Балансиры для аккумуляторов

Поделиться ссылкой на статью

Обновлено 14 января, 2023

Балансировочные устройства для АКБ

В этой статье приведена общая информация о балансирах для аккумуляторных батарей. Информация о конкретных балансирах и их параметрах и схемах подключения приведена в карточках товаров в нашем Интернет-магазине в разделе «Балансиры для АБ« и в обзорной статье по товарам «Балансиры (эквалайзеры) для аккумуляторных батарей. Сравнительный анализ«.

В автономных и резервных системах электроснабжения с аккумуляторами очень часто применяются инверторы с напряжением 24 или 48В. Свинцово-кислотные банки аккумуляторов имеют напряжение 2В. Литиевые — от 2,3 (литий-титанат) до 4,2 (литий-полимер) вольт на банку. Для того, чтобы получить такое напряжение 12, 24 или 48В нужно соединить несколько банок последовательно. В обычном свинцово-кислотном аккумуляторе напряжением 12В содержится 6 банок, соединённых последовательно.

Инверторы, солнечные контроллеры и зарядные устройства «видят» только общее напряжение на АКБ. Заряд и разряд АКБ производится в соответствии с алгоритмами, заложенными в инверторах и зарядных устройствах, но только по общему напряжению. Однако, по мере износа аккумуляторов, напряжение на разных ячейках 2В становится разным, и, по мере эксплуатации, разброс нарастает. Получается, что в цепочке из 4х 12В аккумуляторов 1 аккумулятор может быть с напряжением 12В, а другие с напряжением 13 или 14В. Общее напряжение будет 52В, но в этой цепочке 1 аккумулятор будет недозаряжен, а другой перезаряжен. Такая ситуация приводит к тому, что аккумулятор с хроническим недозарядом выходит из строя из-за сульфатации, а с хроническим перезарядом — из-за потери электролита. В обоих случаях возможен перегрев неисправных аккумуляторов, и полный выход из строя всей батареи — всего лишь вопрос времени.

балансиры для аккумуляторов

Для продления срока службы соединённых последовательно аккумуляторных батарей требуется использовать балансиры, которые будут выравнивать напряжение на банках и не допускать перезаряд одних элементов при одновременном недозаряде других.

Это справедливо и для литий-ионных аккумуляторных батарей, и для всех остальных, включая свинцовые. Даже в 12 В свинцовом АКБ желательно  балансировать каждую 2-х вольтовую банку батареи отдельно, и так и делается при сборке АКБ из 2-вольтовых банок. Но в большинстве случаев используются 12В аккумуляторные батареи — 2 последовательно для напряжения 24В и 4 последовательно для напряжения 48В (см. иллюстрации ниже).

Применение балансиров только между батареями 12В тоже оправданно. Они существенно продлевают срок службы аккумуляторной батареи, при этом стоимость балансиров гораздо меньше стоимости защищаемых ими аккумуляторов.

Типы балансиров для АКБ

Балансиры для АКБ делятся на 2 основных типа  — пассивные и активные. Пассивные балансиры разряжают банки, которые имеют напряжение выше, чем среднее, сбрасывая лишнюю энергию заряда на балансировочный резистор. В активных балансирах энергия с наиболее заряженных банок передается на менее заряженные банки.

В активном балансире принцип работы следующий: сравнивается напряжение на 2-х аккумуляторах, заряжается электролитический конденсатор от более заряженного АКБ и разряжаем на менее заряженный, а далее повторяем эту процедуру до выравнивания напряжения на обоих аккумуляторах. Точно такой же принцип можно реализовать, запасая энергию в катушках индуктивности. Существуют активные балансиры обоих типов, но больше распространены балансиры с конденсаторами.

Принципы действия пассивного и активного балансира определяют их достоинства и недостатки.

Параметр Пассивный Активный
Точность поддержания напряжения на аккумуляторе Высокая, определяется уставкой балансира, балансировка начинается при разбалансе 0,1В и даже меньше Грубая, разница между ячейками аккумулятора для начала балансировка обычно не менее 0,5В
Потери энергии Большие, лишняя энергия рассеивается на балластных резисторах или транзисторах Малые, энергия перераспределяется между банками аккумулятора
Ток балансировки Обычно небольшой, определяется мощностью балласта Может быть большим, энергия балансировки не расходуются на нагрев балласта, а идет на заряд аккумулятора
Напряжение на ячейке Определяется уставкой балансира (в простых балансирах), или внешним контроллером как среднее для всех ячеек (в более сложных балансирах типа такого) Определяется как среднее между напряжениями разных ячеек. Поэтому работа активного балансира обычно не зависит от типа аккумулятора, главное чтобы его напряжение было в допустимом диапазоне
Время работы балансировки Только при заряде При заряде и разряде

 

Балансиры для свинцово-кислотных аккумуляторов

Зачем вообще нужны балансиры для 12-ти вольтовые АКБ? Когда у вас система на 12 вольт, то все АКБ сколько бы их не было в параллельном соединении, и у них всегда одинаковое напряжение. Но когда мы переходим на 24 или 48 вольт, то появляется проблема с разным напряжением на последовательно соединённых аккумуляторах. Из-за этого при заряде некоторые АКБ уходят в перезаряд и начинают «закипать», а другие недозаряжаются, и в итоге вся цепочка АКБ быстро теряет ёмкость и в общем приходит в негодность. И даже полностью одинаковые АКБ со временем всё равно разбегаются по напряжению, поэтому не спасёт от проблемы даже покупка АКБ из одной партии. Для решения этой проблемы применяются различные балансировочные устройства, которые позволяют значительно продлить срок службы АКБ.

Существуют балансиры для 2В банок, для 24В и для 48В АКБ. Гораздо реже встречаются балансиры на более высокое напряжение, но, как правило, на высокое напряжение можно сделать составной балансир, состоящих из нескольких балансиров на меньшее напряжение.

См. балансиры в нашем Интернет-магазине. Обзор разных моделей балансиров из нашего ассортимента и их основные отличия — в статье в нашем Интернет-магазине. Здесь мы не будет приводить данные по конкретным балансирам, чтобы не «раздувать» статью. Переходите по ссылке для просмотра сравнительного анализа балансиров для свинцово-кислотных аккумуляторов, продающихся в нашем Интернет-магазине.

Балансиры для литиевых аккумуляторов

Если балансиры для свинцово-кислотных аккумуляторов желательны, то для литиевых аккумуляторов они обязательны, потому что разброс между ячейками может быть значительным, и без балансиров ячейки могут быстро выйти из строя из-за перезаряда или недозаряда. В литиевых аккумуляторных батареях необходимо балансировать каждую ячейку.

Многие думают, что функция балансировки встроена в BMS. Да, действительно, BMS замеряет напряжение на каждой ячейке и даже пытается немного их балансировать. Однако токи балансировки, которые может обеспечить BMS, очень малы и обычно не превышают нескольких десятков миллиампер. Такими токами можно отбалансировать только аккумуляторы  очень небольшой емкости (максимум единицы ампер-часов). Без отдельных мощных балансиров на каждую ячейку BMS может только отследить разбаланс и отключить нагрузку или зарядное устройство при появлении недопустимого разбаланса ячеек.

bms with balancers балансир

Еще одна особенность литиевых аккумуляторных батарей — в них желательно поддерживать минимальную разность напряжений между ячейками. Более того, разбаланс обычно возникает только в конце заряда, когда напряжение приближается к максимальному напряжению заряда. Во время заряда максимальными токами у литиевых аккумуляторов разбаланс бывает минимальным. Например, у литий-железо-фосфатных аккумуляторов разбаланс появляется при напряжении более 3,3-3,35В. Поэтому зачастую применение пассивных балансиров с литиевыми аккумуляторами оказывается более целесообразным.

Пассивный метод балансировки

passive balancing балансир

Такие балансиры просто ограничивают заряд ячеек при достижении определенного напряжения. Для LiFePo4 аккумуляторов это напряжение составляет обычно 3,45-3,55В. При достижении такого напряжения балансир подключает параллельно ячейке балластное сопротивление и рассеивает часть энергии заряда на тех ячейках, которые зарядились раньше остальных.

Если напряжение какой-то ячейки 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.

По понятным причинам такой балансир может работать только при заряде, а точнее, в конце заряда.

passive balancing2 балансир

На схеме выше знаком стабилитрона электронная схема, которая пропускает через себя ток при определенном напряжении. Например, она может быть выполнена по такой схеме:

balancer балансир

На токи до 1А выпускаются платы, на которых размещены от 4 до 16 пассивных балансиров. Пример ниже.  Без радиаторов обычно ток не превышает 0,5А. Если ток выше, то балластные резисторы должны размещаться на радиаторах. Без радиатора в конце заряда резисторы могут нагреваться до температур порядка 80 градусов, а при установке в корпус батареи температура может быть еще больше.

passive li balancers балансир

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:

nebalance ostatok балансир

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.

Ток балансировки  нужно подбирать в соответствии с ёмкостью аккумуляторной батареи. Например, для литиевых АКБ емкостью до 40-60А*ч может быть достаточно тока 0,25А. Для аккумуляторов емкостью более 100А*ч балансир должен быть на ток не менее 0,5А. Есть балансиры на ток до 3-5А. Плата BMS не может обеспечить такой ток балансировки, более того, для таких токов предъявляются требования к сечению проводов. От BMS обычно идут тонкие провода, и они предназначены для измерения напряжения на ячейках, а не для балансировки большими токами. 

Активный метод балансировки

Чтобы обойти указанные выше проблемы с малыми токами балансировки и нагревом балластных сопротивлений придумали использовать схему с переносом энергии от одной ячейки к другой. Относительно простым является конденсаторный балансир, принцип предельно прост, сначала от аккумулятора с большим напряжением заряжаем конденсатор, а потом переключаем его на аккумулятор с меньшим напряжением. В итоге заряженный аккумулятор постепенно отдает часть заряда менее заряженному, фактически таким образом элементы «виртуально» соединяются параллельно.

active balancer 1 балансир
Принцип действия активного балансира

В случае предыдущей схемы аккумуляторы можно просто соединить параллельно, но если надо балансировать последовательно включенные ячейки, то схема просто дополняется еще одним переключателем, сама же суть остается прежней.

active balancer 2 балансир

Современные конденсаторные балансиры имеют специальные контроллеры, переводящие схему в спящий режим, полимерные конденсаторы, токи балансировки до 5А. Пример такого балансира ниже:

active balancer 3 балансир

Вторая разновидность активного балансира — индуктивный. По сути то же самое что и емкостной, но перенос энергии реализован чуть по другому, в качестве промежуточного накопителя используется индуктивности.

Преимущества почти те же что у емкостного, но ток обычно меньше, порядка 1-1.5А, зато цена заметно ниже.
active balancer 4 балансир

Задача схемы в конечном итоге уравнять потенциалы на клеммах ячеек. Частые вопросы:

1. Такой балансир может перезарядить батарею? — Нет, он уравнивает потенциалы, также как при параллельном включении ячеек. Грубо говоря при двух элементах с напряжениями 3.5 и 3.7 вольта после балансировки будет 3.6 и 3.6.
2. Для разных аккумуляторов нужны разные балансиры? Нет, так как он просто уравнивает напряжение, то ему все равно какое оно там, главное чтобы сам контроллер мог работать. Потому обычно эти балансиры универсальны как для LTO, LiFePO4, так и для «обычных» Li-Ion.

По энергоэффективности данный метод переигрывает предыдущий способ, так как для передачи электроэнергии от ячейки-донора к более нуждающейся ячейке 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:
fig 5 балансир

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 пассивным методом, то энергии будет теряться намного меньше.

Какие балансиры лучше применять?

Выбор типа балансира зависит от типа аккумуляторов, для которых он применяется. В автономных системах электроснабжения применяются, в основном, литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Особенностью этих аккумуляторов является стабильность напряжения на ячейках практически во всем диапазоне разрядной характеристики. Исследования различных типов балансиров для литиевых аккумуляторов подробно описаны по ссылке, оттуда же и график ниже.

lifepo li ion chart балансир

Красным обозначены графики разряда для литий-полимерных аккумуляторов, синим — LiFePo4. Как видим, у LiFePO4 линия почти горизонтальная, поэтому для них 30мВ —  это большая разница в емкости, на вскидку легко около 10-20% в зависимости от участка кривой. При этом у обычных литий-ионных напряжение падает почти линейно, соответственно эти же 30мВ дадут меньшую разницу в проценте заряда.

Если говорить упрощенно, то активный балансир гораздо лучше будет работать с обычными литий-полимерными батареями, а не с LiFePO4, потому что малая разница напряжений не всегда говорит о малой разнице в емкости для этого типа батарей, то же самое относится и к LTO (литий-титанатным аккумуляторам).

Именно поэтому мы и советовали с LiFePo4 аккумуляторами применять именно пассивные балансиры, так как они могут поддерживать напряжение на аккумуляторной ячейке более точно, и оно не зависит от напряжения соседних ячеек. Проблема с малыми токами балансировки и нагревом решается более длительными режимами заряда меньшими токами и установкой радиаторов. В системах с солнечными батареями как раз и присутствуют режимы заряда небольшими токами. Если же вы в основном заряжаете литиевые аккумуляторы от генератора большими токами (от генератора нужно быстро заряжать аккумуляторы), то в этом случае лучше применять активные балансиры, которые быстрее отбалансируют ячейки, в ущерб точности балансировки.

К сожалению, потребитель обращает внимание на большие токи балансировки у активных балансиров, поэтому в продаже активные балансиры постепенно вытесняют пассивные. Также, срабатывает маркетинг типа «при активной балансировке не теряется энергия».

В наших сборках аккумуляторов мы используем пассивные балансиры.

См. также статью про назначение и принципы работы BMS для литиевых аккумуляторов, которая вынесена отдельно, чтобы не путать БМС и балансиры.

Эта статья прочитана 2843 раз(а)!

Реклама

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *