Балансир для зарядки литиевых аккумуляторов
Скорей всего я бы не стал писать эту статью, если бы не одно обстоятельство. Несколько дней назад удалось придумать, как сделать очень хороший балансир на микросхеме TL431. Те, кто понимают, о чём речь, наверняка скажут – эка невидаль, да этих балансиров на TL431 – пруд пруди. Не спорю – эти микросхемы для этих целей используются очень давно. Но, из-за свойственных им недостатков, целесообразность их применения всегда вызывала много вопросов. Нет ни малейшего желания приводить примеры уже существующих схем этих балансиров, и подробно рассматривать их недостатки. Наверное, будет лучше, если я уделю больше времени, тому, что удалось сделать мне. Не покидают опасения, что что-то подобное уже было сделано до меня. Но проводить глобальные исследования, нет, ни желания, ни времени, и если вдруг выяснится, что подобный балансир уже существует, то мне останется, лишь попросить прощения за свою неосведомлённость.
Прежде, чем описывать собственно балансир, необходимо вкратце пояснить его назначение.
Суть вот в чём – литиевые аккумуляторы, чаще всего, используются в виде последовательного соединённых отдельных секций. Это необходимо, чтобы получить необходимое выходное напряжение. Количество составляющих аккумулятор секций, колеблется в очень широких пределах – от нескольких единиц, до нескольких десятков. Есть два основных способа зарядки таких аккумуляторов. Последовательный способ, когда зарядка осуществляется от одного источника питания, с напряжением, равным полному напряжению аккумулятора. И параллельный способ, когда осуществляется независимая зарядка каждой секции от специального зарядного устройства, состоящего из большого количества гальванически не связанных друг с другом источников напряжения, и индивидуальных, для каждой секции, устройств контроля.
Наибольшее распространение, ввиду большей простоты, получил последовательный способ зарядки. Балансир, о котором идёт речь в статье, не используется в параллельных системах зарядки, поэтому параллельные системы зарядки в рамках данной статьи рассматриваться не будут.
При последовательном способе зарядки, одно из главных требований, которое необходимо обеспечить, следующее – напряжение ни на одной секции заряжаемого литиевого аккумулятора, при зарядке, не должно превысить определённой величины (величина этого порога зависит от типа литиевого элемента). Обеспечить выполнение этого требования, при последовательной зарядке, не приняв специальных мер, невозможно…Причина очевидна – отдельные секции аккумулятора не идентичны, поэтому достижение максимально допустимого напряжения на каждой из секций при зарядке, происходит в разное время. Складывается ситуация, когда мы обязаны зарядку прекратить, так как напряжение на части секций уже достигло максимально допустимого порога. В то же время, часть секций остаются недозаряженными. Это плохо главным образом потому, что в итоге снижается общая ёмкость аккумулятора, так нам придётся прекратить разряд аккумулятора в тот момент, когда напряжение на самой «слабой» (недозаряженной) секции, достигнет своего минимально допустимого порога.
Чтобы не допустить повышение напряжения при зарядке, выше определённого порога, и служит балансир. Его задача достаточно проста – следить за напряжением на отдельной секции, и, как только напряжение на ней при зарядке достигнет определенной величины, дать команду на включение силового ключа, который подключит параллельно заряжаемой секции балластный резистор. При этом, если остаточный ток зарядки (а он, ближе к концу зарядки, уже достаточно мал, из-за малой разницы потенциалов между напряжением на заряжаемом аккумуляторе и напряжением на выходе зарядного устройства) будет меньше (или равен) тока протекающего через балластный резистор, то повышение напряжения на заряжаемой секции – прекратиться. При этом зарядка остальных секций, напряжение на которых ещё не достигло максимально допустимых значений – продолжиться. Закончится процесс заряда тем, что сработают балансиры всех секций аккумулятора. Напряжение на всех секциях будет одинаковым, и равным тому порогу, на которые настроены балансиры. Ток зарядки будет равен нулю, так как напряжение на аккумуляторе и напряжение на выходе зарядного устройства будут равны (нет разности потенциалов – нет тока зарядки). Будет протекать лишь ток через балластные резисторы. Его величина определяется величиной последовательно соединённых балластных резисторов и напряжением на выходе зарядного устройства.
