Балансир для аккумуляторов Li-Ion и LiFePO4: схема и подключение

LTO расшифровывается как Lithium Titanate Oxide.

Так называют литий-ионные аккумуляторы, в которых материалом анода служит литий-титанат Li₄Ti₅O₁₂.

В большинстве классических Li-ion элементов в качестве отрицательного электрода используется графит. У LTO его заменяет литий-титанат, и эта разница определяет значительную часть эксплуатационных свойств бБалансировка аккумулятора выравнивает состояние последовательно соединённых ячеек.

Возьмём батарею 4S LiFePO4. В ней четыре последовательные секции. Напряжение всей батареи складывается из напряжений каждой секции:
U батареи = U1 + U2 + U3 + U4

Допустим, измерения дали такой результат:
Балансировка аккумулятора выравнивает состояние последовательно соединённых ячеек.
Возьмём батарею 4S LiFePO4. В ней четыре последовательные секции. Напряжение всей батареи складывается из напряжений каждой секции:
U батареи = U1 + U2 + U3 + U4

Допустим, измерения дали такой результат:


По общему напряжению аккумулятор может выглядеть нормально. По отдельным секциям уже видно проблему.

Четвёртая группа ушла выше остальных примерно на 0,2 В. Если продолжать заряд, именно она первой дойдёт до верхнего ограничения BMS.

Поэтому система управления батареей измеряет не только напряжение всей сборки. Она контролирует каждую последовательную секцию отдельно.й ресурс.

Абсолютно одинаковых литиевых ячеек не бывает.

У одной фактическая ёмкость составит, например, 99,5 А·ч, у другой 100,3 А·ч. На первых циклах разницу можно почти не заметить. После длительной эксплуатации она начинает влиять на заряд и разряд всей батареи.

Разбаланс ускоряют:

• различия реальной ёмкости;
• неодинаковое внутреннее сопротивление;
• разная температура ячеек;
• повышенный саморазряд отдельной банки;
• неравномерное старение;
• плохие соединения и различное сопротивление шин.

Проблема особенно заметна в сборках 8S, 16S и крупнее. Чем больше последовательных секций, тем выше шанс, что одна из них начнёт ограничивать всю батарею.

Одна слабая секция способна уменьшить доступную ёмкость всей батареи.

Представим LiFePO4 аккумулятор 16S ёмкостью 100 А·ч. Пятнадцать секций имеют фактическую ёмкость около 100 А·ч, а одна деградировала до 92 А·ч.

При разряде именно эта секция первой достигнет нижнего порога напряжения. BMS отключит нагрузку.

Оставшиеся пятнадцать секций при этом могут хранить заметный запас энергии.
На заряде возникает зеркальная ситуация. Более заряженная или менее ёмкая секция первой достигает верхнего предела. BMS прекращает заряд, хотя остальные банки ещё могли бы принять энергию.

Балансир уменьшает разницу между секциями и не даёт ей быстро накапливаться.

На практике применяют два основных типа:

• пассивные;
• активные.

Разница между ними не в названии и не в размере платы. Отличается сам способ работы с лишней энергией.

Пассивный балансир подключает к более заряженной ячейке дополнительную резистивную цепь.
Часть энергии превращается в тепло.

Схема по смыслу простая:

заряженная секция → балансировочный резистор → тепло

Допустим, BMS имеет ток балансировки 50 мА. Одна секция подошла к верхнему рабочему напряжению раньше соседних. Плата начинает отводить через резистор примерно 0,05 А, пока остальные ячейки продолжают заряжаться.

Это дешёвое и распространённое решение.

Плюсы пассивной балансировки

• простая схемотехника;
• небольшая стоимость;
• компактная плата;
• легко встроить в BMS.

Для аккумулятора 4S небольшой ёмкости такого варианта часто хватает.

Минусы пассивной балансировки

Главный недостаток: энергия теряется в виде тепла.

Есть и второй. При токе 30–100 мА крупную батарею приходится балансировать долго.
Например, если условная разница заряда составляет 1 А·ч, а ток балансира равен 0,1 А, для её устранения потребуется около 10 часов. В реальной системе срок обычно будет больше: ток меняется по мере выравнивания секций.

Для батареи 200 А·ч такой балансир уже выглядит довольно медленным.

Активный балансир не просто сжигает лишнюю энергию на резисторе. Он переносит её от более заряженной секции к менее заряженной.

Для этого применяются разные схемы:

• конденсаторные;
• индуктивные;
• трансформаторные;
• построенные на DC-DC-преобразователях.

