Как на транзисторах сделать блок-схему балансировки на любое количество литий-ионных аккумуляторов

Как работает заряд батарей?

Аккумуляторы на литиевой основе заряжаются в два этапа. Первый – при постоянном токе, второй – при постоянном напряжении. На протяжении 1-го этапа устройство для зарядки плавно увеличивает напряжение так, чтобы батарея брала определенный ток. Доведя напряжение до четырех вольт, первый этап заканчивается, после чего наступает следующий – плавное поддержание напряжение аккумулятора на уровне 4.2 вольта.

Как только источник питания прекратит прием тока, система зарегистрирует это поведение как завершение зарядки. Реализация этого алгоритма также возможна с использованием обычных лабораторных блоков питания. Но это не всегда актуально, учитывая активное применение специализированных микросхем, предварительно настроенных под соблюдение четкой последовательности действий, указанных выше. Примером такой схемы является TP4056 – она может заряжать устройство, подавая ток величиной не более 1 А.

Что такое система управления батареей (BMS)?

BMS — это электронная плата, устанавливаемая на АКБ для выполнения таких задач:

1. Контроль зарядки/разрядки и количества циклов зарядки/разрядки.
2. Отслеживание состояния электронакопителя и его компонентов.
3. Защита элементов АКБ.
4. Контроль напряжения, температуры и сопротивления элементов электробатареи.
5. Распределение токов между компонентами электроаккумулятора по ходу процесса зарядки.
6. Контроль тока заряда.
7. Защищённое подключение/отключение нагрузки.
8. Определение потери ёмкости от дисбаланса.

BMS получает данные и на их основе балансирует заряд компонентов, предохраняет батарею от КЗ, излишнего разряда и излишнего заряда, перегрузки по току, перегрева и переохлаждения. Функционал БМС не только повышает эффективность работы аккумуляторов, но и в значительной степени продлевает срок эксплуатации накопителей. Если АКБ доходит до критического состояния, BMS принимает соответствующее решение: она запрещает использование накопителя в системе, просто отключая его. Есть такие вариации BMS, в которых разработчики организовали запись данных о функционировании электробатареи и их передачу на ПК.

BMS очень важна для такой разновидности АКБ, как литий-железо-фосфатная (обозначается LiFePO4). Эти изделия весомо переигрывают своих Li-ion оппонентов по безопасности, производительности, а также стабильности. Однако у LiFePO4 АКБ есть один недостаток: девайсы восприимчивы к перезаряду, а также к разряду ниже допустимого для них напряжения. Поэтому система управления аккумулятором устанавливается на LiFePO4 в обязательном порядке, так будет максимально снижен риск порчи отдельных ячеек АКБ и полной поломки агрегата.

В идеале, напряжение каждого из компонентов находящегося в составе LiFePO4 аккумулятора, не должно выходить за определённые рамки и оно должно быть у всех составляющих одинаковым. Как обстоят дела на самом деле? Очень редко можно встретить аккумуляторную батарею, у которой все элементы входящие в её состав демонстрируют идеально ровную ёмкость. Думаете различие всего на долю-другую ампер-часов останется незаметным и всё обойдётся? Ошибаетесь! Даже такая мизерная разница, может в дальнейшем обусловить разность напряжения при процессе зарядки/разрядки. Для LiFePO4 эта самая разница может обернуться довольно печальными последствиями.

Если ячейки соединены параллельно, то напряжение на каждой будет находиться почти на одном и том же уровне: те компоненты, которые окажутся более заряженными, смогут тянуть своих менее заряженных коллег. А вот при последовательном подключении, к сожалению, ровного распределения заряда ожидать не приходится. Чем это чревато? А тем, что одни компоненты будут недозаряжаться, а другие наоборот, будут получать избыточный заряд. Не стоит обманываться, если общее напряжение по окончанию зарядки дойдёт практически до идеального показателя.

Даже при скромном превышении заряда некоторых элементов аккумуляторной батареи, имеет место деградация: электронакопитель по ходу эксплуатации не сможет отдавать нужную ёмкость и из-за неравномерного распределения заряда, агрегат в ускоренном режиме станет сдавать свои былые позиции и по итогу, дойдёт до полной неработоспособности. Компоненты с самым маленьким уровнем заряда станут просто-напросто слабым звеном аккумуляторной батареи: они будут довольно быстро разряжаться, а вот элементы обладающие большей ёмкостью будут разряжаться только отчасти.