Саму функцию контроля напряжения, легко смог бы выполнить любой компаратор, снабжённый опорным напряжением…Но компаратора у нас нет (точнее – он есть, но использовать его нам не удобно и не выгодно). У нас есть TL431. Но компаратор из неё, честно сказать – никакой. Сравнивать напряжение с опорным она умеет очень хорошо, но вот выдать чёткую, однозначную команду на силовой ключ, она не может. Вместо этого, при подходе к порогу, она плавно начинает загонять силовой ключ в активный (полуоткрытый) режим, ключ начинает сильно греться, и, в итоге, мы имеем не балансир, а полное дерьмо.
Вот именно эту проблему, которая не позволяла полноценно использовать TL431, удалось решить на днях. Ларчик просто открывался (но открывать его пришлось более двух лет) – надо было превратить TL431, в триггер Шмитта. Что и было сделано. Получился идеальный балансир — точный, термостабильный, достаточно простой, с чёткой командой на силовой ключ. И хотя этот балансир на TL431 немного сложнее сделанного ранее балансира на микросхеме KIA70XX, но зато и TL431, найти гораздо легче, и работает она точнее.
Ниже — две принципиальные схемы балансиров, рассчитанные для контроля порогов LiFePO4 и Li-ion аккумуляторов.
Превратить TL431 в триггер Шмитта, удалось добавив в схему p-n-p транзистор Т1 и резистор R5. Работает это так — делителем R3,R4 определяется порог контролируемого напряжения. В момент, когда напряжение на управляющем электроде достигает 2,5 Вольта, TL431 – открывается, открывается при этом и транзистор Т1. При этом потенциал коллектора повышается, и часть этого напряжения через резистор R5 поступает в цепь управляющего электрода TL431. При этом TL431 лавинообразно входит в насыщение. Схема приобретает ярко выраженный гистерезис – включение происходит при 3,6 Вольт, а выключение — при 3,55 Вольт. При этом в затворе силового ключа формируется управляющий импульс с очень крутыми фронтами, и попадание силового ключа в активный режим – исключено. В реальной схеме, при токе через балансировочный резистор равном 0,365 Ампер, падение напряжения на переходе сток-исток силового ключа составляет всего 5-6 мВ. При этом сам ключ, всегда остаётся холодным. Что, собственно, и требовалось. Эту схему можно легко настроить для контроля любого напряжения (делителем R3,R4). Величина максимального тока балансировки определяется резистором R7 и напряжением на секции аккумулятора.
Коротко про точность. В реально собранном балансире на пять секций для аккумулятора LiFePO4, напряжения при балансировке уложились в диапазон 3,6-3.7 Вольт (максимально допустимое напряжение для LiFePO4 составляет 3,75 Вольт). Резисторы при сборке использовались обычные (не прецизионные). На мой взгляд – очень хороший результат. Считаю, что добиваться большей точности при балансировке, никакого особого практического смысла – нет. Но для многих – это скорее вопрос религии, нежели физики. И они вправе, и имеют возможность добиваться большей точности.
Рисунок ниже – плата отдельного балансира, и, для примера, плата балансира на шесть секций. Очевидно, что клонируя плату отдельного балансира, можно легко сделать плату балансира на любое количество секций и любых пропорций.
Вот таким зарядно-балансировочным устройством я теперь пользуюсь. Я использую блок питания, описанный в статье про инвертор с адаптивным ограничением тока. Но можно использовать и любой другой стабилизированный блок питания, доработав его шунтом.
Балансир выполнен в виде отдельной платы. Он подключается к балансировочному разъему аккумулятора во время зарядки.
Пара слов про комплектующие. TL431 и p-n-p биполярный транзистор (подойдёт практически любой) в корпусах SOT23, можно найти на материнских платах компьютеров. Там же, можно найти и силовые ключи с «цифровыми» уровнями. Я использовал CHM61A3PAPT (или можно — FDD8447L) в корпусах TO-252A — подходят идеально, хотя характеристики очень избыточны (на токи до 1А , можно найти и что-нибудь по-проще).
В современных устройствах контроля за литиевыми батареями, описанные выше функции возложены на микроконтроллер.Но это гораздо более сложные для повторения устройства, и их применение оправдано далеко не всегда. Думаю — совсем не плохо, когда есть выбор.
Так выглядит балансир «живьём». За качество изготовления, вновь прошу прощения — из-за экономии времени, вновь рисовал плату обычным перманентным фломастером.
Источник
Активный емкостной балансир для 6S аккумуляторных батарей
После обзора индуктивного балансира ко мне обратился один из читателей и предложил сделать обзор балансира, который он как раз планирует заказать для своей литиевой батареи. Договорились, заказ сделан, получен и в итоге он попал ко мне на стол, причем помимо самого балансира человек дал мне еще батарею, с которой этому балансиру и придется работать, за что ему отдельное спасибо.
Также кроме балансира и батареи дополнительно положил кабель для подключения к зарядному и разъем для балансира. 
Начну с батареи.
Литиевая 6S сборка с заявленной емкостью 12Ач, причем даже с ремешком, я как-то таких раньше не встречал, все чаще обычные, цилиндрические.
Сборка рассчитана на максимальный ток нагрузки 25С, параметры заряда — 4.2 вольта на ячейку и ток до 2С, выпускается в вариантах от 3S до 12S. 
Вести 1.6кг, размеры без учета проводов 177х71х63мм, но в районе заделки ремешка есть утолщение из-за которого создается ощущение что батарею немного раздуло. 
Для подключения к балансиру используется обычный разъем с шагом 2.5мм на 7 контактов. Запасная ответная часть не пригодилась, но все равно приятно что человек подумал что возможно она может понадобиться.
Для силовой цепи использован разъем XT90
Силовые провода имеют сечение 10AWG, очень мягкие и здесь я сделаю небольшое отступление. разъем с проводами подключены к батарее через клемник, я настоятельно не рекомендую применять подобные клемники из-за их низкой надежности и рекомендую использовать пайку. 
Батарею показал и вот теперь можно перейти собственно к плате балансира. Она бывает и других фирм, в частности Heltec. 
Из всей полезной информации на странице продавца только краткая информация (гуглоперевод)
Режим равновесия: конденсатор (Полная группа), эквалайзер
Рабочее напряжение 2,0-4,2 в
Пониженного напряжения сна значение: сна напряжение может быть выбран из 2,0 V 3,0 V 3,7 V, поддерживая трехкомпонентная литиевая, литий-железо-фосфатных аккумуляторов, титанат лития
Точность балансировки: менее 5 мВ
Текущее равновесное: 0,1 V 1A 0.2V2A, тем больше разница напряжения, тем больше ток
Максимальный ток выравнивания 6A
Сбалансированная статическая мощность: 12 мА
Подходит для аккумулятора: 30Ah-300Ah
Платка небольшая, размеры 80х50х16мм, провода очень мягкие, длина около 45см, при этом черный провод немного короче. 
Сверху типичный внешний признак емкостного балансира, толпа полимерных конденсаторов, в данном случае емкостью 2200мкФ 6.3В. Балансир 6S и сверху видно 6 пар конденсаторов + еще пара, судя по всему общие для всего балансира. 
Снизу также вся плата забита компонентами и основное поле занято полевыми транзисторами, в сумме их 24 штуки, по 4 на каждый канал. Также видны 6 чипов в корпусе SO-8 предположительно драйверы транзисторов, мелкий чип в корпусе SOT23-6, судя по рядом стоящему дросселя почти наверняка DC-DC и еще один чип в SOT23-5, возможно генератор.
Также вверху видно шесть предохранителей, маркированных буквой U, ток срабатывания я не определил, в таблицах он почему-то не попадается, но нашел их на Али, пишут что 72 вольта и ток 6.3-8А.
Плата покрыта защитным лаком, что повышает надежность. 
Человек, приславший плату, уже сам интересовался что на ней стоит и потому снял лак с пары компонентов.
Транзисторы — MDU1518, 30 вольт, 94А, 4.2/6.2мОм
Восьминогий чип рядом предположительно драйвер EG2131
Чип DC-DC не определил.
Задающий генератор скорее всего что-то аналогичное банальному 555 таймеру.
Судя по количеству каналов здесь используется другой принцип балансировки чем в индуктивном балансире. Сначала конденсаторы каждого канала заряжаются от соответствующих аккумуляторов. Напряжение на конденсаторах такое же как на аккумуляторах.
Потом при помощи транзисторов отключаются от аккумуляторов и соединяются параллельно, заряд выравнивается
После этого конденсаторы каналов опять подключаются к аккумуляторам, но теперь у них одинаковое напряжение, соответственно более заряженный аккумулятор опять заряжает конденсатор, а менее заряженный подзаряжается от конденсатора.
Такая схема позволяет более точно выравнивать напряжение на ячейках батареи.
Батарея пришла полностью разряженной, напряжение на ячейках здесь и далее будет показываться начиная от первой до шестой, при этом первой считается та, что подключена к минусовому (общему) проводу схемы, он помечен черным цветом.
Также заметен небольшой дисбаланс, общее напряжение батареи было 18.467 вольта.
Здесь и далее все напряжения приводятся при отключенном балансире, тем где измерения проводились с балансиром я отмечу отдельно. 
Эксперимент будет проводится в режиме максимальной сложности, для чего я заряжу только одну ячейку, первую по схеме.
На полный заряд ушло 12.25Ач, что соответствует указанной на батарее емкости.
После заряда на первой ячейке было 4.1819 вольта, общее 19.574. Дальше я сведу все в одну табличку, но пока буду показывать на фото ключевые моменты в хронологическом порядке. 
Естественно в процессе мне было интересно измерить ток в цепи аккумуляторов, но вносить дополнительную погрешность не хотелось, потому я пошел немного другим путем и измерил сопротивление проводов, по падению напряжения на которых можно определить ток.
У меня получилось 13.37мОм на длине 44см, провод маркирован как 18AWG. по таблице сопротивление куска провода такой длины и такого сечения должно быть 9.2мОм, что близко к измеренному, но допускаю что сам провод имеет заниженное сечение. 
Для удобства измерения я припаял к первой и второй ячейкам куски проволочных выводов, к которым подключал один щуп мультиметра, второй подключался к контакту разъема не разрывая цепи.
В итоге получил следующие значения (интервал измерения 20 минут).
1. сразу после подключения, 1S — 4.78А, 2S — 287мА
2. 20 минут — 1S — 3.17А, 2S — 127мА
3. 40 минут — 1S — 2.33А, 2S — 40мА
4. 60 минут — 1S — 1.93А, 2S — 27мА
Для балансира был заявлен ток балансировки до 5-6А, в самом начале у меня были сходные результаты, думаю они могли бы быть выше если бы провода были более короткими. 
Нагрев платы был сосредоточен в районе балансира первой ячейки, измерения через 20, 60 и 100 минут после старта. 
Через 1 час 20 минут от начала теста я ради интереса измерил ток в цепи последней ячейки, в итоге получил:
1S 1.66А
2S 11мА
6S -264мА
Везде к плате подключался минусовой щуп мультиметра, а к разъему плюсовой, при это видно, что у последнего аккумулятора ток течет в обратную сторону.
На самом деле такое измерение не совсем корректно, так как он имеет импульсный характер, но надеюсь что мультиметр смог измерить средний ток корректно. 
Примерно через 10 часов от начала теста ток упал уже довольно заметно и составил:
1S 322мА
2S 2,5мА
6S -51мА
После этого я подключил первую ячейку к зарядному и решил проверить, сколько емкости она израсходовала.
Теоретически, при емкости 12Ач и полной балансировке должно получиться 2+2+2+2+2+2Ач вместо исходных 12+0+0+0+0+0Ач, соответственно на заряд первой ячейки должно уйти около 10Ач, но конечно это в идеальных условиях и со 100%КПД. В ходе заряда потратилось 8.231Ач, что в принципе также говорит о том, что первая ячейка отдала большую часть на заряд остальных пяти. 
После этого я опять поставил её на балансировку, а примерно через 6 часов измерил токи, получилось:
1S 266мА
2S -37мА
6S -36,8мА
В принципе эти измерения я проводил для себя, но привел их только потому, что в отличие от предыдущих теперь ток был отрицательный не только по шестому каналу, а и по второму. 
Напряжение на ячейках через 35 часов после начала теста и одного повторного заряда первой ячейки выглядели следующим образом.
Замечу, что ячейки 2-6 заряжались только от первой. Максимальная разница была между первой и второй ячейками, 16мВ. Общее напряжение на сборке 22.626 вольта. 
Далее я подключил к зарядному уже всю батарею, но на всякий случай контролировал напряжение на самой заряженной ячейке, так как платы защиты у батареи нет.
1, 2. Ближе к концу заряда напряжение на первой ячейке поднялось до критического значения в 4.25 вольта, но так как далее оно не росло, то заряд прерывать не стал
3, 4. В итоге на заряд ушло 9.296Ач, максимальное напряжение на первой ячейке составило 4.2517, измерялось прямо на плате балансира, потому есть погрешность.
Думаю здесь сильно помогло бы уменьшение длины проводов, на канале с большим напряжением балансир лучше мог бы перераспределять энергию. 
В реальности напряжение на первой ячейке было немного выше и почти сразу после отключения от зарядного составило 4.256 вольта, общее напряжение батареи 25.194 вольта. Максимальный разбаланс был между первой и второй ячейками и составил 79мВ. 
А это результаты через 12 часов, максимальный разброс составил всего 1мВ и опять между первой и второй ячейками. По моему отлично. 
И конечно результаты в числовом и графическом виде.
Слева в графе время в минутах, первые три часа проверял каждые 20 минут, потом уже больше спонтанно так как основная фаза балансировки была завершена.
Желтым выделен результат через 6 и 18 часов после промежуточного заряда первой ячейки. 
То же самое в виде графика, нумерация по горизонтальной оси соответствует строкам таблицы. 
Также попутно я измерял напряжения и при подключенном балансире, здесь нумерация немного другая, проще ориентироваться на время от начала тестирования. Также здесь добавлены результаты после полного заряда батареи, выделены оранжевым.
Замечу что при подключенном балансире разбаланс в конце составил всего 0.6мВ! 
На графике видны этапы промежуточного заряда, точка 7 с зарядом первой ячейки и точка 11 с полным зарядом. 
Общее напряжение батареи было 25.1 вольта, затем я её опять подключил к зарядному и на заряд ушло всего 178мАч.
Кстати, на странице продавца было указано собственное потребление платы в 25мА, у меня получилось меньше, 178/12=15мА и это с учетом того что батарея продолжала балансироваться. 
И конечно выводы.
На мой взгляд балансир отличный. Есть варианты лучше, но точно не за этот ценник, потому я их даже не рассматриваю, потому как там цену надо умножить в несколько раз.
Преимущество в сравнении с индуктивным в том, что он не перекачивает энергию по пути от первой ячейки ко второй, потом от второй к третьей и т.д. а балансирует всю батарею сразу, распределяя энергию от самого заряженного элемента остальным менее заряженным.
Собственно принцип этот принцип работы позволил довести точность балансировки до 0.6-1мВ, дальше я просто уже не следил за процессом.
Есть и недостатки, при большом разбалансе процесс не быстрый, а кроме того балансир явно потребляет больше, чем это делает индуктивный, где всем управляет специальный чип умеющий переходить в спящий режим. Думаю, что отчасти из-за последнего фактора его рекомендуют применять с емкими батареями.
Но даже с указанными недостатками могу рекомендовать. Лично мне понравилось то, что он смог неплохо отбалансировать батарею даже при том что в сборке был заряжен всего один элемент из шести.
Кроме того есть рекомендации по улучшению работы как непосредственно того комплекта, что я обозревал, так и в общем.
1. Не использовать полиэтиленовые клемники в силовых цепях, лучше либо взять что-то более качественное, либо спаять провода.
Вообще с залуженными проводами может проявляться эффект, когда после нагрева их прижим ослабляется и дальше просто начинает плавиться клемник. Позже человек, который прислал плату, сказал что это временное решение только для проверки.
2. Разъем балансировки, на мой взгляд он слабоват для токов порядка 4-6А, так как изначально предназначен скорее для контроля, также лучше заменить на более мощный.
3. Длину проводов к балансиру лучше укоротить, тогда он начнет работать более динамично и сможет обеспечить больший ток при меньших перепадах. При балансировке малыми токами это не поможет, но вот в конце заряда/разряда может выручить.
4. Плата защиты, она нужна. Когда подключал/отключал провода, да и вообще ковырялся с платой, то все боялся что что-то коротнет, спецэффекты были бы знатные 🙂
На этом у меня пока все, надеюсь что было полезно.
Источник