Тема: Простая балансировка сборок Li-ion 18650
Простая балансировка сборок Li-ion 18650
Собственно в соседней теме писал о балансировке сборок 2S2P так завалили кучей вопросов в личку
Рассказываю, точнее цитирую один из источников:
В качестве схемы перекачки заряда использован не индуктивный, а ёмкостной накопитель. Например, широко известны, так называемые, преобразователи напряжения на коммутируемых конденсаторах. Одна из массовых — это микросхема ICL7660 (MAX1044 или отечественный аналог КР1168ЕП1).
В основном микросхема используется для получения отрицательного напряжения, равного напряжению её питания. Однако, если отрицательное напряжение на её выходе окажется по каким-то причинам больше по величине, чем положительное напряжение питания, то микросхема начнёт качать заряд "в обратную сторону", забирая из минуса, и отдавая в плюс, т.е. она всё время пытается уравнять эти два напряжения.
Микросхема с высокой частотой подключает конденсатор С1 либо к верхнему аккумулятору G1, либо к нижнему G2. Соответственно С1 будет заряжаться от более заряженного и разряжаться в более разряженный, каждый раз перенося какую-то порцию заряда.
Со временем напряжения на аккумуляторах станут одинаковыми.
Энергия в схеме практически не рассеивается, КПД схему может достигать до 95…98% в зависимости от напряжения на аккумуляторах и выходного тока, который зависит от частоты переключения и ёмкости С1.
При этом собственно потребление микросхемы составляет всего несколько десятков микроампер, т.е. находится ниже уровня саморазряда многих аккумуляторов, и поэтому микросхему можно даже не отключать от аккумулятора и она будет постоянно неспешно выполнять работу по выравниванию напряжения на ячейках.
Реально ток перекачки может достигать 30…40мА, но КПД при этом снижается. Обычно десяток мА. Также напряжение питания может быть от 1.5 до 10В, а это значит, что микросхема может балансировать как обычные Ni-Mh пальчики, так и литиевые аккумуляторы.
Важно: Для балансировки литиевых аккумуляторов с более высоким напряжением, вывод 6 (LV Low voltage) нужно оставить свободным, никуда не подключать.
Типовая схема для двух элементов на первом фото.
Теперь о практике.
Собирал 2S3P и 2S2P.
Плату крепил в торец.
На обратной стороне платы "контрольные" точки, что бы мы могли аппаратно оценить результат.
Результаты 2S3P на фото.
Перекачка энергии (выравнивание напряжений идет ОЧЕНЬ медленно, но постоянно).
Я специально две из 6-ти банок разрядил примерно наполовину.
Катался весной в потемках, летом аккумы лежали без дела. На прошлой неделе, решил посмотреть результат.
Разница напряжений на всех банках не более 0,01 Volt.
Затраты:
1. MAX1044 SMD SOIC-8 — в Митино удалось найти по 30 рублефф. Но предлагили "недорого" dip-8 всего по 170 рублей . Митино, каждый норовить нае. обмануть.
2. Smd кондюки — бесплатно, со старых пат.
3. Стеклотекстолит и прочее — осталось с давних времен.
4. Прямые руки и светлая голова — бесценно.
Так же можно балансировать сборки 3S2P (последнее фото, главное не забыть отключить вывод LV).
- 1.A.jpg (16.7 Кб, Просмотров: 781)
2.JPG (29.3 Кб, Просмотров: 706)
Как выровнять напряжение на аккумуляторах 18650
Всем известно, что аккумуляторы имеют широкое применение в мехатронике, робототехнике, автоматических системах управления и промышленности в целом. Электроавтомобили, автономные роботы, системы резервного питания, мобильные средства связи и вычислительной техники – далеко не полный перечень вариантов их применения. Совершенствуются и сами аккумуляторы. В своих разработках в большинстве случаев мы применяем литий-ионные аккумуляторные батареи.
Особенности строения аккумуляторов (в частности химические процессы в них протекающие) диктуют необходимость применения разнообразных схем зарядных устройств и устройств контроля состояния аккумуляторов. Наиболее важное место здесь занимает система контроля и управления аккумуляторной батареей (далее — СКУ АБ, в иностранной литературе используется аббревиатура BMS – battery management syste).
Применение систем контроля и управления аккумуляторной батареей позволяет:
В ходе работы литий-ионных аккумуляторов возникает такое явление, как разбалансировка. Это связано с тем, что все аккумуляторы имеют различия в таких характеристиках, как ток саморазряда в режиме хранения, внутреннее сопротивление, скорость деградации электродных материалов и т.д. Соответственно различия в напряжениях аккумуляторов приводят к снижению их срока службы и выходу из строя. Для решения этой проблемы люди придумали системы балансировки аккумуляторов.
В данной статье мы постараемся рассказать о наших изысканиях в попытках разработать схему активной балансировки.
Так, определенные системы зарядки литий-ионных аккумуляторов построены на том, что зарядка прекращается в том момент, когда одна из батарей достигнет верхнего порога (для литий-ионных аккумуляторов он составляет 4,2 вольта, как правило). Соответственно, батареи, емкость которых ниже, не заряжаются в таком случае полностью и эффективность использования такой ячейки снижается (а ещё она быстрее выйдет из строя т.к. всё чаще и чаще может уходить в глубокий разряд если система позволяет).
Аналогично и с разрядкой аккумулятора – если система контроля отключает аккумуляторы, ориентируясь по первой ячейке, которая достигнет нижнего порога напряжения (3 вольта для литий-ионных аккумуляторов, как правило), то эффективность использования такой системы резко упадет. Говоря опять же, простым языком не будет использован весь потенциал аккумулятора. Заряжаться он будет, ориентируясь на самую «живую» ячейку, а отключаться при разрядке, ориентируясь на самую «дохлую».
Гораздо более катастрофичными могут оказаться последствия, если система ориентируется на среднее значения напряжения между ячейками при заряде или разряде аккумулятора. В таком случае ячейки с меньшей емкостью могут не успеть зарядиться до верхнего порога в 4,2 вольта, в то время, как другие ячейки зарядятся выше этого значения, что может привести к их взрыву. Аналогично, при разряде такие ячейки могут разрядиться ниже порога в 3 вольта, что приведет к серьезной потере емкости такой ячейки.
Поэтому литиевые аккумуляторы балансировать нужно. А если кто-то говорит, что и так работает, то рано или поздно он поедет в травму с ожогами. Ага. Вообще балансировку можно осуществлять активными методами и пассивными.
Балансировка с переключающимися емкостями (Рисунок 4) заключается в том, что энергия сначала закачивается в буферную емкость от i-ячейки, а затем передается из буферной емкости в соседнюю (i+1)-ячейку. Отсюда следует главный недостаток такой системы – передача заряда из ячеек, отдаленных друг от друга, крайне затруднительна.
Общий недостаток емкостных систем балансировки – броски тока при переключениях между ячейками, что может привести к выходу ключей из строя.
Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе.
Аналогично катушкам индуктивности можно использовать трансформаторы (с разным числом обмоток). Эффективность метода не очень высокая, но данная система решает проблемы больших токов при разрыве в цепи. Если опять вернуться к примеру со 100 ячейками по 3,6 вольта, то при обрыве в цепи на транзисторах будет напряжение не 360 вольт, а всего 3,6, что не приведет к их сгоранию.
Существует три варианта построения систем балансировки на трансформаторах. Первый, buck-boost converter, основан на том, что энергия передается между двумя соседними фиксированными парами ячеек (между соседней четной и нечетной ячейкой). Данный метод изображен на Рисунке 8.
Системы активной балансировки, построенные на использовании преобразователей – повышающих, понижающих, прямоходовых и обратноходовых, а так же двунаправленных, считаются наиболее эффективными топологиями. В таких системах ключи находятся со стороны вторичной обмотки трансформатора (со стороны аккумулятора), то есть на ключи действует только напряжение ячеек, что не приведет к их выгоранию. В то же время усилители находятся со стороны первичной обмотки трансформатора (то есть с той стороны, к которой подключается зарядное устройство). Такой подход позволяет минимизировать потери в ключах, и одновременно с этим согласовывает разные уровни напряжений с обеих сторон трансформатора.
В частности, системы, построенные на повышающих преобразователях, передают энергию от одной ячейки ко всей группе ячеек. Пример такой системы показан на рисунке 11. Контроллер выбирает наиболее заряженную ячейку, включает соответствующий ей преобразователь, и энергия от ячейки начинает распределяться на всю группу.
Общей чертой обратноходовых преобразователей и buck-boost преобразователей является то, что они хранят энергию непосредственно в дросселе. В отличии от них, прямоходовой преобразователь только передает энергию через трансформатор, а для хранения энергии используются дополнительные элементы – катушки индуктивности. Сама энергия непосредственно передается с первичной обмотки от зарядного устройства.
Для создания системы активной балансировки был выбран метод балансировки на двунаправленном buck-boost преобразователе. Такой метод позволяет передавать энергию как от одной ячейки к группе ячеек (buck mode – передача энергии от наиболее заряженной ячейки), так и от группы ячеек к одной, наименее заряженной ячейке (boost mode). Для решения проблемы бросков тока будет использован контроллер тока, который позволяет формировать ШИМ-сигнал по току с постоянной амплитудой. Уникальность разрабатываемой системы заключается в том, что контроль преобразователя будет осуществляться одной единственной микросхемой, то есть микросхема будет непосредственно регулировать сигнал на первичной и вторичной обмотке трансформатора, а так же выполнять функции контроллера тока.
В области активной балансировки существует много наработок.
Известно изобретение «Устройство выравнивания напряжения на батарее» (патент США «Stackable Bi-directional Multicell Battery Balancer» №US8692516B2, МПК: H02J7/00, опубликован 08.04.2014).
Указанное устройство представляет собой систему из двунаправленных преобразователей энергии обратноходового типа, способную передавать энергию от всей батареи наименее заряженной ячейке и энергию от наиболее заряженной ячейки всей батарее. Так же устройство позволяет измерять напряжение каждого отдельного элемента литий-ионной АБ. Данной устройство построена на специализированных микросхемах компании Linear Technology (американская компания, производителей полупроводниковых элементов, микросхем, электроники и изделий на их основе) – LTC3300-1 и LTC6802-1 (Рисунок 12). Главным преимуществом данного изобретения является возможность его применения для высоковольтных батарей (напряжением до 1000 вольт). Недостатком данного устройства является сложность схемы управления, обуславливающая необходимость применения специализированной микросхемы LTC3300-1. Реализация логики работы данной микросхемы на элементной базе общего назначения достаточно сложна.
Другим примером изобретений в области активной балансировки является устройство контроля и балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, разработанное сотрудниками ЦНИИ РТК (Патент RU 176470 U1, опубликовано 22.01.2018, авторы: Гук М.Ю., Зыков Н.В., Иванов М.М., Кузнецов В.А.)
Данное устройство состоит из трансформатора с общим сердечников и одинаковыми по количеству витков рабочими обмотками, такими что, по крайней мере, две соседние ячейки имеют одну общую пару рабочих обмоток, которая своей общей точкой подключена к общей точке соединения этих ячеек, а свободными концами эта пара рабочих обмоток подключена через ключевые элементы к другим выводам соответствующих ячеек, а также генератора импульсов, выполненного в виде преобразователя постоянного напряжения и управляемых ключевых элементов, выпиленных на полевых транзисторах. Также в систему балансировки был введен коммутатор для измерения напряжения каждого элемента АБ в отдельности и микропроцессор для управления всей системой в целом. Микропроцессор с помощью коммутатора измеряет напряжение на ячейках АБ и выдает команду балансировочному устройству на проведение процедуры балансировки только при превышении разности напряжений на элементах АБ определённого порогового значения, что обеспечивает снижение потерь энергии и увеличение срока службы батареи.
Аналогичным к вышеописанному, но не имеющим возможности измерения напряжения каждого элемента АБ в отдельности, является устройство выравнивания напряжения на батарее (патент на изобретение США «Charge Redistribution Method For Cell Arrays», №US2014103857A1, МПК: H02J7/00, опубликован 17.04.2014).
В общем, посмотрели, поискали и решили, что интересно сделать всё-таки своё. Потому что кроме общего описания в этих патентах в общем-то и нет. Патентов на самом деле есть побольше, но привели несколько… Да и не о патентах вообще речь, а о том, что велосипеды изобретаются и делиться ими никто особо не хочет. Ну или нам не повезло просто.
Для создания системы активной балансировки был выбран метод балансировки на двунаправленном buck-boost преобразователе. Такой метод позволяет передавать энергию как от одной ячейки к группе ячеек (buck mode – передача энергии от наиболее заряженной ячейки), так и от группы ячеек к одной, наименее заряженной ячейке (boost mode). Вообще поиск показал, что есть решение у Texas Instruments, которое мы и попробуем реализовать. Зарядное устройство и нагрузка подключаются к первичной обмотке трансформатора, а батареи – ко вторичной обмотке.
Для реализации используются специализированные микросхемы от Texas Instruments – EMB1428 и ЕМВ1499. EMB1428 – драйвер, который управляет матрицей полевых транзисторов, коммутирующих нужную ячейку к вторичной обмотке трансформатора. ЕМВ1499 – двунаправленный контроллер тока, выполняющий также функции контроллера ШИМ сигнала на обеих обмотках buck-boost преобразователя.
Разрабатываемое устройство состоит из двух функциональных частей – коммутатора (Рисунок 13) и непосредственно устройства балансировки. Коммутатор построен на основе матрицы транзисторов и драйвера EMB1428 . Устройство балансировки построено на трансформаторе и микросхеме ЕМВ1499, образующими buck-boost преобразователь с системой управления.
Матрица транзисторов (Рисунок 14) состоит условно из двух частей. Одна состоит из транзисторов, которые напрямую подключаются к выводам ячеек аккумулятора – назовем ее «переключатель ячеек». Транзисторы ставятся парами, у них общий исток и общий затвор, такое построение блокирует протекание тока в обе стороны при закрытых транзисторах, что позволяет уменьшить потери. Можно пронумеровать такие пары транзисторов от 0 до 7 снизу вверх. Один сток подключатся к выводу батареи, второй сток – подсоединяется к общей линии, четной (ODD, линия красного цвета на Рисунке 14) или нечетной (EVEN, линия синего цвета на Рисунке 14), в зависимости от номера.
Вторая часть находится между » переключателем ячеек» и DC/DC преобразователем – назовем ее » переключатель полярности». EMB1428Q связан с микроконтроллером через интерфейс связи SPI (EMB1428Q получает от MCU команду, какая батарея требует заряда/разряда, докладывает об ошибках). Получив команду, EMB1428Q выбирает нужную ячейку в аккумуляторе, подключает ее через транзисторы к четной и нечетной линии и к нужному каналу, чтобы была нужная полярность (сначала EMB1428Q закрывает ненужные транзисторы, потом открывает нужные транзисторы). Например, выделение ячейки 1: открываются транзисторы Vg0 и Vg1, Vg11 и Vg8 (верх – к плюсу, низ – к минусу). Ячейка 2: открываются транзисторы Vg1 и Vg2, Vg9 и Vg10.
Выравнивание заряда батарей обеспечивает долгое время работы и продлевает срок службы
Обычно в любой системе, состоящей из нескольких последовательно включенных батарей, возникает проблема разбалансировки заряда отдельных батарей. Выравнивание заряда – это метод проектирования, позволяющий увеличить безопасность эксплуатации батарей, время работы без подзарядки и срок службы.Новейшие микросхемы защиты батарей и указатели заряда компании Texas Instruments – BQ2084, семейства BQ20ZXX, BQ77PL900 и BQ78PL114, представленные в производственной линейке компании, – необходимы для реализации этого метода.
ЧТО ТАКОЕ РАЗБАЛАНСИРОВКА БАТАРЕЙ?
Перегрев или перезаряд ускоряют износ батареи и могут вызвать воспламенение или даже взрыв. Программно-аппаратные средства защиты уменьшают опасность. В блоке из многих батарей, включенных последовательно (обычно такие блоки применяются в лаптопах и медицинском оборудовании) существует возможность разбалансировки батарей, что ведет к их медленной, но неуклонной деградации.
Не существует двух одинаковых батарей, всегда есть небольшие отличия в состоянии заряда батарей (СЗБ), саморазряда, емкости, сопротивлении и температурных характеристиках, даже если речь идет о батареях одинаковых типов, от одного производителя и даже из одной производственной партии. При формировании блока из нескольких батарей производитель обычно подбирает схожие по СЗБ батареи посредством сравнения напряжений на них. Однако отличия в параметрах отдельных батарей все равно остаются, а со временем могут и возрасти. Большинство зарядных устройств определяет полный заряд по суммарному напряжению всей цепочки последовательно включенных батарей. Поэтому напряжение заряда отдельных батарей может варьироваться в широких пределах, но не превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда. Однако в слабом звене – батарее с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением напряжение может быть выше, чем на остальных полностью заряженных батареях. Дефектность такой батареи проявится позже при длительном цикле разряда. Высокое напряжение такой батареи после завершения заряда свидетельствует об ее ускоренной деградации. При разряде по тем же причинам (большое внутренне сопротивление и малая емкость) на этой батарее будет наименьшее напряжение. Сказанное означает, что при заряде на слабой батарее может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные батареи блока еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов батарей.
МЕТОДЫ БАЛАНСИРОВКИ
Разбалансировка батарей оказывает существенное нежелательное воздействие на время работы без подзарядки и срок службы. Выравнивание напряжения и СЗБ батарей лучше всего производить при их полном заряде. Существуют два метода балансировки батарей – активный и пассивный. Последний иногда называют «резисторной балансировкой». Пассивный метод довольно прост: разряд батарей, нуждающихся в балансировке, производят через байпасные цепи, рассеивающие мощность. Эти байпасные цепочки могут быть интегрированы в батарейный блок или помещаться во внешней микросхеме. Такой метод предпочтительно использовать в недорогих приложениях. Практически вся избыточная энергия от батарей с большим зарядом рассеивается в виде тепла – это главный недостаток пассивного метода, т.к. он сокращает время работы батарей без подзарядки. В активном методе балансировки для передачи энергии от батарей с большим зарядом к менее заряженным батареям используются индуктивности или емкости, потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод существенно более эффективен, нежели пассивный. Конечно, за повышение эффективности приходится платить – использовать дополнительные относительно дорогостоящие компоненты.
ПАССИВНЫЙ МЕТОД БАЛАНСИРОВКИ
Наиболее простое решение – выравнивание напряжения батарей. Например, микросхема BQ77PL900, обеспечивающая защиту батарейных блоков с 5–10 последовательно включенными батареями, используется в инструментах без токопроводящего кабеля, скутерах, бесперебойных источниках питания и медицинском оборудовании. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком, как показано на рисунке 1. Сравнивая напряжение батарей с запрограммированными порогами, микросхема при необходимости включает режим балансировки. На рисунке 2 показан принцип действия. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, заряд прекращается, подключаются байпасные цепочки. Заряд не возобновляется до тех пор, пока напряжение батареи ни снизится ниже порогового и процедура балансировки прекратится.
Рис. 1. Микросхема BQ77PL900, используемая в автономном
режиме работы для защиты блока батарей
При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего импеданса батарей (см. рис. 3). Дело в том, что внутренний импеданс вносит свой вклад в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызвана разбалансировка напряжений: разной емкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся на 100% заряженными. В микросхеме указателя заряда BQ2084 используется улучшенная версия балансировки, основанная на изменении напряжения. Чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика. Другое преимущество BQ2084 – измерение и анализ напряжения всех батарей, входящих в блок. Однако в любом случае этот метод применим лишь в режиме зарядки.
Рис. 2. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению
Рис. 3. Пассивный метод балансировки по напряжению
неэффективно использует емкость батарей
Микросхемы семейства BQ20ZXX, используют для определения уровня заряда фирменную технологию Impedance Track, базирующуюся на определении СЗБ и емкости батареи. В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд QNEED, необходимый для достижения полностью заряженного состояния, после чего находится разница ΔQ между QNEED всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, через которые происходит балансировка батареи до состояния ΔQ = 0. Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время: и при зарядке, и при разрядке батарей. При использовании технологии Impedance Track достигается более точная балансировка батарей (см. рис. 4).
Рис. 4. Пассивная балансировка, основанная на СЗБ и емкости
АКТИВНАЯ БАЛАНСИРОВКА
По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. для передачи энергии от более заряженной батареи к менее заряженной вместо резисторов используются индуктивности и емкости, потери энергии в которых практически отсутствуют. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы без подзарядки.
Микросхема BQ78PL114, произведенная по фирменной технологии PowerPump, представляет собой новейший компонент компании TI для активной балансировки батарей и использует индуктивный преобразователь для передачи энергии. PowerPump использует n-канальный p-канальный MOSFET и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на рисунке 5. MOSFET и дроссель составляют промежуточный понижающий/повышающий преобразователь. Если BQ78PL114 определяет, что верхней батарее нужно передать энергию в нижнюю, на выводе PS3 формируется сигнал частотой около 200 кГц с коэффициентом заполнения около 30%. Когда ключ Q1 открыт, энергия из верхней батареи запасается в дросселе. Когда ключ Q1 закрывается, энергия, запасенная в дросселе, через обратный диод ключа Q2 поступает в нижнюю батарею.
Рис. 5. Балансировка по технологии PowerPump
Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе. Микросхема BQ78PL114 реализует три алгоритма балансировки:
- по напряжению на выводах батареи. Этот метод похож на пассивный метод балансировки, описанный выше;
- по напряжению холостого хода. В этом методе компенсируется различие во внутренних сопротивлениях батарей;
- по СЗБ (основан на прогнозировании состояния батареи). Метод схож с тем, который использован в семействе микросхем BQ20ZXX при пассивной балансировке по СЗБ и емкости батареи. В этом случае точно определяется заряд, который необходимо передать от одной батареи к другой. Балансировка происходит в конце заряда. При использовании этого метода достигается наилучший результат (см. рис. 6)
Рис. 6. Активная балансировка по алгоритму выравнивания СЗБ
Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с внутренними байпасными ключами. В случае балансировки батарейного блока ноутбука токи балансировки составляют 25…50 мА. Подбирая значение компонентов можно достичь эффективности балансировки в 12–20 раз лучшей, чем при пассивном методе с внутренними ключами. Типичного значения разбалансировки (менее чем 5%) можно достичь за один или два цикла.
Кроме того, технология PowerPump имеет и другие очевидные преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы – заряд, разряд и даже тогда, когда батарея, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем батарея, получающая энергию. По сравнению с пассивным методом теряется гораздо меньше энергии.
ОБСУЖДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО МЕТОДА БАЛАНСИРОВКИ
Технология PowerPump быстрее производит балансировку. При разбалансировке 2% батарей емкостью 2200 мА·ч она может быть произведена за один или два цикла. При пассивной балансировке встроенные в батарейный блок силовые ключи ограничивают максимальное значение тока, поэтому может потребоваться много больше циклов балансировки. Процесс балансировки может быть даже прерван при большой разнице параметров батарей.
Увеличить скорость пассивной балансировки можно за счет использования внешних компонентов. На рисунке 7 приведен типичный пример такого решения, которое можно использовать совместно с микросхемами BQ77PL900, BQ2084 или семейства BQ20ZXX. Вначале включается внутренний ключ батареи, который создает небольшой ток смещения, протекающий через резисторы RExt1 и RExt2, включенные между выводами батареи и микросхемой. Напряжение «затвор-исток» на резисторе RExt2 включает внешний ключ, и ток балансировки начинает протекать через открытый внешний ключ и резистор RBal.
Рис. 7. Принципиальная схема пассивной балансировки
с использованием внешних компонентов
Недостаток этого метода заключается в том, что одновременно не может происходить балансировка смежной батареи (см. рис. 8а). Это происходит из-за того, что когда открыт внутренний ключ смежной батареи, через резистор RExt2 не может протекать ток. Поэтому ключ Q1 остается закрытым даже тогда, когда открыт внутренний ключ. На практике эта проблема не имеет большого значения, т.к. при таком способе балансировки батарея, подключенная к Q2 быстро балансируется, а следом за ней балансируется и батарея, подключенная к ключу Q2.
Другая проблема заключается в возникновении высокого напряжения сток-исток VDS, которое может возникнуть когда балансируется каждая вторая батарея. На рисунке 8б показан случай, когда балансируются верхняя и нижняя батареи. При этом напряжение VDS среднего ключа может превысить максимально допустимое. Решение этой проблемы – ограничение максимального значения резистора RExt или исключение возможности одновременной балансировки каждой второй батареи.
Метод быстрой балансировки – новый путь улучшения безопасности эксплуатации батарей. При пассивной балансировке цель заключается в том, чтобы сбалансировать емкость батарей, но из-за малых токов балансировки это возможно лишь в конце цикла заряда. Другими словами, перезаряд плохой батареи может быть предотвращен, но это не увеличит время непрерывной работы без подзаряда, т.к. слишком много энергии будет потеряно в байпасных резистивных цепочках.
При использовании технологии активной балансировки PowerPump одновременно достигаются две цели – балансировка емкости в конце цикла заряда и минимальное различие напряжений в конце цикла разряда. Энергия запасается и отдается слабой батарее, а не рассеивается в виде тепла в байпасных цепях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Корректная балансировка напряжения батарей – один из путей увеличения безопасности эксплуатации батарей и увеличения срока их службы. Новые технологии балансировки отслеживают состояние каждой батареи, что позволяет увеличить срок их службы и повысить безопасность эксплуатации. Технология быстрой активной балансировки PowerPump увеличивает время работы без подзарядки, а также позволяет максимально и с высокой эффективностью сбалансировать батареи в конце цикла разряда.
Активный балансир для литиевых батарей, что это такое и зачем он нужен
На самом деле речь пойдет о двух балансирах, при этом один из них представлен даже в двух экземплярах.
Мелкие были заказаны для LiFePO4 батарей, одна для мощного ИБП, другая для мелкого. Обе платы были куплены у одного и того же продавца в два захода, но при этом у него есть два разных лота:
1. $3.59 + $1.31 доставка, купил с купоном на 11.11
2. $3.50 + $4.73 доставка. Этот лот кажется слишком дорогим из-за доставки, но у продавца доставка разных товаров не суммируется, а так как заказывал плату защиты, то балансир взял попутно.
Вторая плата куплена на таобао где-то полтора года назад, но все не находил времени протестировать её и вот решил совместить две платы в одном обзоре. 
В качестве дополнительной информации расскажу то, о чем спрашивают чаще всего, что такое балансир, какие они бывают и чем отличаются.
Писать про то, зачем он нужен, думаю нет смысла, это понятно из названия, да и я уже как-то рассказывал.
Пассивная схема балансировки
И так, технически самый простой балансир — пассивный, его задача ограничить напряжение на тех элементах, которые заряжены больше других, работает он только при заряде, пропуская часть тока (или весь) через себя давая возможность зарядиться остальным ячейкам.
По понятным причинам такой балансир может работать только при заряде, а точнее, в конце заряда. 
Понятно что ограничивать напряжение стабилитронами проблематично так как имеются свои технические проблемы, как минимум малый вариант выбора напряжений и разброс характеристик.
Можно заменить стабилитрон регулируемым, на базе TL431, но он маломощный, соответственно придется усилить его транзистором.
Такая схема обеспечивает очень высокую точность балансировки и может делать это за один цикл заряда, но есть как минимум две проблемы:
1. Из-за того что ток в цепи никогда не упадет, а просто будет идти либо через батарею, либо через балансир, то зарядное может отключаться только по таймеру.
2. А так как весь ток потом идет через балансир, то получаем огромное тепловыделение в конце заряда, что при больших аккумуляторных сборках вынуждает применять солидные системы охлаждения, понятно что речь встроить такой балансир в корпус батареи вообще не идет.
Пример балансира с параллельными стабилизаторами, рассчитанный на ток до 2А и сборки до 20S. В режиме максимальной мощности тепловыделение до 170Вт. 
Но ведь хочется балансир встроить в саму батарею, а значит надо снижать тепловыделение, решается это установкой резисторов.
При достижении напряжения окончания заряда схема управления через резистор начинает шунтировать аккумулятор, пропуская часть тока через себя, в данном случае это резистор R1. 
Подобные балансиры часто размещают сразу на платах защиты, найти их очень легко, обычно это несколько больших низкоомных резисторов размещенных рядом, при этом количество резисторов соответствует количеству подключаемых к плате аккумуляторов. 
Фото 5S платы защиты, видны резисторы по 150Ом соединенные попарно, т.е. каждый балансир может нагружать током порядка 50-55мА. 
Кроме того продаются отдельные платы, изготовленные под разное количество каналов, обычно это 4 или 8, если у вас сборка на 5-7 элементов то применяется плата на 8, лишние каналы просто не используются. У меня «в загашнике» как раз лежит несколько подобных плат. 
Но даже это сильно не помогает, резисторы в конце заряда могут нагреваться до температур порядка 80 градусов, а при установке в корпус батареи температура может быть еще больше, а рядом литиевые аккумуляторы…
В общем из преимуществ имеем простоту и дешевизну, а из недостатков, малый ток балансировки, соответственно если разбег очень большой, то зарядное все равно «перетянет одеяло на себя». Чтобы этого не было, надо заряжать малыми токами, кроме того следует помнить, что балансир отбирает часть тока на себя и если у вас зарядное имеет отсечку по падению тока, то следует это учитывать.
Например ток заряда 1А, отсечка по падению до 50мА, при балансире на 60мА оно никогда не отключится, в этом случае выставляем отключение по току 50+60мА=110мА, тогда зарядное отключится по падению тока ниже 50мА именно черех аккумуляторы.
Активные балансиры
Чтобы обойти указанные выше проблемы 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.
Задача схемы в конечном итоге уравнять потенциалы на клеммах ячеек. И здесь я отвечу на еще один частый вопрос, даже на два:
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. 
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. 
Несколько лет назад я публиковал обзор, где делал плату заряда батареи 2S и размещал на той же плате и активный балансир на базе чипа 7660. 
По сути данная микросхема не является балансиром, это просто формирователь отрицательного напряжения, но в данном случае можно использовать её и в таком, несколько нештатном применении. 
Балансир маломощный, работает медленно, но у него есть преимущество, он работает всегда, сутками, месяцами.
Отчасти это является недостатком, так как схема постоянно потребляет энергию, хоть и не очень много, в моем случае это было не критично так как аккумуляторы имели индивидуальную защиту и переразряд им не грозит.
В итоге таблица балансировки за двое суток выглядела следующим образом. 
Закономерный вопрос, а как производить балансировку если элементов больше двух. До точно также, просто в этом случае ставится больше балансиров, при этом их количество всегда на один меньше чем количество ячеек.
Первый балансир выравнивает напряжение на ячейках 1 и 2
Второй на 2 и 3
Третий на 3 и 4
Четвертый на 4 и 5.
Как можно понять их схемы, в итоге как бы не были распределены напряжения между ячейками, в итоге балансиры все равно приведут их к чему-то среднему, больше всего сложностей будет если максимальная разница у элементов 1 и 5, но даже в этом случае напряжение уравняется. 
Современные конденсаторные балансиры конечно куда как покруче, специальные контроллеры, переводящие схему в спящий режим, полимерные конденсаторы, токи балансировки до 5А. Но и цены внушают, балансир 8S запросто может стоит порядка 25 долларов, а уж о цене монстра показанного ниже я боюсь и думать.
Из преимуществ, работает всегда, обеспечивает большой ток балансировки, но есть недостаток — цена. 
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. 
И конечно вопрос, так что же все таки лучше. На мой взгляд естественно активный.
Дело в том, что в случае применения активного балансира вы фактически получаете общую емкость батареи без учета разницы между элементами, а при пассивном даже после балансировки все равно будете иметь только ту, которую имеет самый слабый элемент. Правда есть оговорка, результат напрямую зависит от мощности балансира и тока разряда.
Упрощенно, возьмем сборку из трех элементов, 1, 2 и 3Ач соединенных последовательно.
В случае с пассивным вы получите 1Ач так как даже после уравнивания при разряде ячейка 1Ач разрядится первой и плата защиты отключит нагрузку.
При активном заряд постоянно будет забираться у более заряженного элемента и отдаваться самому слабому и в теории можно получить усредненную емкость, в данном примере 2Ач, но КПД балансира конечно уменьшит этот результат.
Как это выглядит на практике. Работаете вы инструментом, потом пауза, пока батарея «отдыхает» балансир перекачивает энергию в самый слабый элемент, работаете дальше.
Есть и недостатки, при большом потреблении (например ИБП) помогать будет слабо, кроме того батарея в таком варианте изнашивается больше так как фактически идут циклы заряд/разряд. Но здесь уже вам решать, чем проще пожертвовать. 
Альтернативные схемы балансировки
1. Вариант с отключением заряженных ячеек и выводом из схемы, встречал упоминания, но видимо сложности реализации и малый смысл свели на нет эту идею, тем более через коммутационные цепи идут и рабочий ток.
2. Заряд каждой ячейки независимым зарядным, по сути результат как при работе с транзисторным пассивным балансиром, хороший КПД, но те же недостатки в плане меньшей емкости и необходимость наличия многоканального блока питания. Как пример — зарядное устройство ImaxRC B3 PRO.
3. Балансировка при помощи DC-DC с гальванической развязкой, аналог активного балансира, но более сложный технически, соответственно смысла не имеет. Еще такой балансир называется двухуровневым так как он часто работает в паре с пассивным балансиром.
Как вы наверное уже догадались, речь пойдет о индуктивном балансире, две платы для 2-4S сборок и одна до 10S.
Количество ячеек, на которое рассчитан балансир, это максимальное значение, подключить можно и меньше, работать будет одинаково, просто платы на больше каналов стоят дороже. 
В комплекте идут провода для подключения, к мелким платам двух цветов, общий черный, к ячейкам красные, у большой платы провода разноцветные, что немного удобнее. 
Мелкие платы полностью идентичны, что неудивительно. Большая плата снизу матовая, даже немного непривычно, мелкие глянцевые. 
На мелкой плате видны три балансира, довольно габаритные дроссели, заявленный ток балансировки 1.2А, максимальное напряжение каналов ограничено на уровне 4.3 вольта при помощи мелких стабилитронов, соответственно лучше не превышать его. 
Большая плата имеет тот же заявленный ток в 1.2А, но контроллеры имеют другой корпус, да и дроссели явно поменьше. Плата универсальная, до 11S, одно место пустует. Также на этой плате имеется девять светодиодов индицирующих процесс балансировки соответствующих пар ячеек.
Кроме всего прочего эта плата покрыта приличным слоем защитного лака. 
Обе платы построены на базе специализированного контроллера ETA3000. 
В даташите есть типовая схема включения, там же указано что выпускается чип в двух вариантах корпуса, собственно это видно и на показанных платах. Первый тип, с квадратным чипом я и так знал, а на мелкой плате написано даже название контроллера. 
И в данном случае это действительно чип изначально задуманный для схем балансировки, который умеет определять разницу напряжений на элементах, переходить в спящий режим для снижения потребления и даже показывать что идет процесс балансировки. 
Также есть пример подключения нескольких контроллеров для больших сборок, но суть та же, что я показывал выше, каждый контроллер обслуживает батареи попарно: 1-2, 2-3, 3-4 и т.д. 
Ток балансировки можно задавать в диапазоне 0.1-2А, для чего есть таблица номиналов элементов. 
Переходим к тестам.
Для проверки была взята сборка из четырех LiFePO4 ячеек с емкостью 5700мАч из этого обзора. Плата защиты с пассивным балансиром и чтобы не мешала, пришлось её отключить, естественно так делать нельзя, но все было под постоянным контролем.
Перед отключением платы сначала полностью зарядил батарею.
После этого отключил плату и отпаял провода от неё
Чтобы имитировать разбалансировку частично разрядил ячейки, а так как знал их емкость, то сделал просто, включил разряд током 5.5А с ограничением по времени, для первого аккумуляторы это было 38 минут, второй не разряжал, третий 19 минут и четвертый 57 минут. Соответственно получил ориентировочный процент заряда по ячейкам:
1. 35%
2. 100%
3. 70%
4. 5%
Два последних фото время разряда и «скачанная» емкость. 
Напряжение на ячейках с первой по четвертую, здесь и далее на фото порядок будет одинаков. 
Балансир подключался родными проводами, хотя для более быстрой работы лучше их либо укоротить, либо заменить на провода с большим сечением. 
Плата в процессе греется, но не сказал бы что сильно, ниже три термофото, примерно через 5-10 минут после запуска, потом через час и еще через час. Максимально было 47 градусов, при этом грелись компоненты отвечающие за ячейки 4-3 и 2-3, явно шла активная «перекачка» со второй ячейки (полностью заряженной) к третьей, а потом к четвертой (почти полностью разряженной).
Следить перестал в 4 ночи, в пол десятого утра плата была холодной. 
Тест продолжался долго, хотя как потом выяснилось, это и не было особо нужно, да и по графику вы это также поймете.
Через 34 часа после начала теста напряжение на ячейках выглядело следующим образом. 
Далее было два эксперимента, сначала подключил вторую мелкую плату, через час никаких изменений, отключил её и подключил уже большую. 
Так как отпаивал провода, то попутно проверил собственный ток потребления платы, по минусовой шине было 1.77мкА с редкими пиками до 6мкА, так работает автоматика платы, по шине В4 ток был чуть больше, 2.14мкА, с такими же всплесками до 6мкА. 
Погонял еще полтора часа, также никаких изменений. Вообще большую помощь здесь оказал мультиметр, позволяющий отслеживать изменения с разрешением до 0.1мВ. 
Следующий тест, подключил конструкцию к зарядному устройству, но плату защиты оставил отключенной, для безопасности контролировал напряжение на втором элементе так как он был наименее разряжен.
Когда напряжение на аккумуляторе начало резко расти в конце заряда, то засветился первый светодиод на плате балансира, она начала «перекачивать» заряд в первую ячейку.
Через короткое время светилось уже три светодиода, энергия начала отбираться и на заряд остальных двух ячеек, третьей и четвертой. Обусловлено это тем, что у LiFePO4 очень ровная разрядная и зарядная кривые с резким спадом или падение в конце. Соответственно аккумулятор зарядился, напряжение стало резко расти, но на остальных оно отставало и плата начала «кормить» их.
На полный заряда второй ячейки ушло 1309мАч, напомню, в начале тесте он был полностью заряжен, соответственно это та емкость, которую плата «перекачала» остальным элементам. Но следует помнить, что средний процент заряда был еще ниже, часть энергии отбиралась и от третьего элемента с зарядом 70%.
Отключил заряд, некоторое время светились все три светодиода, через несколько минут погасло два, а еще через пару минут и последний выключился. 
А теперь все в виде графика.
Красная стрелка, два часа после начала теста, интервалы по 30 мин.
Зеленая стрелка, 9 часов от начала теста, далее интервалы по часу, спустя семь часов интервалы делал по два часа.
Синяя стрелка, дополнительный заряд батареи до полного заряда второй ячейки и после этого еще 16 часов, сначала интервалы по пол часа, потом по часу-два и последний 6 часов.
Как можно видеть, долго следить смысла нет, буквально через несколько часов даже при большой разбалансировке напряжения «устаканиваются» и дальше изменения очень небольшие. 
Примерно то же самое было показано в даташите, причем приведены два графика, в автономном режиме и во время заряда.
Указано что балансировка занимает 3 часа, но как вы понимаете, это зависит от тока балансира и емкости батареи. 
Далее планировалось расширить эксперимент, для этого у меня лежала батарея от гироборда. Батарея собрана по схеме 10S2P и имеет емкость 4Ач. Но попала она ко мне порядком изношенной и тест, который я проводил примерно с год назад, показал емкость 2.2Ач, она и написана на батарее.
Подключил батарею к зарядному, но заряжалась она недолго и отключилась сама, сработала защита.
Идея эксперимента была такой:
1. Заряжаем батарею полностью
2. Разряжаем полностью, измеряем емкость
3. Опять полностью заряжаем.
4. Цепляем балансир, ждем несколько часов.
5. Ставим на заряд
6. Разряжаем и сравниваем емкость с п2.
Разрядилась батарея также довольно быстро, отдав при токе 4.4А всего 724мАч, ну да ладно, может так интереснее.
Зарядил опять до отключения платы защиты, ушло почти 800мАч. 
Данная батарея была выбрана неспроста, во первых она 10S, что как раз подходит под балансир, во вторых у неё внутри есть плата защиты, а сами ячейки подключены через разъем. Правда есть нюанс, расположение контактов у батареи и балансира зеркальное, хотя размеры разъема одинаковые. Кстати товарищ который занимается подобными батареями сказал что так у них у всех, но у батарей для сигвея порядок контактов противоположный, т.е. как раз как у балансира.
Через меня прошло довольно много таких батарей и внутри они были примерно одинаковы. 
Но видимо сегодня был не мой день, так как данная батарея имеет совершенно другую плату защиты, где разъем вообще не установлен, а выводы от ячеек припаяны к самой плате. 
Ну ладно, подумал я и решил что так может даже и к лучшему, припаяю провода прямо к соединительной ленте от аккумуляторов. Но сначала надо было выяснить порядок подключения и куда паяться, а заодно измерить напряжения на аккумуляторах и здесь меня ждал второй облом, одна из веток оказалось в жестком КЗ. Я решил не отступать и попробовал «продавить» его большим зарядным током, хотя так категорически нельзя делать. Увы, даже при 18А токе ничего не изменилось, пара так и осталась закороченной.
Пришлось на этом эксперимент завершить, батарея у меня была одна. 
Перед тем как перейти к выводам попробую немного пояснить, что я вообще получил при экспериментах и особенности применения данного типа балансиров.
Платы как и заявлено, обеспечивают разницу в пределах одной пары около 30мВ, но как всегда «есть один нюанс».
Дело в том, что одно дело разница в 30мВ для «обычных» литиевых аккумуляторов и совсем другое для LiFePO4. Ниже сравнительный график тестов двух типов батарей с одной емкостью и в одинаковых режимах.
Видно что у LiFePO4 он почти горизонтальный, потому 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 балансир гораздо лучше будет работать с обычными батареями, а не с LiFePO4, потому как малая разница напряжений не всегда говорит о малой разнице в емкости для этого типа батарей, думаю то же самое относится и к LTO. 
Вот теперь выводы.
Могу сказать, что для «обычных» литий-ионных аккумуляторов балансир подойдет отлично, это видно даже без тестов просто по алгоритму работы. Работает быстро, греется мало, также имеет очень небольшой ток потребления в режиме ожидания. Но с LiFePO4 все заметно хуже и обусловлено это не столько качеством работы, сколько особенностью самих аккумуляторов, правда и тест был очень «жестокий», в реальности такой разброс (5-100%) встречается крайне редко.
Скорее всего я еще продолжу тесты и уж точно буду еще проверять с LiFePO4, которые пока ко мне в пути.
Балансир также хорошо будет работать в паре с пассивным, который размещен на плате защиты. Кстати, ни разу пока не встречал плат защиты со встроенным активным балансиром.