Силовая электроника №6'2012

Li-ion аккумуляторные батареи с внешней системой баланса

Рыкованов Алексей


Как известно, Li-ion аккумуляторные батареи должны эксплуатироваться совместно с балансировочным устройством, сводящим разброс по емкости аккумуляторов внутри батареи к минимуму. Однако существуют приложения, в которых каждый грамм на счету. В статье рассказывается, как снизить массо-габаритные показатели батареи за счет системы баланса без ущерба качеству.

Литий-ионные аккумуляторы и батареи на их основе используются не только в таких бытовых устройствах, как сотовые, КПК, навигаторы и т. д., где емкость батареи обычно лежит в пределах 1–5 А·ч. Они востребованы и для работы в более «тяжелых» устройствах. Можно сказать, что все переносные приборы, все, что плавает и ныряет (надводные и подводные необитаемые аппараты), летает (беспилотные летательные аппараты), ползает и ездит (дистанционно управляемые роботы и движущиеся платформы), оснащается именно Li-ion аккумуляторами. Причем, ломая стереотипы, они проникают и на обитаемые объекты. Другими словами, везде, где важны удельные характеристики, эти аккумуляторы и батареи на их основе становятся безальтернативными.

Разработчики, борясь за удельные показатели устройств и машин, стараются применять решения, уменьшающие их массу и объем, но иногда поставленные задачи не оставляют места для какого-либо «маневра». Это касается и аккумуляторных батарей (АБ), применяемых совместно с разрабатываемыми приложениями (рис. 1).

 3D-модель АБ для питания приборов в скважинах

Рис. 1. 3D-модель АБ для питания приборов в скважинах

Проблема ограничения по габаритам

Основное требование к разрабатываемой АБ — ее внешний диаметр не должен был превышать 70 мм. Имелись также ограничения по длине — не более 1200 мм. Понятно, что в таком объеме можно было разместить только цилиндрические аккумуляторы, совсем немного места оставалось для размещения системы обеспечения функционирования АБ (СОФ). Планируемое применение АБ сезонное, то есть в течение нескольких месяцев она активно используется, после чего сдается на склад, где хранится до следующего сезона. После длительного хранения вследствие различных токов саморазряда аккумуляторов в АБ их степень заряженности становится различной.

Разрядная емкость батареи зависит от степени разбаланса аккумуляторов в АБ и определяется степенью заряженности самого «слабого» аккумулятора в последовательной цепочке. То есть аккумулятор, имеющий минимальную остаточную емкость после длительного хранения, и будет определять емкость всей АБ в первый цикл разряда. АБ при разряде необходимо будет отключить от нагрузки, как только этот аккумулятор полностью разрядится — вне зависимости от того, сколько емкости осталось в других последовательно соединенных аккумуляторах, находящихся в составе АБ. Чтобы свести степень разбаланса к минимуму, то есть чтобы все аккумуляторы одновременно отдавали полную емкость при заряде, и необходима система баланса (СБ) [1]. Другими словами, СБ необходима, чтобы аккумуляторы в АБ имели в любой момент времени примерно одинаковую степень заряженности — так, чтобы они все почти одновременно достигали своего «минимума» при разряде на нагрузку.

Цилиндрические аккумуляторы, применяемые в данной АБ, имели емкость порядка 55 А·ч. Даже хорошо подобранные по токам саморазряда аккумуляторы в течение сезона хранения (максимум 7–9 мес.) могут «разбежаться» до 1 А·ч и более, что составляет около 3–4% от емкости аккумулятора (Сн). Реальные цифры, конечно, меньше. Исходя из этого и из учета времени сервисного цикла (8 ч заряда), можно рассчитать токи балансирования. Сервисный цикл применяется перед и/или после хранения АБ. Одна из его сущностей — малый ток заряда порядка 0,1–0,15 Сн (т. е. 7–10-часовой режим заряда). Такой цикл делается для того, чтобы в растянутое время заряда как можно лучше сбалансировать аккумуляторы внутри АБ по емкости перед и/или после хранения. На практике это означает, что потребитель должен располагать достаточным временем на подготовительные работы с АБ, перед тем как ему резко вдруг понадобится ею воспользоваться. Как показывает опыт эксплуатации, выполнение всех предписаний происходит крайне редко и носит больше случайный характер, не говоря о том, что потребитель часто вообще не в курсе, зачем такой цикл нужен, даже имея на руках руководство по эксплуатации АБ. Поэтому при расчетах необходимо ориентироваться на номинальный 0,2–0,3 Сн (3,5–5 ч заряда) или максимальный 0,4–0,6 Сн ток заряда (2–2,5 ч), имеющийся в штатном зарядном устройстве (ЗУ). Необходимо также помнить, что часто не используется полная емкость АБ при разряде. Обычно АБ перед использованием немного зарядят (30–50 мин.), затем разрядят примерно в таком же режиме, сделав замеры питаемой АБ аппаратурой, и так до следующего раза. Ситуация примерно напоминает утренний быстрый подзаряд (15–30 мин.) сотового телефона перед немедленным выходом на работу.

Но даже если не ориентироваться на крайние цифры, а придерживаться середины, то есть заряд током 0,2 Сн (пятичасовой режим заряда), балансировочный ток должен составлять примерно 0,2 А. Максимальное напряжение на аккумуляторе — 4,2 В, количество одновременно балансируемых аккумуляторов в АБ, состоящей из четырех последовательно соединенных аккумуляторов, — три. Таким образом, максимально выделяемая мощность при пассивной системе баланса (СБ) составит 0,2×4,2×3 = 2,52 Вт. В отводимом для СОФ АБ герметичном объеме из-за тепловых режимов, а также ограниченного места невозможно разместить еще и пассивную СБ, состоящую из ключей и резисторов. Второй этаж платы СОФ показан на рис. 1 в виде зеленой пластинки. В отводимом объеме (примерно 100×55×20 мм, объем около 0,11 л) на тот момент не могла разместиться и активная СБ с указанными характеристиками. Коммутирующие реле и линейные стабилизаторы напряжения также выделяют тепло, и при комнатной температуре происходил перегрев СОФ. Необходимо было или «раздувать» объем и габариты всей АБ, или сделать СБ выносной, то есть расположить ее в корпусе ЗУ, а заряд осуществлять через многоштырьковый разъем, что и было реализовано. Такой разъем использовался как для заряда и балансирования АБ, так и для разряда. Разъем на противоположной стороне использовался для последовательного включения двух АБ для увеличения выходного напряжения. Номинальное напряжение одной АБ составляет 14,4 В, двух — 28,8 В, что попадает в диапазон 12- и 27-В напряжения питания аппаратуры. Перед опусканием в скважину АБ помещают в герметичный контейнер из нержавеющей стали.

Пассивные СБ

Наружную систему баланса можно организовать несколькими способами. Разберем пассивные, управляемые СБ, наиболее часто применяемые в АБ небольшой емкости (до 40–60 А·ч) (рис. 2).

 Схема организации СБ вне АБ

Рис. 2. Схема организации СБ вне АБ

Внешняя подчиненная СБ

Для наглядности на рис. 2 показана схема для одного аккумулятора; для всех остальных в последовательной цепочке она идентична. В приведенном на рис. 2 способе организации СБ вне АБ видно, что для каждого аккумулятора имеется небольшой по мощности балансировочный резистор Rбал.аб. В работу его включает оптореле DAаб, управляемое от СОФ, балансировочный ток составляет около 50 мА. Через разъем Х к резистору Rбал.аб подсоединяется внешний «умощнитель» в виде дополнительной схемы управления (R1, R2 и транзистора) и более мощного резистора Rбал.зу, включенного через оптореле DAзу. Таким образом, аккумулятор G1 в случае необходимости может балансироваться значительно бóльшими токами, без опасения местного перегрева части АБ. При таком решении СБ присутствует в составе АБ совместно с СОФ, однако балансировочные токи здесь незначительные.

И действительно, с одной стороны, здесь имеется полноценная СОФ с СБ, а с другой — вынесение мощностной составляющей за пределы АБ существенно снижает массо-габаритные характеристики АБ. К достоинствам данного решения можно отнести то, что внешний умощнитель только способствует более быстрой балансировке АБ. Падение напряжения на проводах, идущих к нему, никак не сказывается на точности измерения напряжений аккумуляторов СОФ внутри АБ. К недостаткам следует причислить наличие дополнительного провода управления, идущего от Rбал.аб к R1, это требует дополнительных штырьков в разъеме. Такое конструктивное решение можно обозначить как частично вынесенная, подчиненная, внешняя СБ.

Именно по такой схеме была организована внешняя СБ в указанной АБ. Она предназначалась для питания аппаратуры, опускаемой к подледному озеру в Антарктиде на станции «Восток», и была изготовлена ограниченным тиражом (6 шт.) ЗАО «НЭТИЗ» (СПб). В комплект входили два зарядных устройства с внешней СБ. Ток заряда АБ 10 А (0,2 Сн), ток разряда до 15 А. При таких токах разряда АБ может эксплуатироваться при температуре до –30 °С, ее масса составила 8,5 кг, что вполне устраивало заказчика [2].

Внешняя СБ, не связанная с СОФ и АБ

Другой способ организации СБ вне батареи заключается в том, что СОФ никак не связана с СБ, и весь процесс измерения напряжений аккумуляторов и осуществления функции балансировки происходит вне СОФ и самой АБ. То есть СБ вообще отсутствует в составе АБ, и внешняя СБ никак не связана с СОФ АБ. Из батареи выведен многоштырьковый разъем для балансирования аккумуляторов. Понятно, что такое решение еще больше облегчает саму батарею, вынося все «лишнее» за ee пределы. Так выполняют балансировку АБ для применения во всевозможных радиоуправляемых моделях (рис. 3).

 Подсоединение АБ к ЗУ и балансировочному устройству

Рис. 3. Подсоединение АБ к ЗУ и балансировочному устройству, находящемуся в корпусе ЗУ

На рис. 3 частично показано универсальное ЗУ, способное заряжать и свинцовые, и NiCd/NiMH, и Li-ion аккумуляторы и батареи на их основе. В описании ЗУ указывается не только максимальный зарядный ток, но и максимальные балансировочные токи, а также максимальное число литий-ионных аккумуляторов в последовательной цепочке, которое может обеспечить ЗУ. Виден разъем для подключения температурного датчика, который в данном случае не используется. На рынке представлено достаточно производителей подобных ЗУ и готовых АБ для их совместной эксплуатации. Применение универсальных ЗУ требует от пользователя знаний относительно заряжаемой сборки: емкость, ток заряда, тип аккумуляторов и т. д. На рис. 4 показана схема применяемой в подобном случае аккумуляторной сборки.

 Схема аккумуляторной сборки с разъемом для балансирования

Рис. 4. Схема аккумуляторной сборки с разъемом для балансирования

На рис. 4 видно, что АБ не снабжена даже простейшей СОФ, поэтому ее можно назвать не аккумуляторной батареей (АБ), а именно сборкой. Иногда такую сборку снабжают датчиком температуры, однако в последнее время из-за значительных успехов в обеспечении надежности самих аккумуляторов датчик используют не часто. Контроль состояния каждого аккумулятора обеспечивает ЗУ во время заряда, гарантируя правильные и безопасные режимы. Контроль во время разряда обеспечивается электроникой устройства, куда подсоединяется сборка. Считается, что потребитель не будет проделывать ненужные опыты со сборкой, заряжая ее от нештатного ЗУ или разряжая в полный ноль. Если это так, то нет необходимости снабжать аккумуляторы в сборке платой СОФ и СБ. Еще раз подчеркнем, что СОФ может отсутствовать, если сборка ни при каких обстоятельствах не будет эксплуатироваться вне штатного предназначения.

Заряд аккумуляторной сборки осуществляется через разъемы Pack+ и Pack–, а балансировка — через разъем Х1. Балансировка имеет прерывистый характер, так как для точного измерения напряжений на аккумуляторах необходимо, чтобы по проводам разъема Х1 не текли никакие токи. Поэтому перед вынесением решения, какой аккумулятор шунтировать балансировочным резистором (в случае пассивной СБ), необходимо отключить ранее включенные резисторы и произвести измерение напряжения, после чего заново подключить необходимые балансировочные резисторы к нужным аккумуляторам.

Электронная схема устройства (модели), куда устанавливается сборка, может контролировать как каждый аккумулятор или часть аккумуляторов по группам, так и просто конечное напряжение всей сборки. Хорошо подобранные аккумуляторы в сборке, а также их хорошая сбалансированность после заряда обеспечивают равномерное снижение напряжения во всех аккумуляторах одновременно, при разряде. При уменьшении напряжения и увеличении внутренних сопротивлений аккумуляторов резко снижается мощность двигателей: радиоуправляемая модель или замедляет ход (машины), или медленно планирует к земле (самолеты, вертолеты). Аккумуляторы при этом не разряжаются в ноль. Потребителю становится понятно, что необходимо произвести заряд. Такое естественное поведение избавляет разработчиков от применения силовых ключей и коммутаторов в СОФ, отключающих АБ от нагрузки при достижении конечного напряжения на любом из аккумуляторов.

СБ как самостоятельный блок

Аварийные АБ беспилотных, управляемых аппаратов военного и мирного назначения могут строиться по такому же принципу. Нет необходимости возить с собой СБ и даже СОФ, если наземные службы оттестируют каждый аккумулятор в последовательной цепочке и зарядят его перед отправкой в полет. Назначение аварийной АБ — обеспечить борт энергией для питания приборов и повторного запуска двигателей в непредвиденных ситуациях. Общее время работы таких батарей обычно не превышает нескольких десятков минут. Все, что необходимо знать борту, — что общее напряжение и температура АБ, отправляемой в полет, находятся в норме, устройство оттестировано и гарантированно обеспечит аварийные режимы разряда. Контроль напряжения и температуры может осуществлять или небольшое устройство внутри АБ, или вообще электроника аппарата. То же относится и к некоторым Li-ion батареям, которые устанавливают на космические спутники. Обычно такие АБ заканчиваются только разъемом, и, если не считать всевозможные датчики, они не содержат никакой электроники: контроль параметров осуществляется собственной электроникой спутника и, естественно, вне спутника эксплуатация такой АБ не предусматривается.

Полное вынесение СБ вне АБ как физически, так и функционально. — так можно охарактеризовать данное техническое решение. СБ здесь выступает как отдельный самостоятельный блок, находящийся вне АБ и не управляемый от СОФ, если таковая присутствует. Функции и обязанности в той или иной степени перераспределены между всеми участниками системы электропитания, эти функции никуда не исчезают, и их в той или иной степени необходимо реализовывать, физически размещая элементы контроля и балансировки не в составе АБ, а вне ее.

Раздельная зарядка аккумуляторов

Существует еще один способ реализации внешнего балансирования: каждый аккумулятор в АБ должен заряжаться своим зарядным устройством. Общее ЗУ содержит множество (по количеству последовательно соединенных аккумуляторов в батарее) небольших зарядных устройств. Так реализовывалось балансирование на заре появления Li-ion аккумуляторов. Недостатки данного способа очевидны: полностью сбалансировать АБ можно было только в конце заряда всех аккумуляторов, когда каждый из них полностью зарядится своим ЗУ. В отличие от описанных выше способов, в этом случае АБ недостаточно просто подзарядить в течение некоторого времени, для получения результата необходимо будет пройти полный цикл заряда. Также есть решения, когда, например, цилиндрические Li-ion аккумуляторы, подобно батарейкам, извлекаются из устройства и вставляются каждый в свой ложемент в ЗУ. Данное решение можно отнести к заряду каждого аккумулятора по отдельности.

К достоинствам всех выше описанных способов организации СБ вне АБ можно отнести уменьшение массо-габаритных характеристик мобильных (движущихся в том числе) приложений, увеличение удельных характеристик объекта. Объект имеет при себе только то, что непосредственно необходимо для выполнения задачи и обеспечения необходимых функций.

Недостатком можно считать наличие многоштырькового разъема, к которому выведены непосредственно все аккумуляторы в АБ. Эти выводы для обеспечения безопасной эксплуатации так или иначе необходимо защищать — или конструктивно, или с помощью самовосстанавливающихся предохранителей. Применение многоштырькового разъема не всегда также согласуется с представлениями заказчиков об АБ как о некоем ящике с двумя контактами, и требует иногда дополнительных усилий для преодоления этого стереотипа.

Выводы

Применение выносных систем баланса для Li-ion аккумуляторных батарей позволяет добиться приемлемых результатов как по удельным характеристикам, так и по времени балансировки. Ведь внешняя СБ, ее габариты и вес обычно мало чем ограничены, что позволяет свести даже большой первоначальный разбаланс в АБ к нулю всего за один цикл заряда.

Литература

  1. Рыкованов А. С. Системы баланса Li-on аккумуляторных батарей // Силовая электроника. 2009. № 1.
  2. http://www.netizbattery.ru
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_06_88.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо