Исполнитель: Бендик Владимир Игоревич
Руководитель: Русинов Владислав Леонидович, руководитель СКБ "промышленная робототехника и автоматизация"
Последние несколько лет в технических печатных изданиях много внимания уделяется методике заряда литиевых аккумуляторов. Это и понятно - при неправильном напряжении хотя бы на одном из элементов литиевая аккумуляторная батарея (АКБ) выходит из строя, порождая пожароопасную ситуацию. Без полноценной BMS (системы управления аккумуляторной батареей) литиевую АКБ эксплуатировать нельзя и даже опасно.
На этом фоне свинцовые АКБ остаются в стороне, так как имеют более щадящие параметры заряда и в крайнем случае «пшикнут» облаком газа. Но из-за низкой стоимости они получили более широкое распространение: в источниках бесперебойного питания (коттеджей, технологического оборудования, медучреждений и др.), в установках сбора и использования солнечной и ветровой энергии, автомобильном транспорте и т.д., Кроме того, именно их использует СКБ при Энергетическом факультете в разработке стенда электромобиля для эмулирования литий-ионной батареи автомобиля Nissan LEAF.
Рассмотрим автомобильную свинцовую батарею на 12 В. Она состоит из шести последовательно соединенных 2‑вольтовых ячеек. При производстве АКБ на заводе вся ее свинцовая начинка изготавливается одинаковой, и электролит заливается из одной «бочки», поэтому все двухвольтовые ячейки имеют одинаковые параметры (емкость, внутреннее сопротивление и пр.) с минимальным технологическим разбросом. То есть и заряжаться такие ячейки будут равномерно, а в конце заряда одновременно достигнут конечного напряжения. Пусть напряжение генератора автомобиля 14,4 В. В начале работы напряжения на ячейках распределятся так: 2,4 В + 2,4 В + 2,4 В + 2,4 В + 2,4 В + 2,4 В = 14,4 В.
В ходе эксплуатации АКБ возникают факторы приводящие к изменению структуры свинцовых пластин и плотности электролита, из-за чего изменится внутреннее сопротивление двухвольтовых ячеек и уменьшится их емкость. После этого напряжения на ячейках при заряде могут выглядеть уже так: 2,4 В + 2,3 В + 2,4 В + 2,4 В + 2,4 В + 2,5 В = 14,4 В. Получается, вторая ячейка недозаряжена, а шестая уже начинает кипеть. Оба процесса губительно влияют на АКБ.
Ввиду того, что внутри всех ячеек находится одинаковый электролит данный процесс является не критическим, а учитывая, что ячейки являются необслуживаемыми, с ним остается только смириться.
Совершенно другое дело возникает, когда приходится иметь дело с наборами последовательно и параллельно соединённых батарей. Так, например, батарея Nissan LEAF состоит из 96 ячеек соединенных последовательно, с целью достичь нужно напряжение в размере 360 Вольт. То есть для эмулирования такой батареи используя автомобильные аккумуляторы нужно будет использовать 30 батарей. В таком случае использование балансирующих устройств необходимо.
Существует несколько вариантов балансирующих устройств. В рамках данного доклада для создания равномерного заряда аккумуляторов будет использоваться стабилизатор напряжения шунтирующего типа, выполненный на основе стабилитрона TL431.
(https://i.ibb.co/Y83xB0C/4ezefj-OUc-YQ4-Dy-PTen-XU3-Amt-Xl1b1c-SE5-Kv-P59qi7-Lq-f-KGqv-N4ks48-ODPdj14kp-I5-Y4p-Hdssfy-Uc-oea.jpg)
К клеймам Vi+ и Vi- подключается зарядное устройство, а к клеймам Vo+ и Vo- подключается сам аккумулятор. Напряжение на выходе создается путем подбора резисторов R2 и R4. Необходимое нам напряжение на выходе составляет 12,5 Вольт, так как именно при этом значении автомобильный аккумулятор находится на самом благоприятном для себя уровне заряда. Резистор R2 возьмем величиной 1к Ом, исходя из опорного тока и напряжения. Воспользуемся формулой:
U_вых=(1+R_2/R_4 )*U_оп
Т.е.
12,5=(1+1000/R_4 )*2,495
(https://i.ibb.co/K95QQt6/J3-Dm-Ch-Y4-D24-ILa-ZDXn-Yv-C18v3k-OL59-ZM3s4cm-On-Jy-NLUWlv2-F3-Y4-530-CVS11uh-Wga-Ovpr-Ba-AQW-e-Z3.jpg)
Отсюда следует, что идеальное значение R4 = 249.37 Ом или 250 Ом.
Проведем тесты в программе Multisim:
(https://i.ibb.co/LJVKs41/RS0hd-Tvk2-DSkz-qg-TLEFoi2-Sv-I72-D11-Xf5d0-ZTd-HKWy8hq-Er-P4-Fk-WWjeiqky-UB5zbm-QOy-O5h-Uw-Au8-H2-A.jpg)
Как можно увидеть, при входном напряжении в диапазоне от 14 до 20 Вольт, стабилизатор дает на выходе 12,4 Вольта. Если для работы аккумулятора заряда до такого значения будет мало, повысить его можно заменив резистор R3 на 240 Ом.
(https://i.ibb.co/KzVzHW5/Odsk-H0v-Arhua-S5-FNDq0k-Y-Y3t-AKPB1-Gt-MLfm-Af1-E9-MSAHz9-YG0rh-Ze-IOD8-SXXZk-Zc-HTFOAAPI9n-Yx9-j-S.jpg)
Дополнительно проведем тест этого стабилизирующего устройства с двумя аккумуляторами установленными последовательно.
(https://i.ibb.co/jfQZzVP/Haqnfh9w-MYu-z-VH2-DKg-JJ10-FCHKPNk-Czce-ip9-Cw-V2-q9c-PQDqb-PPX-p-Bml-RQ3ugn9-LPNrhw-BBNSFl8-OYLPq.jpg)
https://vk.com/doc263474323_644260672?hash=Czm9PajJPlFGbx4BlsuCyYXrvl1q2TbSmGrwyYL0IT4&dl=nph74SsdXkze0ctQzCLUcukx6fSz6WVRgXcgNepl2O0