Логика работы выглядит так:

секция с более высоким зарядом → преобразователь → секция с меньшим зарядом

Есть платы, которые передают энергию между соседними ячейками. Другие работают между отдельной секцией и общей шиной батареи.

За счёт этого можно получить ток балансировки 1 А, 2 А, 5 А и выше без необходимости рассеивать всю эту мощность на резисторах.

Именно поэтому активные балансиры часто ставят на LiFePO4 батареи большой ёмкости.

Активный балансир не делает пассивную схему плохой.

Для аккумулятора электроинструмента на несколько ампер-часов пассивной балансировки BMS может хватать с запасом. Для стационарной LiFePO4 батареи 16S 280 А·ч ситуация уже другая.

Классические Li-Ion ячейки часто имеют номинальное напряжение около 3,6–3,7 В. У многих распространённых элементов верхнее напряжение полного заряда составляет примерно 4,2 В.

Конкретное значение берут из datasheet ячейки.

Если в сборке 10S одна банка уже достигла 4,20 В, а другие находятся на 4,05–4,10 В, продолжать заряд всей батареи без контроля нельзя.

Поэтому балансир для Li-Ion аккумуляторов подбирают минимум по четырём параметрам:

• числу S;
• рабочему напряжению;
• химии ячеек;
• балансировочному току.

Плата 16S сама по себе ещё ничего не говорит о совместимости. Балансир для LiFePO4 и балансир для обычного Li-Ion могут иметь разные рабочие пороги.

LiFePO4 ячейки обычно имеют номинальное напряжение около 3,2 В. Их рабочая характеристика достаточно пологая на значительной части диапазона заряда.

Из-за этого две банки могут долго показывать похожее напряжение, хотя их состояние заряда уже немного отличается.

Разница часто становится заметнее ближе к верхней части заряда.

Отдельный балансир LiFePO4 особенно востребован в батареях на 100, 200 или 280 А·ч, где балансировочный ток встроенной BMS в 30–100 мА может оказаться слишком маленьким.

Такие батареи используют в:

• солнечных накопителях;
• резервном питании;
• электротранспорте;
• лодках и автодомах;
• автономных энергосистемах;
• промышленных накопителях.

Мощный балансир при этом не исправит повреждённую ячейку. Если одна банка быстро уходит по напряжению после каждого цикла, сначала проверяют её ёмкость и саморазряд.

Балансир подключается к точкам между последовательными секциями.
Возьмём батарею 4S.

У неё есть четыре последовательные группы:

B− → Cell 1 → Cell 2 → Cell 3 → Cell 4 → B+

Для контроля нужны пять точек подключения:


Получается простое правило:
число балансировочных проводов = число последовательных секций + 1

Примеры:


Маркировка у конкретного производителя может отличаться. На одной плате будут B0, B1, B2. На другой производитель может использовать B−, B1, B2 и B+.

Смотрите схему именно своей платы.

Подключение начинают с поиска общего минуса батареи.

Затем последовательно определяют каждую следующую точку между секциями. После монтажа проводов разъём не стоит сразу вставлять в балансир.

Сначала берут мультиметр.

Для 4S проверяют напряжение:

• B0–B1;
• B1–B2;
• B2–B3;
• B3–B4.

На каждой паре должно быть напряжение одной секции.
Потом проверяют накопительное напряжение:

• B0–B2;
• B0–B3;
• B0–B4.

Последнее значение должно совпадать с напряжением всей батареи.

Балансировочный разъём нельзя подключать наугад.

Если B2 и B3 перепутаны, на вход контроллера может попасть неправильная полярность или слишком большое напряжение.

Результат бывает разным: от отказа платы до сгоревшей дорожки или микросхемы.

Частые ошибки:

• перепутаны соседние отводы;
• пропущена одна секция;
• неверно найден B−;
• подключена плата на другое число S;
• выбран балансир под другую химию;
• разъём вставлен до проверки мультиметром.

Пять минут проверки здесь дешевле новой BMS.

Первая ошибка: покупать плату только по маркировке 4S, 8S или 16S.

Число S говорит лишь о количестве последовательных секций.

Вторая ошибка: смотреть только на заявленный ток. Балансир «5 А» может выдавать максимальное значение лишь при большой разнице между ячейками, а по мере выравнивания ток снижается.
Ещё одна проблема: ставить активный балансир вместо диагностики батареи.

Если одна ячейка деградировала, электроника будет постоянно пытаться компенсировать физическую неисправность.

И последний частый промах: подключать шлейф без проверки мультиметром. Именно здесь чаще всего сгорают новые платы.