Тема: Балансирующее устройство свинцовых аккумуляторов.
Исполнитель: Михолап Роман Евгеньевич, студент группы 941об
Руководитель - Русинов В.Л., руководитель СКБ "Промышленная робототехника и автоматизация"
Балансирующее устройство свинцовых аккумуляторовОбычно в любой системе, состоящей из нескольких последовательно включенных батарей, возникает проблема разбалансировки заряда отдельных батарей. Выравнивание заряда - это метод проектирования, позволяющий увеличить безопасность эксплуатации батарей, время работы без подзарядки и срок службы.
ЧТО ТАКОЕ РАЗБАЛАНСИРОВКА БАТАРЕЙ?Перегрев или перезаряд ускоряют износ батареи и могут вызвать воспламенение или даже взрыв. Программно-аппаратные средства защиты уменьшают опасность. В блоке из многих батарей, включенных последовательно (обычно такие блоки применяются в лаптопах и медицинском оборудовании) существует возможность разбалансировки батарей, что ведет к их медленной, но неуклонной деградации.
Не существует двух одинаковых батарей, всегда есть небольшие отличия в состоянии заряда батарей (СЗБ), саморазряда, емкости, сопротивлении и температурных характеристиках, даже если речь идет о батареях одинаковых типов, от одного производителя и даже из одной производственной партии. При формировании блока из нескольких батарей производитель обычно подбирает схожие по СЗБ батареи посредством сравнения напряжений на них. Однако отличия в параметрах отдельных батарей все равно остаются, а со временем могут и возрасти. Большинство зарядных устройств определяет полный заряд по суммарному напряжению всей цепочки последовательно включенных батарей. Поэтому напряжение заряда отдельных батарей может варьироваться в широких пределах, но не превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда. Однако в слабом звене - батарее с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением напряжение может быть выше, чем на остальных полностью заряженных батареях. Дефектность такой батареи проявится позже при длительном цикле разряда. Высокое напряжение такой батареи после завершения заряда свидетельствует об ее ускоренной деградации. При разряде по тем же причинам (большое внутренне сопротивление и малая емкость) на этой батарее будет наименьшее напряжение. Сказанное означает, что при заряде на слабой батарее может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные батареи блока еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов батарей.
МЕТОДЫ БАЛАНСИРОВКИВыравнивание 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 методКак 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 (Импедансом называется отношение комплексной амплитуды напряжения гармонического сигнала, прикладываемого к двухполюснику, к комплексной амплитуде тока, протекающего через двухполюсник в установившемся режиме, то есть после завершения переходных процессов.)аккумуляторов:
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 методПо 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.
Что такое балансир, зачем нужен и как работаетУ каждого АКБ, внутренне сопротивление отличается друг от друга, соответственно когда АКБ соединены последовательно, контроллер солнечных панелей, или иное зарядное устройство, «видит» только суммарное напряжение всей группы АКБ, при этом на каждом аккумуляторе может отличаться на 2-3В друг от друга. Соответственно один может «закипеть» пока второй еще заряжается.
В балансире стоит плата отслеживающая напряжение и нагрузочный резистор, который потребляет примерно 0.17А. То есть как только напряжение на аккумуляторе достигает 14В, балансир «подключает» нагрузочный резистор и включает светодиод, тем самым как бы «притормаживает» этот аккумулятор. В идеале когда светодиоды на балансирах всех АКБ загораются одновременно.
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.
