Без категорії, Блог-UA

Іголкін Сергій: “Балансир для акумуляторних батарей із захистом струму. Частина перша”

Навіщо потрібен балансир?

Балансування елементів акумулятора використовується при послідовному включенні акумуляторів для набору потрібної напруги. З різних причин (розкид параметрів при виробництві, нерівномірне нагрівання при експлуатації тощо) елементи в наборі не можуть бути ідеально однаковими, і, як правило, відрізняються за ємністю, нехай навіть на невеликий відсоток. Але при постійних циклах заряду-розряду, через перерозряд при віддачі струму, і/або перезаряд окремих елементів при зарядці, у яких ємність відрізняється в меншу сторону (деградували) – їх деградація наростає, так як кожен перерозряд або перезаряд негативно впливає на їхню працездатність. Згодом це призводить до неможливості отримувати від всієї батареї акумуляторів повну ємність, і далі – до повної відмови в роботі, іноді лише через один елемент.

 

Паралельне включення – ідеальне балансування

Якщо елементи включені паралельно (в такому випадку напруга у будь-який момент заряду-розряду буде однаковою, й у загальному випадку — ступінь заряду/розряду кожного елемента теж майже однакова). Це не обов’язково буде так у момент пропускання великих струмів при пікових навантаженнях, наприклад – так як може бути і неузгодженість з внутрішній опір елементів, але в паузах між піковим споживанням все одно відбудеться перетікання заряду від більш заряджених до менш заряджених елементів, і їх вирівнювання. Тобто, якщо навіть з’єднані два акумулятори з різною ємністю, але одного типу, наприклад 5А*год і 10А*год, то при розрядці їх на навантаження повного розряду вони досягнуть одночасно, з поправкою на різницю внутрішніх опорів і величини розрядного струму. У будь-якому випадку, при такому з’єднанні не спостерігається прогресуюча деградація одного з елементів через його перезаряд або перерозряд щодо інших елементів в батареї акумуляторів.

Випадок паралельного з’єднання наведений як ідеальний, але рідко використовуваний – тому що напруга окремих елементів дуже низька, нижче 4В і використовувати її безпосередньо в більшості випадків незручно. Але наведено цей випадок для розуміння того, чого прагнуть при створенні балансувань для акумуляторних батарей з послідовним включенням елементів: кожен елемент батареї повинен почуватися так, ніби він паралельно включений з кожним з інших елементів батареї. Тоді вони будуть віддавати один і той же відсоток заряду, або приймати той самий відсоток заряду від ємності будь-якого з них, тобто одночасно і однаково заряджатися і розряджатися навіть при суттєво різних ємностях кожного елемента (а в ідеалі – навіть за відсутності одного або кількох елементів у батареї, що дуже точно відповідало б паралельному включенню, при якому через видалення одного або кількох елементів тільки зменшується загальна ємність всієї батареї, не змінюючи працездатності).

Балансування при послідовному включенні

При послідовному включенні, як сказано вище, необхідні спеціальні рішення, додаткові схеми підтримки всіх елементів батареї або хоча б без деградації, або збалансованими завжди (при зарядці і при роботі у всіх режимах), або компромісні рішення між цими. На практиці ідеальні балансири використовуються не так часто, або через дорожнечу “ідеальних” рішень, або через вагогабаритні обмеження, наприклад. Тому намагаються вирішувати проблему хоч би частково.

Пасивні балансири

Найдешевшим рішенням вважаються “пасивні” балансири, в яких створюється “обхідний” шлях струму при зарядці батареї для тих акумуляторів, що вже повністю зарядилися. Для цього контролюється напруга на кожному елементі і коли досягається напруга повного заряду – паралельно підключається шунт, або резисторний, або напівпровідниковий (є багато простих і недорогих рішень). При розряді, тобто роботі на навантаження – це не працює, але є рішення з контролем різниці напруги на сусідніх елементах в батареї з підключенням шунта (у цьому випадку – швидше, розрядного резистора) до того акумулятора, на якому напруга стала більшою в процесі розряду, ніж на сусідньому, щоб відібрати від нього “зайву” (насправді зовсім не зайву) ємність. Недоліків багато, наприклад, що доводиться обмежувати потужність резисторів, щоб уникнути перегріву, і все одно це “гаряче” рішення, не балансується значна різниця струмів, якщо це навіть необхідно, і тому повний баланс (який все ж таки досягнемо в цих простих пристроях) досягається іноді кілька годин (днів), в паузі в роботі, тому що струми “перетікання” з одного елемента в інший невеликі. І, звичайно, отримувати загальну ємність батареї як у найслабшого елемента – теж не добре.

Активні балансири

Активні балансири не розсіюють зайвої потужності марно, втрати при “перетіканні” переважно визначаються лише ККД самих акумуляторів – тобто, скільки втрачаємо енергії при заряді-розряді акумулятора. На щастя, ККД акумулятора в 80% характерно для не найкращих свинцевих акумуляторів в не найкращих режимах заряду-розряду, а у літієвих взагалі досягає 96%, що набагато краще. У середині розрядного (зарядного) циклу ККД акумуляторів вище, і це основний режим, в якому працює балансир.

Активні балансири теж бувають такими, що працюють тільки при зарядці акумуляторів (у цьому випадку “розумна зарядка”, наприклад, просто перекомутує акумулятори, що вже зарядилися, так що вимикає їх із ланцюга заряду).

Повне рішення – це балансир, що працює безперервно і при зарядці і при роботі на розряд, таким чином, що струму, що балансує, вистачає у всьому діапазоні можливих струмів заряду і розряду. Невеликим компромісом може бути запас струму балансування при номінальному споживанні, і недолік балансування на коротких пікових навантаженнях – тоді більшу частину часу, працюючи на номінальному струмі і маючи запас струму балансування, балансир буде швидко прямо при роботі підтримувати однакову напругу між усіма елементами батареї. Найкомпромісніше, найдорожче рішення — коли балансування відбувається у перервах у роботі акумулятора, при простої (якщо режим використання це дозволяє).

Якщо ж хочеться мати такий балансир, що повністю відповідає поведінці батареї при паралельному включенні – дозволяє працювати в умовах, коли один (або декількох) неробочих елементів батареї акумуляторів, дає струм балансування більше, ніж струм навантаження (і струм зарядки), а значить, дозволить працювати при меншому числі елементів у батареї, ніж необхідно для отримання номінальної напруги живлення, будучи по суті ще й бустером – то вже вигідніше бустер і застосовувати, вийде навіть менше за витратами.

Види активних балансувань

Активні балансири можна розділити на великі групи — індуктивні і ємнісні.

Індуктивні балансири

Індуктивні містять підсилювач розбалансу, ШІМ-модулятор, вихідну стійку ключів та індуктивність (дросель-реактор). По черзі перемикаючи індуктивність від одного акумулятора до іншого, вона накопичує струм від того елемента, де напруга вища, і віддає після перемикання тому, на якому напруга нижче. Цей процес триває, доки напруги на елементах не вирівняються, після чого процес зупиниться до появи розбалансу знову (рис. 1).

Рис. 1. Ємнісні балансири

Ємнісні балансири влаштовані ще простіше – конденсатор по черзі підключається то до першого елемента пари, то до другого, і якщо на одному елементі напруга більша ніж на другому – то підключаючись до першого елемента конденсатор заряджається до його напруги, а переключившись на другий елемент – віддає йому частину заряду, тому що у того напруга нижча, ніж накопичена конденсатором. Таким чином, по черзі безперервно перемикаючись між елементами конденсатор вирівнюватиме напругу на них, так як завжди буде заряджатися від зарядженого елемента і віддавати заряд менш розрядженому.

Рис. 2

Це дуже популярна схема активного балансиру, її ще називають “балансир з конденсатором, що літає”, що відображає суть її роботи. Має кілька недоліків. Щоправда, якщо від схеми отримують потрібний результат — недоліки прийнято називати “особливостями функціонування”, проте розглянемо їх і спробуємо прибрати “неприємні” особливості.

Перша особливість — до роботи схеми балансира потрібно, щоб при розбалансі елементів в одиниці-десятки мілівольт балансир створював значний струм балансування, аби якнайточніше і швидше усувати розбаланс, швидко поповнюючи заряд елемента з меншою ємністю, вирівнюючи напруги на елементах пари. І для цього використовуються ємності великого номіналу з низьким ESR, зазвичай полімерні електролітичні, наприклад, 2200 мкФ 6,3В, паралельно 3-4 для зниження ємнісного опору на частоті комутації. Це збільшує габарити, вагу та ціну пристрою, але необхідно для досягнення значного струму балансування при малих значеннях напруги розбалансу, близько десятків мілівольт.

При надто великій напрузі розбалансу (один елемент заряджений, другий повністю розряджений) – струм розбалансу може стати занадто великим, конденсаторна схема вимагатиме відключення, обмежувати струм балансування складно. Насправді це рідко створює проблеми, але пам’ятати таку можливість потрібно.

Резонансний активний ємнісний балансир.

Тим часом вирішити відразу обидві проблеми можна, додавши лише невеликий резонансний дросель послідовно з конденсатором. Якщо частота налаштування послідовного резонансного контуру з конденсатора і цього дроселя збігається з частотою комутації ключів – то ємнісний опір конденсатора буде компенсований, і при налаштуванні на резонанс – можна враховувати тільки ESR (плюс опір дроселя постійного струму, він незначний).

Тепер можна зменшити ємність конденсатора, не втрачаючи, а навіть збільшивши струм балансування при тій самій напрузі розбалансу. Наприклад, обравши конденсатор у 66 разів менше, тобто 100мкФ, ми при індуктивності всього лише 400 наноГенрі отримаємо струм балансування майже вдвічі вище при тій же напрузі розбалансу, ніж з конденсатором 6600 мкФ у попередньому прикладі (рис. 3).

Рис. 3

Але це ще не все. Тепер навіть при невеликому розбалансі елементів батареї на конденсаторі змінна напруга набагато більша через резонанс. І якщо додати лише один діод, через який при певній напрузі струм надходитиме в один з акумуляторів – то створені цим діодом втрати енергії в контурі не дадуть “розкачати” його більш ніж задає діод, тобто завдяки цьому і струм через конденсатор буде обмежений, раз обмежена змінна напруга на ньому – див. рис 4.

Рис 4. Опис схеми резонансного балансу.

На схемі за рис. 4 B1 та B2 — елементи акумулятора, що підлягають балансуванню. Ключі MOSFET K1-K4, розбиті на комплементарні пари з p- і n-каналами, включені за схемою зі джерелом повторювача, таким чином наскрізні струми через стійку K1K2 або K3K4 виключені при будь-якій напрузі на затворах, і управління затворами здійснюється спільно (затвори об’єднані). Оскільки стійки K1K2 і K3K4 зміщені по постійному напрузі на напругу одного елемента, сигнал керування на затвори подається через ємності C1 і C3, а резистори R1-R4 задають початкову напругу на затворах. Послідовний резонансний контур утворюють ємність C2 та дросель L1. При частоті комутації лише 25 кГц — ємність можна використовувати, наприклад, 8 мкФ і дросель індуктивністю 5,1 мкГн. При цьому максимальний струм балансування, який буде обмежений за допомогою діода D1 – на звичайних літієвих акумуляторах з низьким внутрішнім опором рівнем приблизно 2А, починаючи зі 100 мВ розбалансу елементів до 500 мВ розбалансу і більше. При різниці напруги елементів 20 мВ струм балансування може досягати 400 мА, при низькому внутрішньому опорі елементів батареї (2-3 мОм). Можна збільшити струм обмеження, використовуючи ключі з відповідним допустимим струмом і збільшуючи величину конденсатора C2 і зменшуючи в тій самій пропорції дросель L1.

Ще одна особливість цієї схеми – при роботі на частоті резонансу комутація відбувається при нульовому струмі та нульовій напрузі на ключах, тобто динамічні втрати зводяться до мінімуму. Правда, користуватися цим для збільшення частоти комутації слід помірно, тому що вже зростатимуть втрати на перемикання через перезаряд ключів.

Головна ж перевага — можна застосовувати як конденсатор C2 MLCC керамічні конденсатори, що різко зменшує габарити та вагу виробу.

Back to list

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *