Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 19 января
 
 


 

15 июня

Балансировочное устройство для заряда аккумуляторов LiPo

В статье предложена схема автоматического балансировочного устройства для выравнивания потенциалов 2—5 литиевых аккумуляторов.



Достоинств у литиево-полимерных аккумуляторов (LiPo) гораздо больше, чем у любых других: небольшой вес, высокая плотность энергии, малый ток разряда, относительно быстрый процесс заряда (1—3 ч). Однако в случае перезаряда или неправильных условий заряда они могут взорваться или ухудшить характеристики, поэтому для литиевых батарей требуется специализированное зарядное устройство со схемой мониторинга и балансировки тока.

Балансировка тока

При заряде литиево-полимерных батарей необходимо соблюдать несколько правил: сила тока должна поддерживаться на уровне 0,5С…1С 1, а напряжение аккумулятора не должно превышать 4,1…4,2 В.

Если в сборке присутствует несколько последовательно соединенных элементов, то небольшие отклонения в одном из них со временем приводят к преждевременной порче аккумуляторов, если схема не сбалансирована. Этот эффект не наблюдается у аккумуляторов NiCd или NiMh.

Как правило, в сборке все элементы имеют близкую, но не одинаковую, емкость. Если два элемента с разными емкостями соединены последовательно, то элемент с меньшей емкостью заряжается быстрее, чем с большей. Поскольку процесс заряда происходит до тех пор, пока не зарядится элемент с самой большой емкостью, то аккумулятор с меньшей емкостью будет перезаряжен. Во время разряда, наоборот, элементы с меньшей емкостью разряжаются быстрее. Это приводит к тому, что после многих циклов заряда-разряда различие емкостей увеличивается, а из-за частого перезаряда элементы с самой малой емкостью быстро приходят в негодность.

Эту проблему легко можно устранить, если контролировать потенциал элементов и следить, чтобы все элементы в блоке имели абсолютно одинаковое напряжение.

Самый простой способ балансировки — «в лоб», то есть полностью разряжать элементы после каждых двух циклов заряда. Тогда все аккумуляторы в сборке будут приведены к одному потенциалу, а накопленные отклонения устранятся. Недостаток этого подхода заключается в том, что энергия, выделяющаяся при разряде, рассеивается впустую. Кроме того, перед следующим использованием требуется зарядить батареи.

В ноутбуках обычно состояние аккумулятора контролируется микроконтроллером, который проверяет напряжение каждого элемента и регулирует силу зарядного тока.

Мы предлагаем читателям альтернативный способ с автоматической балансировкой и малым расходом энергии. Внешний вид устройства показан на рисунке 1.

Рис. 1. Внешний вид печатной платы

Описание устройства

Для балансировки потенциалов двух элементов потребуется операционный усилитель (ОУ) класса В и три резистора (см. рис. 2). В центральной точке делителя R1—R2 напряжение равно половине суммы напряжений верхнего и нижнего аккумуляторов. Когда напряжение верхнего аккумулятора превышает напряжение нижнего, ток течет в нижнее плечо до тех пор, пока они не сравняются. Для расчета схемы требуется только подобрать номинал R3 так, чтобы сила тока составляла 0,02…0,1С.

Рис. 2. Выравнивание потенциалов двух элементов

Если в сборке присутствует больше элементов, то необходимы дополнительные ОУ. Например, для балансировки пяти аккумуляторов требуются четыре ОУ класса В. Вместо ОУ можно использовать составные транзисторы, что позволяет снизить стоимость схемы.

На рисунке 3 показана полная принципиальная схема балансировочного устройства для 2—5 элементов емкостью 2…10 А.ч.

Рис. 3. Принципиальная схема устройства

Кабель балансировки подключается к разъему К1 на плате (см. рис. 4). С помощью перемычек JP2—JP5 задается количество элементов (2—5), напряжение которых требуется выровнять. На первый вывод перемычки подается напряжение аккумулятора, а на второй — эталонное напряжение. Для сборок из 2—4 элементов необходимо установить две перемычки, а если в сборке пять элементов, то одну.

Рис. 4. Размещение элементов схемы

Полностью заряженная батарея из 5 элементов имеет напряжение до 21 В (по 4,2 В на элемент). ОУ сравнивает текущее напряжение каждого элемента с эталонным. Если они различаются, то усилитель переключает один из составных транзисторов на заряд (если потенциал элемента ниже) или разряд. В итоге напряжение всех элементов выравнивается.

Рассмотрим верхний каскад. Если выравнивающий ток больше 20 мА, то соответствующий светодиод горит. В зависимости от степени заряда загорается диод D1 или D5. Падение напряжения на светодиоде составляет около 1,8 В. Вычитая падение напряжения на D10 и D11 и падение напряжения эмиттерного перехода составных транзисторов (примерно 1,0…1,1 В), получаем, что на резистор в цепи эмиттера приходится около 0,2…0,3 В, поэтому выходной ток составляет примерно 250 мА.

Конструкция

Печатная плата устройства показана на рисунке 4. Видно, что на плате нет компонентов с поверхностным монтажом (SMD), а все элементы располагаются на достаточном расстоянии друг от друга. Таким образом, собрать схему не представляет труда. На плате установлен алюминиевый профиль (см. рис. 1), который служит теплоотводом для выходных транзисторов. В случае необходимости транзисторы можно расположить вертикально, чтобы освободить место для радиатора большего размера.

 

Важно убедиться, что транзисторы гальванически развязаны с теплоотводом с помощью слюды или другого диэлектрика и изолирующей втулки на крепежных винтах. Для лучшего отвода тепла под транзисторы также кладется немного теплопроводящего вещества.

Готовую схему перед подключением следует проверить на целостность цепей. Затем необходимо задать количество элементов в сборке. Для определенности будем считать, что у нас 5 элементов, поэтому соединяем контакты JP5 (см. рис. 1).

Установим выходное напряжение источника питания (ИП) на уровне 10 В и подсоединим его к крайним выводам разъема К1, соблюдая полярность. При этом должен загореться диод D9. Если все в порядке, увеличиваем напряжение до 20 В. Диод станет гореть ярче, а напряжение на выводах 2—5 разъема К1 примет значения 4, 8, 12 и 16 В, соответственно. Установив на ИП ограничение тока на уровне 0,5 А, соединим накоротко любые два вывода К1. Потечет ток примерно 200 мА.

После проверки схемы ее можно подключать к выводу балансировки аккумулятора (предварительно следует задать количество элементов в сборке). Процесс выравнивания потенциалов идет до тех пор, пока все светодиоды, кроме D9, не погаснут.

Проводить балансировку достаточно один раз на 10 циклов заряда.

С помощью предлагаемого устройства можно выравнивать потенциал двух сборок по 5 соединенных последовательно элементов. При этом следует установить перемычку на выводы JP2. Для двух сборок из 4 элементов или одной из пяти в качестве IC1 можно использовать микросхему LM324, выдерживающую до 32 В. В остальных случаях лучше поставить LM348, выдерживающую до 44 В.

Табл. 1. Перечень элементов

Резисторы

R1—R5 = 10 кОм (0,1%), R6—R9 = 1,5 кОм, R10—R13 = 1,2 Ом, R14—R17 = 1 Ом, R18 = 8,2 кОм

Конденсаторы

С1—С4 = 10 нФ (шаг выводов 5 мм), С5, С6 = 100 нФ (шаг выводов 5 мм)

Полупроводниковые

Светодиоды с малым рабочим током, 5 мм: D1 — D4 = зеленый, D5 — D8 = желтый, D9 = красный; D10—D17 = 1N4148, Т1—Т4 = TIP120, T5—T8 = TIP125, IC1 = LM324 или LM348N

Другие

К1 = 6-выводной разъем, шаг выводов 2,54 мм, JP2-1—JP4-2, JP5 = штырьевой двухрядный разъем, шаг выводов 2,54 мм; 14-контактный держатель для IC1, алюминиевый теплоотвод

По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову: anton@elcp.ru, тел.: (495) 741-77-01.

Оформить бесплатную еженедельную подписку на новостную рассылку от издания Elektor можно на сайте
www.elektor.com.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Томас Шерер (Thomas Scherer), инженер, Elektor



Комментарии

2 / 2
1

118 октября, 08:37

Алексей Папсулис

в полне прилично

Схема вполне приличная но можно попробовать не разряжать при разряде секции с большей ёмкостью а компенсировать более разряженный элемент за счёт более емкостной секции.

218 октября, 12:32

Увы, эта описанная в 2010 г. схема уже позавчерашний день.

Ныне даже на Ali доступны мини-платки (15х50мм) для балансировки 2-4 LiPo на спецИС с МОП-ключами (на любой разумный ток), стоят сущие копейки. Статья ныне актуальна разве что для демонстрации принципа в кружках "Умелые ручки".

2 / 2
1

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2017 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты