Аккумулятор li ion с балансирами самодельный

Как на транзисторах сделать блок балансировки на любое количество литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы крайне чувствительны к перезарядке. И стоит только немного перезарядить батарею, как она тут же выходит из строя. Чтобы аккумуляторы равномерно заряжались в последовательной цепи, применяют схемы балансовой защиты, исключающие перезарядку.

Собрать такой контроллер самому на транзисторах довольно не сложно.

Понадобится

Схема и работа контроллера BMS на примере одной ячейки

Схема подключается паралельно аккумулятору и контролирует напряжение на нем. При достижения, во время зарядки, напряжения выше 4,2 В блокирует дальнейшее повышение.

В основе стоит микросхема регулируемого стабилизатора TL431. Которая управляет ключом на транзисторе. Транзистор через цепочку диодов блокирует превышение напряжения путем открывания и пропускания лишнего тока через себя. Светодиод служит для индикации и при загорании свидетельствует о полной зарядке батареи.

Если использовать данную схему для каждого элемента, то заряжать их можно последовательно в неограниченном количестве, без перезарядки

Схема на 3 элемента

Пример использования батареи из трех АКБ. Паралельно каждому аккумулятору подключен свой контроллер. В результате чего при отклонении параметров и неравномерной зарядке в последовательном соединении, контроллеры не дадут ни одному элементы выйти из строя.

Изготовление BMS платы

Если планируется использовать 3 батареи в одной цепи, то все контроллеры для каждого АКБ можно собрать на одной плате.

Изготавливаем плату и готовим все элементы.

Устанавливаем все детали и припаиваем. Вывода откусываем.

Настройка BMS платы

Перед подключением аккумуляторов в схему каждый контроллер необходимо отрегулировать.

Устанавливаем на блоке питания напряжение 4,2 В и подключаемся к первому контроллеру.

Вращением переменного резистора добиваемся начального свечения светодиодов.

Далее подобным образом настраиваем два последующих контроллера.

Припаиваем провода к плате и подключаем к каждому АКБ.

Схема зарядки

Данные контроллеры отслеживают превышение напряжения, но для регулировки тока зарядки нужно собрать еще небольшую схему из двух стабилизаторов, контролирующих ток и напряжение.

Заряжать линейку из трех АКБ будем от блока питания ноутбука 19 В. Первый стабилизатор на LM317 ограничивает напряжение до 14 В, второй ограничивает ток до 600 мА.

В принципе под все задачи можно было бы использовать одну микросхему LM317, но в данном примере мощности бы ее не хватило, поэтому разбивка была на две микросхемы.

Подключаем схему и производим зарядку АКБ.

Свечение всех светодиодов указывает на завершение зарядки и полном заряде всех элементов.

Вот такая несложная схема поможет быстро и сразу зарядить множество литий-ионных аккумуляторов.

Смотрите видео

Источник

Балансир для li-ion аккумуляторов своими руками. Схема и описание

Иногда есть необходимость в зарядке Li-Ion аккумулятора, состоящего из нескольких последовательно соединенных ячеек. В отличие от Ni-Cd аккумуляторов, для Li-Ion аккумуляторов необходима дополнительная система управления, которая будет следить за равномерностью их заряда. Зарядка без такой системы рано или поздно приведет к повреждению элементов аккумулятора, и вся батарея будет неэффективна и даже опасна.

Балансировка — это режим заряда, который контролирует напряжение каждой отдельной ячейки в батареи аккумулятора и не допускает превышения напряжения на них выше установленного уровня. Если одна из ячеек зарядиться раньше остальных, балансир берет на себя избыточную энергию и переводит ее в тепло, не допуская превышения напряжения заряда конкретной ячейки.

Для Ni-Cd аккумуляторов нет необходимости в такой системе, поскольку каждый элемент батареи при достижении своего напряжения перестает принимать энергию. Признак заряда Ni-Cd — это увеличение напряжения до определенного значения, с последующим его снижением на несколько десятков мВ и повышением температуры, поскольку излишняя энергия переходит в тепло.

Перед зарядкой Ni-Cd должны быть разряжены полностью, в противном случае возникает эффект памяти, который приведет к заметному снижению емкости, и восстановить ее можно только путем нескольких полных циклов заряда/разряда.

С Li-Ion аккумуляторами все наоборот. Разрядка до слишком низких напряжений вызывает деградацию и необратимое повреждение с увеличением внутреннего сопротивления и уменьшением емкости. Также зарядка полным циклом быстрее изнашивает аккумулятор, чем в режиме подзарядки. Аккумулятор Li-Ion не проявляет симптомов заряда как у Ni-Cd, так что зарядное устройство не может обнаружить момент полного заряда.

Li-Ion как правило заряжают по методу CC/CV, то есть, на первом этапе заряда устанавливают постоянный ток, например, 0,5 С (половина от емкости: так для для аккумулятора емкостью 2000 мАч ток заряда составит 1000мА). Далее при достижении конечного напряжения, которое предусмотрел производитель (например, 4,2 В), заряд продолжают стабильным напряжением. И когда ток заряда снизится до 10..30мА аккумулятор можно считать заряженным.

Если у нас батарея аккумуляторов (несколько аккумуляторов соединенных последовательно), то мы заряжаем, как правило, только через клеммы на обоих концах всего пакета. При этом мы не имеем никакой возможности контролировать уровень заряда отдельных звеньев.

Возможно, что будет так, что один из элементов будет иметь более высокое внутреннее сопротивление или чуть меньшую емкость (в результате износа аккумулятора), и он быстрее остальных достигнет напряжение заряда 4,2 В, в тоже время у остальных будет только по 4,1 В, и вся батарея не покажет полный заряд.

Когда напряжение батареи достигнет напряжение заряда, может оказаться так, что слабый элемент зарядиться до 4,3 В или даже больше. С каждым таким циклом такой элемент будет все больше и больше изнашиваться, ухудшая свои параметры, до тех пор, пока это не приведет к выходу из строя всей батареи. Мало того, химические процессы в Li-Ion нестабильны и при превышении напряжения заряда значительно повышается температура аккумулятора, что может привести к самовозгоранию.

Простой балансир для li-ion аккумуляторов

Что же тогда делать? Теоретически самый простой способ заключается в использовании стабилитрона, подключенного параллельно каждому элементу батареи. При достижении напряжения пробоя стабилитрона, он начнет проводить ток, не позволяя повышаться напряжению. К сожалению, стабилитрон на напряжение 4,2 В не так легко найти, а 4,3 В уже будет слишком много.

Выходом из данной ситуации может быть применение популярного регулируемого стабилитрона TL431. Правда в этом случае ток нагрузки не должен превышать более 100 мА, что очень мало для заряда. Поэтому ток необходимо усилить при помощи транзистора. Такая схема, подключенная параллельно к каждой ячейки, защитит ее от перезаряда.

Это слегка измененная типовая схема подключения TL431, в datasheet ее можно найти под названием „hi-current shunt regulator” (сильноточный регулятор шунта).

На резисторах R1 и R2 собран делитель напряжения. Их сопротивление таково, что при достижении напряжения заряда на аккумуляторе 4,2В на управляющем входе TL431 должно появиться 2,5 вольта. При достижении напряжении на управляющем выводе TL431 2,5 вольт, регулируемый стабилитрон начнет проводить ток, открыв тем самым транзистор. Транзистор зашунтирует цепь питания, и напряжение не будет подниматься более 4,2 вольт.

Так как через транзистор будет протекать большой ток, то следует выбрать мощный транзистор, у которого мощность рассеивания не ниже:

где U — напряжение заряда, I – ток заряда.

Например, при токе заряда 0,5А транзистор должен иметь рассеиваемую мощность не менее 4,2В*0,5А = 2,1Вт. Так же желательно установить его на теплоотвод.

Ниже приведен список сопротивлений резисторов R1 и R2 на разное напряжение заряда:

22к + 33к => 4,166 В

15к + 22к => 4,204 В

47к + 68к => 4,227 В

27к + 39к => 4,230 В

39K + 56к => 4,241 В

33к + 47к => 4,255 В

Резистор R3 – нагрузочное сопротивление базы транзистора. Его сопротивление может быть 470Ом…1кОм.

Источник

Самодельная Li-ion 3S батарея с платой защиты и балансировки BMS-WH3S0404LI2535

В статье будет рассмотрено, как подключить литий-ионные аккумуляторы к модулю BMS с обозначением WH-2535S3A4J, и как самостоятельно собрать и сделать трёх-секционную батарею с балансировкой отдельных секций на её основе. Такая батарея пригодится для автономного энергообеспечения различных устройств и потребителей, питающихся от напряжения 12 В:

Для сборки батареи было использовано шесть аккумуляторов типоразмера 18650 с ёмкостью каждого из них по 2600 мА*ч,:

Модуль контроля и балансировки представляет из себя плату небольших размеров с контактными площадками для подключения аккумуляторов и выходных клемм для зарядки/разрядки:

В итоге собранная батарея литий-ионных аккумуляторов имеет следующие технические характеристики:

Параметр	Значение
Тип батареи	Li-ion
Количество секций	3
Количество элементов	6
Ёмкость	5200 мА*час
Энергия батареи	58 Вт*час
Номинальное напряжение	11,1 Вольт
Мин/Макс напряжение	8,2/12,6 Вольт
Максимальный ток разрядки	4 Ампер
Максимальный ток зарядки	2 Ампер
Уровень саморазряда	8 мкА
Защита от переразряда	Есть
Защита от перезаряда	Есть
Защита от перегрузки	Есть
Система балансировки	Имеется
Рабочая температура	+5 . . . +40 °C
Габариты Д X Ш X В	78 x 60 x 40 мм
Масса	340 гр.

Все отдельные элементы были сгруппированы и комбинировано соединены параллельно-последовательно, после чего они были обмотаны бумажным скотчем:

Сначала они соединяются по два параллельно, а затем сдвоенные аккумуляторы соединяются последовательно в три секции по следующей схеме:

Все точки залуживаются в необходимых местах для дальнейшего подключения к плате BMS:

Плата модуля защиты и балансировки типа WH3S0404LI2535 заказывалась на Aliexpress, и на момент написания статьи стоила US $4,25:

Далее представлены заявленные технические характеристики модуля с сайта продавца:

Плата приходит в небольшом, герметично запаянном, антистатическом пакете:

Её длина меньше обычной спичинки, и она легко полностью умещается на ладони взрослого человека:

Модуль основан на контроллере S-8254A, для батарей из трёх или четырёх литий-ионных аккумуляторов, который представляет из себя микросхему в корпусе поверхностного монтажа типа TSSOP с шестнадцатью выводами:

Приводится стандартная схема включения контроллера S-8254A из официальной технической документации, для случая батареи, состоящей из трёх секций:

Подробные технические характеристики можно посмотреть в официальной документации на микросхему.

Микросхема управляет силовыми ключами на транзисторах, в качестве которых на плате модуля установлены p-канальные MOSFET-ы типа AO4407A в SMD-корпусе SOIC-8:

Транзистор может работать с напряжением до 25 Вольт и пропускать ток до 10 Ампер. При этом рассеиваемая на нём мощность не должна превышать 2 Ватт. На эти транзисторы так же имеется документация с техническими характеристиками.
Кроме транзисторов и управляющей микросхемы на плате имеется система балансировки на пороговых элементах, а также некоторое количество резисторов и конденсаторов. По краям удобно выведены контактные площадки для подключения батареи с соответствующей маркировкой:

Подобно маркировке на плате, на саму сборку аккумуляторов маркером были нанесены обозначения, возле соответствующих им контактов:

Далее к этим контактам припаиваются изолированные медные полоски для подсоединения к самой плате:

Как подключить данную батарею аккумуляторов к плате модуля контроля и балансировки WH3S0404LI2535 показано на следующем рисунке:

Перед подключением к батарее, на обратную сторону модуля был наклеен толстый двухсторонний скотч, для дальнейшей фиксации и удержания платы на аккумуляторах батареи:

Плата выравнивается с контактными лентами, приклеивается к самой батарее, а ленты припаиваются к соответствующим контактным площадкам:

Для снятия напряжения с батареи и для её зарядки можно установить площадку с контактами, или подсоединить кабель, с дальнейшей установкой разъёма на его другой конец. В данном случае был применён второй способ, и для этой цели использовался отрезок многожильного кабеля в двойной изоляции:

Кабель был проведён между элементами батареи в удобном месте, и был припаян к соответствующим контактным площадкам платы модуля:

Прежде чем установить разъём на другой конец кабеля и придать изделию окончательный вид, было произведено испытание и тестирование батареи, и соответственно применённой платы модуля.

