Меню

Как подключить литий ионные аккумуляторы с балансировочным устройством

Платы балансировки литиевого аккумулятора: назначение и схема плат защиты li ion аккумуляторов

При последовательном подключении батарей наблюдается разброс параметров изделий, что не позволяет поддерживать требуемое выходное напряжение. Проблема возникает из-за неравномерной зарядки элементов. Для устранения дефекта используется плата балансировки литиевых аккумуляторов, обеспечивающая равномерный заряд изделий и предотвращающая перезаряд элементов аккумуляторной банки.

Балансировочная плата для литиевых аккумуляторов

При соединении нескольких источников постоянного тока в общую банку по последовательной методике обеспечивается суммирование напряжений. При этом емкость аккумулятора будет определяться элементом с минимальным значением параметра.

Для зарядки устройства используется две методики — последовательная и параллельная. При первом способе осуществляется подача питания от единого источника, напряжение соответствует значению параметра на полностью заряженном аккумуляторе.

Параллельный метод предусматривает независимую зарядку каждого изделия, входящего в аккумуляторную банку. В конструкцию зарядного блока входят не связанные между собой источники питания. Для контроля параметров электрического тока применяются индивидуальные устройства. Зарядные блоки подобной конструкции встречаются редко, для восполнения емкости литиевых аккумуляторов применяется последовательная схема зарядки.

При совместной зарядке необходимо не допустить повышения напряжения на клеммах элементов, составляющих аккумуляторную банку, выше допустимого предела (зависит от модели батареи).

Из-за различных характеристик элементов пороговое значение достигается в разное время.

Пользователь вынужден прекратить зарядку после фиксации допустимого напряжения на первом источнике, при этом остальные компоненты АКБ остаются недозаряженными, что негативно влияет на конечную емкость батареи.

При эксплуатации элемента питания происходит неравномерное снижение напряжения на выводах элементов. Разрядка прекращается в момент фиксации минимально допустимого порога на секции, не получившей необходимого заряда.

Для исключения возможности возникновения ситуации в цепь питания батареи вводится балансировочный блок, который контролирует параметры на каждой секции. При достижении запрограммированного значения происходит параллельная коммутация балластного резистора, отсекающего подачу питания на клеммы секции.

Балластное сопротивление отключает питание в случае превышения силы тока, идущего через резистор, над параметром в цепи питания секции аккумулятора. Остальные компоненты аккумуляторной банки продолжают заряжаться.

По мере фиксации максимального напряжения происходит последовательное отключение цепей питания. После подключения всех имеющихся балластных сопротивлений зарядка прекращается. Напряжение всех секций будет равняться значению параметра, на который отрегулирован балансир.

Плата защиты литиевого аккумулятора

Защитные платы для Li-ion или Li-pol аккумуляторов дополнительно защищают изделия от взрыва или воспламенения, происходящего из-за избытка газов при перезарядке. Следует учитывать, что регулярная эксплуатация недозаряженных элементов приводит к деградации катода и анода, что сокращает срок службы изделия.

Часть аккумуляторных банок оснащается платой защиты в заводских условиях. Для самодельных устройств и некоторых аккумуляторов потребуется монтаж дополнительного узла фабричного изготовления или собранного своими руками.

В конструкции всех литий-ионных или литий-полимерных банок предусмотрена защитная плата PCB или PCM. Устройство обеспечивает разрыв цепи при возникновении аварийной ситуации (например, короткого замыкания).

Защитный блок не оснащен регуляторами напряжения или силы тока, допускается разрядка элементов до 2,5 В и ниже (зависит от качества контроллера), что негативно влияет на рабочие характеристики аккумуляторов. Плата балансировки MBS устанавливается вместо защитного устройства, узел обеспечивает защиту от замыканий и равномерную зарядку элементов.

Схемы плат защиты литиевого аккумулятора

На рынке представлены следующие балансировочные платы фабричного изготовления:

Базовая схема балансира самодельного типа включает в себя стабилитрон TL431A (с повышенной точностью управления) и транзистор BD140 (относится к типу изделий с прямой проводимостью).

В цепь включаются сопротивления, которые допускается заменить диодами 1N4007. При использовании диодов учитывается нагрев элементов при работе, при изготовлении монтажной платы принимают во внимание необходимость охлаждения узлов.

Для регулировки требуется подать постоянное напряжение 5 В на входы устройства. В цепи предусмотрен резистор, изменяя значение сопротивления, необходимо добиться напряжения 4,2 В на колодках, предназначенных для установки литий-ионных аккумуляторов.

Для подачи питания в рабочем режиме используется трансформатор, напряжение равно суммарному значению подключенных аккумуляторов. На каждый элемент подается запас напряжения в пределах 0,15 В. Например, для зарядки 3 элементов требуется подвести напряжение 3*4,2+3*0,15=13,05 В.

Устройство обеспечивает зарядку батарей до момента достижения напряжения 4,2 В. После фиксации параметра включается стабилитрон, который активирует подачу питания через транзистор к балластным резисторам, имеющим сопротивление 4 Ом. В цепи предусматриваются контрольные светодиоды, которые включаются при подаче питания в балластную цепь.

Упрощенный блок на основе стабилитрона TL431A строится с использованием полупроводникового транзистора, удовлетворяющего параметрам зарядки. Поскольку элемент при работе нагревается, то необходимо предусмотреть охлаждение. В основе выбора типа радиатора лежит расчет по мощности.

Читайте также:  Как правильно подключить lpt порт

Например, при напряжении 4,2 В и силе тока 0,5 А расчетная мощность составит 2,1 Вт. При увеличении параметров зарядки мощность возрастает, что вызывает сложности с теплоотводом. В конструкции используется 2 сопротивления, регулирующих пороговое значение напряжения.

После подбора сопротивлений и транзистора изготавливается требуемое количество балансировочных блоков, которые ставятся на аккумуляторы во время зарядки.

Небольшие габариты устройств позволяют закрепить узлы на общей пластине. При монтаже нескольких балансиров требуется обеспечить изоляцию корпусов транзисторов (из-за подачи отрицательного питания от батареи).

Источник

Аккумуляторы и батареи

Информационный сайт о накопителях энергии

Платы балансировки литиевого аккумулятора

Общим свойством всех литиевых аккумуляторов является нетерпимость к перезаряду и глубокой посадке напряжения. Есть около 10 разновидностей литий-ионных и полимерных аккумуляторов с использованием разных составов активных составляющих. Все они отличаются рабочим диапазоном по напряжению, но требовательны к соблюдению границ. Платы – это электрические схемы, внедренные в цепь для поддержания нужных параметров, отключения литиевых аккумулятора в случаях его неисправности. Для зарядки, балансировки, контроля разряда и защиты литиевых аккумуляторов составляются отдельные или совмещенные платы, которые выполняются на твердой подложке.

Балансировочная плата для литиевых аккумуляторов

Зачем нужен балансир при зарядке батареи? При последовательном соединении нескольких банок напряжение суммируется, и емкость батареи будет равна самой низкой, из всех элементов.

Чтобы не допустить перезаряда «ленивой» банки, ее нужно отключить от питания, как только на ней будет достигнуто зарядное напряжение. Это позволит другим элементам продолжить зарядку. Для выполнения контроля за равномерным зарядом служит балансир. Он должен быть включен в цепь с последовательным соединением элементов. Для параллельного соединения балансир не нужен, там уровень заряда распределяется равномерно, как в сообщающихся сосудах.

Плата балансира может быть выполнена отдельно или входить в общий защитный контур MBS для литиевых аккумуляторов. Называется сборка балансировочным шлейфом.

Целью внедрения схемы является недопущение перезаряда отдельных элементов. Если используется один и защищенный аккумулятор, в нем предусмотрен блок от перезаряда.

Плата защиты литиевого аккумулятора

Литиевые аккумуляторы при перезарядке, нагревании могут загореться или взорваться. При проседании напряжения возникают трудности с зарядкой. Каждый случай нарушения режима ведет к безвозвратной потере емкости банки. Поэтому любая сборка из литиевых аккумуляторов содержит защитную плату.

РСВ –платы и РСМ-модули не являются контроллерами, они не регулируют ток и напряжение. Их задача – разорвать цепь, если случилось короткое замыкание, перегрев. Модули допускают разряд до 2,5 В, что опасно. Все модули защиты китайские, продукция выпускается миллионами и вряд ли тестируется каждая микросхема. Это не полноценная защита, аварийная.

Для защиты используют платы заряда и защиты MBS, подбираемые по удвоенной токовой нагрузке, со встроенным балансиром. Платы зарядки и защиты литиевых аккумуляторов представляют контроллеры, которые обеспечивают 2 этапа процесса и обеспечивают нужные параметры. Непременным условием второго этапа зарядки является отключение питания при достижении максимального рабочего напряжения литиевого аккумулятора.

Схемы плат защиты литиевого аккумулятора

Все литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы и собранные батареи должны иметь защиту. Чтобы провести зарядку в 2 этапа, необходимо обеспечить последовательно режим постоянного тока, постоянного напряжения. Используются в сборке РСМ или MBS платы.

Собрать самостоятельно или купить готовые платы для подключения, выбирать вам. Для зарядки литиевых аккумуляторов специалисты используют китайские изделия. Их заказывают на AliExpress, с бесплатной доставкой.

LM317

Простое зарядное устройство, стабилизатор тока.

Настройка заключается в создании напряжения 4,2 В подстройкой резисторов R4, R6. Сопротивление R8 является подстроечным сопротивлением. Погасший светодиод известит об окончании процесса. Недостатком этого устройства считают невозможность запитки от порта USB. Высокое напряжение питания 8-12 В, условие работы этого ЗУ.

ТР4056

Специалисты предлагают, для зарядки литиевого аккумулятора воспользоваться китайской платой ТП4056, с защитой от переплюсовки батарей или без. Купить ее можно на АлиЭкспресс, стоимость единицы обходится примерно в 30 центов.

Максимальный ток в 1 А регулируется заменой резистора R3. Напряжение 5 А, имеется индикатор зарядки.

Специалисты советуют покупать плату с защитой или выведенным контактом для температурного датчика.

NCP1835

Зарядная плата обеспечивает высокую стабильность зарядного напряжения при миниатюрном размере платы – 3х3 мм. Этим устройством обеспечивается зарядка литиевых аккумуляторов всех видов и размеров.

Видео

Посмотрите на видео полный обзор платы заряда ТП4056

Источник

Как подключить литий ионные аккумуляторы с балансировочным устройством

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

Читайте также:  Как подключить наушники с микрофоном к компьютеру одним входом

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;

Компания «НИП» производит несколько решений:

1. модули балансировки + контроллер (МБЗ + КБЗ)

2. модули балансировки на печатных платах (СБЗ)

Принцип работы:

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.

Система балансировки для свинцово-кислотных АКБ

Модули выпускаются для разных типов АКБ:

· литий-полимерных АКБ (Li-pol)

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

Модульные системы СБЗ изготовлены на печатных платах.
На плате имеется от двух до шести микропроцессорных каналов. Один ведущий, остальные ведомые.

Балансировка осуществляется по среднему значению всех ячеек.


Выпускаются для следующих типов АКБ:

свинцово-кислотных (Pb)
литий-железо-фосфатных (LiFePO4)
литий-титанатных (Li-Ti).

Балансиры на печатной плате (СБЗ) для литиевых АКБ.

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:

На каждый АКБ устанавливаете один модуль МБЗ. МБЗ необходимо установить в горизонтальном положении, разъемом вверх (необходимо для правильного отвода выделяемой мощности от изделия). Лучше всего приклеить модуль на АКБ возле клемм. Синий провод МБЗ подключаете к «-» АКБ, красный к «+». При правильном подключении красный светодиод на МБЗ загорится 2 раза и погаснет. Если модуль подключен неправильно (переполюсовка) или неисправен, то светодиод моргать не будет.



После подключения к общему напряжению КБЗ будет определять количество подключенных МБЗ. КБЗ настроен таким образом, что ищет кратное 4-м количество ячеек*. Если найдено кратное 4-м количество МБЗ, то синий светодиод будет гореть постоянно. Система готова к работе!

*

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

(данная процедура должна выполняться только квалифицированными специалистами. )

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.

Если количество найденных МБЗ не кратно 4-м, то вместе с синим будет мигать красный светодиод и раздаваться звуковой сигнал. В этом случае необходимо найти неисправность следующим образом:

при подключенных к питанию КБЗ и МБЗ отключить плоские кабели от всех МБЗ, выключить КБЗ при помощи тумблера;

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.

5

Когда общее напряжение на КБЗ начнет расти (пойдет заряд), то система переключится в режим балансировки. При этом синий светодиод будет периодически помаргивать. При балансировке КБЗ будет включать и выключать необходимые МБЗ, на которых соответственно будут загораться и гаснуть красные светодиоды.

6 По окончании балансировки система включит синий светодиод на КБЗ постоянно и будет только мониторить напряжение на каждой АКБ.

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.

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.

ВАЖНО! Основное правило изготовления плоского кабеля – все разъемы должны быть опрессованы ключом в одном направлении.

Схема подключения трех линеек АКБ (общее напряжение 48В) и системы балансировки заряда.

Проверка системы через программу HyperTerminal

Для проверки правильности подключения системы воспользуйтесь бесплатной программой HyperTerminal. Можно бесплатно скачать в интернете.

Запуск и настройка

Запускаем программу и создаем новое подключение

Выставляете скорость обмена 9600 как показано на рисунке ниже

На этом с настройками ВСЕ! Ничего больше изменять не надо, данные системы будут отображаться автоматически.

В данном примере отображаются данные системы, состоящей из 12-ти 2В аккумуляторов.

Если ПК стоит далеко от системы АКБ (что вероятнее всего), то для настроек удобнее будет воспользоваться ноутбуком с системой Windows XP/7/8/10.

Новосибирская компания «СибКонтакт» производит систему контроля (BMS) для литий-ионных АКБ (LiFePO4). Она состоит из модулей и контроллера балансировки заряда литий-ионных АКБ (LiFePO4).

Пайка печатных плат Контроль правильности пайки

Модуль коммутации дает возможность управлять любым зарядным устройством (ЗУ) с питанием от сети переменного

ЗУ подключается к сети 220В через модуль коммутации, и при перезаряде аккумулятора по сигналу с МК отключает ЗУ

Модуль нужен если ЗУ не имеет функций управления через дискретные (сигнальные) входы, для запрета заряда путем

отключения ЗУ от сети.

ВАЖНО! Эксплуатация литий-ионных АКБ без системы BMS недопустима!

Выполняет следующие функции: сбор данных с МА, измерение сигнала с датчика тока, анализ измеренных данных, расчет уровня заряда АБ, управление зарядом и разрядом АБ, обеспечивает связь по RS485 с протоколом Modbus RTU для настройки и мониторинга параметров СКУ, фиксирует аварийных события в энергонезависимой памяти.

Модуль аккумулятора (МА) – балансир предназначен для монтажа непосредственно на аккумулятор и производят измерения напряжения и температуры, а также имеют цепи балансировки АБ

Выпускается двух видов:

для АКБ с межцентровым расстоянием 80 мм под болты М12

для АКБ с межцентровым расстоянием 208-210 мм под болты М12

Модуль датчика тока дает возможность видеть ток АБ, текущий уровень заряда АБ, настраивать аварийные события

по превышению тока АБ.

Преобразователь сигналов интерфейсов USB – RS485 (EL201-1)

П озволяет подключать к устройству, оснащенному интерфейсом USB до 255 устройств по интерфейсу RS485.
Модуль EL201-1 необходим для настройки параметров и мониторинга состояния СКУ на ПК.

Систему СКУ от компании СибКонтакт чаще всего используют с литий-ионными аккумуляторами «Лиотех».

Для мониторинга работы BMS необходимо скачать специальную программу

Данный модуль совместим только с оборудованием МикроАрт.

Стоимость систем балансировки заряда АКБ (сравнение)

Снизу в таблице вы можете рассмотреть стоимость систем от разных производителей.

Возможна работа с любым оборудованием от разных производителей.

Возможна установка без использования ПК.

(для проверки правильности подключений можно ориентироваться на светодиоды и звуковые сигналы)

Может применяться для литиевых аккумуляторов с различной химической основой, с напряжением отдельного аккумулятора
от 2 до 5 В.

Все модули, устанавливаемые на АКБ идентичны и взаимозаменяемы.

Возможна работа с любым оборудованием от разных производителей.

Не имеет органов управления и настройки, нужно подключение к ПК через устройство EL201-1

Не требуется контроллер балансировки, но необходимо иметь инвертор МАП или солнечный контроллер КЭС

Источник