Активный балансир для LiFePO4 своими руками
Для получения заданного выходного напряжения литиевые аккумуляторы последовательно соединяются в батарею. Например, для получения батареи вольтажом 24 В последовательно соединяется 7 или 8 LiFePO4 аккумуляторов, а для получения вольтажа 36 В – 10–12 элементов. При зарядке аккумуляторной сборки от общего источника питания с напряжением, соответствующим вольтажу АКБ, нужно обеспечить равномерный уровень заряда всех элементов. При этом важно, чтобы напряжение на каждом элементе не превысило допустимого значения.
Но элементы питания в сборке не идентичны, и достигают предельно допустимого напряжения в разное время. С другой стороны, когда хотя бы на одном аккумуляторе напряжение достигнет допустимого максимума, процесс зарядки необходимо прекратить. Но в таком случае остальные ячейки остаются недозаряженными, и при дальнейшем использовании они разряжаются быстрее.
Такой дисбаланс между ячейками приводит к снижению емкости всей батареи, сокращению времени ее автономной работы и преждевременному выходу из строя «слабых звеньев» – аккумуляторов, которые постоянно оказывались недозаряженными. Для решения этой проблемы используются балансиры. Они выравнивают напряжение на всех аккумах сборки и не позволяют ему превысить пороговое значение. Балансиры могут использоваться как самостоятельно, так и в составе многофункциональных BMS плат или совместно с ними.
Принцип работы
Балансирующие системы отслеживают напряжение на последовательно соединенных аккумах, а когда оно достигает граничной величины – включают силовой ключ. Тогда в работу включается балластный резистор. Прирост напряжения на подзаряжаемой ячейке останавливается, когда остаточный ток заряда становится соизмеримым току, идущему через резистор. Остальные элементы, еще не набравшие заряд, в это время продолжают заряжаться.
Процесс зарядки аккумуляторной сборки завершается после срабатывания всех балансиров. В итоге вольтаж всех элементов сборки становится равным заданной предельной величине. В зависимости от используемой схемы, балансиры для LiFePO4 аккумуляторов имеют ток срабатывания 3,52–3,55 В. Номинально вольтаж LFP ячеек составляет 3,2–3,3 В. В заряженном состоянии для них характерно напряжение 3,6 В, а в разряженном –2 В.
Виды балансировочных систем
По принципу действия различают балансиры 2 типов:
- Активные – выравнивающие напряжение на элементах в ходе подзарядки батареи. Когда 1-й элемент из аккумуляторной сборки достигает граничного напряжения, активная система баланса останавливает его питание, и заряжается 2-й элемент. Производители используют разные схемы балансиров для LiFePO4 элементов, в т. ч. емкостные и трансформаторные. Все они умеют распределять энергию от ячеек с большим уровнем заряда к менее заряженным. При заряде это делается выборочным снижением и повышением зарядного тока в зависимости от состояния элементов. При разряде аналогичным образом перераспределяются разрядные токи.
- Пассивные – используют аналоговые компоненты и не зависят от внешнего питания. Они подзаряжают аккумуляторы до нужного значения напряжения (одинакового с остальными ячейками) малыми токами и применяют резисторы. При замыкании аккумулятора шунтирующим резистором зарядный ток отчасти следует через аккум, а отчасти – через шунт. Соответственно, интенсивность зарядного процесса в отношении шунтированного аккумулятора уменьшается, и прирост напряжения на нем замедляется. КПД таких систем ниже из-за потерь энергии в виде тепла и невозможности использования всей емкости АКБ.
Балансир для LiFePO4 своими руками
Для самостоятельной сборки простого балансира для LFP ячеек можно воспользоваться распространенной схемой. Но чтобы полноценно использовать регулируемый стабилитрон TL431, его нужно преобразовать в триггер Шмитта. В итоге получится точный и термически стабильный балансир, четко подающий управляющий импульс на силовой ключ.
Для превращения стабилитрона TL431 в триггер Шмитта достаточно включить в схему резистор R5 и p-n-p транзистор Т1. Принцип работы схемы таков: делителем R3, R4 настраивается порог отслеживаемого напряжения. При помощи делителя R3, R4 схему можно перенастроить для контроля любого другого напряжения. Значение предельного тока балансировки задает резистор R7 и напряжение на аккумуляторной секции.
Когда на управляющем электроде напряжение составит 2,5 В, произойдет открытие стабилитрона TL431 и транзистора Т1. Потенциал коллектора возрастет, и частично это напряжение пойдет в цепь через резистор R5. Произойдет лавинное вхождение TL431 в состояние насыщения. В этот момент наблюдается гистерезис – система включается при 3,6 В и выключается при 3,55 В. В затворе силового ключа создается управляющий импульс.
Такой балансир создается в виде самостоятельной платы, подключаемой к балансировочному разъему при зарядке. В современных BMS платах защита элементов питания от перенапряжения и разбалансировки по уровню заряда – это одна из функций защиты, и она выполняется микроконтроллером. Но оптимальным решением считается использование активного балансира в сочетании с BMS платой.
В предыдущей статье нашего блога приведены рекомендации по эксплуатации литий-титанатных аккумуляторов.
