Для чего нужен балансир?
Балансировка элементов аккумуляторной батареи используется при последовательном включении аккумуляторных элементов для набора нужного напряжения. По разным причинам (разброс параметров при производстве, неравномерный нагрев при эксплуатации и т.п.) элементы в наборе не могут быть идеально одинаковыми, и как правило — отличаются по емкости, пусть даже на небольшой процент. Но при постоянных циклах заряда-разряда, из-за переразряда при отдаче тока, и/или перезаряда отдельных элементов при зарядке, у которых емкость отличается в меньшую сторону (деградировавших) — их деградация нарастает, так как каждый пере-разряд или перезаряд отрицательно влияет на их работоспособность. Со временем это приводит к невозможности получать от всей батареи аккумуляторов полную емкость, и далее — к полному отказу в работе, иногда всего лишь из-за одного элемента.
Параллельное включение — идеальная балансировка
Если элементы включены параллельно ( в этом случае напряжения в любой момент заряда-разряда будут равны, и в общем случае — степень заряда/разряда каждого элемента тоже будет почти одинакова). Это не обязательно будет так в момент пропускания больших токов при пиковых нагрузках, например — так как может быть и рассогласование по внутреннему сопротивлению элементов, но в паузах между пиковым потреблением все равно произойдет переток заряда от более заряженных к менее заряженным элементам, и выравнивание. То есть, если даже соединено два аккумулятора с разной емкостью, но одного типа, например 5А*ч и 10А*ч, то при разрядке их на нагрузку полного разряда они достигнут одновременно, с поправкой на разницу внутренних сопротивлений и величины разрядного тока. В любом случае, при таком соединении не наблюдается прогрессирующей деградации одного из элементов по причине его перезаряда или переразряда относительно других элементов в батарее аккумуляторов.
Случай параллельного соединения приведен как идеальный, но редко используемый — потому что напряжение отдельных элементов слишком низкое, ниже 4В и использовать его напрямую в большинстве случаев неудобно. Но приведен этот случай для понимания того, к чему стремятся при создании балансиров для аккумуляторных батарей с последовательным включением элементов: каждый элемент батареи должен себя чувствовать так, словно он параллельно включен с каждым из остальных элементов батареи. Тогда они будут отдавать один и тот же процент заряда, или принимать один и тот же процент заряда от емкости любого из них, то есть одновременно и одинаково заряжаться и разряжаться даже при существенно различных емкостях каждого элемента (а в идеале — даже при отсутствии одного или нескольких элементов в батарее, что совсем точно соответствовало бы параллельному включению, при котором из-за удаления одного или нескольких элементов только уменьшается общая емкость всей батареи, не меняя работоспособности).
Балансировка при последовательном включении
При последовательном включении, как сказано выше, необходимы специальные решения, дополнительные схемы для поддержания всех элементов батареи либо хотя бы без деградации, либо сбалансированными всегда (при зарядке и при работе во всех режимах), либо компромиссные решения между этими. На практике идеальные балансиры используются не так часто, либо по причине дороговизны “идеальных” решений, либо из-за массогабаритных ограничений, например. Поэтому стараются решать проблему хотя бы частично.
Пассивные балансиры
Самым дешевым решением считаются “пассивные” балансиры, в которых создается “обходной” путь тока при зарядке батареи для тех аккумуляторов, что уже зарядились полностью. Для этого контролируются напряжения на каждом элементе и когда достигается напряжение полного заряда — параллельно подключается шунт, либо резисторный, либо полупроводниковый (существует много простых и недорогих решений). При разряде, то есть работе на нагрузку — это не работает, но есть решения с контролем разницы напряжения на соседних элементах в батарее с подключением шунта (в этом случае – скорее, разрядного резистора) к тому аккумулятору, на котором напряжение стало больше в процессе разряда, чем на соседнем, чтоб отобрать от него “лишнюю” (на самом деле совсем не лишнюю) емкость. Недостатков много, например то, что приходится ограничивать мощность резисторов во избежание перегрева, и все равно это “горячее” решение, не балансируется значительная разница токов, если это даже необходимо, и потому полный баланс (который все же достижим в этих простых устройствах) достигается иногда несколько часов (дней), в паузе в работе, потому что токи “перетока” из одного элемента в другой невелики. И, конечно, получать общую емкость батареи как у самого слабого элемента — тоже не хорошо.
Активные балансиры
Активные балансиры не рассеивают лишней мощности впустую, потери при “перетоке” преимущественно определяются лишь КПД самих аккумуляторов — то есть, сколько теряем энергии при заряде-разряде аккумулятора. К счастью, КПД аккумулятора в 80% характерно для не самых лучших свинцовых аккумуляторов в не самых оптимальных режимах заряда-разряда, а у литиевых и вовсе достигает 96%, что много лучше. В середине разрядного (зарядного) цикла КПД аккумуляторов выше, и это как раз основной режим, в котором работает балансир.
Активные балансиры тоже бывают такими, что работают только при зарядке аккумуляторов (в этом случае “умная зарядка”, например, просто перекомутирует аккумуляторы, что уже зарядились, так, что выключает их из цепи заряда.
Полное решение — это балансир, работающий непрерывно и при зарядке и при работе на разряд, таким образом, что балансирующего тока хватает во всем диапазоне возможных токов заряда и разряда. Небольшим компромиссом может быть запас по току балансировки при номинальном потреблении, и недостаток балансировки на коротких пиковых нагрузках — тогда большую часть времени, работая на номинальном токе и имея запас по току балансировки, балансир будет быстро прямо при работе поддерживать одинаковые напряжения между всеми элементами батареи. Самое компромиссное, самое недорогое решение — когда балансировка происходит в перерывах в работе аккумулятора, при простое (если режим использования это позволяет).
Если же хочется иметь такой балансир, что полностью соответствует поведению батареи при параллельном включении – позволяет работать при полностью отказавшем одном (или нескольких) элементах батареи аккумуляторов, дает ток балансировки больше, чем ток нагрузки (и ток зарядки), а значит, позволит работать при меньшем числе элементов в батарее, чем необходимо для получения номинального напряжения питания, являясь по сути еще и бустером — то уже выгоднее бустер и применять, выйдет даже меньше по затратам.
Виды активных балансиров
Активные балансиры можно поделить на две большие группы — индуктивные и емкостные.
Индуктивные балансиры
Индуктивные содержат усилитель разбаланса, ШИМ-модулятор, выходную стойку ключей и индуктивность (дроссель-реактор). Поочередно переключая индуктивность от одного аккумулятора к другому, она накапливает ток от того элемента, где напряжение выше, и отдает после переключения тому, на котором напряжение ниже. Этот процесс продолжается, пока напряжения на элементах не выровняются, после чего процесс остановится до появления разбаланса снова (Рис. 1).
Рис. 1. Емкостные балансиры
Емкостные балансиры устроены еще проще — конденсатор поочередно подключается то к первому элементу пары, то ко второму, и если на одном элементе напряжение больше чем на втором — то подключаясь к первому элементу конденсатор заряжается до его напряжения, а переключившись на второй элемент — отдает ему часть заряда, так как у того напряжение ниже, чем накопленное конденсатором. Таким образом, поочередно непрерывно переключаясь между элементами конденсатор будет выравнивать напряжения на них, так как всегда будет подзаряжаться от более заряженного элемента и отдавать заряд менее разряженному.
Рис. 2
Это очень популярная схема активного балансира, ее еще называют “балансир с летающим конденсатором”, что отражает суть ее работы. У нее есть несколько недостатков. Правда, если от схемы получают нужный результат — то недостатки принято называть “особенности функционирования”, но тем не менее рассмотрим их и попробуем убрать “неприятные” особенности.
Первая особенность — для работы схемы балансира необходимо, чтобы уже при разбалансе элементов в единицы-десятки милливольт балансир создавал значительный ток балансировки, с тем чтоб как можно точнее и быстрее устранять разбаланс, быстро пополняя заряд элемента с меньшей емкостью, выравнивая напряжения на элементах пары. И для этого используются емкости большого номинала с низким ESR, обычно полимерные электролитические, например, 2200 мкФ 6,3В, параллельно по 3-4 для снижения емкостного сопротивления на частоте коммутации. Это увеличивает габариты, вес и цену устройства, но необходимо для достижения значительного тока балансировки при малых значениях напряжения разбаланса, порядка десятков милливольт.
При слишком большом напряжении разбаланса (один элемент заряжен, второй полностью разряжен) — ток разбаланса может стать слишком большим, конденсаторная схема потребует отключения, ограничивать ток балансировки сложно. На практике это редко создает проблемы, но иметь в виду такую возможность нужно.
Резонансный активный емкостной балансир.
Между тем, решить сразу обе проблемы можно, добавив лишь небольшой резонансный дроссель последовательно с конденсатором. Если частота настройки последовательного резонансного контура из конденсатора и этого дросселя совпадает с частотой коммутации ключей — то емкостное сопротивление конденсатора будет скомпенсировано, и при настройке на резонанс — можно учитывать только ESR (плюс сопротивление дросселя пост. току, оно м. б. незначительно).
Теперь можно уменьшить емкость конденсатора, не теряя, а даже увеличив ток балансировки при том же напряжении разбаланса. Например, выбрав конденсатор в 66 раз меньше, то есть 100мкФ, мы при индуктивности всего лишь 400 наноГенри получим ток балансировки почти вдвое выше при том же напряжении разбаланса, чем с конденсатором 6600 мкФ в предыдущем примере (рис . 3).
Рис. 3
Но это еще не все. Теперь даже при небольшом разбалансе элементов батареи на конденсаторе переменное напряжение во много раз больше из-за резонанса. И если добавить лишь один диод, через который при определенном напряжении ток будет поступать в один из аккумуляторов — то созданные этим диодом потери энергии в контуре не дадут “раскачать” его более чем задает диод, то есть благодаря этому и ток через конденсатор будет ограничен, раз ограничено переменное напряжение на нем — см. рис 4.
Рис 4. Описание схемы резонансного балансира.
На схеме по рис. 4 B1 и B2 — элементы аккумуляторной батареи, подлежащие балансировке. Ключи MOSFET K1–K4, разбитые на комплементарные пары с p- и n- каналами, включены по схеме с истоковым повторителем, таким образом сквозные токи через стойку K1K2 или K3K4 исключены при любом напряжении на затворах, и управление затворами осуществляется совместно (затворы объединены). Поскольку стойки K1K2 и K3K4 смещены по постоянному напряжению на напряжение одного элемента, управляющий сигнал на затворы подается через емкости C1 и C3, а резисторы R1-R4 задают начальное напряжение на затворах. Последовательный резонансный контур образуют емкость C2 и дроссель L1. При частоте коммутации всего лишь 25 кГц — емкость можно использовать, например, 8 мкФ и дроссель индуктивностью в 5,1 мкГн. При этом максимальный ток балансировки, который будет ограничен при помощи диода D1 — на обычных литиевых аккумуляторах с низким внутренним сопротивлением уровнем примерно 2А, начиная со 100 мВ разбаланса элементов до 500 мВ разбаланса и более. При разнице напряжений элементов 20 мВ ток балансировки может достигать 400 мА, при низком внутреннем сопротивлении элементов батареи (2-3 мОм). Можно увеличить ток ограничения, используя ключи с соответствующим допустимым током и увеличивая величину конденсатора C2 и уменьшая в той же пропорции дроссель L1
Еще одна особенность этой схемы — при работе на частоте резонанса коммутация происходит при нулевом токе и нулевом напряжении на ключах, то есть динамические потери сводятся к минимуму. Правда, пользоваться этим для увеличения частоты коммутации следует умеренно, так как уже станут возрастать потери на переключение из-за перезаряда затворов ключей.
Главное же преимущество — можно применять в качестве конденсатора C2 MLCC керамические конденсаторы, что резко уменьшает габариты и вес изделия.