В этом случае помогает балансировка аккумулятора , которую осуществляет BMS. Микросхема тщательно отслеживает чтобы все компоненты АКБ по окончанию зарядного процесса получили равномерное напряжение. Когда зарядное мероприятие подходит к логическому окончанию, БМС осуществляет балансировку посредством шунтирования подзарядившихся компонентов либо же переправляет энергию ячеек с повышенным напряжением, компонентам на которых оно меньше. Блок контроля АКБ, балансируя агрегат и контролируя температурный режим, а также осуществляя ряд других функций, обеспечивает максимально долгий срок эксплуатации батареи.

Принцип работы

Разберемся, как работает BMS-плата, использовав в качестве примера модель, собранную на специализированном контроллере HY2120 Series. Конструктивно устройство представляет собой два полевых транзистора, включенных встречно-последовательно. На схеме это сборки 8205А, включенные попарно-параллельно. Оба транзистора управляются при помощи HY2120.

Пока напряжение на батарее в норме, открыты оба транзистора – энергию от АКБ можно брать и ей отдавать (зарядка). Если напряжение на любой из ячеек снизится до минимально допустимого (около 2.5-2.9 В), закроется транзистор M1 и запретит разрядку. Заряжать же батарею можно – М2 открыт, а закрытый М1 зашунтирован диодом в обратном направлении. Когда в процессе зарядки напряжение на любой из ячеек достигнет 4.2 В, контроллер закроет М2. Зарядка прекратится, но М1 открыт, а М2 зашунтирован – энергией можно пользоваться.

Эта же микросхема контролирует и ток разряда (вывод CS). В качестве токоизмерительных резисторов используются сопротивления переходов транзисторов М1 и М2. Вот и все, что умеет этот простенький контроллер. Балансира, как мы видим, нет. Есть только контроль по напряжению каждой ячейки и общему току разряда. Схема настолько проста, что ее можно собрать своими руками. Но есть и сложные схемы с использованием программируемых микроконтроллеров.

Функции BMS

Рассмотрим функции BMS, которыми они оснащаются в зависимости от модели:

• контроль глубины разряда;
• контроль уровня зарядки;
• контроль зарядного/разрядного токов;
• контроль температуры батареи или каждой ячейки;
• контроль уровня заряда и глубины разряда каждой ячейки;
• балансировка (выравнивание уровней заряда) каждой ячейки;
• ведение статистики – количество циклов заряда/разряда, режимы и время работы, объём энергии и пр.;
• передача на внешнее устройство текущей информации об АКБ и статистики, управление и настройка режимов с внешнего устройства.

Для чего нужна BMS (основное назначение)

• Защита составляющих электронакопителя от повреждений.
• Продления срока службы АКБ.
• Поддержание агрегата в таких кондициях, при которых он в максимальной степени будет выполнять все поставленные перед ним задачи.

Вообще, понятие BMS — весьма широкое, поэтому оно распространяется практически на всё оборудование, обеспечивающее корректное функционирование АКБ. Это могут быть как простенькие платы защиты либо балансировки, так и более сложные микроконтроллерные приспособления.

То, что сейчас предлагают разработчики, можно условно выделить в 4 категории:

1. Балансиры.
2. Защитные устройства (по току и напряжению).
3. Платы, обеспечивающие подзарядку — они так же относятся к BMS-устройствам.
4. Сочетания приведённых вариантов (система может включать в себя даже все варианты сразу).

Особенности схемы устройств для балансировки АКБ

В общей сложности, схема балансировки аккумулятора выступает в качестве стабилитрона повышенной мощности, на который подается низкоомная нагрузка. Посредством микросхем D1 ведется измерение напряжения на минусовой и плюсовой стороне аккумуляторной батареи. При достижении максимального значения открывается транзистор повышенной мощности, через который проходит все напряжение от зарядного устройства.

Учитывая небольшие размеры блоков, у мастеров появляется возможность без проблем устанавливать их на элемент. Правда, не стоит забывать о потенциале отрицательного полюса, появляющегося на корпусе источника питания. Важно проявлять максимальную осторожность в ходе установки систем общего радиатора. Обязательным условием является использование изоляции для транзисторных корпусов.

Упрощенные схемы балансиров

Упрощенный балансир для аккумуляторов обычно разрабатывается на основе TL431. Задача резисторов R1 и R2 заключается в поддержке стабильного напряжения. Если имеющийся тип батареи несовместим с имеющимися резисторами, для нее можно выбрать другие резисторы. От транзистора передается эталонное напряжение, после чего, ближе к границе требуемого тока система приступает к постепенному открыванию транзистора. Тем самым она предотвращает превышение заданного мастером напряжения. При минимальном увеличении подаваемого тока транзисторное напряжение быстро увеличится.

К категории упрощенных балансиров подходят практически любые PNP-транзисторы, предназначенные для работы в пределах установленных токов/напряжений. Если источник питания должен получить ток 500 миллиампер, мощность транзистора составит 2.1 вольта. Идентичный уровень потеряет транзистор, вследствие чего систему надо снабдить небольшой системой охлаждения. При одноамперном зарядном токе или превышении этого значения увеличивается мощность потерь. Следовательно, с каждым разом системе будет сложнее избавляться от чрезмерной тепловой энергии. При выборе делителя напряжения необходимо ориентироваться на предельную величину напряжения ограничения, которого надо добиться.

Виды плат

Платы защиты, как мы выяснили, бывают разными. Самые простые следят за напряжением АКБ и током. Стало напряжение ниже допустимого или ток выше заданного, включая КЗ, модуль отключает нагрузку. Стало выше положенного – отключает ЗУ – батарея заряжена. Более сложные устройства контролируют температуру аккумулятора, поскольку все литиевые элементы боятся перегрева.

Если плата рассчитана на работу не с одним аккумулятором, а с батареей, то, как мы выяснили, она может иметь в составе балансир. Некоторые из них даже контролируют температуру каждой ячейки. Количество каналов балансира тоже разное – до 10 и более. Схема балансировки, как мы знаем, может быть пассивной и активной.

Особняком стоят интеллектуальные устройства, собранные на микроконтроллерах. Они кроме вышеперечисленных функций ведут статистику – время работы, текущие напряжения и ток, оставшееся количество энергии, отданная мощность и пр. Информация может выводиться на встроенный дисплей, накапливаться или передаваться на внешнее устройство – к примеру, ПК.

Таким образом, есть из чего выбрать, но нужно иметь в виду, что каждая функция платы BMS – дополнительные деньги. Так что не стоит брать то, что больше умеет. Покупайте модуль с тем функционалом, который вам действительно необходим. Зачем, к примеру, статистика, дисплеи и внешние интерфейсы, если ваше устройство – плеер или даже электросамокат? Зачем гибкая программная настройка диапазонов напряжений, токов и температур для этих устройств? Вам нужен не стенд, а плата защиты.

Контроллеры заряда и схемы защиты — в чем разница?

Важно понимать, что модуль защиты и контроллеры заряда — это не одно и то же. Да, их функции в некоторой степени пересекаются, но называть встроенный в аккумулятор модуль защиты контроллером заряда было бы ошибкой

Сейчас поясню в чем разница.

Важнейшая роль любого контроллера заряда заключается в реализации правильного профиля заряда (как правило, это CC/CV — постоянный ток/постоянное напряжение). То есть контроллер заряда должен уметь ограничивать ток зарядки на заданном уровне, тем самым контролируя количество «заливаемой» в батарею энергии в единицу времени. Избыток энергии выделяется в виде тепла, поэтому любой контроллер заряда в процессе работы достаточно сильно разогревается.

По этой причине контроллеры заряда никогда не встраивают в аккумулятор (в отличие от плат защиты). Контроллеры просто являются частью правильного зарядного устройства и не более.

Кроме того, ни одна плата защиты (или модуль защиты, называйте как хотите) не способен ограничивать ток заряда. Плата всего лишь контролирует напряжение на самой банке и в случае выхода его за заранее установленные пределы, размыкает выходные ключи, отключая тем самым банку от внешнего мира. Кстати, защита от КЗ тоже работает по такому же принципу — при коротком замыкании напряжение на банке резко просаживается и срабатывает схема защиты от глубокого разряда.

Путаница между схемами защиты литиевых аккумуляторов и контроллеров заряда возникла из-за схожести порога срабатывания (~4.2В). Только в случае с модулем защиты происходит полное отключение банки от внешних клемм, а в случае с контроллером заряда происходит переключение в режим стабилизации напряжения и постепенного снижения зарядного тока.

Контроллер заряда Li-ion аккумулятора своими руками

Контроллер — электронная плата которая по характеристикам поддерживает рабочее напряжение и ток разряда. То есть напряжение контроллера должно отвечать характеристике прибора. Токовая нагрузка подбирается в 2 раза ниже предельной. Значит, для 18650 ток должен быть 12-15 А, для 26650 – 30-40 А.

Под контроллером заряда-разряда понимают схему защиты от слишком глубокого разряда, он же препятствует перезаряду банок выше 4,2 В. Но это только защита. Настоящий контроллер установлен в ЗУ, рассчитан на зарядку в 2 этапа с последующим отключением аккумулятора. Зарядное устройство это не блок питания. Назначение этого инструмента стабилизировать ток на первом этапе процесса, при этом выходное напряжение зависит от тока нагрузки.

В конструкции предусмотрены резисторы для регулирования выходного напряжения, индикации окончания заряда, порога ограничения выходного тока. Микросхема LM2596 выступает в виде контроллера ШИМ, компаратор LM358 поддерживает параметры тока, управляет индикацией. Стабилизатор 78L05 питает компаратор и поддерживает напряжение.

Для того, чтобы отключить аккумулятор именно в момент полного набора заряда, необходимо доработать схему. Такая доработка обусловит отключение зарядки при достижении полного заряда.

Защитная плата MBS отключит аккумулятор при достижении полного заряда. Но она срабатывает с некоторым опозданием. Поэтому батарея может получить небольшой перезаряд, сокращающий срок службы дорогого прибора.

Комплектация Li-ion аккумулятора своими руками

Используя последовательное соединение, мы суммируем напряжения всех батареек, емкость считается по самой слабой. В параллельном соединении суммируются емкости банок, ток, а напряжение остается как на одном элементе. Чтобы удвоить емкость и получить большую разность потенциалов, нужно пары соединить параллельно, и включить их в связках в общую цепь последовательно.

Выполняя своими руками сборку Li-ion аккумуляторов, необходимо учесть, корпус банок нельзя разогревать. Нужно пользоваться точечной сваркой или очень мощным паяльником со специальным флюсом. Перемычки выполняют из толстого изолированного провода, уменьшая сопротивление, исключая нагрев. Можно воспользоваться специальной токопроводящей лентой. Соединять аккумуляторы нужно с помощью термоклея и клейкой термоленты.

Последовательное соединение работает правильно, если банки имеют равные параметры, и каждая поглощает равный заряд. Задачу решают с помощью балансиров, которые являются неотъемлемой частью схемы.

Для того, чтобы каждый элемент не получил излишний заряд и не разрядился ниже нормы, используют защитные платы на каждом элементе или общую защитную плату, рассчитанную на конкретное количество банок – 3S, 4S, 6S. Зачастую в MBS включен балансир.

Уровень заряда аккумулятора необходимо контролировать, для этого используют индикатор. Актуально знать, сколько энергии в батарее, чтобы своевременно подзарядить прибор.

Изготовление BMS платы

Если планируется использовать 3 батареи в одной цепи, то все контроллеры для каждого АКБ можно собрать на одной плате.

Изготавливаем плату и готовим все элементы.

Устанавливаем все детали и припаиваем. Вывода откусываем.

Настройка BMS платы

Перед подключением аккумуляторов в схему каждый контроллер необходимо отрегулировать.

Устанавливаем на блоке питания напряжение 4,2 В и подключаемся к первому контроллеру.

Вращением переменного резистора добиваемся начального свечения светодиодов.

Далее подобным образом настраиваем два последующих контроллера.

Припаиваем провода к плате и подключаем к каждому АКБ.

Схема зарядки

Данные контроллеры отслеживают превышение напряжения, но для регулировки тока зарядки нужно собрать еще небольшую схему из двух стабилизаторов, контролирующих ток и напряжение.

Заряжать линейку из трех АКБ будем от блока питания ноутбука 19 В. Первый стабилизатор на LM317 ограничивает напряжение до 14 В, второй ограничивает ток до 600 мА.

В принципе под все задачи можно было бы использовать одну микросхему LM317, но в данном примере мощности бы ее не хватило, поэтому разбивка была на две микросхемы.

Подключаем схему и производим зарядку АКБ.

Свечение всех светодиодов указывает на завершение зарядки и полном заряде всех элементов.

Вот такая несложная схема поможет быстро и сразу зарядить множество литий-ионных аккумуляторов.

Как вам статья?