Bardzo prosty balancer do ogniw Li-Ion

li_ion_balancer_6Czasami jest potrzeba zabudowania kilku ogniw Li-Ion, połączonych szeregowo, w jakimś urządzeniu i umożliwienia im podładowania się z zewnętrznego źródła. W przeciwieństwie do ogniw Ni-Cd, te wymagają dodatkowego układu który będzie nadzorował ich równomierne ładowanie. Ładowanie bez takiego układu prędzej czy później doprowadzi do uszkodzenia ogniw, a cały pakiet stanie się mało użyteczny lub nawet niebezpieczny.

Trochę teorii
Balancer to układ który kontroluje napięcie każdej celi/sekcji cel i nie dopuszcza do przekroczenia ich napięcia naładowania. Jeśli jedna z cel naładuje się wcześniej, balancer bierze na siebie nadmiarową energię i wytraca w postaci ciepła, nie dopuszczając do przekroczenia napięcia naładowania danej celi.

Ogniwa Ni-Cd nie wymagają dodatkowych układów, ponieważ kadże ogniwo po osiągnięciu swojego napięcia naładowania przestaje przyjmować energię. Objawy naładowania Ni-Cd to wzrost napięcia do pewnej wartości a następnie jego spadek o kilkanaście – kilkadziesiąt mV, oraz wzrost temperatury – więc nie jest możliwe wpompowanie zbyt dużej energii ponieważ będzie ona zamieniana w ciepło. Muszą być ładowane i rozładowywane w pełnych cyklach, w przeciwnym wypadku wystąpi efekt pamięci i zmniejszenie pojemności… którą da się odzyskać w kolejnych kilku pełnych cyklach, w tzw. trybie odświeżania.

li_ion_balancer_4Z Li-Ion jest całkowicie odwrotnie. Rozładowywanie do zbyt niskich napięć powoduje degradację chemii i nieodwracalne uszkodzenie wraz ze wzrostem rezystancji wewnętrznej oraz spadkiem pojemności. Również ładowane w pełnych cyklach szybciej ulegają zużyciu aniżeli podczas podładowywania. Ogniwo Li-Ion nie wykazuje objawów naładowania tak jak ogniwo Ni-Cd więc ładowarka nie może wykryć ich pełnego naładowania. Ładowane są metodą CC/CV czyli najpierw stały prąd np 0.5C (połowa pojemności, np. 1A ładujący dla ogniw o pojemności 2Ah), a po osiągnięciu napięcia końcowego jakie przewidział producent, np. 4.2V, stabilizacja tego napięcia wraz ze spadkiem prądu niemal do zera. Ogniwa nie są odporne na przeładowanie, można wpompować w nie więcej energii drastycznie skracając tym samym czas ich pracy.

Jeśli połączymy kilka ogniw w szereg i ładujemy jedynie poprzez zaciski na obu końcach całego pakietu, to nie mamy żadnej możliwości kontroli ładowania poszczególnych ogniw. Wystarczy że jedno z nich będzie miało nieco wyższą rezystancję wewnętrzną lub nieco mniejszą pojemność (co zazwyczaj idzie w parze przy zużywaniu się ogniwa), to ogniwo to szybciej osiągnie napięcie naładowania 4,2V, gdzie pozostałe będą jeszcze miały po 4,1V więc cały pakiet nie będzie wykazywał napięcia naładowania. Gdy napięcie całego pakietu osiągnie napięcie naładowania, może się okazać że te słabsze ogniwo jest naładowane do 4,3V lub nawet więcej. Z każdym takim cyklem będzie dostawało w kość pogarszając swoje parametry, aż do momentu gdy sprawi że cały pakiet stanie się bezużyteczny (to coś takiego jak uszkodzona cela w akumulatorze kwasowym). Mało tego – chemia Li-Ion jest niestabilna i przy przeładowaniu może osiągnąć wysoką temperaturę a co za tym idzie samozapłon.

Najprostsza metoda
li_ion_balancer_1Idealnie sprawdziłaby się tutaj dioda zenera włączona zaporowo-równolegle do biegunów ogniwa. Po osiągnięciu napięcia zenera, zacznie przewodzić i nie pozwoli na zwiększanie się napięcia – teoretycznie. Niestety zenerki na napięcie 4,2V nie są tak łatwo dostępne, a 4,3V to już za dużo. Po drugie dioda taka nie jest przystosowana do takich wyzwań i przy większym prądzie to napięcie może wynieść 4,4V lub więcej.

