Балансировка аккумуляторов при зарядке



На Токе заряженный портал

Что такое разбалансировка батарей и как с ней бороться? — На токе

• Статьи об электротранспорте
• Технологии
• Аккумуляторы
• Что такое разбалансировка батарей и как с ней бороться?

Что такое разбалансировка батарей и как с ней бороться?

Безусловно, многие юзеры по ходу эксплуатации своих электрических средств передвижения сталкивались с теми или иными проблемами, которые преподносят им аккумуляторные батареи. У кого-то не получается выйти на показатель пробега на одном заряде гарантированный производителем, у кого-то АКБ выдохлась намного раньше заявленного срока, а у кого-то накопитель и вовсе самовоспламенился либо взорвался. Одной из причин таких неприятностей может стать разбалансировка элементов аккумулятора. Что это такое и как с этим бороться, обсудим далее в статье.

Содержание:

• Разбалансировка аккумуляторной батареи — что это?
• Выравнивание заряда аккумуляторной батареи — практика.
• Как работает балансировщик заряда аккумулятора?
• Методы балансировки (пассивный и активный).
• Общие советы по выбору аккумуляторов для системы.

Разбалансировка аккумуляторной батареи — что это?

Как правило, в любой системе, в которую входят несколько последовательно, параллельно или смешано подключённых электронакопителей, даёт о себе знать разбалансировка заряда отдельных составляющих. Это приводит к перегреву либо перезаряду, что сокращает срок службы и может повлечь за собой самовозгорание или изделие может даже взорваться. Естественно, падает и ёмкость АКБ.

Тут вся проблема в том, что нет двух одинаковых электронакопителей: все изделия имеют различия между собой. Это правило относится ко всем элементам, даже если они одного и того же типа, от одного изготовителя и из одной партии. Всегда имеет место небольшая разница в состоянии заряда, саморазряда, ёмкости, сопротивлении и т. д., а при создании блока АКБ, разница может усиливаться. Конечно, собирая такие блоки, разработчики стараются подбирать максимально идентичные элементы, скрупулёзно сравнивая напряжение на них, но, разница всё-равно присутствует и с течением времени даже увеличивается.

Допустим, в системе находится компонент с сопротивлением намного превышающим таковое у других компонентов. В процессе зарядки, напряжение на нём будет несколько больше и может даже активироваться защита от его избытка. Когда элемент начнёт отдавать энергию, напряжение на нём будет самым низким, так же как и ёмкость. Из это следует вывод: система не обеспечивает 100-процентной отдачи! Итог далеко не радостный: по ходу эксплуатации, будет происходить деградация и усиление дефекта. Слабое звено вызовет ухудшения в работе всего аккумуляторного блока.

Повышенное напряжение такого элемента после окончания зарядных процедур, является свидетельством его интенсивной деградации. По причине значительного внутреннего сопротивления и уменьшенной ёмкости, при разряде, на таком изделии наблюдается самое маленькое напряжение. При зарядке, на слабом элементе может активироваться защита от переизбытка напряжения, а вот другие составляющие аккумуляторного блока при этом не будут «заправлены» под завязку. Естественно, в такой ситуации аппаратура не сможет предложить пользователю 100-процентную отдачу.

Что же делать, если у вас такие проблемы? Заниматься выравниванием заряда надобно, о чём мы и поговорим далее.

Выравнивание заряда — практика

Устройство выравнивания заряда электронакопителя, обслуживает АКБ соединённые последовательно, при подзарядке их от одного источника питания. Компоненты соединённые последовательно образуют одну цепь либо линейку и в зависимости от направленности системы, их может быть разное количество. Приспособление имеет возможность выставлять токи на конкретных АКБ параллельно, в нескольких цепях.

В состав системы входит контроллер, отвечающий за уравновешивание заряда комплекта, устройство подсоединяется к общему источнику электроэнергии. Присутствуют в оборудовании и отдельные датчики, которые разработчики устанавливают на аккумуляторах. Элементы системы синхронизируются между собой посредством спецшлейфа.

Компоненты включённые в одну цепь должны быть одинаковой ёмкости, если это не так, балансировочное оборудование не сможет эффективно уровнять заряд АКБ. Чем больше будут отличаться между собой компоненты по ёмкости, тем большее количество циклов заряда/разряда батарей потребуется для осуществления надлежащей балансировки электронакопителей.

Как работает балансировщик заряда аккумулятора?

Контроллер производит анализ напряжения и активируется, если оно повышается. Оснащение вычисляет усреднённый показатель и по спецшлейфам берёт данные от каждой отдельной АКБ. Когда напряжение на электронакопителе превосходит усреднённую цифру, контроллер подаёт сигнал на компенсацию нагрузки, если же оно ниже — элемент будет разгружаться. Данные действия завязаны на циклы заряда/разряда и с каждым циклом, напряжение всё больше доводится до средних показателей.

В случае если общее напряжение не повышается в течение 3-х часов, контроллер начинает подавать сигналы о том, что работа окончена и отключает датчики на накопителях. Однако контроль напряжения на этом не заканчивается, а продолжается. Датчики контроля напряжения устанавливают на все АКБ, а что касается конкретно подключения, то самым лучшим вариантом будет установка рядом с контактами, затем подсоединить «+» к «+», «-» к «-». После того, как установка была произведена должным образом, датчик будет мигать, а если сигнал отсутствует, то либо подключение выполнено не верно, либо батарея вышла из строя. Посредством COM-порта контроллер имеет возможность выводить данные каждого накопительного элемента на ПК. Помимо этого, контроллер оповещает о падении или повышении напряжения на компонентах системы.

Методы балансировки

Выравнивание напряжения элементов лучше всего осуществлять тогда, когда они полностью заряжены. Балансировать АКБ можно посредством пары методик: активной и пассивной. Вторая вариация отличается своей простотой: разряд батареек, требующих балансировки, осуществляют посредством байпасных цепей, обеспечивающих рассеивание мощности. Данные цепи могут находиться в аккумуляторном блоке либо располагаться во внешней плате. Почти вся лишняя энергия от элементов с повышенным зарядом превращается в тепло и это является основным недостатком пассивной методики, ведь происходит сокращение времени работы АКБ без подзарядки. Однако в данном случае, превосходство активного метода не бесплатно: в ход идут дополнительные дорогостоящие компоненты.

Пассивный метод

Как уже было сказано выше — это самый простой способ выравнивания напряжения аккумуляторов. Возьмём за пример плату BQ77PL900, защищающую аккумуляторные блоки в состав которых входит 5-10 последовательно подключённых электронакопителей. Она применяется в инструментах без наличия кабеля, электроскутерах, ИБП и медоборудовании. Данная микросхема может использоваться для обработки аккумуляторного отсека:

Она сравнивает напряжение АКБ с установленными порогами и при надобности, активирует балансировочный режим:

Если напряжение какой-то батарейки 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.

Балансировка ориентируемая только на расхождение в напряжении, может не полностью уравновешивать характеристики по причине внутреннего импеданса аккумуляторов (смотрим изображение):

Здесь беда в том, что 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.

Активный метод

По энергоэффективности данная метода переигрывает предыдущий способ, так как для передачи электроэнергии от накопителя-донора к более нуждающемуся компоненту, 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 пассивной методой, то энергии будет теряться намного меньше.

Общие советы по выбору аккумуляторов для системы

Конечно, лучше не допустить разбалансировки аккумуляторов с самого начала, чем потом раскладывать всё по полочкам, затрачивая на это время, силы, финансы, да и нервы стоит брать в расчёт. Поэтому отдаём предпочтение АКБ от одного и того же производителя, одной и той же серии, ёмкости, идентичного типа, а также выпущенным в одно время. Если перечисленные условия не будут соблюдены, при расширении системы, уравнивать заряд батарей придётся в обязательном порядке.

Если по ходу эксплуатации аппаратуры появляется потребность в расширении ёмкости, то при подборе дополнительных аккумуляторов, следует учитывать вышеприведённые требования, а что касается даты производства, то разница должна быть не больше года. Почему определены именно такие сроки? К примеру, по прошествии года, в свинцовых АКБ глубокого разряда, могут возникать необратимые процессы и на адекватное совместное функционирование в этом случае, рассчитывать не приходится. Новенький аккумулятор могут свести на нет более старые изделия. Если разница в дате выпуска значительная, год и более, гарантия на новый аккумулятор может быть утрачена.

Заключение

Бесспорно, всем нужна продолжительная и качественная работа аккумуляторного блока, однако весьма существенно будет препятствовать такой радостной жизни разбалансировка элементов единой структуры, которые в любом случае придётся настраивать на общий лад. Такие «уравниловки» увеличат срок службы электронакопителей, и повысят безопасность при их эксплуатации. Для этих целей разработчики создали специальные балансировочные платы, на которые возложена обязанность приводить напряжение во всех элементах АКБ к общему знаменателю.

Есть пассивная методика, а есть и активная. Первая, предлагает пользователю простоту, но эффективностью она похвастать не может. Совсем по другому обстоят дела с активным методом: он более дорогостоящий, однако и результат соответствующий. Для сборки полноценного аккумуляторного комплекта, нужно использовать максимально похожие накопительные компоненты, иначе их придётся в обязательном порядке доводить до общего знаменателя. Вздумаете это игнорировать — проблем с вашим набором не избежать.

Учитывайте, что такое обстоятельство, как разбалансировка элементов аккумуляторного блока, вещь реальная и если вы не будете предавать этому обстоятельству надлежащего значения — на долгую, стабильную, а также безопасную эксплуатацию, не рассчитывайте. При обнаружении проблем подобного рода в вашей системе, незамедлительно обращайтесь в специализированный сервис — там вам помогут разрешить ситуацию, если сами не в силах.

Источник

Балансировка батареи — Battery balancing

Балансировка батарей и перераспределение батарей относятся к методам, которые увеличивают доступную емкость батарейного блока с несколькими ячейками (обычно последовательно) и увеличивают срок службы каждой ячейки. Батареи балансира или регулятор батареи представляет собой электрическое устройство в аккумуляторной батарее , которая выполняет батареи балансировки. Балансиры часто встречаются в литий-ионных аккумуляторных батареях для портативных компьютеров, электромобилей. и т.п.

СОДЕРЖАНИЕ

• 1 Обоснование
  • 1.1 Последствия для безопасности
• 2 Технологии
  • 2.1 Пассивная балансировка
  • 2.2 Активная балансировка
• 3 См. Также
• 4 ссылки
• 5 Дальнейшее чтение
  • 5.1 Патенты

Обоснование

Отдельные элементы в аккумуляторной батарее, естественно, имеют несколько разную емкость, и поэтому в течение циклов зарядки и разрядки могут находиться в разном состоянии заряда (SOC). Различия в производительности связаны с производственными отклонениями, отклонениями в сборке (например, элементы из одного производственного цикла, смешанные с другими), старением элементов, загрязнениями или воздействием окружающей среды (например, некоторые элементы могут подвергаться дополнительному нагреву от близлежащих источников, таких как двигатели, электроника. и т. д.), и может усугубляться кумулятивным эффектом паразитных нагрузок, таких как схемы контроля ячеек, часто встречающиеся в системе управления батареями (BMS).

Балансировка многоэлементной батареи помогает максимизировать емкость и срок службы батареи, поддерживая эквивалентный уровень заряда каждой ячейки в максимально возможной степени с учетом их различной емкости в самом широком диапазоне. Балансировка необходима только для пакетов, содержащих более одной ячейки в серии. Параллельные ячейки будут естественным образом сбалансированы, поскольку они напрямую связаны друг с другом, но группы ячеек с параллельным подключением, подключенные последовательно (параллельная проводка), должны быть сбалансированы между группами ячеек.

Последствия для безопасности

Чтобы предотвратить нежелательные и часто небезопасные условия, система управления батареями должна отслеживать состояние отдельных ячеек на предмет рабочих характеристик, таких как температура, напряжение, а иногда и потребляемый ток, хотя последний часто измеряется только для каждой упаковки, а не для каждой ячейки. возможно, с одноразовой защитой на уровне ячейки от аномально высокого тока (например, при коротком замыкании или другом отказе).

При нормальной работе разрядка должна прекращаться, когда в любой из ячеек заканчивается заряд, даже если другие элементы все еще могут удерживать значительный заряд. Точно так же зарядка должна прекращаться, когда любая ячейка достигает максимального безопасного зарядного напряжения. Невыполнение этого требования может привести к необратимому повреждению ячеек или, в крайних случаях, может привести к изменению полярности ячеек, вызвать внутреннее газообразование, тепловой разгон или другие катастрофические сбои. Если элементы не сбалансированы, так что отсечка по верхнему и нижнему пределу, по крайней мере, совмещена с состоянием элемента с наименьшей емкостью, энергия, которая может быть взята и возвращена в аккумулятор, будет ограничена.

Литий-ионные аккумуляторные батареи более чувствительны к перезарядке, перегреву, неправильному уровню заряда во время хранения и другим формам плохого обращения, чем наиболее часто используемые химические составы аккумуляторов (например, NiMH). Причина в том, что литиевые батареи различного химического состава подвержены химическому повреждению (например, загрязнение катода, молекулярный распад и т. Д.) Только из-за очень незначительных перенапряжений (например, милливольт) во время зарядки или большего зарядного тока, чем может выдержать внутренняя химия при зарядке. этот момент в его цикле зарядки / разрядки и т. д. Тепло ускоряет эти нежелательные, но пока неизбежные химические реакции, а перегрев во время зарядки усиливает эти эффекты.

Поскольку химический состав лития часто допускает гибкие мембранные структуры, литиевые элементы могут быть размещены в гибких, хотя и герметичных пакетах, что обеспечивает более высокую плотность упаковки внутри аккумуляторной батареи. При неправильном обращении с литиевым элементом некоторые продукты распада (обычно электролитические химические вещества или добавки) улетучиваются. Такие клетки станут «пухлыми» и очень скоро выйдут из строя. В герметичных литий-ионных батареях цилиндрического формата такое же выделение газа вызвало довольно большое давление (сообщалось, что 800+ фунтов на квадратный дюйм); такие ячейки могут взорваться, если не оснащены механизмом сброса давления. Опасность усугубляется тем, что многие химические вещества литиевых элементов включают углеводородные химические вещества (точная природа которых обычно является запатентованной), и они легко воспламеняются. Следовательно, помимо риска неправильного обращения с ячейками, потенциально вызывающего взрыв, простая невзрывоопасная утечка может вызвать пожар.

Большинство химических компонентов батарей имеют менее драматические и менее опасные виды отказов. Химические вещества в большинстве батарей часто до некоторой степени токсичны, но редко бывают взрывоопасными или легковоспламеняющимися; многие из них вызывают коррозию, поэтому рекомендуется не оставлять батареи внутри оборудования на длительное время, так как батареи могут протечь и повредить оборудование. Свинцово-кислотные батареи являются исключением, поскольку при их зарядке образуется газообразный водород, который может взорваться при воздействии источника возгорания (например, зажженной сигареты), и такой взрыв приведет к разбрызгиванию серной кислоты во всех направлениях. Поскольку это вызывает коррозию и может вызвать ослепление, это особая опасность.

Технология

Балансировка может быть активной или пассивной . Термин « регулятор батареи» обычно относится только к устройствам, которые выполняют пассивную балансировку.

Полная BMS может включать в себя активную балансировку, а также мониторинг температуры, зарядку и другие функции, чтобы максимально продлить срок службы аккумуляторной батареи.

Балансировка аккумуляторов может выполняться преобразователями постоянного тока в постоянный в одной из трех топологий:

• От ячейки к батарее
• От батареи к ячейке
• Двунаправленный

Обычно мощность, потребляемая каждым преобразователем постоянного тока в постоянный, на несколько порядков ниже мощности, потребляемой аккумуляторным блоком в целом.

Пассивная балансировка

При пассивной балансировке энергия отбирается от наиболее заряженной ячейки и рассеивается в виде тепла, обычно через резисторы .

Пассивная балансировка уравновешивает состояние заряда в некоторой фиксированной точке — обычно это либо «верхний баланс», когда все ячейки достигают 100% SOC одновременно; или «сбалансированный по дну», когда все ячейки достигают минимального значения SOC одновременно. Это может быть достигнуто путем отвода энергии из ячеек с более высоким уровнем заряда (например, контролируемое короткое замыкание через резистор или транзистор) или шунтирования энергии по пути, параллельному элементу во время цикла заряда, так что меньше (обычно регулируемый постоянный) ток потребляется элементом. Пассивная балансировка по своей сути расточительна, поскольку часть энергии батареи расходуется в виде тепла для выравнивания уровня заряда между ячейками. Накопление отработанного тепла также может ограничивать скорость балансировки.

Активная балансировка

При активной балансировке энергия отбирается от наиболее заряженного элемента и передается наименее заряженным элементам, обычно через конденсаторные, индуктивные или DC-DC преобразователи .

Активная балансировка пытается перераспределить энергию от ячеек с полным зарядом к элементам с более низким уровнем заряда. Энергию можно отвести из ячейки с более высоким SOC, переключив накопительный конденсатор в цепи с ячейкой, затем отключив конденсатор и повторно подключив его к ячейке с более низким SOC, или через преобразователь постоянного тока в постоянный, подключенный ко всей батарее. . Из-за неэффективности часть энергии все еще расходуется в виде тепла, но не в такой степени. Несмотря на очевидные преимущества, дополнительные затраты и сложность активной балансирующей топологии могут быть значительными и не всегда имеют смысл в зависимости от приложения.

Другой вариант, который иногда используется в аккумуляторных блоках EAPC, использует многоконтактный соединитель с последовательно соединенными резистором и диодом на каждом узле: поскольку капли известны, зарядное устройство затем подает либо подходящий разрядный ток, либо заряжает слабые элементы, пока все они не будут считывать одинаково загруженные напряжение на клеммах. Это дает преимущество небольшого уменьшения веса упаковки и уменьшения паразитного натяжения, а также позволяет осуществлять многоточечную балансировку.

Источник

Балансировка аккумуляторов при зарядке

Главная
Статьи
Статьи про солнечную энергетику

В данном обзоре мы рассмотрим самые интересные решения по балансировке заряда АКБ. В дополнение вы узнаете, как правильно установить систему балансировки на батареи различных типов.

Система предназначена для выравнивания напряжений, последовательно соединенных АКБ при заряде их общим напряжением (током). Простыми словами – для увеличения срока службы ваших аккумуляторов.

Подробнее о том, что может произойти с АКБ без системы балансировки читать здесь .

Последовательно соединенные АКБ образуют одну цепочку (или «линейку»).

Таких линеек с одинаковым общим напряжением может быть несколько и подключаются они параллельно.

Обзор систем балансировки от российских производителей

«НИП», г. Великий Новгород;

«ТД СибКонтакт», г. Новосибирск;

«МикроАрт», г. Москва.

