Рубрики
Электрическая сопоставимость

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей Алексей Рыкованов Аккумуляторные батареи на базе Li-ion аккумов все почаще употребляются как в индустрии, военной технике, так и в бытовых

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей Алексей Рыкованов

Аккумуляторные батареи на базе Li-ion аккумов все почаще употребляются как в индустрии, военной технике, так и в бытовых устройствах. К их плюсам можно отнести: высочайшие удельные свойства, плотность, огромное количество циклов заряд/разряд (до 1000) и т. д. Выполняются батареи емкостью до 300 А•ч (и поболее), есть и бывалые эталоны емкостью до 1000 А•ч. Но проектирование и эксплуатация аккумуляторной батареи, состоящей из поочередно соединенных аккумов, просит определенных познаний. Речь в статье пойдет о системах баланса таких батарей.

Необходимость балансировать (нивелировать) напряжения на Li-ion аккумах в батарее вытекает из последующих суждений:

  • Напряжение, ниже которого мы не можем разряжать раздельно взятый аккумулятор в батарее, состоящей из поочередно соединенных аккумов, лежит в границах 2,4–2,8 В (зависимо от советов их производителя).
  • Напряжение, выше которого мы не можем заряжать раздельно взятый аккумулятор, лежит в границах 4,1–4,3 В.

Работа в обозначенных границах напряжений дает гарантию долгой и неопасной эксплуатации аккумов, за этим обычно «следит» контроллер аккумуляторной батареи.

В аккумуляторную батарею (АБ) стараются подобрать батареи, близкие по емкости (к примеру, батарея может состоять из 4 аккумов емкостью 10,12; 10,17; 10,19 и 10,21 А·ч). При сборке АБ учитывают, что напряжения на аккумах обязаны иметь как можно более близкие значения (для нашего примера: 3,785; 3,784; 3,783 и 3,782 В). Но зарядить их до определенного напряжения можно с некой точностью (к примеру, ±0,01 В). К тому же, сами батареи, даже вышедшие с сборочного потока вереницей, имеют малость отличающиеся свойства: внутреннее сопротивление, токи саморазряда в режиме хранения, скорость деградации электродных материалов и т. д.

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей

Рис. 1. «Окно» разбаланса, снижающее емкость АБ

При заряде/разряде все эти причины приводят к возникновению «окна», которое равно разности меж напряжениями самого заряженного и самого разряженного аккума (рис. 1), другими словами напряжения, которые были приблизительно схожими для всех аккумов сначала, равномерно «разбегаются». При расширении этого «окна» емкость самой батареи начинает понижаться, потому заряд батареи нужно будет закончить, как один из аккумов достигнет конечного зарядного напряжения, то же самое произойдет и при разряде. В итоге из-за расширения «окна» емкость самой батареи может добиться нуля, если не решать определенных мер. Как-то выйти из положения и продлить срок эксплуатации батареи без вмешательства снаружи может посодействовать система сведения этого «окна» к минимуму.

Системы баланса (СБ) можно поделить на несколько классов, которые взаимно пересекаются, дополняют друг дружку, потому время от времени тяжело отыскать необходимое решение при проектировании аккумуляторной батареи.

Системы баланса можно поделить по методу управления:

  • управляемые;
  • автономные.

Автономные системы баланса могут работать повсевременно при заблаговременно данных критериях (к примеру, в определенном спектре напряжений на аккумуляторной батарее), вне зависимости от того, идет заряд, разряд либо батарея находится в режиме покоя, и даже вне зависимости от того, есть ли разбаланс на аккумах (если разбаланса нет, то СБ работает вхолостую, разряжая батарею в режиме хранения, тогда ее лучше отключить). Автономные СБ могут работать и в определенные периоды времени, к примеру, только при заряде АБ, имея собственный датчик тока. Автономность тут значит сначала то, что система баланса не находится в зависимости от других электрических блоков, входящих в состав либо обеспечение аккумуляторной батареи, и работает без помощи других как отдельный блок.

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей

Рис. 2. Автономная система баланса Li-ion АБ

Отсюда вытекают достоинства таковой системы баланса. Автономные СБ обычно более ординарны как по собственному строению, изготовлению, ремонту, так и при их модернизации. Когда автономная СБ работает как отдельный блок (рис. 2), ее можно протестировать и в случае необходимости отключить либо поменять, не затрагивая работу всей системы, просто выдернув такую СБ из соединительного разъема. Потому саму систему контроля АБ можно существенно упростить, она будет смотреть только за напряжениями на отдельных аккумах в составе АБ и током, протекающим через датчик тока. (В этом случае в качестве датчика тока употребляется сенсорный резистор Rsns). Устройство контроля управляет силовыми ключами (как правило это MOSFETы, для батарей маленький емкости либо с малыми токами разряда). Простейшую схему построения СБ можно разглядеть на примере АБ, состоящей из 2-ух аккумов (рис. 3).

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей

Рис. 3. Пример реализации автономной пассивной системы баланса Li-ion АБ из 2-ух аккумов на компараторах

Компараторы DA1 и DA2 ассоциируют напряжение общей точки G1 и G2 с общим напряжением на батарее и управляют балансировочными ключами К1 и К2 в зависимости от напряжений на аккумах. Аккумулятор G1 (либо G2) разряжается на резистор R4 (либо R5).

К недочетам автономных СБ можно отнести невысокую точность нивелирования аккумов, из-за довольно обычного построения таких СБ. Если автономную СБ сделать, к примеру, на базе более сложных средств измерения напряжения, то такая система станет лишней, и блок измерения напряжений будет дублироваться, как в СБ, так и в контроллере управления АБ. (Хотя таковой вариант не исключен стопроцентно, все находится в зависимости от целей построения стратегии модернизации.)

Управляемые СБ, в отличие от автономных, не работают как отдельный блок, а управляются снаружи устройством (обычно модулем контроля и управления (МКУ) работой АБ). Зависимо от того, каким образом построена СБ и каковой метод работы МКУ, она может работать как на заряде, так и при определенных критериях на разряде и в режиме покоя. Управляя СБ снаружи и имея более непростой метод управления в самом МКУ, можно достигнуть наилучших результатов по нивелированию аккумов в составе АБ. Для экономии энергии АБ в период покоя МКУ может отключить на физическом уровне СБ от питания, а по мере надобности — опять включить СБ и управлять нивелированием отдельных аккумов.

По собственному строению управляемые СБ в общем случае более сложные: не только лишь по методу управления — нужен метод управления, да и по физическому выполнению. Они обустроены дополнительными органами управления, имеют дополнительные проводники (либо разъем со шлейфом проводов) от МКУ.

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей

Рис. 4. Пассивная, управляемая система баланса Li-ion АБ

Пример построения управляемой СБ представлен на рис. 4. Хотя эта схема и смотрится проще, чем пример неуправляемой СБ, все же, в состав АБ должен заходить контроллер (обычно микроконтроллер), имеющий собственный метод управления таковой СБ. Балансировочные резисторы R1–R4 замыкаются ключами К1–К4 по команде устройства контроля.

Последующее разделение по методу размещения:

  • в составе АБ;
  • вне состава АБ.

В составе АБ. СБ, входящие в состав АБ, являются неотъемлемой частью батареи и размещаются снутри корпуса совместно с аккумуляторной сборкой, а в большинстве случаев на одной плате с модулем контроля (МКУ). Особенность таких СБ — их относительная компактность, другими словами малозначительные масса и габариты по сопоставлению со всей АБ (для батарей принципиальный показатель — удельные характеристики: Вт·ч/кг, Вт·ч/дм3). Из этого следуют отличия таких СБ: они имеют малые токи нивелирования (следствие ограниченности массо-габаритных характеристик, отведенных под СБ при проектировании АБ). Вправду, при стационарной системе можно позволить, чтоб СБ была сравнима по весу и габаритам с зарядным устройством, но при разработке переносных приложений навряд ли кто-либо будет мириться с этим.

Малые токи нивелирования (от сотен мкА до сотен мА) компенсируются тем, что СБ повсевременно размещена рядом с аккумами. АБ в большинстве случаев находится в режиме покоя. (Обычно период заряда/разряда относительно невелик по сопоставлению с периодом покоя. Потому, обходясь маленькими токами нивелирования, СБ удается предупредить «разбегание» аккумов за счет более долгого времени балансирования, если СБ работает в режиме покоя АБ, либо более долгого времени заряда. Ток заряда при всем этом выбирают в границах 0,07–0,15 Сн от емкости АБ).

Если в состав АБ заходит интегрированная СБ, то при довольно большенном разбалансе напряжений на аккумах АБ нужно заряжать малым током долгое время. Отношение тока заряда к току баланса выбирается таким, чтоб МКУ было чувствительно к зарядному току и верно идентифицировало, что происходит заряд и время заряда приемлемо (к примеру, менее 24 часов).

Интегрированные в АБ СБ в большинстве случаев конструктивно делаются из резистора и управляемого от МКУ ключа (для 1-го аккума), замыкающего резистор N-го аккума. Такие системы работают обычно только при заряде (рис. 4).

Интегрированные СБ имеют свою нишу в построении АБ на базе Li-ion аккумов. С одной стороны, они фактически не увеличива- ют массо-габаритные характеристики всей АБ (при емкости АБ менее 15 А·ч), упрощают структуру зарядного устройства (ЗУ), но, с другой стороны, для их действенного использования нужно наращивать время заряда. Эти трудности можно решить при помощи размещения СБ вне АБ.

Вне состава АБ. К СБ за пределами АБ уже не предъявляются жесткие требования по массо-габаритным показателям, потому такие СБ имеют токи нивелирования более высочайшие, чем при интегрированной СБ. Спроектировать СБ вне АБ можно так, что она позволит нивелировать фактически хоть какой разбаланс чуть не за один цикл заряда номинальным током.

Конструктивно СБ вне состава АБ в большинстве случаев размещается в одном корпусе с зарядным устройством (ЗУ). Такие СБ также могут быть как управляемыми, так и неуправляемыми, и создаются по разным методам балансирования (пассивные либо активные).

К плюсам СБ вне АБ можно отнести уменьшение массо-габаритных характеристик АБ за счет выноса СБ за границы АБ. К недочетам — повышение тех же характеристик ЗУ и количества проводников (жил), идущих от ЗУ к АБ (для N аккумов дополнительно N+1 жила), также контактов в выходном разъеме АБ. К тому же, каждый выведенный контакт от аккума нужно защищать как минимум предохранителем (плавким либо самовосстанавливающимся), чтоб юзер по неосторожности не замкнул эти концы при присоединении ответной части разъема. Сами предохранители должны находиться снутри АБ, что также занимает место и место снутри АБ, в особенности при числе аккумов более 2-ух.

Если СБ управляется от внутреннего контролера АБ, то число контактов в разъеме заряда нужно будет прирастить либо ввести одно- либо двухпроводный интерфейс обмена данными меж СБ и контроллером АБ. Дополнительный интерфейс обмена данными также усложнит всю систему, как аппаратно, так и программно.

Пример неуправляемой СБ вне АБ показан на рис. 5.

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей

Рис. 5. Неуправляемая система баланса вне АБ, совмещенная с зарядным устройством

АБ соединяется с зарядным устройством и с СБ через разъем Х1. СБ питается от ЗУ, отбирая часть тока на свои нужды, что нужно учитывать при проектировании ЗУ. Предохранители FU1–FU4 служат элементами защиты. Балансирование аккумов осуществляется исключительно в момент заряда либо при присоединении к АБ разъема Х1, если таковой метод предусмотрен для СБ разработчиками, другими словами балансирование осуществляется вне зависимости, идет ток заряда либо нет.

Неуправляемая наружняя СБ ни в коем случае не обязана иметь способности перезарядить хоть какой из аккумов выше установленного уровня (4,15–4,3 В) при нивелировании, по другому нужно будет ввести очередной провод управления от внутреннего контроллера АБ на отключение СБ либо предугадать специальную команду по интерфейсу. Введение дополнительного проводника либо команд еще больше усложняет систему, и наружняя неуправляемая СБ равномерно перевоплотится в управляемую внешнюю СБ. Каким образом СБ может выполнить перезаряд отдельного аккума, станет ясно после рассмотрения методов балансирования.

По методу балансирования СБ можно поделить на:

  • пассивные;
  • активные.

Пассивные СБ. Пассивные СБ отличаются тем, что часть энергии аккума с бóльшим напряжением они рассеивают в виде тепла в окружающее место. При заряде, отбирая часть энергии (тока), такая СБ уменьшает ток заряда нивелируемого аккума, понижая скорость заряда до того времени, пока не зарядятся все другие.

Такую СБ можно выстроить при помощи уже упоминавшегося резистора нужной мощности и управляемого ключа (твердотельного реле, к примеру, PVG612). Получится пассивная управляемая СБ (рис. 4). Нивелирование можно производить фактически в протяжении всего времени заряда.

Другой метод построения пассивной СБ—при помощи стабилитрона. Мощнейший стабилитрон можно собрать на базе микросхемы TL431 и транзистора с массивным резистором, на которых и будет рассеиваться выделяемое тепло. Это пассивная автономная СБ. Когда напряжение на аккуме достигнет определенного уровня (к примеру, 4,1 В), через транзистор потечет некий ток, понижая ток заряда аккума. Другие батареи будут заряжаться прежним током и «догонят» через некое время этот аккумулятор. Стоит отметить, что нивелирование тут будет происходить исключительно в конце заряда, когда батареи приблизятся к порогу срабатывания стабилитронов. Время заряда при таковой СБ возрастет, за счет того, что токи через батареи будут уменьшаться по мере их заряда. Все же, такую систему баланса используют из-за ее простоты.

Любой из приведенных вариантов пассивной СБ можно расположить как в составе АБ, так и вне его. Когда используют пассивный метод балансирования и СБ находится в составе АБ, обычно токи нивелирования невелики по понятным причинам: происходит рассеивание тепла снутри корпуса АБ. При использовании СБ вне АБ нужно учесть падение напряжения на контактных соединителях, проводах и т. д.

К плюсам пассивных СБ можно отнести простоту реализации, к недочетам — рассеивание энергии в виде тепла (внедрение радиаторов, вентиляторов и т. д. для отвода тепла), что приходится учесть, чтоб не перегреть сами батареи. В особенности, если АБ должна работать при температурах среды до +50 °С и СБ находится снутри корпуса АБ либо в конкретной близости от аккумов.

Активные СБ. Активные СБ отличаются тем, что они перераспределяют энергию от аккумов с большими напряжениями к аккумам с меньшими напряжениями. Такое перераспределение можно выполнить различными методами.

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей

Рис. 6. Методы активного нивелирования напряжений АБ на DC/DC-преобразователях

К примеру, их можно выстроить последующим образом (рис. 6):

  • От аккума с большим напряжением энергия отдается всей цепочке аккумов в составе АБ.
  • Энергия от всей цепочки аккумов передается аккуму с минимальным напряжением.

На рис. 6 изображена ситуация, когда АБ работает на нагрузку (для наглядности не изображены другие три преобразователя энергии). В первом случае ток I3 станет меньше тока нагрузки I4, а означает, батареи G2–G4 будут разряжаться медлительнее (G1 тут имеет самое высочайшее напряжение из всех 4), во 2-м больше, батареи G2–G4 будут разряжать резвее (G1 тут имеет самое низкое напряжение из всех 4). В качестве преобразователей энергии употребляют DC/DC-преобразователи.

2-ой метод, по воззрению создателя, лучше по последующим причинам. Во-1-х, если использовать управляемую активную СБ, при разряде АБ, состоящей из 8 поочередно включенных аккумов, «проваливаются» по напряжению в большинстве случаев менее одного-двух по истечении некого времени эксплуатации АБ (деградация аккума). Можно понизить нагрузку на эти батареи, пуская в их ток, берущийся из всей цепочки. При всем этом мы задействуем всего 1–2 преобразователя (при первом методе их было бы 6–7, потому что пришлось бы брать энергию от аккумов с нормальными напряжениями и отдавать эту энергию в нагрузку). Нужно учесть, что каждый преобразователь имеет собственный КПД. Выстроить СБ по второму методу перераспределения существенно легче: можно использовать один преобразователь и ключи (на рис. 6 показаны пунктиром), подключающие его к подходящему аккуму. Потому что «проваливается» всего 1–2 аккума, 1-го преобразователя при втором методе перераспределения энергии возможно окажется довольно (его можно подключать попеременно то к одному, то к другому «провалившемуся» аккуму), чего не скажешь о первом методе перераспределения, где нужно будет использовать несколько преобразователей. Таким макаром, СБ может не только лишь балансировать, да и «продлевать» разряд АБ, и ее емкость будет падать не так существенно при некой деградации 1–2 аккумов. «Продлевать» разряд — в смысле уменьшать нагрузку (если ток разряда больше тока, отдаваемого от преобразователя в аккумулятор) на единичный аккумулятор, который, в свою очередь, будет медлительнее разряжаться и достигнет конечного разрядного напряжения за более долгое время (при неизменной нагрузке), чем без преобразователя.

Во-2-х, при заряде токи, отдаваемые от преобразователей всей цепочке аккумов (при первом методе), будут суммироваться с зарядным током, что нужно учесть, потому что общий ток заряда вырастет.

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей

Рис. 7. Пример реализации активной системы баланса

В-3-х, СБ, построенную по второму методу, легче воплотить аппаратно (рис. 7). Тут показан DC/DC-преобразователь, изготовленный для 2-ух аккумов. Вторичные обмотки намотаны на один сердечник (число обмоток может доходить до 10-ка). Энергия перераспределяется в сердечнике, и самый разряженный аккумулятор в цепочке будет получать больше энергии, чем самый заряженный.

К плюсам активных СБ можно отнести: высочайший КПД, не рассеивание значимого количества тепла (в особенности при емкостях АБ 50–300 А·ч и поболее и токах балансировки 3–7 А), как при пассивных СБ, продление срока службы АБ.

К плюсам следует отнести и тот факт, что активная СБ может быть применена в качестве устройства подзаряда, что в особенности принципиально для бесперебойных источников питания на базе Li-ion аккумов. В таком случае СБ можно питать от сети 220 В, а не от АБ, и она может попеременно (либо сходу, зависимо от выполнения) по командам МКУ либо без помощи других (автономная СБ) заряжать как отдельные батареи, так и все совместно, выполняя и совмещая функцию системы баланса (СБ) и зарядного устройства (ЗУ).

К недочетам необходимо отнести относительную сложность и дороговизну выполнения таковой СБ, существенное повышение уровня шума и помех при работе DC/DC-преобразователя. Повышение помех просит более сложной системы измерения напряжений на аккумах, экранирования, фильтрации, продуманности расположения балансира и МКУ и т. д., что также ведет к некому удорожанию всей системы обеспечения батареи.

Другой метод реализации показан на рис. 8.

Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей

Рис. 8. Структурная схема активной СБ: в качестве промежного накопителя энергии употребляется конденсатор С

Конденсатор С заряжается от цепочки более заряженных аккумов (к примеру, от G1–G3), через ключи К7, К1, а разряжается на один аккумулятор G4, ключи К6, К8. При заряде конденсатор может заряжаться от напряжения всей АБ, через ключи К1, К8. Резистор ограничивает бросок тока при заряде либо разряде конденсатора, чтоб не перегружать ключи К1–К8. Такая система баланса была выполнена создателем на базе MSP430F1232, этот микроконтроллер обладает широкими способностями по управлению своим внутренним энергопотреблением. MSP430F1232 имеет на собственном борту АЦП и позволяет определять напряжение на аккумах через резистивные делители (на схеме не показаны). Балансир управляется снаружи МКУ, но может и без помощи других принимать решения при определенном разбалансе напряжений, в определенном спектре напряжений на аккумах, и производить балансировку. МКУ имеет возможность принудительно отключить балансир. В итоге выходит управляемо-автономный балансир.

Стоит упомянуть о еще одном методе балансировки и отнести его к активному. Дело в том, что некие проектировщики АБ вообщем не употребляют СБ, а заряжают каждый аккумулятор своим зарядным устройством. Схема такового метода смотрится так же, как и на рис. 5, только заместо СБ и 1-го ЗУ находятся 4 ЗУ (обычно в одном корпусе и имеют единую систему индикации конца заряда). В конце заряда все батареи будут иметь однообразное напряжение. Таковой метод используют, когда АБ состоит из 2–3 поочередно соединенных аккумов средней емкости (10–30 А·ч). При всем этом стоимость на все ЗУ не так очень растет, но зато не надо вообщем «связываться» с СБ.

Есть также комбинированные СБ—активно-пассивные. Часть аккумов (к примеру, цепочка из 4 поочередно соединенных) балансируются активным методом, а снутри цепочки каждый аккумулятор — пассивным. Таковой способ можно использовать для относительно высоковольтных батарей, состоящих из нескольких 10-ов поочередно соединенных аккумов, при этом активная и пассивная части могут находиться как в составе, так и вне АБ.

В заключение отметим, что для АБ маленький емкости выпускаются спец микросхемы для литиевых батарей, которые обычно имеют встроенную пассивную систему баланса. Для АБ большой емкости нужно проектировать СБ без помощи других. Без СБ АБ начнет равномерно терять емкость из-за «разбега» напряжений.