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.
Список радиоэлементов
Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
---|---|---|---|---|---|---|
VD1 | ИС источника опорного напряжения | TL431A-Q1 | 1 | Корпус SOT23, по количеству балансиров | Поиск в магазине Отрон | |
T1 | Биполярный транзистор | MMBT3906 | 1 | Корпус SOT23, по количеству балансиров | Поиск в магазине Отрон | |
T2 | MOSFET-транзистор | FDD8447L | 1 | По количеству балансиров | Поиск в магазине Отрон | |
R1 | Резистор | 180 Ом | 1 | Типоразмер 0805 | Поиск в магазине Отрон | |
R2 | Резистор | 150 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||
R3 | Резистор | 4.7 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||
R4 | Резистор | 11 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||
R5 | Резистор | 220 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||
R6 | Резистор | 10 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||
R7 | Резистор | 10 Ом | 1 | 2 Вт, по количеству балансиров | Поиск в магазине Отрон | |
Скачать список элементов (PDF)
Прикрепленные файлы:
- Пл_нов_балл_170714.lay (57 Кб)
Комментарии (376)
|
Я собрал (0) |
Подписаться
Для добавления Вашей сборки необходима регистрация
И как учтены токи утечки через ТЛ-431, резисторы и полевой ключ?
Там может набраться более 100 мкА...
Батарейка-то сдохнет через недельку-другую...
[Автор]
[Автор]
"идею"... Я просто улыбнусь в ответ. Полагаю - Вы тоже улыбнётесь, но чуть позже.
У меня подобная схема работает давно, правда без балансира, а только как индикатор заряда фонаря.
Только диод выпрямительный, т.к. у шоттки большой обратный ток. Ток 100-200ма. Правда АКБ свинцовый, большой точности не требуется. Если не трудно объясните в чём здесь может быть подвох?
Вопрос такой: можно ли нижнее напряжение сделать не 3,55, а немного другое, как выше, так и чуть ниже?
[Автор]
Да. Ошибочка вышла Р канальный не подойдет. Провел опыты-фигня получается
[Автор]
http://forum.cxem.net/index.php?/topic/139446-обсуждение-статьи-блок-питания-инвертор-с-адаптивным-ограничением-тока/&page=6
Но надо иметь ввиду, что биполярный силовой ключ будет греться сильнее полевого.
В данном балансире предусмотрена защита от переразрядки? Насколько я знаю, литий-ионные аккумуляторы боятся избыточной разрядки.
Также меня интересует следующее:
1. Можно ли подключить последовательно два литиевых аккумулятора, но к каждому из них прикрепить балансир со своим порогом, например 2В и 4В?
2. Можно ли подключить последовательно два или больше аккумуляторов разных типов и к каждому прикрепить балансир со своим порогом, например, подключить последовательно литий-ионный(Li-ion) аккумулятор с балансиром с порогом на 4,2В, свинцово-кислотный с балансиром с порогом на 1,5В, LiFePO4 с балансиром с порогом на 3,6В? Или это всё не совместимо?
Буду благодарен за ответ!
[Автор]
Смешивать аккумуляторы разных химий в одном аккумуляторе на мой взгляд технически неграмотно...- это сулит массу ничем не оправданных проблем.
Если предположить что Т2 насыщен то всё напряжение упадет на R7 и максимальная мощность будет меньше двух ватт.
Какая разница где выделится это тепло то-ли на Т2 и R7 либо только на Т2. А Т2 судя по спецификации это FDD8447L который легко рассеет такую мощность.
[Автор]
... но что греть, резистор или полупроводник - решайте сами.
[Автор]
[Автор]
Чем больше я пишу, тем ленивее Вам читать...
Сергей, и про индикацию вопрос давно решён....
пытливый, наличие гистерезиса с Вами обсуждать - уже смешно... - всё промоделировано уже давным давно ... Балансирами пользуются уже куча народу...
Сколько можно сомневаться...?
Не нравиться - ну придумайте уже свой балансир и пользуйтесь... Может пока свой будете придумывать и с этим, наконец, разберётесь.
Не надо писать про все мысли родившиеся за пять минут...., ну хотя бы на неделю напрягитесь.
Удачи.
[Автор]
Для зарядки Вам понадобится БП с напряжением на выходе равным:
14,15 Х 4 = 56,6 Вольт, обеспечивающий ограничение тока на выходе в районе 10-ти Ампер ( меньше - можно).
Схему балансира для "свинца" найдёте здесь
Так будет если ток шунтирующего резистора идеально совпадет с током заряда, а такое на практике сложно прогназируемо. В итоге ток не совпадет и ячейка будет или продолжать заряжаться или начнет разряжаться. А совпасть они ни как не смогут, т.к. как только ячейка зашунтируется, напряжение на батарее измениться, в следствии чего и зарядный ток изменится. Чем больше ячеек будут шунтироваться тем больше будет изменятся ток заряда.
[Автор]
Представь ситуацию, когда напряжение на секции аккумулятора и балластном резисторе уже равны ( а это случится рано или поздно само собой ) , ток зарядки уже равен нулю ( так как нет разности потенциалов на аккумуляторе и балластном резисторе ), а ток через балластный резистор -масимален.... Это состояние окончание зарядки и балансировки..., и оно абсолютно стабильно, то есть может длиться "вечно"....
Больше не знаю, как Вам помочь... - понимание - это такая штука - оно может наступить быстро, а может не наступить никогда.... :)
ПС: как только откррется транзистор, напряжение на ячейке и на резисторе будет одинаковым, т.к. они будут подключены параллельно, не счтэитая транзистора. И от тока заряда это не зависит.
[Автор]
Смысл, если очень коротко - ограничение тока в БП ЗУ сделано своеобразно - датчик тока нагрузки включен в цепь усилителя обратной связи. Таким образом - увеличение тока нагрузки приводит к снижению напряжения на выходе БП ЗУ, что и приводит к снижению (ограничению) тока.
Термин возник спонтанно... - как то надо было это обозвать - не судите строго...
Но само решение довольно универсально, и позволяет легко доработать под свои нужды любой стабилизированный БП.
[Автор]
Лучше почитайте вот эту Тему -
http://electrotransport.ru/ussr/index.php?topic=16967.234#topmsg
Там есть решение, где секции аккумулятора балансируются парами. А для питания устройств контроля используется суммарное напряжение двух секций.
[Автор]
[Автор]
Что касается TL431 - у них бывает разная цоколёвка.
Это настолько очевидно. Еще раз никакой гистрезис НЕ НУЖЕН. Еще раз ничего страшного в активном режиме работы транзистор нет
[Автор]
Что греть, резистор или полупроводник уже обсуждалось задолго до Вас. Что бы Вы не сказали, Вы не добавите ничего нового к уже сказанному....
Сами же - грейте что хотите - никто не неволит....
[Автор]
А как с этим обстоит дело в промышленных контроллерах? Может быть, следует сравнивать напряжение на ячейках между собой всё время в процессе зарядки и на основании этих сравнений и шунтировать элемент?
Если кто спросит — а зачем нужна неполная зарядка, то ответ таков: это способ существенного удлинения срока жизни батареи.
способы балансировки
[Автор]
Но, балансируют-то аккумулятор именно для того, чтобы выжать из него максимум ёмкости.
В промышленных контроллерах процесс заряда принципиально не отличается ничем, потому, что предельные режимы зарядки ограничены самой физикой (химией ) процесса. Поясню - повысить ток зарядки в самом конце зарядки невозможно потому, что это приведет к повышению напряжения на аккумуляторе выше предельно допустимого (для понимания сути - нет разности потенциалов - нет тока зарядки...).
[Автор]
Кроме того - ВСЕ секции (отдельные "банки") аккумулятора должны быть соединены НЕПОСРЕДСТВЕННО своими выводами...А у Вас как?
Но, организовать зарядное устройство, используя указанную Вами микросхему, возможно, но на совсем другом принципе. Можно реализовать ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ЗУ.
Если Вам не лень сделать несколько гальванически НЕ связанных источников напряжения 5 Вольт (от нескольких не связанных обмоток трансформатора, например...), то подключите к ним указанные Вами микросхемы, и заряжайте от них каждую секцию персонально.
У этой системы свои недостатки - она более громоздка и имеет худший КПД, но есть и плюс - балансир здесь не нужен в принципе.
На сайте http://www.mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=293 наткнулся на схему балансира на микросхеме ICL7660 (MAX1044). Что скажете про эту схему? Имеет ли право на существование? Защитит ли данная схема от перезарядки или надо что-то химичить дополнительно? Схему прилагаю. Заранее благодарю за ответ.
[Автор]
[Автор]
P.S. Спокойно использую до 1,5А зарядного тока...
[Автор]
[Автор]
"...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....."
Алексей, Вы бы ещё Днепрогэс к аккумулятору подключили....
Короче, всех "опровергателей" касается (Алексей, Вы тоже в их числе..) - если кому то опять покажется, что описанный в статье балансир неработоспособен, а информации в СТАТЬЕ, в трёх листах КОММЕНТАРИЕВ, в ТЕМЕ на форуме
привязанной к статье для понимания принципа работы балансира всё ещё недостаточно, то я Вам уже ничем помочь не смогу...
Глупые повторяющиеся вопросы и "советы" будут игнорироваться и с помощью модераторов удаляться.
Без обид... - ничего личного.
Или ты от обычного блока питания пытаешься заряжать батарею? Тогда выставляй _ПРАВИЛЬНОЕ_ напряжение (см. выше) перед каждой зарядкой, измеряя его поверенным вольтметром. И молись, чтобы оно не уплыло в процессе в б́́Ольшую сторону. А балансир твой БП в зарядку никак не превратит. У него совсем другая функция.
[Автор]
[Автор]
Но если сильно надо - сопротивления резисторов для ориентира -
R3=18,8k
R4=10k
R2 и R5 желательно увеличить в два раза.
Номиналы дал для ориентира. Уточните сами при настройке. Без предварительного макетирования не используйте...
Вы можете помочь собрать схему?
Я пробовал собрать схему в программе (мультисим) у меня вместо R3 стоит переменный резистор. При изменение на нем сопротивления программа ругается. Но на что не понятно
[Автор]
Моделировать не нужно.
[Автор]
Удачи!
иначе пробьёт переход ЭК биполярника
[Автор]
Рад за Вас.
[Автор]
Совет про "ограничительный резистор, чтобы исключить перегрузку ИП по окончании заряда" - вообще ни о чём.Без обид... Поясню коротко - перегрузить ИП (источник питания) в конце заряда просто нечем. Ток потребляемый от ИП максимален именно в НАЧАЛЕ зарядки (ток зарядки может быть равен,к примеру -100 Ампер).В конце зарядки ток потребляемый от ИП минимален, и равен собственно току балансировки (0,375 А или 0,42 А в примерах в статье). А сам ток зарядки в конце зарядки равен нулю, так как напряжения на выходе ИП и аккумуляторе равны.
И вообще - ограничивать ток резистором даже в маломощных устройствах - это худший вариант...- поверьте - всего несколько Ватт мощности разогреют Ваш резистор до красна.
Мораль - функцию ограничения тока должен иметь сам БП ЗУ.
-----------
Станислав Пимшин, писать про характеристики и особенности настройки, полагаю, здесь излишне - устройство уж очень простое. Скажу лишь, что проверять пороги срабатывания балансиров удобно посредством блока питания с плавной регулировкой выходного напряжения (диапазон регулировки выходного напряжения 2-5 Вольт,выходной ток - 0,5 А).Каждый балансир при проверке просто подключите непосредственно к выходу регулируемого БП и, изменяя выходное напряжение, проверьте пороги включения и выключения.
Или в крайнем случае, собрать по готовой проверенной схеме, коих в сети море. Только ради бога, не вносите в нее никаких "модификаций", чтоб не пришлось покупать новое жилье, себе и соседям. Зарядка лития — не та область, где стоит учиться азам теории методом проб и ошибок.
Ваш совет относится к разряду риторических - т.е. не имеющий смысла. Какую бы совершенную схему не разработали и продали, но то ли человек, то ли его мозг все равно будет искать другое решение. Потому что это будет - "ЕГО" схема. В противном случае никогда не появится еще более совершенная схема.
Чегой-то я расфилософствовался?
Ведь на R=2ома , при токе 0.5А ,напряжение упадёт уже на 1V. При меньших значениях R падение U будет меньше, но и ограничение тока будет меньше.Хотя возможно я чего-то и не понимаю...
[Автор]
Но стоит ли менять часы на трусы - дело вкуса...
у вас фото с готовым модулем на пять ячеек, можно увидеть схему со светодиодом и какой биполярный транзистор использовали и как эта схема себя в работе показала?.
[Автор]
[Автор]
В конце зарядки напряжения на аккумуляторе и выходе зарядного устройства практически РАВНЫ... В этих условиях БОЛЬШОМУ току зарядки просто не откуда взяться ...( я подчёркивал это в статье -... "нет разности потенциалов - нет тока зарядки..."). Более того - в конце зарядки, ток зарядки сделать большим просто недопустимо. Почему? - просто по определению... ( изучайте рекомендации производителя аккумуляторов).Внимательней и вдумчивей читайте статью и комментарии...- там достаточно информации для понимания.
И добавлю - все разговоры о том, что будет если, к примеру, одна ячейка аккумулятора сильно "отстала" ( или "опередила") при зарядке от остальных - здесь не уместны, так как балансир не волшебное средство, которое "починит" Ваш, по-сути неисправный аккумулятор, а всего лишь балансир....Неисправную ячейку аккумулятора нужно заменить, и другого способа здесь нет.
[Автор]
Я отвечу на часть Ваших вопросов, но прошу далее здесь их не обсуждать.
1. Номиналы ВСЕХ резисторов в 1 Ком - это не серьёзно... Если хотели лишь суть показать - пишите R1, R2... без номиналов.
2. В реалии - Ваша схема будет "икать"... - при отключении нагрузки напряжение на секциях аккумулятора ПОВЫСИТСЯ, что приведёт к ВКЛЮЧЕНИЮ полевого транзистора...., напряжение на секциях аккумулятора вновь понизится и полевой транзистор вновь отключит нагрузку..., и так далее, и так далее...
Успехов.
[Автор]
Поищите в комментариях..., я где-то оставлял ссылку на устройства контроля нижнего порога, которыми я занимался, там есть очень простые решения, но я их не макетировал...
Однако насущный вопрос: китайские BMS бывает идут по 2 ключа на 1 аккум. Какая там схема и гдебы прочитать про её работу?
Как я прочитал нужно делать балансир с током 0.1 от той которое может выдать ЗУ.. Если это так, то при зарядном токе 26 Амп R7 рассчитываем на 26x0.1= 2.6 Амп. А с запасом будет лучше на 5.5Амп., тогда R7=4.2/5.5=0.8 ом, и полевик по мощнее, например IRF1404 на маленьком радяторе. Все правильно посчитал?
[Автор]
[Автор]
Скажу лишь, что Ваши рассуждения на счёт влияния балансира на "скорость зарядки аккумулятора" просто забавны. Вы со измерьте токи зарядки и токи балансировки, поймёте почему...
[Автор]
P.S. Из-за того что ТЛки разного "колибра" R3 приходятся использовать подстроечный, ничего не могу с собой поделать, когда копейки вольт убегают куда не надо. Когда подстроечные кончатся, наверное буду подгонять резисторами чтоб зарядка доходила до 3,5 v. (недозаряд для меня не так критичен, чем срок эксплуатации)
Других нет у меня сейчас.