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.

Узнайте о назначении платы балансировки литиевых аккумуляторов.

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.

Схема платы балансировки литиевых аккумуляторов.

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:

1. Устройство на основе чипа NCP1835 отличается уменьшенными габаритами и универсальностью, допускается коммутация аккумуляторов с различными параметрами. Балансир обеспечивает зарядку сильно разряженных элементов путем подачи тока малой силы, предусмотрена защита от установки батареек (со звуковой индикацией). В конструкции модуля предусмотрен регулятор времени зарядки.

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.

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).

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.

Если используются незащищенные элементы, контроллер заряда-разряда устанавливается непременно. РСВ-плата предусмотрена , как обязательный элемент во всех аккумуляторов для бытовых приборов.

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.

Этапы контроля:

• постоянно, напряжение на аккумуляторе;
• предзарядка, если на клеммах меньше 2,9В;
• максимальный постоянный ток 1 А, при замене резистора, увеличении сопротивления, ток падает;
• при напряжении 4,2 В начинается плавное снижение зарядного тока при постоянном напряжении;
• При токе 0,1С зарядка отключается.

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.

Особенности:

• малое количество элементов;
• заряжает сильно разряженные аккумуляторы током около 30 мА;
• детектирует незаряжаемые батарейки, подает сигнал;
• можно задать время заряда от 6 до 748 минут.

Видео

Посмотрите на видео полный обзор платы заряда ТП4056

toozpickЭлектроника / Блоки питанияПриветствую, Самоделкины!Сейчас мы вместе с автором YouTube канала «Radio-Lab» будем собирать аккумулятор на 4 банки из отдельных Li-ion аккумуляторов 18650 с платой защиты, она же BMS. Для будущих проектов автора такой аккумулятор будет нужен. В интернете он купил 8 вот таких Li-ion аккумуляторов из разборки, вроде фирмы Sanyo.Банки б.у., но прогнав на заряднике — все нормально, еще будут работать, емкость примерно 2100 мАч. Плату защиты будем использовать вот такую из не дорогих со встроенным балансиром (что важно), есть защиты от перезаряда и переразряда.Ток разряда заявлено до 30А, для большинства задач этого с запасом. Для увеличения емкости будем паять по два аккумулятора для каждой банки в параллель. Но сразу это делать нельзя, нужно выровнять уровни заряда аккумуляторов, чтобы они друг друга и испортили. Проще всего — это полностью зарядить все аккумуляторы и потом можно их соединять в параллель. Для зарядки, например, можно использовать вот такой простенький зарядник на основе популярной платки.Заряженные аккумуляторы уже можно паять в параллель, паять такие аккумуляторы можно, но делать это нужно быстро. Между собой аккумуляторы будем соединять с помощью двухсторонней клейкой ленты.После этого паяем аккумуляторы в пары и получаем 4 отдельные банки для будущего 4S аккумулятора. Соединением аккумуляторов в параллель мы получаем увеличение емкости. Для таких сборок желательно брать аккумуляторы одной партии.Дальше соединяем аккумуляторы так, чтобы получилась цепочка чередования плюс (+) и минус (-). После этого соединяем все банки последовательно и в итоге получился один аккумулятор.Суммарное напряжение всей сборки пока составляет 15,69 В, но чтобы этот аккумулятор работал долго, его нужно защищать. Для этой цели будем использовать вот такую плату BMS.Как ее правильно подключить можно увидеть на рисунке выше. В первую очередь будем подключать силовые + и — сборки. Припаяем силовые + и — к аккумулятору и потом, соблюдая полярность, эти провода припаяем к контактам В+ и В- на плате, все удобно сделано.Теперь очень важно правильно подключить провода для балансировки. Два крайних провода балансирного разъёма (они же силовые + и -) автор вытащил, они на плате BMS уже подключены к основным дорожкам и в данном случае не нужны. Подключаем балансирный разъём и по схеме паяем балансировочные провода к аккумулятору, ничего сложного главное не спешить.Если это сделать неправильно, то детали балансира начнут греться и могут поотлетать или сгореть. В итоге у нас получился вот такой уже защищенный аккумулятор. Теперь в случае перезаряда и перерязряда (что для лития важно) плата просто отключит нагрузку и аккумулятор останется рабочим. Так же есть защита от коротких замыканий. К контактам Р+ и Р- припаяем провода, по которым будет производится зарядка и разрядка нашего аккумулятора. И вот, аккумулятор собран, получилось вроде нормально. Дальше можно будет попробовать его зарядить. Для этого нужно использовать специальный блок питания с функцией зарядки для 4S Li-ion аккумуляторов. Но автор решил использовать обычный блок питания с напряжением 19В от ноутбука. Подключать напрямую его к аккумулятору нельзя, нужно настроить напряжение зарядки и ограничить зарядный ток, а плата BMS этого не умеет и работает примерно, как реле на включение и выключение. Чтобы аккумулятор заряжался правильно, будем использовать вот такую дополнительную платку понижающего DC-DC преобразователя. В ней есть необходимый алгоритм для зарядки Li-ion аккумуляторов, с настройкой напряжения и ограничением тока заряда. Напряжение одного заряженного аккумулятора составляет 4.2В, умножаем на 4 и получаем напряжение всей заряженной сборки. По расчетам это 16,8В, но для нормальной работы платы BMS возьмем значение 4,25В и настраиваем на выходе преобразователя значение немного выше.Для удобства автор подписал где регулировка напряжения, а где тока. Напряжение выставляем 17,2В. Ток зарядки пока выставим примерно 55мА, потому как напряжение банок отличается и их нужно правильно сбалансировать. Ток балансировки для этой платы указан в описании и составляет 60мА. Во время балансировки начинают греться вот эти 8 резисторов:При большом токе зарядки балансир может не успеть преобразовать лишнюю энергию зарядки в тепло и нормально отбалансировать банки. Измеряем напряжение каждой банки и можно увидеть, что они отличаются. Балансировать их нужно обязательно, то есть дозарядить те, которые ниже по уровню напряжения, чтобы все было одинаково на всех банках. Без балансировки некоторые банки буду недозаряжены, и вся сборка не будет работать на полную. Вот теперь после всех настроек можно подключить платку понижающего DC-DС преобразователя к аккумулятору и начать процесс зарядки. Для удобства автор подписал где + а где -. Все подключаем и засветился синий светодиод, то есть идет ограничение по току, всего 55мА, которые были ранее настроены, хотя блок питания ноутбука отдает более 4А.Напряжение на входе 19,6В, а на выходе преобразователя постепенно будет расти до уровня заряженного аккумулятора и по окончанию синий светодиод погаснет, засветится красный и плата BMS отключит аккумулятор. Спустя несколько часов проверяем уровни напряжения на каждой банке. Можно увидеть, что они выровнялись и составляют примерно 4,2В, аккумулятор практически заряжен и отбалансирован. Все работает.Первый цикл зарядки аккумулятора желательно сделать малым током, а потом можно выставить ток выше, т.к. обычно дальше разброс на банках не большой и балансир успевает выровнять напряжения. После двух циклов автор настроил ток заряда на 2А и все банки зарядились одинаково, теперь этот аккумулятор можно использовать для питания разных устройств. Для теста подключим шуруповерт. Шуруповерт работает, аккумулятор в защиту не уходит и нагрузки держит. Шуруповерт сам старый, на 1-й скорости автор остановить его не смог, а на 2-й скорости у него получилось остановить его рукой. Теперь давайте проверим защиту от коротких замыканий.Защита есть. И когда короткого уже нет, то плата выходит из защиты и готова дальше питать устройства. Вот такой аккумулятор мы сегодня собрали и разобрались как его можно зарядить. Минусом все же можно считать малый ток балансировки именно на этой плате BMS, но это не страшно. В будущем этот аккумулятор точно пригодится. Надеюсь было интересно и полезно. Пробуйте и главное не спешите. Полезные ссылки вы найдете в описании под видеороликом автора (ссылка ИСТОЧНИК). Благодарю за внимание. До новых встреч! Видео:Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь. Используемые источники:

• https://3batareiki.ru/akkumulyatory/platy-balansirovki-litievogo-akkumulyatora-naznachenie-i-shema-plat-zashhity-li-ion-akkumulyatorov
• https://batts.pro/platyi-litievogo-akkumulyatora/
• https://usamodelkina.ru/11896-sborka-akkumuljatora-s-bms-4s-2p-li-ion-144v.html