Швидше за все я б не став писати цю статтю, якби не одна обставина. Кілька днів тому вдалося придумати, як зробити дуже хороший балансир на мікросхемі TL431. Ті, хто розуміють, про що мова, напевно скажуть - ач дивина, і тих балансиров на TL431 - хоч греблю гати. Не сперечаюся - ці мікросхеми для цих цілей використовуються дуже давно. Але, через властивих їм недоліків, доцільність їх застосування завжди викликала багато запитань. Немає ні найменшого бажання наводити приклади вже існуючих схем цих балансирів, і докладно розглядати їх недоліки. Напевно, буде краще, якщо я приділю більше часу, тому, що вдалося зробити мені. Чи не залишають побоювання, що щось подібне вже було зроблено до мене. Але проводити глобальні дослідження, немає, ні бажання, ні часу, і якщо раптом з'ясується, що подібний балансир вже існує, то мені залишиться, лише попросити вибачення за свою необізнаність.
Перш, ніж описувати власне балансир, необхідно коротко пояснити його призначення.
Суть ось у чому - літієві акумулятори, найчастіше, використовуються у вигляді послідовного з'єднаних окремих секцій. Це необхідно, щоб отримати необхідну вихідну напругу. Кількість складових акумулятор секцій, коливається в дуже широких межах - від декількох одиниць, до декількох десятків. Є два основних способи зарядки таких акумуляторів. Послідовний спосіб, коли зарядка здійснюється від одного джерела живлення, з напругою, рівним повного напрузі акумулятора. І паралельний спосіб, коли здійснюється незалежна зарядка кожної секції від спеціального зарядного пристрою, що складається з великої кількості гальванічне не пов'язаних один з одним джерел напруги, і індивідуальних, для кожної секції, пристроїв контролю.
Найбільшого поширення, з огляду на більшої простоти, отримав послідовний спосіб зарядки. Балансир, про який йде мова в статті, не використовується в паралельних системах зарядки, тому паралельні системи зарядки в рамках даної статті розглядатися не будуть.
При послідовному способі зарядки, одне з головних вимог, яке необхідно забезпечити, наступне - напруга на жодній секції заряджається літієвий акумулятор, при зарядці, не повинно перевищити певної величини (величина цього порога залежить від типу літієвого елемента). Забезпечити виконання цієї вимоги, при послідовній зарядці, не прийнявши спеціальних заходів, неможливо ... Причина очевидна - окремі секції акумулятора не ідентичні, тому досягнення максимально допустимого напруги на кожній із секцій при зарядці, відбувається в різний час. Складається ситуація, коли ми зобов'язані зарядку припинити, так як напруга на частини секцій вже досягло максимально допустимого порогу. У той же час, частина секцій залишаються недозаряженнимі. Це погано головним чином тому, що в результаті знижується загальна ємність акумулятора, так нам доведеться припинити розряд акумулятора в той момент, коли напруга на самій «слабкою» (недозаряженной) секції, досягне свого мінімально допустимого порогу.
Щоб не допустити підвищення напруги при зарядці, вище певного порогу, і служить балансир. Його завдання досить проста - стежити за напругою на окремій секції, і, як тільки напруга на ній при зарядці досягне певної величини, дати команду на включення силового ключа, який підключить паралельно заряджається секції баластовий резистор. При цьому, якщо залишковий струм зарядки (а він, ближче до кінця зарядки, вже досить малий, через малу різницю потенціалів між напругою на заряджає акумулятор і напругою на виході зарядного пристрою) буде менше (або дорівнює) струму що протікає через баластний резистор, то підвищення напруги на заряджається секції - припинитися. При цьому зарядка інших секцій, напруга на яких ще не досягло максимально допустимих значень - продовжитися. Закінчиться процес заряду тим, що спрацюють балансири всіх секцій акумулятора. Напруга на всіх секціях буде однаковим, і рівним того порогу, на які налаштовані балансири. Струм зарядки буде дорівнює нулю. так як напруга на акумуляторі і напруга на виході зарядного пристрою будуть рівні (немає різниці потенціалів - немає струму зарядки). Протікатиме лише струм через баластні резистори. Його величина визначається величиною послідовно з'єднаних баластних резисторів і напругою на виході зарядного пристрою.
Саму функцію контролю напруги, легко зміг би виконати будь-компаратор, забезпечений опорним напругою ... Але компаратора у нас немає (точніше - він є, але використовувати його нам не зручно і не вигідно). У нас є TL431. Але компаратор з неї, чесно сказати - ніякої. Порівнювати напруга з опорним вона вміє дуже добре, але ось видати чітку, однозначну команду на силовий ключ, вона не може. Замість цього, при підході до порогу, вона плавно починає заганяти силовий ключ в активний (напіввідкритий) режим, ключ починає сильно грітися, і, в підсумку, ми маємо не балансир, а повне лайно.
Ось саме цю проблему, яка не дозволяла повноцінно використовувати TL431, вдалося вирішити на днях. Скринька просто відкривався (але відкривати його довелося більше двох років) - треба було перетворити TL431, в тригер Шмітта. Що і було зроблено. Вийшов ідеальний балансир - точний, термостабільний, досить простий, з чіткою командою на силовий ключ. І хоча цей балансир на TL431 трохи складніше зробленого раніше балансира на мікросхемі KIA70XX, але зате і TL431, знайти набагато легше, і працює вона точніше.
Нижче - дві принципові схеми балансиров, розраховані для контролю порогів LiFePO4 і Li-ion акумуляторів.
Перетворити TL431 в тригер Шмітта, вдалося додавши в схему p-n-p транзистор Т1 і резистор R5. Працює це так - дільником R3, R4 визначається поріг контрольованого напруги. У момент, коли напруга на керуючому електроді досягає 2,5 Вольта, TL431 - відкривається, відкривається при цьому і транзистор Т1. При цьому потенціал колектора підвищується, і частина цієї напруги через резистор R5 надходить в ланцюг керуючого електрода TL431. При цьому TL431 лавиноподібно входить в насичення. Схема набуває яскраво виражений гістерезис - включення відбувається при 3,6 Вольт, а вимикання - при 3,55 Вольт. При цьому в затворі силового ключа формується керуючий імпульс з дуже крутими фронтами, і потрапляння силового ключа в активний режим - виключено. В реальній схемі, при струмі через балансування резистор рівному 0,365 Ампер, падіння напруги на переході втік-витік силового ключа становить всього 5-6 мВ. При цьому сам ключ, завжди залишається холодним. Що, власне, і було потрібно. Цю схему можна легко налаштувати для контролю будь-якої напруги (дільником R3, R4). Величина максимального струму балансування визначається резистором R7 і напругою на секції акумулятора.
Коротко про точність. В реально зібраному балансирі на п'ять секцій для акумулятора LiFePO4, напруги при балансуванні вклалися в діапазон 3,6-3.7 Вольт (максимально допустима напруга для LiFePO4 становить 3,75 Вольт). Резистори при складанні використовувалися звичайні (НЕ прецизійні). На мій погляд - дуже хороший результат. Вважаю, що домагатися більшої точності при балансуванню, ніякого особливого практичного сенсу - немає. Але для багатьох - це швидше питання релігії, ніж фізики. І вони мають право, і мають можливість домагатися більшої точності.
Малюнок нижче - плата окремого балансира, і, для прикладу, плата балансира на шість секцій. Очевидно, що клонуючи плату окремого балансира, можна легко зробити плату балансира на будь-яку кількість секцій і будь-яких пропорцій.
Ось таким зарядно-балансувальним пристроєм я тепер користуюся. Я використовую блок живлення, описаний в статті про інвертор з адаптивним обмеженням струму. Але можна використовувати і будь-який інший стабілізований блок живлення, допрацювавши його шунтом.
Балансир виконаний у вигляді окремої плати. Він підключається до балансувального роз'єму акумулятора під час зарядки.
Пара слів про комплектуючі. TL431 і p-n-p біполярний транзистор (підійде практично будь-який) в корпусах SOT23, можна знайти на материнських платах комп'ютерів. Там же, можна знайти і силові ключі з "цифровими" рівнями. Я використовував CHM61A3PAPT (або можна - FDD8447L) в корпусах TO-252A - підходять ідеально, хоча характеристики дуже надлишкові (на струми до 1А. Можна знайти і що-небудь по-простіше).
У сучасних пристроях контролю за літієвими батареями, описані вище функції покладені на мікроконтроллер.Но це набагато більш складні для повторення пристрої, і їх застосування виправдане далеко не завжди. Думаю - зовсім не погано, коли є вибір.
Так виглядає балансир "живцем". За якість виготовлення, знову прошу вибачення - через економію часу, знову малював плату звичайним перманентним фломастером.