Rozwiązaniem braku takiej diody na odpowiednie napięcie to regulowana dioda zenera, jaką jest wszechobecna i tania TL431. Jej wydajność prądowa pod ciągłym obciążeniem to zaledwie 100mA, a ładowanie ogniw takim prądem to straszne nieporozumienie. Ale wystarczy wzmocnić ją odpowiednim tranzystorem i voila. Taki układ wpięty równolegle do każdej celi uchroni ją przed przeładowaniem.

Budowa układu
simple_liion_balance

Biegun dodatni ogniwa podłączamy do punktu Vo, a biegun ujemny do GND (dolna linia, nie oznaczona). Tak, tranzystor po prostu będzie zwierał bieguny ogniwa i tak ma być.

Jest to delikatnie zmodyfikowany układ z noty aplikacyjnej TL431, można go znaleźć pod nazwą „hi-current shunt regulator”. Rezystory R1 i R2 ustalają napięcie 4,20V, lub można dobrać inne w zależności od typu ogniwa. Napięcie referencyjne dla regulatora jest brane zza tranzystora, i już na granicy 4,20V układ zacznie załączać ów tranzystor aby nie dopuścić do przekroczenia zadanego napięcia. Minimalny wzrost napięcia spowoduje bardzo szybki wzrost prądu tranzystora. Podczas testów, już przy 4,22V (przekroczenie o 20mV) prąd wynosił ponad 1A więc jest to wynik aż za nadto zadowalający.

Dobór tranzystora
li_ion_balancer_2W sumie jakikolwiek tranzystor PNP pracujący w zakresie napięć i prądów jakie nas interesują. Jeśli ogniwa mają być ładowane prądem 500mA, to prąd tranzystora powinien być nie mniejszy niż ta wartość, a jego współczynnik Pd (power dissipation) nie mniejszy niż moc jaką będziemy na nim wytracać – tak, tranzystor będzie grzałką i będzie wytracał nadmiar energii w postaci ciepła. Ogólnie polecam przyjąć spory zapas na powyższe. Kalkulacja prosta. 4,20V * 0,5A = 2,1W, i tyle musi zgubić tranzystor – zapewne będzie wymagał niewielkiego chłodzenia. Dla prądu ładowania 1A lub więcej moc strat odpowiednio rośnie, i coraz ciężej będzie się pozbyć tego ciepła, przypominam że założeniem są zabudowane ogniwa, prostota, i małe wymiary układu balansera.

Podczas testu sprawdziłem całą garść tranzystorów pochodzących z odzysku, m.in. BD244C, 2N6491 czy A1535A, i na wszystkich układ zachowywał się identycznie. Wsadziłem nawet BC327, i choć nie nadaje się on tutaj z powodu bardzo małych możliwości rozpraszania ciepła, pracował wzorowo przy prądzie 500mA :)

Dzielnik napięcia
li_ion_balancer_3R1 oraz R2 należy dobrać tak, aby otrzymać napięcie ograniczenia jakie nas interesuje, a te wyliczamy ze wzoru umieszczonego na schemacie. Rezystory o tolerancji 0.1%, lub miernik w łapkę i posortować te co mamy. Dla ułatwienia podam kilka wartości po zastosowaniu których otrzymamy następujące wyniki:



R1 + R2 = Vo
22K + 33K = 4,166V
15K + 22K = 4,204V
47K + 68K = 4,227V
27K + 39K = 4,230V
39K + 56K = 4,241V
33K + 47K = 4,255V
Napięcie załączenia sprawdzić przed zamontowaniem układu do ogniwa, praktyka pokazuje że pomimo tego że użyjemy dokładnych rezystorów wyliczonych ze wzoru, to i tak będzie niewielki błąd rzędu 20-50mV. Ma na to wpływ m.in. wewnętrzne napięcie odniesienia TL431 które oczywiście też ma swoją tolerancję podaną przez producenta. Niby to nie dużo, ale różnice w naładowaniu dwóch ogniw na poziomie 100mV (skrajny przypadek) to sporo. Dobrym pomysłem jest dołożenie potencjometru (jeśli mamy miejsce) i umożliwienie niewielkiej regulacji napięcia zadziałania. Rezystor podciągający dla bazy tranzystora 470-1K. Większy powodował że tranzystor był nie do końca zamknięty i układ siorbał 30mA z ogniwa. Mniejszego chyba nie ma sensu dawać, prąd przy obecnej konfiguracji to 300uA co jest wynikiem całkiem ok – próbując zejść niżej układ zachowywał się niestabilnie (pływanie napięcia po dotknięciu palcem).


Jakie napięcie ustawić?
Jeśli ładowarka odcina na poziomie 4,20V, to musimy ustawić napięcie nieco wyższe. Ładowarki podają minimalnie wyższe napięcie od tego które ma zostać na ogniwie, o 10, 20, czy 50mV więcej – w zależności od konstrukcji ładowarki. Ładowarka wykrywa koniec ładowania wtedy, kiedy przy zadanym napięciu prąd ładowania spadnie np poniżej 100mA – w zależności od konstrukcji ładowarki. Jeśli balancer będzie ustawiony zbyt nisko, to uruchamiając się będzie sztucznie zawyżał prąd ładowania i ładowarka nigdy nie skończy ładować. Myślę że bezpiecznym napięciem będzie o 30-50mV wyższe. Jeśli sami ładujemy pakiet zasilaczem laboratoryjnym, to ustawiamy go na sumę napięć balanserów tak aby mieć pewność że te nie włączą się niepotrzebnie.

Przykładowa realizacja
Układ jest na prawdę malutki i można śmiało zamontować go przy ogniwie. Kwestię chłodzenia pozostawiam montującemu. Należy jedynie pamiętać że na obudowie tranzystora występuje potencjał ujemnego bieguna ogniwa, i należy uważać przy montowaniu układów do wspólnego radiatora, lub użyć układów z izolowaną obudową.

li_ion_balancer_6

li_ion_balancer_5

Test bojowy
6 sztuk balancerów zamiast rezystorów dostało potencjometry i powędrowało do kosza do ładowania 6szt 18650. Ogniwa widoczne na zdjęciu poniżej były w różnym stanie naładowania, na próbę próbowałem je ładować bez balansowania i tak jak się spodziewałem kilka z nich osiągnęło napięcie naładowania dużo szybciej, następnie je przekroczyło, i zaczęło robić się wyraźnie cieplejsze gdy pozostałe nie miały jeszcze połowy ładunku. Tak jak wspomniałem takie ładowanie szybko zniszczy ogniwa lub doprowadzi do pożaru.

Po dodaniu balanserów i ponowieniu próby ładowania, ogniwa które naładowały się pierwsze dobiły równo do 4,20V (napięcie ustawione potencjometrem), a ich tranzystory zaczęły robić się gorące – choć obeszło się bez dodatkowego chłodzenia (ładowanie prądem 500mA). W efekcie wszystkie ogniwa naładowały się do napięć ustawionych na potencjometrach.

li_ion_balancer_7

4.29 avg. rating (86% score) - 7 votes

117 komentarzy

  1. Ja mam pytanie, w jaki sposób wpiąć się z pr’kiem?

  2. ten układ długo nie podziała między emiterem a VCC powinien być rezystor około 20 Ohm

    • 1. Na obrazkach nie ma nigdzie Vcc tylko Vo.
      2. Nie można dać rezystora aż tak dużego ponieważ ograniczy on prąd płynący przez tranzystor, przez co nie spełni on swojego założenia (czyli jeśli ogniwo się naładuje to energię, która miała by być dodatkowo gromadzona w ogniwie rozprowadzi w postaci ciepła a nie będzie ładować ogniwa, co doprowadziło by je do zniszczenia.)

    • Poza tym jeśli by tak zrobić jak Pan pisze, to równie dobrze można było by podłączyć równolegle rezystor do baterii jako sztuczne obciążenie.

    • Jak ktoś lubi sobie komplikować życie, to może dowalić rezystor i na tym rezystorze wytracać energię zamiast na tranzystorze. Tyle że tranzystor sprawdzi się w całym zakresie prądów jakie da ładowarka, rezystor trzeba dobrać na konkretny prąd. Za słaby spowoduje przeładowanie, za mocny spowoduje że to tranzystor będzie się grzał i na jedno wyjdzie. Ten układ działa i to dosyć długo bo od 2014r jeszcze się nie zepsuł, chyba bardzo ciężko będzie przekroczyć SOA w takim zastosowaniu :)

  3. Cześć

    Czy można zastosować do balancera z artykułu Tranzystor TIP127?.

    Pozdrawiam

  4. Mógłbyś narysować cały schemat końcowy połączenia 6 ogniw z balancerami

  5. A jaką ładowarką ładowałes cały zestaw??

    • Możesz użyć dowolnego zasilacza z ograniczeniem prądowym. Nawet zwykły LM317 ustawiony na 25.2V wystarczy, tylko uważaj żeby prąd nie był za duży. I pamiętaj że musisz przypilnować takiego ładowania i je ręcznie zakończyć. Przy ustawianiu napięcia dopilnuj, aby suma napięć na balanserach nie przekraczała tego napięcia, bo będzie się ładowało w nieskończoność.

    • A skad wiadomo kiedy sie już naładowało?

    • Aku Li-Ion, Li-Po ładowane są metodą CC/CV czyli 0.5C (połowa pojemności baterii) dobieram ładowarkę która posiada odpowiednie napięcie i prąd ładowania i moge ładować.
      Tak jak na schemacie czyli 25.2 V (6 ogniw x 4.2 V) ładujesz prądem 500mA (jeśli mniejszym niż połowa to dłużej bedzie sie ładowało) a wiec zakładam ze każde ogniwo ma po 1000 mAh. Czyli wg takich prostych obliczeń dobieram ładowarke o odpowiednim napieciu i prądzie i ładuje?
      Tak ja to rozumiem ale czy dobrze?

    • To co na zdjęciu to ładowałem jakimś zasilaczem, tylko po to żeby przetestować balansery. Normalnie ogniwa ładuję ładowarką modelarską. Prąd możesz dać 1C. Ale uwzględnij możliwości chłodzenia balanserów, tak żeby się nie zagotowały przy jakimś większym prądzie.

      Jeśli ładowanie wejdzie w fazę CV, to monitorujesz spadek prądu. Jak spadnie np do 1/5 lub 1/10 prądu ładowania to ogniwa uznaje się za naładowane.

      Jeśli ustawiasz balansery na 4.2V każdy, to przy napięciu 25.2V będą pracowały wszystkie i będą pobierały prąd, więc nie wykryjesz końca ładowania. Napięcie ustaw ciut niżej np. na 25.1V, lub balansery troszkę wyżej, np na 4.21V

  6. Witam, a ten rezystor niebieski na ostatnim zdjeciu to jest zamiast rezystorów R1 R2 i jak dobrze rozumiem to nad TL431 jest umieszczony rezystor jeśli tak to jakiej mocy?

  7. Przemysław

    Pytanie skąd wziąć przeszło 67,2V dla 16 ogniw ;/ ?
    I czy ma być te 67,2V 500mA czy 8A ?

    • Jeśli połączysz ogniwa szeregowo, to 500mA, jeśli równolegle to 8A w Twoim przypadku.

    • Jeśli chodzi o ładowanie to zobacz moją ładowarkę do roweru, musisz zrobić coś na podobnej zasadzie, bo gotowiec będzie raczej drogi.

      http://mdiy.pl/ebike-budowa-ladowarki-diy-cccv-10s-13s/

      Chyba że możesz to rozłączać i połączyć równolegle 2x8S i wtedy ładowarka modelarska na 8S to ładnie naładuje :)

  8. Witam
    a czy jak balancer zewrze ogniwo to nie będzie zwarcia na tym ogniwie ??
    Po osiągnięciu ustawionego napięcia przecież robi zwarcie na ogniwie czyż nie ?? czy się mylę

    • Czemu od razu zwarcie? Popłynie tylko prąd potrzebny do utrzymania napięcia 4.2V.

  9. Witam jakie powinny byc rezystory w przypadku 9 ogniw ?

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Proszę pozostawić te dwa pola tak jak są: