Балансир для 24 батарей LiFePo

Ранее уже публиковалась статья с описанием блока управления электродвигателем автомобиля . На тот момент в электромобиле использовалась батарея из 6-ти автомобильных аккумуляторов, которая изначально планировалась как временная. Поэтому вопросу заряда аккумуляторов большого внимания не уделялось. Тем не менее эти аккумуляторы прослужили 2 года, что совсем не мало для свинцовых аккумуляторов.

И вот пришло время менять аккумуляторы. На ТаоБао были приобретены LiFePo аккумуляторы емкостью по 50 А*ч. Там же было приобретено зарядное устройство  на 24 аккумулятора с током 10 Ампер и максимально допустимым выходным напряжением 88 Вольт и BMS для 24 аккумуляторов. И если к зарядному устройству изначально, да и в дальнейшем, претензий не возникало, то к BMS сразу возникли сомнения.

Для начала рассмотрим физику процесса заряда LiFePo батарей. Как минимум должны соблюдаться условия: каждая ячейка в батарее должна заряжаться до напряжения не выше 3,7 Вольта и желательно, чтобы в батарее все ячейки в конце заряда имели одинаковое напряжение. Предварительно отмечу, что заряжать литиевые аккумуляторы надо от ЗУ, которое наряду с ограничением тока заряда имеет и максимальное выходное напряжение, не превышающее допустимого напряжения всей аккумуляторной батареи. То есть заряжать, к примеру, пять аккумуляторов необходимо от зарядного устройства с максимальным выходным напряжением 18 Вольт (5*3,6 = 18), но никак не 20 Вольт. Купленное зарядное устройство выдает нам 88 Вольт, что в пересчете на 1 ячейку дает нам 3,67 Вольта. Таким образом, если все ячейки будут заряжены одинаково, то перезарядить наши аккумуляторы мы не сможем. А вот чтобы обеспечить одинаковое напряжение заряда применяются так называемые "балансиры". Сразу отмечу, что "балансиры" и BMS - это разные вещи и на этом я остановлюсь позднее. В простейшем случае "балансир" - это резистор, подключаемый параллельно аккумулятору при определенном напряжении и таким образом уменьшающий ток заряда, протекающий через аккумулятор. При этом в общем случае заряд аккумулятора не прекращается, он продолжается уже током меньшей величины. Это представлено на схеме (к примеру взяли 5 аккумуляторов).

Для простоты принято, что зарядное устройство (ЗУ) выдает ток 10 Ампер при максимально возможном выходном напряжении 18 Вольт и резисторы имеют сопротивление 1 Ом. На первом этапе когда к зарядному устройству подключены разряженные (допустим до 3,3 Вольта) аккумуляторы, то через них идет ток заряда 10 Ампер, при этом напряжение на всей батарее и на выходе ЗУ составит 3,3*5 = 16,5 Вольт (не забываем, что ЗУ - это источник тока). По мере заряда напряжение на аккумуляторах возрастает и наступает момент, когда параллельно аккумулятору подключается резистор. Наступает второй этап, когда часть тока уже протекает через резистор (3-й и 4-й аккумуляторы). Понятное дело, что данные аккумуляторы уже заряжаются медленнее. Особо хочется отметить - АККУМУЛЯТОРЫ ПРОДОЛЖАЮТ ЗАРЯЖАТЬСЯ и возможная такая ситуация, что один из аккумуляторов достигнет 4,2 Вольта, а остальные буду по 3,45 Вольта, что в сумме даст нам 18 Вольт. В принципе балансирующие резисторы можно включать как при напряжении в 3,4 Вольта, так и при напряжении 3,5 Вольта - при максимально выдаваемым ЗУ напряжении 18 Вольт так или иначе все аккумуляторы примут напряжение 3,6 Вольта. Даже если по какой-либо причине некоторые аккумуляторы и достигнут напряжения сверх нормы (как описано выше), то за счет балансирующих резисторов и ограничения верхнего напряжения ЗУ напряжение на аккумуляторах выравняется за счет протекания зарядного тока, пусть и меньшей величины. Это в несколько упрощенном виде демонстрирует схема ниже. Понятно, что на аккумуляторах, через которые протекает зарядный ток (1,2,5) постепенно повышается напряжение, а уже заряженные выше нормы аккумуляторы (3,4) разряжаются через балансировочные резисторы. Теперь должно быть ясно, почему верхний порог напряжения ЗУ должен быть на уровне, соответствующем количеству аккумуляторов. Балансир ведь просто уменьшаем зарядный ток и дает возможность разрядится перезаряженным аккумуляторам, но не ограничивает и не прекращает заряд, а уж тем более не отключает батарею или аккумуляторы от ЗУ (хотя наверняка есть устройства, которые и это могут).