Компания «НИП» производит несколько решений:

1. модули балансировки + контроллер (МБЗ + КБЗ)

2. модули балансировки на печатных платах (СБЗ)

Первая система состоит из модулей (МБЗ) соединенных между собой одним шлейфом, которые размещаются непосредственно на АКБ и контроллера балансировки заряда (КБЗ) на 12 или 24В. Контроллеры КБЗ-48/12, КБЗ-24/12 — поддерживают ячейки от 5 до 18В. КБЗ-48/2, КБЗ-24/2 — поддерживают ячейки от 1.8 до 5В

КБЗ считывает общее напряжение линейки АКБ и начинает работать в режиме балансировки, если напряжение увеличивается (т.е. идет заряд).

Затем по параллельной шине от МБЗ считываются значения напряжений на каждом АКБ и вычисляет среднее значение.

Если напряжение на отдельном АКБ выше среднего, то КБЗ дает команду соответствующим МБЗ на включение компенсирующей нагрузки (разряжает батарею до нужного уровня). Когда напряжение на включенных МБЗ окажется ниже среднего, то подается команда на выключение нагрузки.

Модули выпускаются для разных типов АКБ:

· литий-полимерных АКБ (Li-pol)

Вторая система имеет более низкую стоимость по причине отсутствия корпуса и системы мониторинга.

Установка и подключение системы балансировки

Установку и настройку системы желательно производить с подключенным к ПК интерфейсом RS485. В этом случае вы сразу увидите все возможные ошибки подключения. Для этого понадобится специальный переходник RS485-USB ( обязательно с гальванической развязкой! ). Использование переходника без гальванической развязки может вывести из строя КБЗ при подключении к ПК. Для просмотра данных на компьютере используйте программу связи HyperTerminal (скорость обмена 9600). Программа бесплатная и скачивается из интернета.

Переходник RS485-USB в комплект не входит, поэтому рассмотрим способ сборки без него:

Кратность поиска – 1, 2, 3, 4 и 5 можно настраивать перемычкой внутри корпуса. Это делается при тестировании. Для 36В, например, кратно 3-м.

ВАЖНО! КБЗ не знает сколько АКБ вы собираетесь подключить (или сколько МБЗ он должен найти). Если в вашей системе, например, 16АКБ, а КБЗ нашел 8 (по причине плохого изготовления плоского соединяющего шлейфа и т.д.), то он все равно будет готов к работе. При этом остальные 8 АКБ балансироваться не будут. Именно поэтому рекомендуется проверять связь всех МБЗ через программу HyperTerminal, о которой было сказано в самом начале.

подключить плоские кабели к каждому МБЗ от 1-го до 4-го в каждой линейке. После подключения каждого 4-го МБЗ включить тумблером КБЗ и подождать пока постоянно не загорится синий светодиод (до 30 секунд). Если этого не произошло, значит либо неисправен какой-то МБЗ в данной линейке, либо плохо обжат разъем на шлейфе. Работоспособность МБЗ на каждой линейке АКБ необходимо проверить с помощью заведомо рабочего кабеля.

КБЗ запоминает количество МБЗ. Если в процессе мониторинга КБЗ по каким-то причинам потеряет связь с одним из МБЗ, то загорится красный светодиод и будет периодически раздаваться звуковой сигнал. Это может произойти, если напряжение на АКБ упадет ниже минимума при разряде. В данном случае делать ничего не нужно и при начале заряда МБЗ заработает и КБЗ его найдет. Если МБЗ потеряется в процессе балансировки, сигнал будет тройным и в этом случае нужно искать неисправный МБЗ по п.4.

Схема подключения

Ниже представлен пример подключения трех линеек АКБ на 12В и система балансировки заряда. При использовании АКБ на 2В их количество в линейки (как и количество МБЗ) увеличится в 6 раз. Два плоских кабеля показаны условно, можно все МБЗ подключить и одним кабелем на один интерфейс КБЗ.