что такое балансир для аккумуляторов
Зачем нужен балансир для Li-ion аккумуляторов
Статья обновлена: 2020-12-10
Балансир для Li-ion аккумуляторов
Основной элемент, обеспечивающий работоспособность Li-ion-батарейки — литий. Он и дал название устройству. Литий-ионные аккумуляторы чрезвычайно востребованы, но весьма требовательны к параметрам зарядного устройства.
Литиевая батарейка: что это
Электроприборы окружают нас повсюду. Они делают нашу жизнь комфортной и позволяют решать многие бытовые и профессиональные задачи. Для того чтобы электрические устройства были полезными и отдавали потребителю рабочие качества, заложенные в них производителем, необходимы надежные элементы питания. Среди них лидируют литий-ионные батарейки. Большая часть их используется в портативной электронике.
Они обеспечивает работоспособность:
Кроме того, литий-ионные аккумуляторы приводят в движение электровелосипеды, электросамокаты, электромобили и так далее. Собранные в мощные батареи, они востребованы в авиатехнической отрасли и даже в военно-промышленном комплексе.
При этом они весят достаточно немного, имеют эргономичную конструкцию и по цене вполне доступны.
Для чего нужен балансир
Литий-ионные батареи могут состоять из разного количества элементов. Они представляют собой последовательно соединенные секции (их количество варьируется от нескольких штук до нескольких десятков).
Известны два варианта зарядки аккумуляторов: последовательный и параллельный. При последовательном способе заряд передается от одного элемента питания к другому. При параллельном питание реализуется для каждого элемента отдельно. Каждая секция использует индивидуальный источник питания и автономные контролирующие устройства.
Последовательный способ зарядки прост, удобен и быстр. Поэтому он применяется чаще всего. Для оптимизации этого процесса используется балансир для Li-ion аккумуляторов.
Базовое условие этого способа – напряжение каждой секции не должно выходить за рамки заданного параметра. Он, в свою очередь, зависит от типа литиевого элемента.
Разные секции не идентичны. Соответственно, достижение требуемого значения напряжения происходит не одновременно. В каких-то секторах оно уже достигло приемлемого максимума (напряжение полностью заряженного литий-ионного аккумулятора — примерно 4,3 В), а в других — только начинает набирать обороты.
Поскольку по достижении максимального значения в одной (любой) части зарядку необходимо прекратить, общая емкость аккумулятора оказывается сниженной. Ведь в других секторах напряжение не будет полным.
Тот, в свою очередь, немедленно подключит к параллельно заряжаемой секции балластный резистор. Таким образом, пополнение напряжения в данном секторе будет остановлено.
Зарядка оставшихся секторов будет идти своим чередом — до требуемого значения, на которые настроен каждый балансир. Все считается законченным при срабатывании балансиров для литий-ионных аккумуляторов всех секторов.
Таким образом, именно балансиры для зарядки литиевых аккумуляторов обеспечивают безопасность процесса. Благодаря им можно получить одинаковое напряжение в секторах и обеспечить работоспособность всей батареи.
Балансир для LiFePO4
Статья обновлена: 2020-12-17
Статья о балансирах для LiFePO4 аккумуляторов. Назначение балансиров, преимущества их использования, особенности выбора и нюансы использования.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы отличаются стабильной и безопасной работой, но чувствительны к перезаряду и глубокому разряду. Чтобы уберечь их от преждевременного износа и выхода из строя, используют BMS платы и балансиры.
Ячейки в аккумуляторной батарее должны иметь одинаковые рабочие параметры. Даже незначительные отличия емкости у последовательно соединенных элементов приводят к неравномерному заряду и разряду, из-за чего более заряженные ячейки быстрее выходят из строя. 
К тому же, при неравномерном заряде снижается общая емкость батареи, т.к. процесс подзарядки АКБ прекращается до полного восполнения заряда всеми ячейками.
Выравнивание напряжения при помощи балансиров
Балансиры для литий-железо-фосфатных аккумуляторов выравнивают напряжение на ячейках в сборке и блокируют его рост выше порогового значения. Они контролируют напряжение на ячейках и при достижении заданного значения инициируют включение силового ключа. В результате параллельно подзаряжаемой секции подключается балластный резистор.
Когда остаточный ток зарядки становится меньше величины тока, проходящего через балластный резистор, рост напряжения на заряжаемой секции останавливается. Но ячейки с меньшим напряжением продолжают заряжаться до тех пор, пока сработают балансиры всех частей батареи. В результате напряжение на всех ячейках будет равным пороговому значению, на которое настроены балансиры.
Основной принцип балансировки – шунтирование резисторами ячеек батареи с наибольшим напряжением. Стандартные балансиры рассчитаны на литий-железо-фосфатные элементы с номинальным напряжением 3,2 В. По заказу поставляются модули с балансировочными резисторами для ячеек с номинальным напряжением 3,6– 3,7 В.
Типы балансиров
Балансиры бывают управляемые и неуправляемые, внешние и входящие в состав АКБ. Но прежде всего они подразделяются на:
Принцип работы пассивных балансиров
Пассивные системы баланса снижают зарядный ток аккумулятора, у которого наблюдается наиболее интенсивный рост напряжения. В классическом варианте это осуществляется замыканием элемента питания шунтирующим резистором R. В результате через замкнутый аккумулятор зарядный ток протекает только частично, а остальной ток идет через шунт R. Скорость заряда зашунтированного аккумулятора снижается, и напряжение на нем растет медленнее. Когда напряжение заряда достигает конечного значения, на всех элементах оно оказывается практически равным.
Цена пассивных балансиров невысока, т.к. они не содержат сложных микросхем. К тому же, они компактны и незначительно влияют на удельные характеристики батареи. К недостаткам пассивных систем относят невозможность использования всего объема энергии, которую способна запасти АКБ, и рассеивание энергии в форме тепла при прохождении через шунты. В результате уменьшается КПД системы «АКБ – зарядное устройство».
Использовать пассивные балансиры рекомендуется в батареях с очень близкими по емкости аккумуляторами, т.е. применение пассивных систем баланса накладывает дополнительные требования при выборе ячеек перед комплектованием и сборкой АКБ. В идеале все элементы в сборке должны быть одинакового химического состава, равной емкости, одного производителя и даже из одной партии.
Принцип работы активных балансиров
Активные балансиры умеют перераспределять энергию между ячейками батареи и способны работать и при разряде, и при заряде. Энергия перераспределяется от элемента с большей емкостью к элементу с меньшей емкостью. При заряде активный балансир уменьшает зарядный ток элемента с большей емкостью и увеличивает ток заряда элемента с меньшей емкостью. При разряде наоборот: балансир берет часть энергии у элемента с большей емкостью и увеличивает его разрядный ток, уменьшая при этом ток разряда элементов с меньшей емкостью.
У активных балансиров LiFePO4 схемы сложнее, зато выделение тепла намного меньше, чем при работе пассивных моделей. Поэтому активные системы балансировки незаменимы в случаях, когда нужен балансировочный ток свыше 5 А. У таких моделей высокий КПД (более 85%), а их способность работать при разряде позволяет не увеличивать время заряда для балансировки батареи.
Недостатками активных систем считаются высокая стоимость, сложность проектирования и изготовления. Собрать активный балансир для LiFePO4 своими руками проблематично. Еще один недостаток активных балансиров – ощутимое потребление тока на холостом ходу. Чтобы снизить потребление тока, такие устройства делают управляемыми – с возможностью включения при необходимости.
Как работает 2-х уровневый балансир для LiFePO4
В 2-уровневых балансирах для литий-железо-фосфатных аккумуляторов реализован следующий принцип выравнивания напряжения:
Балансировочные устройства для АКБ 12 вольт
Зачем вообще нужны балансиры для 12-ти вольтовые АКБ? Когда у вас система на 12 вольт, то все АКБ сколько бы их небыло 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, по-этому не спасёт от проблемы даже купленные АКБ из одной партии. Для решения этой проблемы давно применяются различные балансировочные устройства, это или отдельные балансиры на каждый АКБ, или блоки на 24 и 48 вольт. Балансиры позволяют значительно продлить срок службы АКБ.
Я сам в скором будущем буду переходить на 24 вольта, так-как токи в системе стали уже большими и мне тоже понадобятся балансиры. В поисках я нашёл несколько вариантов различных по возможностям, цене и принципу работы, и ниже я сделаю обзор на эти балансировочные устройства.
VICTRON BATTERY BALANCER аккумуляторный балансир
Первым мне попались вот такие балансиры (фото ниже). Это судя по описанию активные балансиры с током балансировки 0.7А. Активные это значит что энергия с более заряженного АКБ переливается в менее заряженный, а не просто сжигается на сопротивлении. Но до конца я в этом не уверен так как описания на разных сайтах разнятся. Этот балансир для двух АКБ, то-есть на 24 вольта, с добавлением АКБ количество балансиров нужно увеличивать. На 48 вольт нужно уже три таких балансира.
Схема подключения этих балансиров к АКБ. Светодиодные индикаторы и реле сигнализации:
Зеленый: включен, когда напряжение АКБ более 27,3 В
Оранжевый: включен при отклонении более 0,1 В
Красный: тревога (отклонение более 0, 2 В)
Реле сигнализации: нормально открытый контакт замыкается, когда включается красный светодиод. Контакт остается замкнутым до уменьшения отклонения до 0,14 В, или до снижения напряжения АКБ до 26,6 В. Сброс реле сигнализации осуществляется при помощи кнопки, подключенной к двум терминалам.
Из минусов слишком высокая цена, слабый ток балансировки всего 0,7А, и нет возможности настройки под свой тип АКБ. Есть более лучшие аналоги по приемлемой цене.
Устройство выравнивания заряда ЭЛНИ 2/12 на 2АКБ 12В
Этот балансир постоянно отслеживает напряжение соединённых последовательно акб, и выравнивает напряжение переливая энергию между АКБ. И это он делает не только во время заряда, когда АКБ уже почти зарядились, а постоянно если есть дисбаланс. И ток балансировки здесь может достигать 5А, это значит что балансир может справляться даже с большим дисбалансом по ёмкости.
На этом на наших сайтах я не нашёл ничего оригинального, что бы не имелось на алиэкспресс. Есть конечно много балансиров, но все они куплены в китае и продаются у нас втридорого. Так зачем переплачивать если можно самим купить на алиэкспресс то что предлагают наши перекупщики.
Активный балансир для 12в АКБ
Балансир аккумуляторый на 24 вольта (12*2)
Цена очень привлекательная, и ток балансировки очень приличный 5А, по-этому справится даже с болшой разницей по ёмкости и напряжению между АКБ в системе.
Балансир для (12×4) 48 вольт АКБ
Пока это всё что мне удалось найти, хотя конечно не всё, но это основное. Есть контроллеры для солнечных батарей со встроенными балансирами, но это очень дорого пока. Есть зарядные устройства с балансировкой, но здесь они неуместны. Есть всякие электронные схемы, которые можно заставить работать как балансиры, есть варианты самостоятельного изготовления балансиров.
4S конденсаторный балансир и немного о его устройстве
Брал я данный балансир вместо индуктивного, так как он показался мне довольно слабым, тем более что планировалось использовать его с ёмкими аккумуляторами, впрочем не буду затягивать, перейду к обзору.
Упакован в небольшой антистатический пакет. 
Из описания со страницы магазина
Сбалансированное пусковое напряжение: 3,0-4,2 В
Сбалансированное оконечное напряжение: 2,9 В (переход в спящий режим при пониженном напряжении)
Точность баланса: ≤ 5 мВ
Ток сна: ≤ 1 мА
Максимальный ток баланса: разница напряжения 0,1v1a; 0.5v3.5a; 1.0v5.5a
но к сожалению не все так красиво, об этом в конце обзора.
Внутри плата балансира и провода со штекером для подключения к плате. Длина проводов около 20см, при этом провода очень жесткие и не сказал бы что большого сечения. 
С верхней стороны почти всю площадь платы занимает десяток полимерных конденсаторов емкостью 2200мкФ на 6.3 вольта.
Кроме разъема на плате также имеются отверстия для припаивания проводов и я рекомендую использовать именно их, тогда можно использовать провода большего сечения. 
Если перейти по ссылке в магазин, то внимательные читатели заметят некоторое отличие фотографии на странице товара и платы в обзоре.
В магазине показана плата с девятью конденсаторами и без разъема, я получил плату с десятью и с разъемом. Фото для заголовка пришлось в итоге искать на алиэкспресс. 
Обратная сторона платы занята еще больше, вверху четыре предохранителя, ниже 16 транзисторов, еще ниже драйверы и генератор импульсов. 
Перед тем как перейти к более детальному описанию сравнение с предыдущей протестированной платой, она была для 6S сборок, потому деталей почти в полтора раза больше. 
Но замечу что кроме количества была разница и в самих компонентах, на правой плате транзисторы явно мощнее, кроме того имеется DC-DC преобразователь, а также для защиты плата покрыта лаком. 
А вот то, о чем меня спрашивали в комментариях к предыдущему обзору, схема, ну и попутно попробую пояснить как вся эта «кухня» работает.
Для начала общая схема, в реальности на плате деталей примерно на пару десятков больше, не показаны мелкие керамические конденсаторы которые стоят по питанию каждого чипа и параллельно восьми полимерных конденсаторов.
Чтобы проще было понять схему, цветом выделил цепи первого и четвертого канала. Как видно, генератором импульсов является чип от Microchip популярный таймер NE555, далее импульсы идут на четыре драйвера полевых транзисторов ну и потом на силовые ключи. 
Ну а так как на полной схеме сложно разглядеть как что включено, то оставил для примера только задающий генератор, один драйвер и один комплект ключей. 
Пускай вас не смущает то, что входы драйвера соединены вместе, у примененного EG2131 они инверсны относительно друг друга, т.е. при подаче логической единицы открывается верхний ключ, при подаче нуля открывается нижний. Решение простое и удобное, защитная пауза формируется судя по всему силами самого драйвера. 
В качестве силовых ключей применены IRF7455 с сопротивлением открытого канала 7.5мОм. 
Теперь о принципе работы.
Если убрать все лишнее со схемы и оставить только силовой узел, а его также для упрощения заменить на выключатели, то это будет выглядеть как-то так.
Верхние ключи включаются синхронно и в противофазе с нижними. 
Принцип работы предельно прост и разбит на два такта. Из-за особенностей драйверов первым идет открытие нижнего ключа, но для просты понимания я покажу так, как будет нагляднее.
1. Верхние и средние конденсаторы через ключи соединены параллельно, при этом каждый канал включен последовательно. Напряжение на конденсаторах равно напряжению на ячейках.
2. Верхние ключи размыкаются и замыкаются нижние, все конденсаторы соединяются параллельно, напряжение на них выравнивается, т.е. более заряженные отдают энергию менее заряженным.
3. Нижние ключи размыкаются и замыкаются верхние, те конденсаторы которые отдали часть энергии опять заряжаются от ячеек с более высоким напряжением, а те которые получили энергию, отдают её ячейкам с меньшим напряжением.
На схемах показан первый и второй такт, далее они просто чередуются. Схема работает постоянно пока есть питание и в отличие от индуктивного балансира не передает заряд от 1 к 2 ячейке, потом от 2 к 3, от 3 к 4 и т.д, а выравнивает сразу всю батарею. 
Частота работы около 7кГц и кстати в работе плата тихо, но неприятно пищит.
Поднять эффективность работы можно увеличением частоты, но в таком случае придется поставить и транзисторы с меньшим Rdson. Кроме того вырастет нагрузка на конденсаторы.
Но в любом случае как можно было видеть, подобный балансир можно сделать и самому, так как он не содержит никаких специализированных чипов, а только задающий генератор и комплекты драйвер + 4 транзистора + конденсаторы. Количество комплектов равно количеству подключаемых ячеек батареи.
Возможно будет закономерный вопрос, а можно сделать такую схему на 100500 ячеек? Нет, на 100500 вряд ли, но вот на 100-120 относительно легко, а ограничивает количество максимальное напряжение изоляции драйвера транзисторов, у которых оно чаще имеет максимум в 600 вольт. Кроме того, при напряжении более 15-17 вольт надо применять стабилизатор или преобразователь напряжения для питания драйверов и генератора. 
Тестировал балансир также как и индуктивный, для чего он был подключен к 4S сборке LiFePO4 аккумуляторов, при этом плата защиты была отключена.
При подключении ничего не сгорело, а на плате засветился светодиод индикации работы. Причем настолько яркий что им вполне можно было освещать комнату, а с тем что он очень мелкий, то реально выедал глаза. 
Как и ранее батарея была сначала полностью заряжена, а затем разряжена так, чтобы получился большой разбаланс. Как и ранее первая ячейка разряжалась 38 минут током 5.5А, третья 19 минут и четвертая 57 минут. В конце подготовки заряд по ячейкам выглядел следующим образом:
1. 35%
2. 100%
3. 70%
4. 5% 
Так как у LiFePO4 аккумуляторов напряжение не очень сильно зависит от степени заряда, то даже между полностью заряженным (2) и почти полностью разряженным (4) разница составляла всего 0.5 вольта. 
Я не проводил подробный тест с малыми интервалами, так как по сути такая проверка была в предыдущих обзорах, но периодически измерял, что происходит.
Результаты примерно через 2, 3 и 7 часов от начала, видно что напряжение быстро пришло к чему-то среднему, больше всего изменения конечно у самого разряженного аккумулятора (4). Хотя сложно назвать увеличение напряжения на 20мВ большим изменением. 
В процессе посмотрел что с нагревом и оказалось, что больше всего температура была не в районе транзисторов, а около светодиода…
Температура почти сразу после начала теста и через пару часов. 
После разбирательств выяснилось, что греется резистор светодиода (схема чертилась потом), который имеет номинал 220 Ом, что при напряжении на нем около 10 вольт и заполнении 50% дает усредненный ток порядка 22мА и мощность 0.22Вт.
Конечно резистор был заменен, сначала поставил 1.5кОм, потом 3кОм, но думаю что реально увеличить и до 10кОм. Резистор поставил размера 0805, который отлично стал на место родного. 
1. Нагрев в этом месте практически пропал и самым горячим чипом оказался NE555.
2. Причем что интересно, во время всех измерений, что в самом начале, что в конце (после цикла заряда), больше всех грелись транзисторы отвечающие за минусовую цепь третьей и четвертой ячеек 
Примерно через 15 часов заметил, что напряжение на ячейках падает, причем падало оно даже на четвертой (самой разряженной) ячейке.
Результаты через 14, 26 и 36 часов от начала теста. 
Как и в прошлый раз после примерно 34-36 часов балансировки батарея была заряжена до достижения напряжения 3.65 вольта на самом заряженном аккумуляторе (2). Но вот если тогда «залилось» 1309мАч, то теперь 3932мАч, что говорит о двух вещах:
1. Более активной балансировке
2. Большем потреблении самой платы, а также отсутствии «дежурного» режима. 
После промежуточного заряда отключил балансир и измерил напряжения на ячейках, максимальный разброс составил 5мВ между второй и четвертой ячейками. При этом отмечу, что если в начале теста вторая ячейка имела самый большой заряд, а четвертая самый малый, то теперь они поменялись местами. 
Как уже было написано выше, я не придерживался каких либо точных временных интервалов, но небольшой график все таки решил набросать. Ниже данные за примерно 50 часов, начальные до подключения балансира, ближе к концу виден цикл промежуточного заряда. 
Думаю многих волнует вопрос, а сколько потребляет всё это. Измерение проходило уже после замены резистора светодиода, потому к результатам можно добавить около 20мА.
1, 2. Сначала проверил косвенно, батарея была подключена к зарядному устройству, также была подключена и плата защиты с пассивным балансиром. Батарея полностью заряжена, но ток меньше установленного тока отсечки (50мА), потому заряжать она так будет бесконечно. Все вместе потребляет 160мА, при отключении активного балансира ток падает до 90мА, соответственно получается потребление 70мА.
3, 4. Подключил плату к блоку питания без батареи и выяснилась приличная зависимость от напряжения питания, при 12 вольт ток был 33мА, если поднять до 15 вольт, то уже 65мА.
В описании было заявлено —
4S статический ток в полном состоянии (4,2 В * 4 элемента) 16,5 В 15 мА
Собственно это по сути есть ответ и на вопрос, почему так много ушло на последующий заряд. Батарея с емкостью 5700мАч была заряжена примерно на 50% (5+33+66+100%) или около 2800-2900мАч. Через 36 часов теста при токе потребления пусть 40мА получается от неё забрали около 1500мАч. Расчет конечно грубый, но тем не менее, это объясняет, почему через время напряжение стало падать на четвертом элементе, хотя перед этим росло. 
Ну что здесь сказать, выводы собственно те же что и в предыдущем обзоре, но все таки немного выскажусь.
Балансир работает, правда немного хуже чем 6S, который я тестировал ранее. Кроме того есть разница и в качестве изготовления, по крайней мере здесь плата не покрыта лаком.
Удивила логика разработчиков, придумавших питать светодиод током в 20-25мА при том что плата работает всегда и питается от батареи.
Кроме того, оказалось что балансир не соответствует заявленным характеристикам в плане собственного потребления.
Если же сравнивать его с пассивным, то здесь также будут свои преимущества и недостатки.
У обозреваемого быстрее балансировка, выше её точность, так как балансир работает всегда.
Индуктивный проигрывает в точности и скорости, но за счет специализированного контроллера после балансировки переходит в «спящий режим», потребляя совсем немного, да и стоит заметно дешевле.
Какой применять, также зависит от типа батареи, в случае «обычной» литий-ионной можно и индуктивный, сильно не проиграете, но в случае LiFePO4 однозначно лучше конденсаторный. Обусловлено это особенностью LiFePO4 аккумуляторов, а собственно их зарядно/разрядной кривой.
Дополнение
В процессе обсуждения выяснилось, что драйверы и транзисторы в реальности сильно ограничивают максимальное напряжение батареи, отчасти скорее всего из-за этого есть такая большая зависимость потребляемого тока от напряжения питания. По результатам тестов могу сказать, что использовать эту плату с «обычными» литий-ионными нельзя, разве что с LTO, ну или на крайний случай с LiFePO4, да и то потому, что я в таком режиме её уже тестировал.
Как решение, поставить стабилизатор, снижающий напряжение питания драйверов и NE555 до безопасной величины.
Ну и под конец хочу поздравить всех с 7 мая, Днем Радио.
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.