie jednego akumulatora Li-ION element jest możliwy przy różnych napięciach, balanser tutaj służy również jako dzielnik napięcia, jeśli ładowarka jest przeznaczona na większą liczbę elementów.

Również przy ładowaniu dwóch kolejnych ogniw z różnych napięć

Ładowanie baterii trzech elementów. Dla 4 i więcej puszek rozwiązanie myślę, że jest jasne - zwiększenie ilości modułów w obwodzie.

Widok gotowego limitera sprzedawanego przez firmę "E-Fly".

Co mi się stało. Mając taki radiator, ładując prądem do 1-3 amperów podłączonych równolegle kilka akumulatorów lub przy bardzo dużej różnicy pojemności elementów na końcu ładowania, nie mogę się bać o zdrowie tranzystory.

Z podniesionym panelem ochronnym.

Tranzystory wykonane bez radiatorów wytrzymują prądy do 0,5 A, przy dużych prądach (do 3 amperów) potrzebne jest dobre odprowadzanie ciepła.

Nagrzewanie tranzystorów następuje dopiero wtedy, gdy akumulator osiągnie graniczne napięcie ładowania, gdy nadmiar napięcia zostanie wygaszony przez rezystancję otwartego tranzystora. Jest to zasada ochrony przed przeładowaniem. Jest to bardzo przydatne podczas ładowania akumulatora szeregowego z nierównomiernie naładowanymi ogniwami. Po osiągnięciu napięcia granicznego elementu tranzystor otwiera się i prąd główny przepływa przez akumulator, inne akumulatory akumulatora, które nie osiągnęły jeszcze końcowego naładowania, kontynuują ładowanie. Odłączony w ten sposób akumulator jest w dalszym ciągu ładowany bardzo małym prądem o ustabilizowanym napięciu (ładowanie kroplowe). Po uruchomieniu ochrony wszystkich modułów ładowanie zostaje warunkowo zakończone i system można wyłączyć, w przypadku prostego urządzenia taka praca jest całkiem przyzwoita.

Ustawienie

Próg ogranicznika wynosi 4200 woltów, podczas wstępnej konfiguracji urządzenia konieczne jest dostosowanie tej wartości z dużą dokładnością.

Urządzenie bez podłączonych akumulatorów zasilane jest napięciem ze źródła prądu, ładowarki z ogranicznikiem prądu w zakresie 0,15-1A. Napięcie można podać zarówno do osobnego modułu 4,5-5 V, jak i do całego obwodu 13,5-15 V, a za pomocą rezystora trymera w każdym module ustawiamy próg zapłonu diody LED 4,16 V, kontrolując napięcie na zaciskach wyjściowych. Wszystkie moduły muszą być ustawione na ten sam próg z dokładnością do 0,001 V.

Nawet nowe, ale tanie woltomierze i inne połączone urządzenia mają błędy, należy to wziąć pod uwagę. Użyj stabilizowanego zasilacza z dobrym filtrowaniem. Ładowarka, do której przeznaczony jest ten ogranicznik, powinna także posiadać funkcję ograniczania prądu, dobry filtr wyjściowy i być zaprojektowana na napięcie równe całkowitemu napięciu naładowanych akumulatorów + 1-3 wolty. Jeśli planujesz używać tego urządzenia jako wyważarki do poziomowania puszek z gotową ładowarką akumulatorów, w której pełne napięcie ładowania jest automatycznie kontrolowane przy późniejszym wyłączeniu, musisz poznać próg tego wyłączenia i wyregulować ogranicznik już dla istniejącej ładowarki może wynosić 4,10–4,19 V lub coś w tym stylu.

Ustawiłem próg wyzwalania w następujący sposób:

Podłączyłem szeregowo zasilacz laboratoryjny, żarówkę samochodową 12 V i 1 amper jako ogranicznik prądu i sam ogranicznik. Przyłożyłem napięcie 15 woltów i zmierzyłem napięcie na wyjściu modułu za pomocą multimetru, regulując trymer, uzyskałem odczyt 4,16 wolta na każdym module, ponieważ nie miałem pod ręką dokładniejszego urządzenia, i zasilacz mimo wszystkich filtrów ma na wyjściu pewne tętnienie napięcia. Ten zasilacz służy mi jako ładowarka.

Zamiast tych wydajnych tranzystorów można zastosować KT818, ich układ pinów jest nieco inny i bez zmiany płytki drukowanej można je instalować od strony torów, lutować jak obudowy DPAK lub „skierowywać” w przeciwnym kierunku.

Płytka drukowana w formacie Sprint-layout 6.0, podczas drukowania wykonaj lustrzane odbicie. Numery części pozycyjnych są wskazane na pasku.

Zwykle w każdym systemie składającym się z kilku akumulatorów połączonych szeregowo pojawia się problem niezrównoważenia ładunku poszczególnych akumulatorów. Wyrównanie ładowania to technika projektowania, która poprawia bezpieczeństwo, żywotność baterii i żywotność. Najnowsze chipy zabezpieczające akumulatory i wskaźniki ładowania firmy Texas Instruments – rodziny BQ2084, BQ20ZXX, BQ77PL900 i BQ78PL114 w linii produktów firmy – są niezbędne do wdrożenia Ta metoda.

CO TO JEST NIERÓWNOWAGA AKUMULATORA?

Przegrzanie lub przeładowanie przyspiesza zużycie akumulatora i może spowodować pożar, a nawet eksplozję. Zabezpieczenia oprogramowania i sprzętu zmniejszają ryzyko. W banku wielu akumulatorów połączonych szeregowo (stosowanych najczęściej w laptopach i sprzęcie medycznym) istnieje możliwość niezrównoważenia akumulatorów, co prowadzi do ich powolnej, ale systematycznej degradacji.
Nie ma dwóch takich samych akumulatorów, zawsze występują niewielkie różnice w stanie naładowania akumulatora (SSC), samorozładowaniu, pojemności, rezystancji i charakterystyce temperaturowej, nawet jeśli są to akumulatory tego samego typu, od tego samego producenta, a nawet od tej samej partii produkcyjnej. Tworząc blok kilku akumulatorów, producent zwykle wybiera akumulatory podobne w SSB, porównując znajdujące się na nich napięcia. Jednakże różnice w parametrach poszczególnych akumulatorów nadal pozostają, a z czasem mogą się zwiększać. Większość ładowarek określa pełne ładowanie na podstawie całkowitego napięcia całego łańcucha akumulatorów połączonych szeregowo. Dlatego napięcie ładowania poszczególnych akumulatorów może się znacznie różnić, ale nie przekroczyć progu napięcia, przy którym aktywuje się zabezpieczenie przed przeładowaniem. Jednak w słabym ogniwie - akumulatorze o małej pojemności lub dużej rezystancji wewnętrznej, napięcie może być wyższe niż w przypadku innych w pełni naładowanych akumulatorów. Wadliwość takiego akumulatora ujawni się później długim cyklem rozładowania. Wysokie napięcie takiego akumulatora po zakończeniu ładowania wskazuje na jego przyspieszoną degradację. Po rozładowaniu z tych samych powodów (wysoka rezystancja wewnętrzna i niska pojemność) akumulator ten będzie miał najniższe napięcie. Oznacza to, że podczas ładowania na słabym akumulatorze może zadziałać zabezpieczenie przeciwprzepięciowe, natomiast pozostałe akumulatory w urządzeniu nie będą jeszcze w pełni naładowane. Spowoduje to niepełne wykorzystanie zasobów baterii.

METODY RÓWNOWAŻENIA

Brak równowagi baterii ma znaczący niekorzystny wpływ na żywotność baterii i żywotność baterii. Wyrównywanie napięcia i akumulatory SSB najlepiej wykonywać, gdy są w pełni naładowane. Istnieją dwie metody równoważenia akumulatorów - aktywna i pasywna. To ostatnie jest czasami określane jako „równoważenie rezystora”. Metoda pasywna jest dość prosta: akumulatory wymagające równoważenia są rozładowywane przez obwody obejściowe, które rozpraszają energię. Te ciągi obejściowe można zintegrować z akumulatorem lub umieścić na zewnętrznym chipie. Metodę tę korzystnie stosuje się w zastosowaniach o niskim koszcie. Prawie cały nadmiar energii z akumulatorów o dużym ładunku jest rozpraszany w postaci ciepła - jest to główna wada metody pasywnej, ponieważ. skraca żywotność baterii bez ponownego ładowania. Metoda aktywnego równoważenia wykorzystuje indukcyjności lub pojemności przy niewielkich stratach energii, aby przenieść energię z akumulatorów o większym naładowaniu do akumulatorów mniej naładowanych. Dlatego metoda aktywna jest znacznie skuteczniejsza niż metoda pasywna. Za wzrost wydajności trzeba oczywiście zapłacić – zastosować dodatkowe, stosunkowo drogie podzespoły.

PASYWNA METODA RÓWNOWAŻENIA

Najprostszym rozwiązaniem jest wyrównanie napięcia akumulatorów. Przykładowo układ BQ77PL900, zapewniający ochronę pakietów akumulatorów składających się z 5-10 akumulatorów połączonych szeregowo, stosowany jest w narzędziach bez przewodu przewodzącego, hulajnogach, zasilaczach UPS i sprzęcie medycznym. Mikroukład jest funkcjonalnie kompletną jednostką i może współpracować z komorą baterii, jak pokazano na rysunku 1. Porównując napięcie baterii z zaprogramowanymi progami, mikroukład w razie potrzeby włącza tryb balansowania. Rysunek 2 przedstawia zasadę działania. Jeśli napięcie dowolnego akumulatora przekroczy ustalony próg, ładowanie zostaje zatrzymane, a łańcuchy obejściowe zostają podłączone. Ładowanie nie zostanie wznowione, dopóki napięcie akumulatora nie spadnie poniżej progu i procedura równoważenia nie zostanie zakończona.

Ryż. 1.Układ BQ77PL900 używany w trybie offline
tryb pracy, aby chronić akumulator

Przy zastosowaniu algorytmu równoważącego, który jako kryterium przyjmuje jedynie odchyłkę napięcia, możliwe jest niepełne zrównoważenie ze względu na różnicę w impedancji wewnętrznej akumulatorów (patrz rys. 3). Faktem jest, że impedancja wewnętrzna ma wpływ na rozpiętość napięcia podczas ładowania. Układ zabezpieczający akumulator nie jest w stanie określić, czy brak równowagi napięcia wynika z różnicy w pojemności akumulatorów, czy z różnicy w ich rezystancji wewnętrznej. Dlatego przy tego rodzaju równoważeniu pasywnym nie ma gwarancji, że wszystkie akumulatory zostaną naładowane w 100%. Układ scalony wskaźnika ładowania BQ2084 wykorzystuje ulepszoną wersję równoważenia w oparciu o zmiany napięcia. Aby zminimalizować wpływ rozbieżności rezystancji wewnętrznej, BQ2084 przeprowadza równoważenie pod koniec procesu ładowania, gdy ilość prądu ładowania jest niska. Kolejną zaletą BQ2084 jest pomiar i analiza napięcia wszystkich akumulatorów wchodzących w skład bloku. Jednak w każdym przypadku tę metodę można zastosować tylko w trybie ładowania.

Ryż. 2.Metoda pasywna oparta na równoważeniu napięcia

Ryż. 3.Pasywna metoda równoważenia napięcia
nieefektywne wykorzystanie pojemności baterii

Chipy z rodziny BQ20ZXX wykorzystują opatentowaną technologię Impedance Track do określania poziomu naładowania na podstawie określenia SSB i pojemności akumulatora. W tej technologii dla każdego akumulatora obliczane jest ładowanie Q NEED wymagane do osiągnięcia stanu pełnego naładowania, po czym obliczana jest różnica ΔQ pomiędzy Q NEED wszystkich akumulatorów. Następnie mikroukład włącza wyłączniki zasilania, za pomocą których akumulator jest równoważony do stanu ΔQ = 0. Ze względu na to, że różnica rezystancji wewnętrznych akumulatorów nie ma wpływu na tę metodę, można ją zastosować w dowolnym momencie: zarówno podczas ładowania, jak i rozładowywania akumulatorów. Korzystając z technologii Impedance Track, można uzyskać dokładniejsze zrównoważenie baterii (patrz rys. 4).

Ryż. 4.

AKTYWNE RÓWNOWAŻENIE

Pod względem efektywności energetycznej metoda ta jest lepsza od równoważenia pasywnego, ponieważ. do przeniesienia energii z bardziej naładowanego akumulatora do mniej naładowanego zamiast rezystorów stosuje się indukcyjności i pojemności, w których praktycznie nie ma strat energii. Ta metoda jest preferowana w przypadkach, gdy wymagana jest maksymalna żywotność baterii.
BQ78PL114, oparty na zastrzeżonej technologii PowerPump firmy TI, to najnowszy komponent aktywnego równoważenia akumulatorów firmy TI, wykorzystujący przetwornicę indukcyjną do przesyłania mocy. PowerPump wykorzystuje n-kanałowy MOSFET z kanałem p i dławik umieszczony pomiędzy parą akumulatorów. Obwód pokazano na rysunku 5. MOSFET i cewka tworzą pośredni konwerter obniż/zwiększ. Jeśli BQ78PL114 stwierdzi, że należy przenieść górny akumulator do dolnego akumulatora, pin PS3 generuje sygnał o częstotliwości około 200 kHz przy współczynniku wypełnienia około 30%. Gdy Q1 jest rozwarty, energia z górnego akumulatora jest magazynowana w cewce indukcyjnej. Kiedy przełącznik Q1 się zamyka, energia zmagazynowana w cewce przepływa przez diodę zwrotną przełącznika Q2 do dolnego akumulatora.

Ryż. 5.

Straty energii w tym przypadku są niewielkie i występują głównie w diodzie i cewce indukcyjnej. Układ BQ78PL114 implementuje trzy algorytmy równoważenia:

• napięcie na zaciskach akumulatora. Metoda ta jest podobna do opisanej powyżej metody równoważenia pasywnego;
• napięcie obwodu otwartego. Ta metoda kompensuje różnicę w rezystancji wewnętrznej akumulatorów;
• przez SSB (na podstawie przewidywania stanu baterii). Metoda jest podobna do tej stosowanej w rodzinie mikroukładów BQ20ZXX z pasywnym równoważeniem SSB i pojemności baterii. W tym przypadku dokładnie określa się ładunek, który należy przenieść z jednego akumulatora na drugi. Równoważenie następuje na końcu ładowania. Stosując tę ​​metodę, uzyskuje się najlepszy wynik (patrz ryc. 6)

Ryż. 6.

Ze względu na wysokie prądy równoważące, technologia PowerPump jest znacznie bardziej wydajna niż konwencjonalne równoważenie pasywne z wewnętrznymi przełącznikami obejściowymi. W przypadku równoważenia pakietu akumulatorów do laptopa, prądy równoważące wynoszą 25…50 mA. Dobierając wartość komponentów, można osiągnąć skuteczność wyważania 12-20 razy lepszą niż przy metodzie pasywnej z kluczami wewnętrznymi. Typową wartość niewyważenia (poniżej 5%) można osiągnąć w jednym lub dwóch cyklach.
Dodatkowo technologia PowerPump ma inne oczywiste zalety: równoważenie może zachodzić w dowolnym trybie pracy – ładowaniu, rozładowywaniu, a nawet wtedy, gdy akumulator oddający energię ma niższe napięcie niż akumulator odbierający energię. W porównaniu z metodą pasywną marnuje się znacznie mniej energii.

OMÓWIENIE SKUTECZNOŚCI AKTYWNEJ I PASYWNEJ METODY BILANSU

Technologia PowerPump równoważy się szybciej. Przy 2% niezbilansowaniu akumulatorów 2200 mAh można to zrobić w jednym lub dwóch cyklach. W przypadku równoważenia pasywnego wyłączniki zasilania wbudowane w akumulator ograniczają maksymalną wartość prądu, dlatego może być wymaganych znacznie więcej cykli równoważenia. Proces wyważania może zostać przerwany nawet w przypadku dużej różnicy parametrów akumulatorów.
Możesz zwiększyć prędkość pasywnego równoważenia, używając zewnętrznych komponentów. Rysunek 7 pokazuje typowy przykład takiego rozwiązania, które można zastosować w połączeniu z rodziną BQ77PL900, BQ2084, czy BQ20ZXX. Najpierw włącza się wewnętrzny przełącznik akumulatora, który wytwarza niewielki prąd polaryzacji przepływający przez rezystory R Ext1 i R Ext2 podłączone między zaciskami akumulatora a mikroukładem. Napięcie „bramka-źródło” na rezystorze RExt2 włącza zewnętrzny przełącznik, a prąd równoważący zaczyna płynąć przez otwarty zewnętrzny przełącznik i rezystor R Bal .

Ryż. 7.Schemat ideowy równoważenia pasywnego
przy użyciu komponentów zewnętrznych

Wadą tej metody jest to, że nie można jednocześnie balansować sąsiedniej baterii (patrz rys. 8a). Dzieje się tak dlatego, że gdy wewnętrzny wyłącznik sąsiedniego akumulatora jest otwarty, przez rezystor R Ext2 nie może przepływać żaden prąd. Dlatego klucz Q1 pozostaje prywatny nawet wtedy, gdy klucz wewnętrzny jest otwarty. W praktyce problem ten nie ma większego znaczenia, gdyż dzięki tej metodzie równoważenia akumulator podłączony do Q2 jest szybko równoważony, a po nim akumulator podłączony do klawisza Q2.
Innym problemem jest wysokie napięcie dren-źródło V DS, które może wystąpić, gdy co drugi akumulator jest zrównoważony. Rysunek 8b przedstawia przypadek, gdy akumulatory górny i dolny są zrównoważone. W takim przypadku napięcie V DS środkowego przełącznika może przekroczyć maksymalne dopuszczalne. Rozwiązaniem tego problemu jest ograniczenie maksymalnej wartości rezystora R Ext lub wykluczenie możliwości jednoczesnego balansowania co drugiego akumulatora.

Metoda szybkiego równoważenia to nowy sposób na poprawę bezpieczeństwa pracy akumulatora. Celem równoważenia pasywnego jest zrównoważenie pojemności akumulatorów, ale ze względu na niskie prądy równoważące jest to możliwe dopiero pod koniec cyklu ładowania. Innymi słowy, można zapobiec przeładowaniu uszkodzonego akumulatora, ale nie wydłuży to czasu pracy na jednym ładowaniu, ponieważ zbyt dużo energii zostanie utracone w obwodach rezystancyjnych obejścia.
Korzystając z technologii aktywnego równoważenia PowerPump, osiąga się jednocześnie dwa cele - równoważenie wydajności na końcu cyklu ładowania i minimalną różnicę napięcia na końcu cyklu rozładowania. Energia jest magazynowana i oddawana do słabego akumulatora, a nie rozpraszana w postaci ciepła w obwodach obejściowych.

WNIOSEK

Prawidłowe wyrównanie napięcia akumulatorów jest jednym ze sposobów na zwiększenie bezpieczeństwa pracy akumulatorów i wydłużenie ich żywotności. Nowe technologie wyważania monitorują stan każdego akumulatora, aby wydłużyć jego żywotność i zwiększyć bezpieczeństwo pracy. Technologia szybkiego aktywnego równoważenia PowerPump wydłuża żywotność akumulatorów i równoważy akumulatory na koniec cyklu rozładowania do maksimum i z wysoką wydajnością.

Obecnie baterie litowe cieszą się coraz większą popularnością. Szczególnie typu palca 18650 , przy 3,7 V, 3000 mA. Nie mam wątpliwości, że za kolejne 3-5 lat całkowicie zastąpią nikiel-kadm. Otwartą kwestią pozostaje prawda o ich ładowaniu. Jeśli ze starymi akumulatorami wszystko jest jasne - zamontuj je w akumulator i przez rezystor do dowolnego odpowiedniego zasilacza, to taka sztuczka tutaj nie działa. Jak jednak naładować kilka sztuk na raz, bez konieczności używania drogich, markowych ładowarek balansujących?

Teoria

Aby połączyć akumulatory szeregowo, zwykle biegun dodatni pierwszego połączenia szeregowego akumulatora łączy się z plusem obwodu elektrycznego. Zacisk dodatni drugiego akumulatora łączy się z jego zaciskiem ujemnym itp. Zacisk ujemny ostatniego akumulatora jest podłączony do minusa bloku. Bateria powstała w wyniku połączenia szeregowego ma taką samą pojemność jak bateria pojedyncza, a napięcie takiego akumulatora jest równe sumie napięć akumulatorów w nim zawartych. Jeśli więc akumulatory mają to samo napięcie, wówczas napięcie akumulatora jest równe napięciu jednego akumulatora pomnożonemu przez liczbę akumulatorów w akumulatorze.

Energia zgromadzona w akumulatorze jest równa sumie energii poszczególnych akumulatorów (iloczynowi energii poszczególnych akumulatorów, jeśli akumulatory są takie same), niezależnie od tego, czy akumulatory są połączone równolegle, czy szeregowo.

Akumulatorów litowo-jonowych nie można po prostu podłączyć do zasilacza - należy wyrównać prądy ładowania na każdym elemencie (banku). Równoważenie przeprowadza się w czasie ładowania akumulatora, gdy energii jest dużo i nie da się jej zbyt wiele zaoszczędzić, dlatego też bez większych strat można zastosować bierne odprowadzanie „nadmiaru” prądu.

Akumulatory niklowo-kadmowe nie wymagają dodatkowych układów, gdyż każde ogniwo przestaje otrzymywać energię po osiągnięciu maksymalnego napięcia ładowania. Oznakami w pełni naładowanego Ni-Cd jest wzrost napięcia do określonej wartości, a następnie jego spadek o kilkadziesiąt miliwoltów i wzrost temperatury - tak, że nadmiar energii natychmiast zamienia się w ciepło.

Baterie litowe są odwrotnie. Rozładowanie do niskich napięć powoduje degradację chemii i nieodwracalne uszkodzenie ogniwa, wraz ze wzrostem rezystancji wewnętrznej. Ogólnie rzecz biorąc, nie są one chronione przed przeładowaniem i można wydać dużo dodatkowej energii, drastycznie skracając w ten sposób ich żywotność.

Jeśli połączymy kilka ogniw litowych w rzędzie i zasilimy je poprzez zaciski na obu końcach bloku, to nie będziemy w stanie kontrolować ładunku poszczególnych ogniw. Wystarczy, że jedno z nich będzie miało nieco większą rezystancję lub nieco mniejszą pojemność, a ogniwo to znacznie szybciej osiągnie napięcie ładowania 4,2 V, a pozostałe nadal będzie miało 4,1 V. A kiedy napięcie całego pakietu osiągnie napięcie ładowania, może się okazać, że te słabe ogniwa są ładowane do 4,3 V lub nawet więcej. Z każdym takim cyklem parametry ulegają pogorszeniu. Ponadto Li-Ion jest niestabilny i w przypadku przeciążenia może osiągnąć wysoką temperaturę, a tym samym eksplodować.

Najczęściej na wyjściu źródła napięcia ładowania umieszcza się urządzenie zwane „balanserem”. Najprostszym typem balansera jest ogranicznik napięcia. Jest to komparator, który porównuje napięcie na banku Li-Ion z wartością progową 4,20 V. Po osiągnięciu tej wartości otwiera się mocny klucz tranzystorowy, podłączony równolegle do elementu, przepuszczając przez siebie większość prądu ładowania i przetwarzając energię w ciepło. Jednocześnie niezwykle mała część prądu dociera do samej puszki, co praktycznie zatrzymuje jej ładowanie, umożliwiając ładowanie sąsiednich. Wyrównanie napięcia na ogniwach akumulatora za pomocą takiego balansera następuje dopiero pod koniec ładowania, gdy ogniwa osiągną wartość progową.

Uproszczony schemat balansera baterii

Oto uproszczony obwód stabilizatora prądu oparty na TL431. Rezystory R1 i R2 ustawiają napięcie na 4,20 V lub można wybrać inne, w zależności od rodzaju akumulatora. Napięcie odniesienia dla regulatora pobierane jest z tranzystora i już na granicy 4,20 V układ zacznie lekko otwierać tranzystor, aby nie dopuścić do przekroczenia określonego napięcia. Minimalny wzrost napięcia spowoduje bardzo szybki wzrost prądu tranzystora. W czasie testów już przy napięciu 4,22 V (przekraczającym 20 mV) prąd wynosił ponad 1 A.

W zasadzie nadaje się tu dowolny tranzystor PNP pracujący w interesującym nas zakresie napięć i prądów. Jeśli akumulatory wymagają ładowania prądem 500 mA. Obliczenie jego mocy jest proste: 4,20 V x 0,5 A = 2,1 V, a tyle tranzystor musi stracić, co zapewne będzie wymagało lekkiego ochłodzenia. W przypadku prądu ładowania wynoszącego 1 A lub więcej, straty mocy odpowiednio rosną i trudniej będzie pozbyć się ciepła. Podczas testu przetestowano kilka różnych tranzystorów, w szczególności BD244C, 2N6491 i A1535A - wszystkie zachowują się tak samo.

Dzielnik napięcia R1 i R2 należy dobrać tak, aby uzyskać pożądane napięcie zaciskania. Dla wygody poniżej kilka wartości, po zastosowaniu których otrzymamy następujące wyniki:

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

Jest to odpowiednik mocnej diody Zenera obciążonej obciążeniem o niskiej rezystancji, której rolę pełnią tutaj diody D2 ... D5. Chip D1 mierzy napięcie na plusie i minusie akumulatora, a jeśli wzrośnie powyżej progu, otwiera mocny tranzystor, przepuszczając przez siebie cały prąd z pamięci. Jak to wszystko się łączy ze sobą i z zasilaniem - patrz niżej.

Klocki są naprawdę niewielkie i można je bezpiecznie położyć bezpośrednio na elemencie. Należy jedynie pamiętać, że na pakiecie tranzystorów widnieje potencjał ujemnego bieguna akumulatora, a przy montażu typowych układów radiatorów należy zachować ostrożność - należy zastosować izolację pakietów tranzystorów od siebie.

Testy

Od razu potrzebne było 6 sztuk klocków równoważących, aby jednocześnie naładować 6 akumulatorów 18650. Elementy widać na zdjęciu poniżej.

Wszystkie elementy naładowano dokładnie do 4,20 V (napięcie ustawiano potencjometrami), a tranzystory nagrzewały się, choć nie było dodatkowego chłodzenia - ładowanie prądem 500 mA. Tym samym możemy śmiało polecić tę metodę do jednoczesnego ładowania kilku akumulatorów litowych ze wspólnego źródła napięcia.

Omów artykuł JEDNOCZESNE ŁADOWANIE WIELU AKUMULATORÓW