Проблематика использования активных балансиров на LiFePO4 аккумуляторах
- Применение балансиров
- Типы балансиров
- Сравнение характеристик
- Минусы активных балансиров для литиевых батарей
- Проблемы активных балансиров для LiFePO4 аккумуляторов
Номинальное напряжение литий-железо-фосфатных аккумуляторов составляет 3,2–3,3 В. У литий-полимерных и большинства Li-ion элементов вольтаж составляет 3,7 В, а у литий-титанатных – 2,3 В. Для получения большего вольтажа элементы последовательно соединяют в аккумуляторные батареи. Например, для сборки АКБ напряжением 48 В последовательно соединяют 15 аккумуляторов подвида LiFePO4.
Зарядные устройства, инверторы и солнечные контроллеры распознают только общее напряжение батареи. Но при ее эксплуатации вольтаж элементов становится разным. Вначале разброс минимален, но постепенно он увеличивается. Например, в цепочке из 15 ячеек LiFePO4 одни аккумы имеют напряжение 3 В, а другие – 3,4 В. Суммарный вольтаж остается равным 48 В, но одни аккумуляторы оказываются недозаряженными, а другие – перезаряженными. В итоге снижается эффективность использования батареи, а элементы питания преждевременно выходят из строя.
Применение балансиров
Для выравнивания напряжения на последовательно соединенных элементах питания используются балансиры. Они нивелируют естественную разницу в уровне заряда отдельных «банок», решают проблему дисбаланса, способствуют эффективному использованию АКБ и значительно продлевают срок ее службы. Балансировка актуальна для аккумуляторов любых типов при их последовательном соединении.
БМС плата защиты также отслеживает напряжение на ячейках и пытается их балансировать, но из-за малых токов балансировки она может выровнять потенциал только на элементах АКБ небольшой емкости. На емких батареях она способна только выявить разброс напряжений и отключить нагрузку или ЗУ при обнаружении значительного разбаланса. А для его устранения нужны отдельные мощные балансиры.
Типы балансиров
Балансирующие устройства бывают:
Пассивные – в процессе зарядки АКБ они пребывают в спящем режиме до того момента, когда напряжение элементов питания достигнет напряжения балансира. Тогда балансир включается в работу и отводит избыток емкости с заряженного элемента в виде тепла через балансировочный резистор или транзистор. В это время остальные «банки» продолжают заряжаться. В результате достигается равномерный полный заряд всех ячеек. Именно пассивные балансиры оптимально подходят для батарей LiFePO4, т.к. они не сокращают ресурс АКБ и не препятствуют работе BMS платы. Для их корректной работы напряжение балансира нужно выбирать чуть меньшим, чем напряжение отсечки БМС платы по верхней границе.- Активные – для выравнивания заряда они переносят энергию к менее заряженным «банкам» от более заряженных. При этом энергия не тратится на выделение тепла, а идет непосредственно на зарядку недозаряженных элементов. Это исключает риск перегрева, но в батареях LiFePO4 использовать активные балансиры нежелательно из-за снижения ресурса и вероятности некорректного взаимодействия с БМС платой. Работают такие балансиры и при заряде, и при разряде. Они сравнивают вольтаж 2 ячеек, от более заряженной из них заряжают электролитический конденсатор или катушку индуктивности и передают энергию на менее заряженный аккумулятор. Аналогично выравнивается напряжение на остальных ячейках.
Сравнение характеристик
В таблице приведено сравнение пассивных и активных балансиров по разным критериям:
|
Критерий сравнения |
Пассивные |
Активные |
|---|---|---|
|
Когда выравнивают напряжение? |
При заряде (на завершающей стадии зарядки). |
При заряде и разряде. |
|
Принцип определения вольтажа ячеек |
По уставке балансира или с помощью внешнего контроллера, определяют усредненное напряжение для всех «банок». |
Определяют усредненное значение между напряжениями элементов. |
|
Точность балансировки |
Высокая. Выравнивание начинается при разбросе 0,1 В или меньше. |
Ниже. У многих моделей выравнивание начинается при разбросе 0,5 В и выше. |
|
Траты энергии |
Больше. Избыточный заряд рассеивается в виде тепла через транзисторы или балластные резисторы. |
Минимальные. |
|
Ток балансировки |
Обычно малый, в зависимости от мощности балластного резистора или транзистора. |
Бывает большим. |
Минусы активных балансиров для литиевых батарей
Для эффективного использования Li-ion батарей, включая модели подвида LiFePO4, необходимо поддерживать минимальный разброс напряжения между элементами. Разбаланс у них наиболее ощутим на завершающем этапе заряда, когда напряжение близится к граничному значению рабочего диапазона. Так, у аккумуляторов LiFePO4 разбаланс возникает при заряде выше 3,35 В. При этом напряжение остается стабильным практически на всем диапазоне разряда. Поэтому для литий-ионных АКБ оптимально подходят пассивные балансиры, ограничивающие заряд при достижении установленной границы.
Для литий-железо-фосфатных АКБ это значение обычно составляет 3,5–3,6 В на элемент. При достижении верхнего предела напряжения параллельно «банке» подключается балластное сопротивление. Через него рассеивается избыточная энергия заряда на элементах, зарядившихся раньше остальных. Если напряжение произвольной «банки» превысит допустимый максимум, зарядка остановится, включатся байпасные цепочки и напряжение снизится.
Проблемы активных балансиров для LiFePO4 аккумуляторов
Проблематика использования активных балансиров на аккумуляторах LiFePO4 объясняется их неспособностью точно поддерживать напряжение на элементах сборки. При этом специфика LFP и LTO батарей такова, что даже незначительный разброс напряжений может означать существенные различия в емкости. Например, у аккумуляторов LiFePO4 весь рабочий диапазон составляет 0,6 В – от 3 до 3,6 В.
Поэтому для них лучше всего подходят пассивные балансиры, способные максимально точно выравнивать напряжение на «банках», независимо от уровня заряда соседних аккумуляторов. При этом проблема нагрева и малых балансировочных токов решается увеличением времени заряда, снижением зарядных токов и использованием радиаторов.
Активные балансиры лучше работают с батареями Li-Pol и обычными Li-ion (с номинальным вольтажом 3,6–3,7 В на элемент). Также они незаменимы при необходимости зарядки большими токами, т.к. способны быстрее выравнивать заряд, хоть и с меньшей точностью. В интернет-магазине VirtusTec.ru можно купить как активные, так и пассивные балансиры для литиевых батарей разных типов.
Ранее в блоге VirtusTec вышла статья об аккумуляторных батареях для радиолокационных станций и систем связи.