Разберем теперь возможные варианты балансирующих резисторов, а именно их номинал и момент подключения. На первый взгляд, чем меньше номинал резистора, тем лучше. Заряженный аккумулятор практически полностью выпадает из цепи заряда и ток, выдаваемый ЗУ, протекает через резистор. Но не забываем, что в этом случае на резисторе выделяется значительная тепловая мощность. Если же сопротивление резистора велико, то уменьшается доля тока, протекающего через резистор когда аккумулятор зарядится, что приведет к увеличению времени, необходимого для выравнивания напряжения.Момент подключения балансировочного резистора желательно выбирать как можно ближе к моменту полного заряда аккумулятора. Это приводит к снижению тепловых потерь. В то же время желательно выбрать такой момент, чтобы аккумуляторы, быстрее других набирающие заряд, не перезарядились - для этого необходимо балансировочные резисторы подключать пораньше.В итоге получается, что чем меньше номинал резистора, тем ближе к моменту полного заряда его можно подключать, но и тем больше на резисторе тепловые потери. И наоборот, при сравнительно большом номинале резистора его необходимо подключать параллельно аккумулятору пораньше, что на более раннем этапе обеспечит уменьшение зарядного тока через более "здоровые" аккумуляторы. Но тут есть еще один момент. Большинство "балансиров" умеют только подключать-отключать балансировочный резистор в зависимости от напряжения на аккумуляторе. И если мы по какой-то причине выбрали порог подключения, допустим, 3,4 Вольта, то по окончании процесса, когда напряжение достигнет 3,7 Вольта, само ЗУ отключится, но к аккумуляторам все равно будут подключены балансировочные резисторы, которые будут разряжать аккумулятор до напряжения 3,4 Вольта и только потом эти резисторы будут отключены. Практически при этом уже заряженные аккумуляторы будут работать на нагрев резисторов и окружающей среды, но мы же не для этого покупали аккумуляторы.

Вернемся к приобретенной BMS.

Как видно она несколько отличается от фото на сайте TaoBao. Из крупных деталей на плате расположены полевые транзисторы, выполняющие роль мощного ключа и отключающие аккумуляторную батарею от нагрузки при глубоком разряде, а также ряд балансировочных резисторов, каждый габаритной мощностью 2 Ватта. Эти детали прижимаются к алюминиевой пластине, служащей радиатором. Все остальные элементы в исполнении для поверхностного монтажа, расположены с другой стороны и, как положено в китайской технике, все маркировки сточены. Сразу вызвал сомнение номинал балансировочных резисторов - 56 Ом, что при напряжении на аккумуляторе в 3,6 Вольта даст ток порядка 64 мАмпера. При токе заряда в 10 Ампер балансировочный ток в 64 мАмпера выглядит как-то несерьезно и при таком токе балансировки потребуется очень много времени для выравнивания напряжения на аккумуляторах, входящих в батарею. На мысль о том, что китайский производитель где-то ошибся в номинале резисторов наводил и тот факт, что рассеиваемая на резисторах мощность должна составлять 3,6 В * 0,064 А = 0,2304 Ватт, что мало вяжется с 2-х ваттными резисторами, прилегающими к алюминиевой пластине. Проверить данное BMS в работе не удалось, поскольку при первом же включении выяснилось, что часть ключей уже пробиты и светодиоды, сигнализирующие о заряде аккумуляторов в батарее, горят постоянно.

Повторно связываться с китайским производителем уже не было желания и решено было делать балансир самостоятельно. Поскольку контроль напряжения всей АКБ уже имелся в блоке управления электромобиля, то необходима была только схема, производящая балансировку аккумуляторов при заряде. За основу была взята широко известная схема балансира. Следует отметить, что практически все схемы балансиров строятся одинаково: пороговый элемент (как правило на TL431) и ключ (как правило транзистор), подключающий балансировочный резистор. Схема ячейки для балансировки одного аккумулятора представлена ниже.

Микросхеме TL431и резисторы R1, R2, RV1 образуют пороговый элемент. Изменяя положение подвижного контакта потенциометра RV1 можно изменять напряжение, при котором начинает пропускать ток TL431. Протекающий ток приводит к открыванию транзистора Q1, который подключает балансировочный резистор R3 параллельно аккумулятору. На практике проверено, что нет необходимости в токоограничительном резисторе в базовой цепи транзистора Q1, а также в резисторе R5, который на плату не устанавливался. Если имеются прецизионные резисторы R1 и R2, то можно исключить из схемы и RV1, предварительно рассчитав номиналы резисторов R1и R2. В качестве транзистора Q1 были проверены транзисторы SS8550 и КТ816 - работают нормально. Светодиод сигнализирует о подключении балансировочного резистора к аккумулятору и соответственно служит индикатором заряда. Номинал балансировочного резистора выбран 5,1 Ом, что дает нам балансировочный ток на уровне 500-600 мАмпер и рассеиваемую мощность на резисторе около 2 Ватт. Это позволило отказаться от сравнительно габаритных и дорогих керамических резисторов, а также позволило использовать дешевые транзисторы. Даже несмотря на то, что TL431 не сразу переключается при достижении заданного порогового уровня и транзисторы при этом не полностью открыты и на них рассеивается сравнительно большая мощность, установка радиаторов для транзисторов не требуется. На момент монтажа деталей в продаже не оказалось резисторов на 5,1 Ом, поэтому пришлось использовать резисторы номиналом 4,7 Ом, что не сказалось на работе устройства (ну может сильнее греться стало).

Каждый балансир собран на отдельной плате в виде двухполюсника.

Интересный факт. Выяснилось, что некоторые транзисторы, промаркированные как 8050 (SS8050, S8050,8050, C8050 и т.д.) имеют разную распиновку. По даташиту их цоколевка должна быть ЭБК, но некоторые имеют цоколевку ЭКБ. Соответственно на плате предусмотрены посадочные места для обоих вариантов, а также для установки КТ816. Это видно на фото выше, где транзисторы установлены в разные места.

Далее каждый двухполюсник подключается к аккумулятору (если смотреть схемы в начале статьи, то вместо ключа и резистора) с соблюдением полярности. Их можно смонтировать либо непосредственно на выводах аккумуляторов, либо соединить на отдельной плате с разъемом, для подключения к аккумуляторам.

А вот и уже установленная в электромобиль и в процессе заряда аккумуляторов. Видно, что некоторые аккумуляторы уже заряжены (светодиоды горят ярко), некоторые на пороге зарядки, а некоторым еще предстоит зарядка полным током. В реальности аккумуляторы на пороге зарядки, т.е. когда светодиоды горят " вполнакала" пребывают максимум одну-две минуты. Все-таки TL431 имеет достаточно узкий порог включения и не требует применения дополнительных мер типа "триггера Шмитта" и т.п.

При зарядке выяснилось, что все-таки все вместе балансиры прилично греются (все-таки 24 резистора по 2 Ватта) и пришлось их принудительно обдувать вентилятором.

К настоящему времени данный балансир уже более двух месяцев находится в эксплуатации. Каких-либо нареканий не вызывает, выполняет возложенные на него функции и не требует особого внимания - как и должна работать правильно собранная электроника.

Ну и небольшое отступление. Раньше даже на свежих свинцовых аккумуляторах электромобиль проезжал от силы 15 километров. После этого срабатывала защита от переразряда аккумуляторов (т.е. аккумуляторы уже слишком сильно разряжались). Сейчас на одной зарядке электромобиль проезжает 45 километров и заряд еще в норме. Почему на выяснили порог разряда? Да просто при средней скорости 30 км/час проехать 45 километров - это надо 1,5 часа времени. Поверьте, у нас нет столько свободного времени. Да, и при токе заряда в 10 Ампер (именно такой ток дает зарядное устройство) заряжать приходится часов 6-8, в общем на сколько хватить терпения. Поскольку оставлять электромобиль на ночь без присмотра все таки боязно, а найти более мощное зарядное устройство на такое напряжение пока не удается. Поэтому есть подозрение, что аккумуляторы еще и не полностью набирают заряд. Так что наш вывод: литиевые аккумуляторы на электротранспорт.

Ну и как полагается в приложенном архиве схема в PROTEUS и печатная плата в Sprint-Layout 6.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout
• Proteus
• LiPo аккумулятор