LTO аккумуляторы — балансировка и защита

%25C0%25EB%25FC%25E1%25EE%25EC%25FB 2017 %25CE%25EB%25E5%25E3 LiTo 2017 12 21 7920 - LTO аккумуляторы - балансировка и защита

Три дня (и три ночи) читаю про разные техники балансировки отдельных ячеек аккумуляторных батарей разной химии, вольтажа, ёмкости. О сколько мне открытий чудных в связи с этим чтением явилось!

 

Зачем балансир?

Долго эксплуатируя батарею, важно следить чтобы все «банки» последовательной сборки обладали одним (схожим) напряжением.

Скажем, имеем сборку из двух аккумуляторов. Чтобы поднять напряжение сборки, их соединили последовательно, то есть так: (-+) — (-+). Подаём на крайние — и + сборки напряжение заряда и вот беда. Одна банка заряжается быстрее, вторая наоборот, отстаёт. Зарядка, которая не знает что творится внутри сборки, просто выставляет 2х нужное напряжение. И получается, например на убежавшей вперёд банке +10% напряжения, а на подоотставшей напротив -10%. Это значит, что первая банка помрёт от перезаряда быстрее. Печаль ещё в том, что чем дальше банка при смерти, тем быстрее она будет обгонять соседей. Положительная обратная связь.

При разряде та же картина. И даже если есть отключение нагрузки по предельному напряжению сборки, то та банка что просела ниже всех (всё та же умирающая), просядет ниже критического минимума и будет всё мертвее с каждым разрядом. Жесть, фильм ужасов, неприятность. Банки надо срочно балансировать!

В сборке из двух аккумуляторов всё звучит плохо, но на сколько неприятно происходящее внутри неконтроллируемой и небалансируемой сборки из 12 ячеек? У меня дома как раз такая сборка свинцово-кислотных АКБ на 24В. Или чуть поменьше, другая сборка — там 5 ячеек литий-титанатных аккумуляторов.

Оказалось, что грубо есть два типа балансиров, кто б сомневался. Один глупый, но мощный (пассивный). Второй умный и слабый (активный).

 

Пассивный балансир

Работает только при зарядке. Представим подована Сергея, который сидит с двумя вольтметрами над нашей сборке из двух аккумуляторов. Он смотрит на вольтметры и, если вдруг какой-то покажет цифру выше некоей пороговой (для моих LTO аккумов это 2.75 В), то Сергей балансир подключает в параллель к банке сопротивление. Ну, например, лампочку. Как в этой схеме:

175055 4572124 b1272fd37434c069ae83dfd3b53c345d - LTO аккумуляторы - балансировка и защита

(по клику на картинку — ссылка на первоисточник)

На этой картинке 4 одинаковых устройства. Настройка напряжения, когда загорится лампочка в этом случае подстроечниками поканально. То есть берём лабораторный БП, подаём на вход желаемое напряжение. крутим резюк до момента включения лампочки. Идём на второй, третьй .. двадцать третий канал, делаем то же.

Конечно же, так же распространены схемы балансиров без подстройки — под заранее придуманный порог напряжений (под разную химию аккумуляторов разное и напряжение).

Косяки схемы для меня теперь очевидны. Балансир греется, тратит энергию. Он не сможет подровнять ячейки в режиме хранения и разряда, не сможет сделать это и в режиме не полного заряда. В общем, грусть-печаль. Но дёшево. И, что порой важно, ток балансировки может быть на порядок больше чем у активных!

+ дёшево;
+ большой ток;
— работает только снимая лишний перезаряд.

 

Активный балансир

Идеальный балансир — это уже не Сергей с тестером, а самый что ни на есть настоящий Робин Гуд! Он отнимает лишнее у богачей и раздаёт крестьянам негодяйское добро. То есть у ячеек с повышенным напряжением активная схема балансировки передаёт заряд ячейкам с низкой напругой. То есть это уже не N одинаковых схем, соединённых только с их ячейками, как в случае с пассивным балансиром. Для элемента активного балансира, кроме соединения с его ячейкой, которую он или грабит или отдаёт награбленное, есть ещё соединение в общую шину с другими балансирами. Так сказать, нужен Робину таки Шервудский лес и база для передачи награбленного.

1484939273 - LTO аккумуляторы - балансировка и защита

(по клику на картинку — ссылка на первоисточник)

Чаще всего, поэтому, платки активных балансиров собраны сразу на нужное количество банок. Но бывает и по одной банке балансиры. Тогда они соединяются единой шиной.

Вот очень интересное решение, активно продающееся на али:

QNBBM 12V Lead Acid Battery Balancer BMS Which Keep Voltage Difference within 30mV Prevent from Corrosion.jpg 640x640 - LTO аккумуляторы - балансировка и защита

И вот видео, в т.ч. разбора этой коробочки:

Замысел производителя, как я её понял, заключается в dc/dc повышающей генерации подпитки на общую шину балансирами тех ячеек, которые ушли вперёд. И, соответственно, подпиткой из общей шины отстающих ячеек их балансирами. Ну прям команда Робин Гудов, иначе не скажешь 🙂

— активный балансир однозначно дороже пассивного, так как сложнее;
+- ток в этом устройстве большой, но обычно активные балансиры строят на малые токи порядка сотен миллиампер;
+ работает во всех режимах. Хоть и вовсе без зарядного устройства, хоть с ним — не важно. Как только видит перекос, исправляет его.

Единственный видимый мною косяк именно этой большой коробки китайского активного балансира — нет, не его цена, она как раз достаточно адекватна для больших систем. А у меня план создать большую аккумуляторную батарею. Косяк в относительно небольшой точности балансировки. Но это во мне говорит перфекционист, заявлена точность 0.01В. Поэтому я побежал в али заказывать себе и моим литий-титанатам новогодний подарок 🙂

 

BMS (Battery Management System)

Наличие балансира, к сожалению, не отменяет необходимость контроля напряжения ячеек побаночно и отключения их от потребителя в случае превышения порога для этой химии. А так же в случае и понижения напряжения ниже заданного. Тот неприятный случай, описанный мною выше (+10% = перезаряд, -10% = переразряд) возможен и в случае использования балансирами. Почему? Да потому что мир не идеален :). Потому что идеальный балансир должен качать ток равный зарядному, как минимум.

Обычно говорят о применении BMS в этом случае. Это платка с одной простой задачей. BMS должна побаночно замерить напряжение и отключить всю батарею в случае чего.

BMS, как и балансиры, глобально делятся на два клана. Тупые и умные. Я так понимаю, это стандартная политика разделения электронных устройств :).
Впрочем, с BMS всё не так плохо.

Глупые, или симметричные BMS ставятся в разрыв между зарядником+нагрузкой и АКБ. Если что-то идёт не так (одна банка вышла за пределы), весь АКБ будет отключен. Это значит, что:

  • если идёт заряд от солнечной батареи, яркий такой солнечный день, но при этом балансир помер или одна банка при смерти, то по превышению, кроме заряда будут отключены и нагрузки. А это нехорошо. Это неправильно! Энергии дуром, и в АКБ, и на выходе зарядника, а нагрузка отключена;
  • а если в тот же солнечный (или не очень солнечный) день от Солнца или Ветра идёт относительно небольшая, но важная генерация в 10А, блок аккумуляторов чуток разряжен и тут бааац, включили пылесос на 150А. Напруга просела и да, надо отключать нагрузку. Но вот зарядку отключать не только не нужно, но глупо.

Умные, или не симметричные BMS с одной стороны следят за перезарядом и отключат АКБ от зарядки (нагрузка будет работать!). С другой же стороны следят и за переразрядом (так же побаночно) и отключат нагрузку, оставив зарядник включенным.


Обобщая вышесказанное, хочется сказать, что лучше быть богатым и здоровым, чем бедным и больным. Балансиры лучше использовать активные, BMS — умные 🙂

Ну вот на такой победной банальности и завершу своё мини-исследование о пользе балансировки разбегающихся банок сборок аккумуляторов.