Пассивный балансир: Балансир пассивный LiFePO4 1,7A 3,52-3,63V

Содержание

Балансир для LiFePO4 — плюсы, минусы, нюансы выбора

Статья о балансирах для LiFePO4 аккумуляторов. Назначение балансиров, преимущества их использования, особенности выбора и нюансы использования.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы отличаются стабильной и безопасной работой, но чувствительны к перезаряду и глубокому разряду. Чтобы уберечь их от преждевременного износа и выхода из строя, используют BMS платы и балансиры.

Ячейки в аккумуляторной батарее должны иметь одинаковые рабочие параметры. Даже незначительные отличия емкости у последовательно соединенных элементов приводят к неравномерному заряду и разряду, из-за чего более заряженные ячейки быстрее выходят из строя. К тому же, при неравномерном заряде снижается общая емкость батареи, т.к. процесс подзарядки АКБ прекращается до полного восполнения заряда всеми ячейками.

Выравнивание напряжения при помощи балансиров

Балансиры для литий-железо-фосфатных аккумуляторов выравнивают напряжение на ячейках в сборке и блокируют его рост выше порогового значения. Они контролируют напряжение на ячейках и при достижении заданного значения инициируют включение силового ключа. В результате параллельно подзаряжаемой секции подключается балластный резистор.

Когда остаточный ток зарядки становится меньше величины тока, проходящего через балластный резистор, рост напряжения на заряжаемой секции останавливается. Но ячейки с меньшим напряжением продолжают заряжаться до тех пор, пока сработают балансиры всех частей батареи. В результате напряжение на всех ячейках будет равным пороговому значению, на которое настроены балансиры.

Основной принцип балансировки – шунтирование резисторами ячеек батареи с наибольшим напряжением. Стандартные балансиры рассчитаны на литий-железо-фосфатные элементы с номинальным напряжением 3,2 В. По заказу поставляются модули с балансировочными резисторами для ячеек с номинальным напряжением 3,6– 3,7 В.

Типы балансиров

Балансиры бывают управляемые и неуправляемые, внешние и входящие в состав АКБ. Но прежде всего они подразделяются на:

  1. Активные балансиры для LiFePO4 – такие системы выравнивают напряжение в процессе зарядки. После зарядки 1-го элемента из сборки они прекращают его питание и продолжают заряжать 2-й аккумулятор. Производители создают балансиры с использованием различных подходов. В частности, активные системы балансировки бывают трансформаторными и емкостными.

  2. Пассивные балансиры для LiFePO4 аккумуляторов – такие системы балансировки разряжают ячейки до одинакового значения небольшими токами с использованием резисторов. Их ключевые преимущества – независимость от внешнего питания и высокая точность, которая достигается благодаря использованию аналоговых компонентов.

[products ids=’2050,2323,2324′]

[products ids=’2049,2074,’]

    Принцип работы пассивных балансиров

    Пассивные системы баланса снижают зарядный ток аккумулятора, у которого наблюдается наиболее интенсивный рост напряжения. В классическом варианте это осуществляется замыканием элемента питания шунтирующим резистором R. В результате через замкнутый аккумулятор зарядный ток протекает только частично, а остальной ток идет через шунт R. Скорость заряда зашунтированного аккумулятора снижается, и напряжение на нем растет медленнее. Когда напряжение заряда достигает конечного значения, на всех элементах оно оказывается практически равным.

    Цена пассивных балансиров невысока, т.к. они не содержат сложных микросхем. К тому же, они компактны и незначительно влияют на удельные характеристики батареи. К недостаткам пассивных систем относят невозможность использования всего объема энергии, которую способна запасти АКБ, и рассеивание энергии в форме тепла при прохождении через шунты. В результате уменьшается КПД системы «АКБ – зарядное устройство».

    Использовать пассивные балансиры рекомендуется в батареях с очень близкими по емкости аккумуляторами, т.е. применение пассивных систем баланса накладывает дополнительные требования при выборе ячеек перед комплектованием и сборкой АКБ. В идеале все элементы в сборке должны быть одинакового химического состава, равной емкости, одного производителя и даже из одной партии.

    Принцип работы активных балансиров

    Активные балансиры умеют перераспределять энергию между ячейками батареи и способны работать и при разряде, и при заряде. Энергия перераспределяется от элемента с большей емкостью к элементу с меньшей емкостью. При заряде активный балансир уменьшает зарядный ток элемента с большей емкостью и увеличивает ток заряда элемента с меньшей емкостью. При разряде наоборот: балансир берет часть энергии у элемента с большей емкостью и увеличивает его разрядный ток, уменьшая при этом ток разряда элементов с меньшей емкостью.

    У активных балансиров LiFePO4 схемы сложнее, зато выделение тепла намного меньше, чем при работе пассивных моделей. Поэтому активные системы балансировки незаменимы в случаях, когда нужен балансировочный ток свыше 5 А. У таких моделей высокий КПД (более 85%), а их способность работать при разряде позволяет не увеличивать время заряда для балансировки батареи.

    Недостатками активных систем считаются высокая стоимость, сложность проектирования и изготовления. Собрать активный балансир для LiFePO4 своими руками проблематично. Еще один недостаток активных балансиров – ощутимое потребление тока на холостом ходу. Чтобы снизить потребление тока, такие устройства делают управляемыми – с возможностью включения при необходимости.

    Как работает 2-х уровневый балансир для LiFePO4

    В 2-уровневых балансирах для литий-железо-фосфатных аккумуляторов реализован следующий принцип выравнивания напряжения:

    • 1 уровень. В процессе заряда, когда напряжение на ячейке достигает 3,49–3,51 В, включается изолированный DC-DC преобразователь и скидывает излишки энергии на соседний элемент. Если соседний элемент имеет достаточное напряжение, энергия скидывается на следующую ячейку и т.д. КПД этого цикла – порядка 70%, что не вызывает местных нагревов и значительного выделения тепла. Перераспределение энергии происходит между всеми элементами батареи.

    • 2 уровень. Когда напряжение на элементе достигает 3,67–3,69 В, для профилактики избыточного заряда включается пассивный балансир с разрядным током 800 мА.

    Предлагаем для ознакомления статью о характеристиках, нюансах выбора и особенностях применения Li-ion аккумуляторов типоразмера 32650.

    Балансиры для аккумуляторов • Ваш Солнечный Дом

    В этой статье приведена общая информация о балансирах для аккумуляторных батарей. Информация о конкретных балансирах и их параметрах и схемах подключения приведена в карточках товаров в нашем Интернет-магазине в разделе «Балансиры для АБ« и в обзорной статье по товарам «Балансиры (эквалайзеры) для аккумуляторных батарей. Сравнительный анализ«.

    • 1
      Типы балансиров для АКБ

    • 2
      Балансиры для свинцово-кислотных аккумуляторов

    • 3
      Балансиры для литиевых аккумуляторов

      • 3.1
        Пассивный метод балансировки

      • 3. 2
        Активный метод балансировки

    • 4
      Какие балансиры лучше применять?

    В автономных и резервных системах электроснабжения с аккумуляторами очень часто применяются инверторы с напряжением 24 или 48В. Свинцово-кислотные банки аккумуляторов имеют напряжение 2В. Литиевые — от 2,3 (литий-титанат) до 4,2 (литий-полимер) вольт на банку. Для того, чтобы получить такое напряжение 12, 24 или 48В нужно соединить несколько банок последовательно. В обычном свинцово-кислотном аккумуляторе напряжением 12В содержится 6 банок, соединённых последовательно.

    Инверторы, солнечные контроллеры и зарядные устройства «видят» только общее напряжение на АКБ. Заряд и разряд АКБ производится в соответствии с алгоритмами, заложенными в инверторах и зарядных устройствах, но только по общему напряжению. Однако, по мере износа аккумуляторов, напряжение на разных ячейках 2В становится разным, и, по мере эксплуатации, разброс нарастает. Получается, что в цепочке из 4х 12В аккумуляторов 1 аккумулятор может быть с напряжением 12В, а другие с напряжением 13 или 14В. Общее напряжение будет 52В, но в этой цепочке 1 аккумулятор будет недозаряжен, а другой перезаряжен. Такая ситуация приводит к тому, что аккумулятор с хроническим недозарядом выходит из строя из-за сульфатации, а с хроническим перезарядом — из-за потери электролита. В обоих случаях возможен перегрев неисправных аккумуляторов, и полный выход из строя всей батареи — всего лишь вопрос времени.

    Для продления срока службы соединённых последовательно аккумуляторных батарей требуется использовать балансиры, которые будут выравнивать напряжение на банках и не допускать перезаряд одних элементов при одновременном недозаряде других.

    Это справедливо и для литий-ионных аккумуляторных батарей, и для всех остальных, включая свинцовые. Даже в 12 В свинцовом АКБ желательно  балансировать каждую 2-х вольтовую банку батареи отдельно, и так и делается при сборке АКБ из 2-вольтовых банок. Но в большинстве случаев используются 12В аккумуляторные батареи — 2 последовательно для напряжения 24В и 4 последовательно для напряжения 48В (см. иллюстрации ниже).

    Применение балансиров только между батареями 12В тоже оправданно. Они существенно продлевают срок службы аккумуляторной батареи, при этом стоимость балансиров гораздо меньше стоимости защищаемых ими аккумуляторов.

    Типы балансиров для

    АКБ

    Балансиры для АКБ делятся на 2 основных типа  — пассивные и активные. Пассивные балансиры разряжают банки, которые имеют напряжение выше, чем среднее, сбрасывая лишнюю энергию заряда на балансировочный резистор. В активных балансирах энергия с наиболее заряженных банок передается на менее заряженные банки.

    В активном балансире принцип работы следующий: сравнивается напряжение на 2-х аккумуляторах, заряжается электролитический конденсатор от более заряженного АКБ и разряжаем на менее заряженный, а далее повторяем эту процедуру до выравнивания напряжения на обоих аккумуляторах. Точно такой же принцип можно реализовать, запасая энергию в катушках индуктивности. Существуют активные балансиры обоих типов, но больше распространены балансиры с конденсаторами.

    Принципы действия пассивного и активного балансира определяют их достоинства и недостатки.

    Параметр Пассивный Активный
    Точность поддержания напряжения на аккумуляторе Высокая, определяется уставкой балансира, балансировка начинается при разбалансе 0,1В и даже меньше Грубая, разница между ячейками аккумулятора для начала балансировка обычно не менее 0,5В
    Потери энергии Большие, лишняя энергия рассеивается на балластных резисторах или транзисторах Малые, энергия перераспределяется между банками аккумулятора
    Ток балансировки Обычно небольшой, определяется мощностью балласта Может быть большим, энергия балансировки не расходуются на нагрев балласта, а идет на заряд аккумулятора
    Напряжение на ячейке Определяется уставкой балансира (в простых балансирах), или внешним контроллером как среднее для всех ячеек (в более сложных балансирах типа такого) Определяется как среднее между напряжениями разных ячеек. Поэтому работа активного балансира обычно не зависит от типа аккумулятора, главное чтобы его напряжение было в допустимом диапазоне
    Время работы балансировки Только при заряде При заряде и разряде

     

    Балансиры для свинцово-кислотных аккумуляторов

    Зачем вообще нужны балансиры для 12-ти вольтовые АКБ? Когда у вас система на 12 вольт, то все АКБ сколько бы их не было в параллельном соединении, и у них всегда одинаковое напряжение. Но когда мы переходим на 24 или 48 вольт, то появляется проблема с разным напряжением на последовательно соединённых аккумуляторах. Из-за этого при заряде некоторые АКБ уходят в перезаряд и начинают «закипать», а другие недозаряжаются, и в итоге вся цепочка АКБ быстро теряет ёмкость и в общем приходит в негодность. И даже полностью одинаковые АКБ со временем всё равно разбегаются по напряжению, поэтому не спасёт от проблемы даже покупка АКБ из одной партии. Для решения этой проблемы применяются различные балансировочные устройства, которые позволяют значительно продлить срок службы АКБ.

    Существуют балансиры для 2В банок, для 24В и для 48В АКБ. Гораздо реже встречаются балансиры на более высокое напряжение, но, как правило, на высокое напряжение можно сделать составной балансир, состоящих из нескольких балансиров на меньшее напряжение.

    См. балансиры в нашем Интернет-магазине. Обзор разных моделей балансиров из нашего ассортимента и их основные отличия — в статье в нашем Интернет-магазине. Здесь мы не будет приводить данные по конкретным балансирам, чтобы не «раздувать» статью. Переходите по ссылке для просмотра сравнительного анализа балансиров для свинцово-кислотных аккумуляторов, продающихся в нашем Интернет-магазине.

    Балансиры для литиевых аккумуляторов

    Если балансиры для свинцово-кислотных аккумуляторов желательны, то для литиевых аккумуляторов они обязательны, потому что разброс между ячейками может быть значительным, и без балансиров ячейки могут быстро выйти из строя из-за перезаряда или недозаряда. В литиевых аккумуляторных батареях необходимо балансировать каждую ячейку.

    Многие думают, что функция балансировки встроена в BMS. Да, действительно, BMS замеряет напряжение на каждой ячейке и даже пытается немного их балансировать. Однако токи балансировки, которые может обеспечить BMS, очень малы и обычно не превышают нескольких десятков миллиампер. Такими токами можно отбалансировать только аккумуляторы  очень небольшой емкости (максимум единицы ампер-часов). Без отдельных мощных балансиров на каждую ячейку BMS может только отследить разбаланс и отключить нагрузку или зарядное устройство при появлении недопустимого разбаланса ячеек.

    Еще одна особенность литиевых аккумуляторных батарей — в них желательно поддерживать минимальную разность напряжений между ячейками. Более того, разбаланс обычно возникает только в конце заряда, когда напряжение приближается к максимальному напряжению заряда. Во время заряда максимальными токами у литиевых аккумуляторов разбаланс бывает минимальным. Например, у литий-железо-фосфатных аккумуляторов разбаланс появляется при напряжении более 3,3-3,35В. Поэтому зачастую применение пассивных балансиров с литиевыми аккумуляторами оказывается более целесообразным.

    Пассивный метод балансировки

    Такие балансиры просто ограничивают заряд ячеек при достижении определенного напряжения. Для LiFePo4 аккумуляторов это напряжение составляет обычно 3,45-3,55В. При достижении такого напряжения балансир подключает параллельно ячейке балластное сопротивление и рассеивает часть энергии заряда на тех ячейках, которые зарядились раньше остальных.

    Если напряжение какой-то ячейки превышает установленное ограничение, то процесс подзарядки останавливается, включаются байпасные цепочки. Заряд не возобновится до того момента, пока напряжение элемента не упадёт ниже порогового уровня и процедура балансировки закончится.

    По понятным причинам такой балансир может работать только при заряде, а точнее, в конце заряда.

    На схеме выше знаком стабилитрона электронная схема, которая пропускает через себя ток при определенном напряжении. Например, она может быть выполнена по такой схеме:

    На токи до 1А выпускаются платы, на которых размещены от 4 до 16 пассивных балансиров. Пример ниже.  Без радиаторов обычно ток не превышает 0,5А. Если ток выше, то балластные резисторы должны размещаться на радиаторах. Без радиатора в конце заряда резисторы могут нагреваться до температур порядка 80 градусов, а при установке в корпус батареи температура может быть еще больше.

    Балансировка ориентируемая только на расхождение в напряжении, может не полностью уравновешивать характеристики по причине внутреннего импеданса (Импедансом называется отношение комплексной амплитуды напряжения гармонического сигнала, прикладываемого к двухполюснику, к комплексной амплитуде тока, протекающего через двухполюсник в установившемся режиме, то есть после завершения переходных процессов. )аккумуляторов:

    Внутренний импеданс влияет на разность напряжений при подзарядке накопителя. Плата защищающая батареи от дисбаланса не может вычислить, чем конкретно вызвана разность напряжений: отличиями в ёмкости или во внутренних сопротивлениях. По итогу, данная разновидность балансировки не гарантирует, что все элементы получат полный заряд.

    Ток балансировки  нужно подбирать в соответствии с ёмкостью аккумуляторной батареи. Например, для литиевых АКБ емкостью до 40-60А*ч может быть достаточно тока 0,25А. Для аккумуляторов емкостью более 100А*ч балансир должен быть на ток не менее 0,5А. Есть балансиры на ток до 3-5А. Плата BMS не может обеспечить такой ток балансировки, более того, для таких токов предъявляются требования к сечению проводов. От BMS обычно идут тонкие провода, и они предназначены для измерения напряжения на ячейках, а не для балансировки большими токами. 

    Активный метод балансировки

    Чтобы обойти указанные выше проблемы с малыми токами балансировки и нагревом балластных сопротивлений придумали использовать схему с переносом энергии от одной ячейки к другой. Относительно простым является конденсаторный балансир, принцип предельно прост, сначала от аккумулятора с большим напряжением заряжаем конденсатор, а потом переключаем его на аккумулятор с меньшим напряжением. В итоге заряженный аккумулятор постепенно отдает часть заряда менее заряженному, фактически таким образом элементы «виртуально» соединяются параллельно.

    Принцип действия активного балансира

    В случае предыдущей схемы аккумуляторы можно просто соединить параллельно, но если надо балансировать последовательно включенные ячейки, то схема просто дополняется еще одним переключателем, сама же суть остается прежней.

    Современные конденсаторные балансиры имеют специальные контроллеры, переводящие схему в спящий режим, полимерные конденсаторы, токи балансировки до 5А. Пример такого балансира ниже:

    Вторая разновидность активного балансира — индуктивный. По сути то же самое что и емкостной, но перенос энергии реализован чуть по другому, в качестве промежуточного накопителя используется индуктивности.

    Преимущества почти те же что у емкостного, но ток обычно меньше, порядка 1-1.5А, зато цена заметно ниже.

    Задача схемы в конечном итоге уравнять потенциалы на клеммах ячеек. Частые вопросы:

    1. Такой балансир может перезарядить батарею? — Нет, он уравнивает потенциалы, также как при параллельном включении ячеек. Грубо говоря при двух элементах с напряжениями 3.5 и 3.7 вольта после балансировки будет 3.6 и 3.6.
    2. Для разных аккумуляторов нужны разные балансиры? Нет, так как он просто уравнивает напряжение, то ему все равно какое оно там, главное чтобы сам контроллер мог работать. Потому обычно эти балансиры универсальны как для LTO, LiFePO4, так и для «обычных» Li-Ion.

    По энергоэффективности данный метод переигрывает предыдущий способ, так как для передачи электроэнергии от ячейки-донора к более нуждающейся ячейке вместо резисторов применяются ёмкости и индуктивности, у которых минимально возможные потери энергии. Этому методу уместно отдавать предпочтение в тех случаях, когда есть потребность в обеспечении максимального времени функционирования аккумулятора без подзарядки.

    За пример можно взять микросхему BQ78PL114, в основе которой лежит технология PowerPump. Её работа приведена на рисунке ниже:

    Энергетические потери при этом не существенны и в основном происходят в дросселе и диоде. Плата BQ78PL114 может предложить пользователю три балансировочных алгоритма:

    1. По напряжению на выводах аккумулятора. Данный способ имеет схожесть с пассивной вариацией описанной ранее.
    2. По напряжению холостого хода. Этот способ подразумевает компенсацию различия во внутренних сопротивлениях элементов.
    3. По заряду АКБ. В данном случае будет точно высчитываться заряд, требуемый для передачи от одной батарейки к другой. Выравнивание осуществляется в конце заряда, а применение этого балансировочного алгоритма обеспечивает самый лучший результат.

    По причине высоких балансировочных токов, PowerPump является более эффективной, чем обыкновенная балансировка пассивной разновидности. Технология имеет большие возможности по балансировке: процесс может осуществляться когда батарея заряжается, разряжается и даже тогда, когда компонент с которого берётся энергия, имеет в своём распоряжении меньшее напряжение, чем АКБ принимающая электричество. Поэтому, если сравнивать с пассивным методом, то энергии будет теряться намного меньше.

    Какие балансиры лучше применять?

    Выбор типа балансира зависит от типа аккумуляторов, для которых он применяется. В автономных системах электроснабжения применяются, в основном, литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Особенностью этих аккумуляторов является стабильность напряжения на ячейках практически во всем диапазоне разрядной характеристики. Исследования различных типов балансиров для литиевых аккумуляторов подробно описаны по ссылке, оттуда же и график ниже.

    Красным обозначены графики разряда для литий-полимерных аккумуляторов, синим — LiFePo4. Как видим, у LiFePO4 линия почти горизонтальная, поэтому для них 30мВ —  это большая разница в емкости, на вскидку легко около 10-20% в зависимости от участка кривой. При этом у обычных литий-ионных напряжение падает почти линейно, соответственно эти же 30мВ дадут меньшую разницу в проценте заряда.

    Если говорить упрощенно, то активный балансир гораздо лучше будет работать с обычными литий-полимерными батареями, а не с LiFePO4, потому что малая разница напряжений не всегда говорит о малой разнице в емкости для этого типа батарей, то же самое относится и к LTO (литий-титанатным аккумуляторам).

    Именно поэтому мы и советовали с LiFePo4 аккумуляторами применять именно пассивные балансиры, так как они могут поддерживать напряжение на аккумуляторной ячейке более точно, и оно не зависит от напряжения соседних ячеек. Проблема с малыми токами балансировки и нагревом решается более длительными режимами заряда меньшими токами и установкой радиаторов. В системах с солнечными батареями как раз и присутствуют режимы заряда небольшими токами. Если же вы в основном заряжаете литиевые аккумуляторы от генератора большими токами (от генератора нужно быстро заряжать аккумуляторы), то в этом случае лучше применять активные балансиры, которые быстрее отбалансируют ячейки, в ущерб точности балансировки.

    К сожалению, потребитель обращает внимание на большие токи балансировки у активных балансиров, поэтому в продаже активные балансиры постепенно вытесняют пассивные. Также, срабатывает маркетинг типа «при активной балансировке не теряется энергия».

    В наших сборках аккумуляторов мы используем пассивные балансиры.

    См. также статью про назначение и принципы работы BMS для литиевых аккумуляторов, которая вынесена отдельно, чтобы не путать БМС и балансиры.

    Эта статья прочитана 4194 раз(а)!

    Балансировка элементов пассивной батареи | Аналоговые устройства

    к
    Кевин Скотт и
    Сэм Норк