Для этого батарея была подключена к многофункциональному измерительному прибору, обзор которого был в предыдущей статье:

Чтобы исключить лишнюю погрешность, прибор подключался к батарее по схеме с отдельным питанием. О том как это сделать, смотрите в упомянутой статье:

В качестве нагрузки был взят толстый нихромовый провод, изменяя длину которого, подбирался необходимый нагрузочный ток. При протекающем токе около 4 Ампер, который заявлен максимальным в технических характеристиках используемого модуля, батарея работает нормально и на плате ничего не греется:

После превышения тока нагрузки уровня 5,5 Ампер, немного начинают нагреваться силовые транзисторы на плате модуля, а при токе 7,5 Ампер нагрев транзисторов становится ощутимым, но батарея продолжает нормально работать:

Уменьшая длину и сопротивление подключённого к выходным клеммам нихромового провода, и тем самым соответственно увеличивая ток нагрузки до 11 Ампер, и сам провод и транзисторы нагреваются мгновенно, так как установленные ключи в таком режиме работают на пределе своих возможностей. Напряжение батареи при этом сильно проседает, но она всё равно продолжает питать нагрузку:

Установив ток нагрузки свыше 16 Ампер, нихромовый провод раскаляется докрасна, но модуль продолжает работать в штатном режиме. Это хорошо для питания таких схем, где пусковой ток превышает рабочий в три-четыре раза, но он должен быть кратковременным, так как при работе с таким током транзисторы силовых ключей не выдержат перегрева и быстро выйдут из строя.
При дальнейшем увеличении силы тока и после превышения порога 17 Ампер срабатывает защита и выходная цепь обесточивается:

При коротком замыкании так же довольно быстро срабатывает защита, и не даёт повредится проводникам или радиокомпонентам, не говоря уже о самих аккумуляторах:

В заключение силовым тестам можно сделать вывод, что модуль прекрасно работает при заявленном токе в 4 Ампер, и не будет ложных срабатываний защиты в момент включения устройства, когда пусковой ток в несколько раз превышает номинальный. С другой стороны транзисторы силовых ключей рассчитаны на максимальный ток 10 Ампер, а защита срабатывает при превышении силы тока уровня 17 Ампер. Это нужно помнить и учитывать, не подключая к батарее слишком мощные потребители в роли чисто активной нагрузки.

Можно немного доработать плату контроля и уменьшить ток срабатывания её защиты. В качестве токового шунта здесь выступает низкоомный резистор с маркировкой R010 (сопротивление 0,01 Ом) под обозначением «RJ1» на самой плате. Так вот, ток срабатывания защиты можно уменьшить в два раза, установив вместо штатного, резистор с обозначением R020, что будет соответствовать сопротивлению 0,02 Ом и ток срабатывания защиты составит примерно 9 А, что уже на 1 А меньше предельно допустимого тока ключей:

Для проверки защиты от глубокого разряда аккумуляторов, к батарее, на продолжительное время, была подключена маломощная нагрузка в виде небольшой лампы накаливания с током потребления 0,3 Ампер. Автоматическое отключение нагрузки и обесточивание цепи произошло при падении общего напряжения батареи ниже 8,2 Вольт:

При этом самое низкое напряжение на отдельном аккумуляторном элементе (секции) составило 2,83 Вольт, что является нормой для применённой платы BMS:

Чтобы не уменьшать срок службы аккумуляторов батареи, после полной их разрядки желательно как можно быстрее начать зарядку, и для этого было использовано специальное зарядное устройство литий-ионных батарей, подключённое вместе с измерительным прибором:

Весь процесс зарядки происходил в нормальном режиме, а под конец, как и положено, зарядный ток упал до 100 мА:

После определённого порога уровня напряжения на аккумуляторах, в самом конце процесса зарядки, в работу включается система балансировки отдельных ячеек, и происходит выравнивание уровня заряда всех элементов с силой тока в 50 мА:

При этом наблюдается небольшой нагрев балансировочных резисторов на плате модуля BMS, а самое высокое напряжение отдельной секции при этом составило 4,17 Вольт. Следует отметить, что используемый мультиметр занижает показание измеренного напряжения на 0,5% и реальное значение уровня минимального и максимального напряжения будет немного бО́льшим, по сравнению с отображаемым:

На этом батарею можно считать заряжённой и закончить её проверку и тестирование модуля защиты и балансировки. Далее на конец выходного кабеля нужно установить унифицированный разъём для удобного и быстрого подключения батареи к нагрузке и зарядному устройству. В качестве такого был выбран стандартный и надёжный для батарей разъём типа XT60. Разъём имеет удобную форму и позолоту контактов, и хорошо выдерживает большие токи:

Разъём с контактами типа «мама» припаивается к вводному кабелю батареи, а место пайки изолируется термо-усадочной трубкой подходящего диаметра. Сторона разъёма с отрицательным полюсом контактов немного суживается к краю, что защищает от неверного подключения и переполюсовки:

Батарея удобно подключается к зарядному устройству с таким же разъёмом и контактами типа «папа» и он защёлкивается обеспечивая надёжный контакт и физическую устойчивость. По краям разъёмы имеют обозначения полюсов контактов, в соответствии с которыми и производится пайка и их установка:

Готовую батарею было решено поместить в термо-усадочную трубу. Может это не лучшее решение, так как для уплотнения трубы её нужно нагреть до довольно высокой температуры и есть риск повредить аккумуляторы, так как при высоких температурах они обычно вздуваются, выходят из строя и даже могут взорваться и воспламениться. Каждый сам должен решить сможет он это сделать или нет, и всё это делается на собственный страх и риск. Для этой цели было взято два отрезка труб разных диаметров:

В трубу меньшего диаметра батарея вошла плотно, и при нагревании труба сильно натянулась и раскрылась по длине. В трубу же большего диаметра батарея поместилась с двойным запасом, но так как при нагревании она может уменьшаться до двух раз, то дальнейший выбор был остановлен на ней. Для нагревания трубы использовался технический фен с установленной температурой нагрева 400 ℃, а перед нагревом со стороны платы защиты, и противоположно ей, на двойной скотч были прикреплены пластиковые щёчки подходящего размера. Для обеспечения безопасности нагревательные работы проводились в перчатках и защитных очках:

Далее вводной кабель был укорочен и произведены физические замеры и взвешивание готовой батареи. Батарея получилась плотно стянутой и довольно устойчивой к внешним физическим воздействиям. Можно ещё было приделать кольцо или небольшой карабин в виде подвески, но при сложностях с усаживанием трубы это перешло на второй план:

Коротко рассмотрим качества сконструированной батареи. Кроме того, что это хороший вариант сделать что то полезное своими руками, изделие так же имеет положительные черты.

• Самым главным достоинством можно назвать простоту и доступность изготовления. В процессе использовались подручные материалы, имеющиеся в каждой мастерской и не представляющие собой дефицита.
• После первого достоинства можно определить второе, но по важности стоящее наравне с первым — компактность, прочность и удобство конструкции, которую можно изменять в некоторых пределах, при этом сохраняя высокие показатели.
• По электронной части так же можно отметить приемлемую надёжность, связанную с высокой изолированностью, свободно выдерживающего номинальный нагрузочный ток выходного кабеля, наличия у контроллера защиты по токовой перегрузке и короткого замыкания, а так же сохранения долговечности отдельных аккумуляторов при контроле их напряжения и отключении нагрузки/зарядки при выходе этого напряжения за заданный для литий-ионных аккумуляторов предел.
• Большим плюсом является наличие на плате используемого модуля системы балансировки отдельных секций батареи, что позволяет максимально задействовать весь ресурс и потенциал используемых аккумуляторов, и при этом так же сохранить их долговечность, и долговечность батареи в целом.

При всех достоинствах хотелось бы обратить внимание на одну небольшую деталь, которая является слабым звеном в данном варианте.

• Порог срабатывания системы защиты от перегрузок у используемого модуля находится в пределах 17 Ампер, а максимально допустимый ток транзисторов силовых ключей составляет 10 Ампер. При этом транзисторы будут сильно нагреваться даже на таком токе, а при частом превышении тока нагрузки предельно допустимого они могут выйти из строя. Поэтому придётся не надеяться на защиту от перегрузки по току и всегда учитывать этот фактор, или же немного доработать плату, сменив резистор токового шунта, как описывалось выше..

Это был один из вариантов автономного источника питания для радиолюбителя и не только. Смотрите также видео тестирования на нагрузку, зарядку и короткое замыкание. Автор использовал данную батарею для питания разнообразных потребителей в течении года до написания статьи, и за всё это время не было никаких проблем и осложнений. Собранную батарею можно с успехом использовать для питания «Мультимедийного LCD телевизора с DVB-T2 на основе платы LUA63A82».

Спасибо за внимание и потраченное Вами время. При проявлении интереса напишите отзыв или же просто оставьте свой комментарий. Смотрите так же дополнительные материалы по теме:

Источник