Зарядно-балансировочное устройство для Li-iоn аккумуляторных батарей

Как всякий аккумулятор, резервный ИП должен заряжаться от какого-либо зарядного устройства (ЗУ). Существует несколько видов ЗУ:

• для двух аккумуляторов;
• универсальное для одного аккумулятора различного типа;
• зарядка байпасным (шунтирующим) методом блока аккумуляторов от единого ИП.

Все зарядки бытового типа маломощны и при блочном построении аккумуляторов не обеспечивают возможности выполнения балансировки.

Учитывая перспективы и наличие определенных ограничений при эксплуатации в применении Li-ion аккумуляторов, необходимо рассмотреть все особенности и проблемы, возникающие при этом. В данном случае под Li-ion аккумуляторами понимаются также литий-полимерные (Lithium-ion polymer battery, Li-pol) и другие на литиевой основе.

Отличительные особенности Li-ion аккумуляторов

Диапазон рабочих напряжений

Предельное напряжение величины заряда — 3,7–4,2 В, в зависимости от типа аккумулятора. Перезаряд аккумулятора по напряжению свыше 4,2 В приводит к вскипанию электролита со всеми дальнейшими нежелательными последствиями.

Нижнее значение разрядного напряжения — 2,5 В («точка невозврата»). При достижении этого напряжения резко падает рабочая емкость аккумулятора, и восстановление работоспособности достигается с большим трудом и не во всех случаях. Аккумулятор, как правило, требует замены.

Диапазон рабочего напряжения аккумулятора 2,7–4,2 В, рекомендуемый — 2,9–3,7 В.

Двухэтапная зарядка

Первый этап — зарядка током от 0,1С до 2С на 70% (ограничивается временем заряда и температурой перегрева, где С — емкость аккумулятора в ампер-часах). Выполняется до достижения напряжением на аккумуляторе номинального значения.

Второй этап — зарядка стабилизированным напряжением (номинальным напряжением) достигает 30%. Длится до достижения минимального значения тока зарядки.

Выполнение этих двух этапов обеспечивает максимальную величину энергоемкости аккумуляторов. Увеличение емкости аккумуляторов осуществляется параллельным подключением одинаковых аккумуляторов.

Балансировка аккумуляторов в блоке

Для обеспечения длительного процесса использования емкости аккумулятора в эксплуатации требуются банки аккумуляторов с одинаковыми характеристиками по напряжению, внутреннему сопротивлению, рабочей емкости, токам утечки. Выполнение этих требований достигается выравниванием внутренних характеристик аккумуляторов, что осуществляется балансировкой как на этапе технологической наработки, так и в период эксплуатации (в меньшей степени).

Длительная и надежная работоспособность аккумуляторов, собранных в последовательные блоки, достигается применением балансировочного устройства, уравнивающего напряжение во всех аккумуляторах блока в процессе работы и хранения. Балансировка — важный процесс поддержания величины энергоемкости аккумуляторов при разряде. Выравнивание напряжения проводится с помощью внешней коммутации путем переноса избыточного заряда из аккумулятора в аккумулятор с более низким уровнем. Балансировки подразделяются на пассивные и активные:

• Пассивная должна обеспечить выравнивание напряжения за счет разрядки перезаряженного аккумулятора до уровня напряжения аккумулятора с меньшим уровнем заряда или переносом заряда от перезаряженного аккумулятора на более разряженный с помощью пассивных элементов или выравниванием заряда за счет разряда аккумулятора с перенапряжением. Выполняется с помощью внешних электронных или механических ключей до уровня выравнивания напряжения. Имеет низкий КПД по переносу энергии заряда между банками.
• Активная купирует избыточную энергию в перезаряженном аккумуляторе в более разряженный аккумулятор также с помощью внешних устройств (активных элементов, работающих в следящем режиме). Имеет более высокий КПД.

Хранение аккумуляторов

Токи утечки аккумуляторов достаточно малы, поэтому срок хранения аккумулятора, заряженного на 100%, достигает 10–12 мес.

В режиме хранения величина рекомендуемой энергоемкости заряда должна быть в пределах 40–80%. При данной величине уровня заряда время хранения при наличии балансировки такое же, как и при 100%, — 12 мес.

Безопасность использования

Ограничением к применению Li-ion аккумуляторов является их взрывоопасность при перегреве. Рекомендуемая максимальная рабочая температура +60 °С (не более +100 °С). Поэтому требуется контроль за температурой корпуса каждого аккумулятора в блоке, а при достижении заданной температуры необходимо отключение всех нагрузок аккумулятора. С целью обеспечения защиты от возможных неприятностей задачу контроля выполняет отдельное устройство, результатом воздействия которого является разрыв цепи (снятие нагрузки) и прекращение (или уменьшение) тока аккумуляторов.

ЗБМ и управление им

Требования к зарядно-балансировочному модулю (ЗБМ) для литиевых аккумуляторов:

• гальваническая развязка преобразователя DC/DC;
• наличие достаточного стабилизированного выходного тока для зарядки номинальным током (или увеличенным для ускоренного режима);
• дистанционное регулирование величиной выходного напряжения в диапазоне 3–4,2 В;
• дистанционный контроль величины напряжения аккумулятора для режима зарядки и в процессе разряда аккумулятора;
• дистанционный контроль выходного тока (контроль величины зарядного тока);
• контроль температуры перегрева корпусов аккумулятора (защита);
• первичное напряжение питания DC/DC-преобразователя ЗБМ должно быть в диапазоне рабочих напряжений блока аккумуляторов (для выполнения активной балансировки);
• дистанционное управление включением ЗБМ.

Возможность гальванической развязки обеспечивают серийно выпускаемые модули типа МДМ, МП, СПН, позволяющие обеспечить достаточно большой ток с обеспечением стабильного напряжения. Корректировка выходного напряжения модулей питания обеспечивается в пределах 5% по техническим условиям. Первичное напряжение питания выбрано по стандартному ряду. Величина первичного напряжения (по заявлению изготовителя) может быть изменена. Модули имеют вход дистанционного управления. При необходимости может быть установлена гальваническая развязка управлением включения модулей. Корректировка выходного напряжения может быть изменена до 50% Выполнение данных требований реализует любой изготовитель ИП. Для применения этих модулей в режиме зарядного устройства требуется их модернизировать и реализовать следующие функции:

• дистанционное регулирование величиной выходного напряжения;
• дистанционный контроль величины выходного напряжения;
• дистанционный контроль величины выходного тока;
• контроль за безопасным режимом эксплуатации (температурой перегрева).

Контроль величины выходного напряжения реализуется применением микросхемы цифрового потенциометра по интерфейсу I²C — 1315ПТ1Т (1315ПТ21Т) с достаточной точностью. Остальные пункты выполняются с помощью стандартной микросхемы ПНЧ типа 1316ПП1У, 1512ПП1Т с требуемой точностью.

Построение блочной системы из включенных последовательно четырех аккумуляторов формирует минимальное напряжение 10,8 В и максимальное напряжение 16,8 В (таблица).

Наиболее перспективным представляется создание аккумуляторной ячейки как «тандема» аккумулятора и ЗУ, обеспечивающего выполнение контроля и активной балансировки (рис. 1).

Рис. 1. Зарядно-балансировочный модуль

Аккумуляторная батарея, состоящая из N ЗБМ, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Аккумуляторная батарея, состоящая из N ЗБМ, собранных в блок

Таким образом, для батареи аккумуляторов, собранных по рис. 2, необходимо провести зарядку (балансировку), например, первого ЗБМ от четвертого, имеющих разницу напряжений 0,5 В. Для этого следует выполнить внешнюю коммутацию и, посредством изолированного балансировочного конденсатора (рис. 3), выполнить перенос заряда.

Рис. 3. Балансировка первого и четвертого ЗБМ

Количество коммутаций переключателя должно быть таким, которое обеспечит равенство напряжений на каждом из подключенных аккумуляторов.

Аналогичная схема коммутации должна быть организована между всеми аккумуляторами блока. Однако можно воспользоваться включением всех ЗБМ от блока собственных аккумуляторов с подключением для подзарядки определенного (выбранного) аккумулятора или группы аккумуляторов. Такая балансировка является активной. На основании этих особенностей предлагается реализация вышеперечисленных функций в перспективном ЗБМ, показанном на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема унифицированного ЗБМ

Структурная схема унифицированного ЗБМ с блокировкой по выходу представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема унифицированного ЗБМ с блокировкой по выходу

Управление ЗБМ при наличии на входе DC/DC питающего напряжения осуществляется логическим уровнем УПР по входу 1 ДУ.

В зависимости от состояния напряжения на аккумуляторе выставляется напряжение на выходе DC/DC посредством цифрового потенциометра. Величина резистора Rx определяет уровень выходного напряжения. Падение напряжения на шунте определяет выходной ток зарядки. Поддержание необходимого тока зарядки осуществляется изменением величины цифрового потенциометра. Величина падения напряжения на терморезисторе обеспечивает контроль температуры аккумулятора. Питание цифрового потенциометра осуществляется импульсно по запросу процессора.

Управление ЗБМ с блокировкой по выходу отличается от управления ЗБМ наличием защитного ключа в выходной цепи нагрузки. Данная блокировка исключает протекание обратного тока (разрядку) аккумулятора.

Структурная схема зарядного устройства с использованием модулей ЗБМ и подключенных к ним аккумуляторов представлена на рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема зарядного устройства

Управление зарядным устройством выполняет процессор (ЦП). Работа ЗУ начинается с опроса каждого ЗБМ о величине уровня напряжения на каждом аккумуляторе. При отсутствии аварийного режима по уровню напряжения на аккумуляторах 3,4–3,7 В ЦП проводит балансировку: включает зарядку по уровню напряжения в требуемый DC/DC от суммарного напряжения на всех аккумуляторах или от внешнего ИП (при наличии внешнего напряжения зарядки). При напряжении ниже 3,4 В все аккумуляторы подлежат зарядке в двух режимах до номинального напряжения.

Устройство защиты от перегрева обеспечивает контроль температуры на каждом из аккумуляторов и при необходимости обеспечивает отключение аккумуляторов от нагрузки.

Выводы

Рассмотренный источник аварийного питания реализован совместно с зарядным устройством, построен на унифицированных ЗБМ, предназначен для управления от общего процессора.

Гибкость ЗУ определяется широкими функциональными возможностями:

• унифицированные узлы зарядки аккумуляторов;
• активная балансировка;
• контролируемая глубина разрядки;
• обеспечение режимов балансировки в процессе хранения;
• двухуровневая защита по температуре перегрева;
• регистрация состояния и наработки устройства за период эксплуатации и хранения.