Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Aktywny balanser rezonansowy do baterii akumulatorów (np. Li-Ion)

djfarad02 30 Cze 2018 14:55 4296 35
  • Aktywny balanser rezonansowy do baterii akumulatorów (np. Li-Ion)

    Wykonałem testowy projekt balansera na podstawie koncepcji balansera rezonansowego. Używam dwóch modułów, czyli dla 12 ogniw.

    Aktywny balanser rezonansowy do baterii akumulatorów (np. Li-Ion)

    Płytka Eagle BRD, SCH: AKT_BAL...zip Download (73.19 kB)

    Układ jest balanserem aktywnym to znaczy, że ogniwa o niższym napięciu są ładowane energią pochodzącą z tych o wyższym. Zasada działania jest banalna - TL494 użyty jest tutaj do przełączania na przemian kluczy tranzystorowych, które dopinają obwód rezonansowy raz do jednego ogniwa, raz do drugiego. Nie wiem czy nie przesadziłem dając cewkę aż na 5A. Chciałem jednak, by miała jak najmniejszy opór drutu.
    Przy uruchamianiu należy dostroić częstotliwość oscylatora do rezonansu obwodów LC. Najprostszą metodą jest podłączenie zasilacza jako jedno z ogniw i badanie prądu zwarciowego pozostałych wyjść. Stroimy na największy prąd. Można też podłączyć żarówkę i obserwować jej jasność.

    Zalety:
    -prosta budowa jak na balanser aktywny
    -praktycznie nie wydziela ciepła
    -działa cały czas (podczas ładowania i rozładowania)
    -dzięki zastosowaniu obwodu rezonansowego przełączanie kluczy następuje w momencie, gdy nie płynie przez nie prąd

    Wady:
    -prąd balansowania spada wraz ze zmniejszaniem się różnicy napięcia między ogniwami
    -przepływ energi odbywa się tylko pomiędzy sąsiednimi ogniwami
    -nawet małe rezystancje w obwodach prądowych pogarszają sprawność
    -brak kontroli napięcia, może dojść do przeładowania ogniw jeśli różnica napięć między ogniwami będzie duża i prąd ładowania spowoduje szybszy wzrost napięcia niż balanser będzie w stanie ten wzrost kompensować.

    Przykładowe, zmierzone prądy.

    Różnica napięć - prąd balansowania
    1300mV - 1000mA
    800mV - 620mA
    150mV - 120mA
    80mV - 50mA

    Aktywny balanser rezonansowy do baterii akumulatorów (np. Li-Ion)Aktywny balanser rezonansowy do baterii akumulatorów (np. Li-Ion)


    Fajne!
  • #3 30 Cze 2018 18:06
    djfarad02
    Poziom 17  

    androot napisał:
    Nie myślałeś o wyższej częstotliwości pracy balansera niż 15kHz?

    Myślałem, z pewnością pozwoliłoby to na lepszą miniaturyzację. Na pewno przeróbki wymagałby układ sterowania bramkami tranzystorów. Tutaj zrobiłem to bardzo prosto i zbocza nie są wystarczająco strome dla większych częstotliwości. Już teraz, musiałem trochę "przydrutować" (rezystory dolutowane od spodu) gdyż zanim wyłączyły się jedne tranzystory to już otwierały się drugie. Minimalny czas martwy sterownika TL494 był za mały więc doszedł dodatkowy dzielnik przedłużający go, dołączony do nóżki DTC. Dodatkowe utrudnienie to to, że jeden sterownik ma na sobie kilkanaście bramek tranzystorów. Zastosowane przeze mnie rozwiązanie z wykorzystaniem wewnętrznych tranzystorów TL494 jako wtórników emiterowych, obciążonych rezystorami, nie jest przykładem inżynierii wysokich lotów. No chyba, że w konkurencji "prostota z użyciem części zamiecionych z podłogi". TL494 wyrwany jest, rzecz jasna, ze złomowanego zasilacza ATX.

  • #4 30 Cze 2018 18:30
    bcd8421
    Poziom 8  

    Bardzo fajny układ czy znajdzie on zastosowanie w domowej elektrowni fotowoltaicznej z dwoma bateriami 12V 40Ah połączonymi szeregowo. Dzięki za odpowiedź.

  • #5 30 Cze 2018 18:35
    Zuliczek
    Poziom 16  

    Czy jest sens aby balanser tego typu pracował non stop??
    Jeżeli nie, to można by było pokusić się o układ wyłączający go po osiągnięciu określonego uchybu (jeżeli można tak powiedzieć).

  • #6 30 Cze 2018 18:56
    djfarad02
    Poziom 17  

    bcd8421 napisał:
    Bardzo fajny układ czy znajdzie on zastosowanie w domowej elektrowni fotowoltaicznej z dwoma bateriami 12V 40Ah połączonymi szeregowo.


    Może zajść konieczność przeróbki - górny tranzystor kluczujący może się nie otwierać ze względu na zmieniający się w większym zakresie potencjał jego źródła (12V a nie 4V). Już teraz miałem z tym problem, gdy obniżyłem napięcie zasilania TL494 do 9V. Nie otwierał się górny tranzystor, mimo że ma on napięcie progowe bramki rzędu 1,5V (typowo). Przy zasilaniu TL494 z 12V jest OK.

    Zuliczek napisał:
    Jeżeli nie, to można by było pokusić się o układ wyłączający go po osiągnięciu określonego uchybu (jeżeli można tak powiedzieć).


    Z pewnością warto wprowadzić takie ulepszenie. Swoją drogą byłby to bardzo praktyczny ruch - dochodzi możliwość ciągłej kontroli stanu wszystkich ogniw.

  • #7 30 Cze 2018 21:24
    Janusz_kk
    Poziom 14  

    Układ ciekawy, ale mam pytania:
    1. Gdzie jest podłączony obwód LC na dole schematu?
    2. Przydałyby się jakieś wykresy pokazujące jak układ działa bo teraz to takie jasne nie jest.

  • #8 30 Cze 2018 22:02
    djfarad02
    Poziom 17  

    Janusz_kk napisał:
    1. Gdzie jest podłączony obwód LC na dole schematu?


    Do punktu "LCTOP" kolejnego balansera, jeśli takowy jest obecny.

    Janusz_kk napisał:
    2. Przydałyby się jakieś wykresy pokazujące jak układ działa bo teraz to takie jasne nie jest.


    Oto wykres. Sinusoidy rysowane odręcznie w paincie trochę nie wyszły ;)

    Aktywny balanser rezonansowy do baterii akumulatorów (np. Li-Ion)

  • #9 01 Lip 2018 03:25
    SylwekK
    Poziom 29  

    bcd8421 napisał:
    Bardzo fajny układ czy znajdzie on zastosowanie w domowej elektrowni fotowoltaicznej z dwoma bateriami 12V 40Ah połączonymi szeregowo. Dzięki za odpowiedź.


    Rzuć okiem na to Link

  • #10 01 Lip 2018 20:42
    bcd8421
    Poziom 8  

    Cytat:
    Rzuć okiem na to Link

    Dzięki za link.

  • #11 02 Lip 2018 19:59
    eurotips
    Poziom 35  

    Stosowanie tego balansera do pakietu to jakieś nieporozumienie.
    To zostało opracowane dla pary ogniw, PARY a nie PAKIETU.

  • #13 03 Lip 2018 11:55
    eurotips
    Poziom 35  

    A gdzie w tym układzie widzisz jakąkolwiek kontrolę napięcia na poszczególnych ogniwach ?
    Tu zadajesz maksymalne napięcie pakietu ze wzoru 4.2V x n gdzie n = ilość ogniw a potem nie masz żadnej kontroli i kilka ci się naładuje poniżej zakładanego a kilka może spuchnąć.
    Ot mi balanser, tu już lepiej wcale żadnego nie dawać, prościej i taniej a na jedno wychodzi.

    To już lepiej dać BMS w ograniczeniem prądowym i kontrolą ogniw przez klucz NMOS z równoległą do ogniwa rezystancją chroniącą przed przeładowaniem.

  • #14 03 Lip 2018 14:59
    djfarad02
    Poziom 17  

    eurotips napisał:
    A gdzie w tym układzie widzisz jakąkolwiek kontrolę napięcia na poszczególnych ogniwach ?
    Tu zadajesz maksymalne napięcie pakietu ze wzoru 4.2V x n gdzie n = ilość ogniw a potem nie masz żadnej kontroli i kilka ci się naładuje poniżej zakładanego a kilka może spuchnąć.
    Ot mi balanser, tu już lepiej wcale żadnego nie dawać, prościej i taniej a na jedno wychodzi.

    To już lepiej dać BMS w ograniczeniem prądowym i kontrolą ogniw przez klucz NMOS z równoległą do ogniwa rezystancją chroniącą przed przeładowaniem.


    Nie uzasadniłeś swojej poprzedniej wypowiedzi. Dodatkowo, jako nietrafionego argumentu użyłeś wady tego rozwiązania, o której to wadzie wspomniałem w opisie, w pierwszym poście. Oczywiście, kontrolę napięć ogniw jak najbardziej warto dodać. Można wtedy reagować obniżeniem prądu ładowania bądź bocznikowaniem ogniw, o którym wspomniałeś.

    Tym samym, pytanie pozostaje nadal otwarte. Na jakiej podstawie uważasz, że taka topologia nadaje się jedynie dla pary ogniw a do kilku już nie? Dwa ogniwa mogą być a trzy już nie?

  • #16 06 Lip 2018 21:50
    djfarad02
    Poziom 17  

    Bojleros napisał:
    @djfarad02 Bardzo ciekawy pomysł. Czy może czytał Kolega ten artykuł :

    http://ir.lib.ntust.edu.tw/bitstream/987654321/14321/1/Series-Connecte

    ?


    Zdaje się, że ten artykuł również przeglądałem. Nie jestem w stanie stwierdzić, czy akurat ten, gdyż moja lektura opracowań była bardzo powierzchowna. Rzut okiem na schemat koncepcyjny i do dzieła ;)
    Generalnie, natknąłem się na opracowania balanserów rezonansowych szukając pod hasłami dotyczącymi ogólnie balanserów aktywnych.

  • #17 06 Lip 2018 22:57
    Bojleros
    Poziom 14  

    Metoda regulacji i sterowania, opisana w tym artykule, jest niezła. Czy Kolega próbował może zastosować cokolwiek zbliżonego to stopnia push-pull zamiast tej kombinacji z kondensatorem w obwodzie bramki ? Dedykowany driver to chyba przerost. Ze schematu nie wynika czy GND jest normalnie łączone do P- albo czy +12 łączone jest z P+. Niezależnie od tego, czy Kolega nie obawia się o to, że dla napięć pakietu bliskich 12V - Vth tranzystor Q1 i kolejno następne od góry mogą się nie załączać ? Pomijam tu już kwestie stackowania modułów bo tak prościej to zauważyć.

    Pozdrawiam,

  • #18 07 Lip 2018 12:01
    djfarad02
    Poziom 17  

    Bojleros napisał:
    Czy Kolega próbował może zastosować cokolwiek zbliżonego to stopnia push-pull zamiast tej kombinacji z kondensatorem w obwodzie bramki ? Dedykowany driver to chyba przerost. Ze schematu nie wynika czy GND jest normalnie łączone do P- albo czy +12 łączone jest z P+. Niezależnie od tego, czy Kolega nie obawia się o to, że dla napięć pakietu bliskich 12V - Vth tranzystor Q1 i kolejno następne od góry mogą się nie załączać ?


    Nie próbowałem innych topologii. Kondensatory w obwodzie bramki dałem właśnie po to, by uniezależnić się od potencjału stałego na źródłach tranzystorów. Dzięki temu, niezależnie od tego jakie jest napięcie pakietu i ile ogniw, każda para tranzystorów otrzymuje takie samo sterowanie bramek. GND połączone jest z P-.

  • #19 07 Lip 2018 16:31
    AGrodecki
    Poziom 12  

    Brak kontroli napięcia ładowania CAŁKOWICIE DYSKWALIFIKUJE projekt. A w przypadku akumulatorów na bazie litu, to już podchodzi pod "celowe sprowadzenie zagrożenia dla zdrowia i życia użytkowników". Gdyby ktoś komuś takie urządzenie zmajstrował i podarował lub sprzedał, oczywiście.

  • #20 07 Lip 2018 18:02
    djfarad02
    Poziom 17  

    AGrodecki napisał:
    Brak kontroli napięcia ładowania CAŁKOWICIE DYSKWALIFIKUJE projekt.


    Przecież to nie jest projekt BMS'a tylko balansera, który z reguły stanowi część BMS'a.

    Brak kontroli napięcia nie jest więc podstawą do dyskwalifikacji projektu jako takiego.

  • #21 07 Lip 2018 19:02
    eurotips
    Poziom 35  

    Do autora projektu: prosimy i filmik, najlepiej poklatkowy, co zostanie z pakietu 6S po podłączeniu go na dobę do tego "balasera"
    Podaj chociaż jakiej ładowarki użyłeś do przedstawienia tych wyników w pierwszym poście, skąd wiesz do jakiego momentu ładować w trybie CC i na koniec jakie napięcie powinna dawać ładowarka w trybie CV?

  • #22 07 Lip 2018 20:39
    djfarad02
    Poziom 17  

    eurotips napisał:
    Do autora projektu: prosimy i filmik, najlepiej poklatkowy, co zostanie z pakietu 6S po podłączeniu go na dobę do tego "balasera"


    Prośbę o film traktuję jako próbę ironii.
    Pakiet 12S (parszywa mieszanina różnych ogniw) ma się dobrze, pod koniec ładowania największa zanotowana różnica napięć wyniosła 4,15V - 4,27V. Nie zmienia to faktu, że bardzo wskazane jest monitorowanie napięć i automatyczne ograniczanie prądu ładowania, gdy to potrzebne.
    Podobny problem występuje przy zwykłych balanserach stratnych, tyle że monitorować musisz temperaturę a nie napięcia (bo balanser sam automatycznie je ogranicza).

    eurotips napisał:
    Podaj chociaż jakiej ładowarki użyłeś do przedstawienia tych wyników w pierwszym poście

    Do pomiaru prądów w ogóle nie została użyta ładowarka bo po co? Wystarczy, że zadasz różnicę potencjałów między wyjściami na ogniwa by to zmierzyć.

    eurotips napisał:
    skąd wiesz do jakiego momentu ładować w trybie CC i na koniec jakie napięcie powinna dawać ładowarka w trybie CV?


    Przedstawiony został balanser a Ty pytasz o metody ładowania. Tak to wygląda, jakbyś nie rozumiał, jaka jest różnica między BMS-em wraz z ładowarką a samym balanserem, będącym z reguły częścią całości.

  • #23 07 Lip 2018 22:14
    eurotips
    Poziom 35  

    BMS to nic więcej jak balanser plus zabezpieczenie przeciwzwarciowe. W większości przypadków również kontrola temperatury każdej pary ogniw. I to właśnie balanser ma kontrolować napięcia na ogniwach, nie wciskaj mi tu kitu proszę.

  • #24 08 Lip 2018 12:46
    djfarad02
    Poziom 17  

    eurotips napisał:
    BMS to nic więcej jak balanser plus zabezpieczenie przeciwzwarciowe. W większości przypadków również kontrola temperatury każdej pary ogniw. I to właśnie balanser ma kontrolować napięcia na ogniwach, nie wciskaj mi tu kitu proszę.


    Nie wprowadzaj w błąd, wiele BMS'ów nie ma w ogóle balansera (np. pakiety laptopowe). Nie bądź też chamski mówiąc o wciskaniu kitu.

    Jeśli chcesz być konkretny to przedstaw działanie BMS'a ze stratnym balanserem.

  • #25 08 Lip 2018 12:59
    eurotips
    Poziom 35  

    Masz, tu konkretny balanser 4S od Chińczyka:
    Aktywny balanser rezonansowy do baterii akumulatorów (np. Li-Ion)

    30A to prąd przy którym zadziała zabezpieczenie prądowe tego BMS.
    Do tego musisz dać ładowarkę 16.8V (dla 4S) z prądem ładowania wynikającym z zastosowanych ogniw i ich łączenia (np 4A dla ogniw 2P z laptopa), ładowarka MUSI mieć ograniczenie prądowe, przedstawiony BMS nie kontroluje prądu ładowania ani temperatury ogniw.
    Zastosowanie: np przerobiona wkrętarka na ogniwa litowe, cena 1.80$ z wysyłką.

    Przedstawione rozwiązanie jest kompletne.
    Czekam teraz niech Kolega się wysili i domaluje na swoim schemacie co jeszcze trzeba do tego "balansera" dołożyć aby nie stwarzał on realnego zagrożenia w czasie eksploatacji pakietu!

  • #26 08 Lip 2018 16:50
    djfarad02
    Poziom 17  

    eurotips napisał:
    Czekam teraz niech Kolega się wysili i domaluje na swoim schemacie co jeszcze trzeba do tego "balansera" dołożyć aby nie stwarzał on realnego zagrożenia w czasie eksploatacji pakietu!


    Należy doposażyć w układ kontroli napięcia ogniw. O zagrożeniu związanym z jego brakiem było wspomniane w pierwszym poście.

    Widzę, że większa część problemu wynika z przyjętej przez Ciebie nomenklatury, gdzie balanserem nazywany jest BMS. Niestety te dwa pojęcia nie są równoważne.

  • #27 08 Lip 2018 18:32
    krzysiek_krm
    Poziom 34  

    eurotips napisał:
    Masz, tu konkretny balanser 4S od Chińczyka:
    Aktywny balanser rezonansowy do baterii akumulatorów (np. Li-Ion)

    30A to prąd przy którym zadziała zabezpieczenie prądowe tego BMS.
    Do tego musisz dać ładowarkę 16.8V (dla 4S) z prądem ładowania wynikającym z zastosowanych ogniw i ich łączenia (np 4A dla ogniw 2P z laptopa), ładowarka MUSI mieć ograniczenie prądowe, przedstawiony BMS nie kontroluje prądu ładowania ani temperatury ogniw.
    Zastosowanie: np przerobiona wkrętarka na ogniwa litowe, cena 1.80$ z wysyłką.

    Przedstawione rozwiązanie jest kompletne.
    Czekam teraz niech Kolega się wysili i domaluje na swoim schemacie co jeszcze trzeba do tego "balansera" dołożyć aby nie stwarzał on realnego zagrożenia w czasie eksploatacji pakietu!

    W powyższym układzie, w ogólnym przypadku, balansowanie ogniw jest fikcyjne.

  • #28 08 Lip 2018 18:59
    eurotips
    Poziom 35  

    Fikcyjne? z fikcją i dobrą ceną mamy do czynienia w segmencie balanserów pasywnych, co powiesz o balansowaniu za pomocą równoległego do ogniwa opornika 1MΩ bo taki widziałem w chińskiej zabawce ?
    Tu jest bardzo popularne rozwiązanie polegające na rozładowywaniu tego ogniwa które pierwsze się naładuje szeregowym opornikiem 75R przez klucz NMOS.
    BMS cały czas ewaluuje, niestety w stronę łatwizny i tandety, teraz większość działa na zasadzie identycznej jak ten co dla przykładu wrzuciłem,
    łezka się w oku kręci jak człowiek patrzy na balanser który kiedyś królował w necie,
    chodzi mi konkretnie o ten sprawdzony układ:
    Aktywny balanser rezonansowy do baterii akumulatorów (np. Li-Ion)

  • #29 08 Lip 2018 20:28
    djfarad02
    Poziom 17  

    krzysiek_krm napisał:
    W powyższym układzie, w ogólnym przypadku, balansowanie ogniw jest fikcyjne.

    Oczywiście, że jest fikcyjne, gdyż prąd balansowania wynosi jedynie 50mA - praktycznie zerowy w porównaniu z prądem ładowania.

    Dodatkowo, zastosowane układy scalone odcinają baterię, gdy którekolwiek ogniwo osiągnie 4,30V. Załączają z powrotem dopiero gdy napięcie spadnie do 4,10V. Skutkiem tego mamy następującą sytuację: pakiet się ładuje, w pewnym momencie któreś ogniwo osiąga 4,30V i BMS odcina całą baterię, ładowania nie ma, nawet jeśli niektóre ogniwa są jeszcze niedoładowane.

  • #30 08 Lip 2018 20:36
    krzysiek_krm
    Poziom 34  

    djfarad02 napisał:
    Dodatkowo, zastosowane układy scalone odcinają baterię, gdy którekolwiek ogniwo osiągnie 4,30V. Załączają z powrotem dopiero gdy napięcie spadnie do 4,10V. Skutkiem tego mamy następującą sytuację: pakiet się ładuje, w pewnym momencie któreś ogniwo osiąga 4,30V i BMS odcina całą baterię, ładowania nie ma, nawet jeśli niektóre ogniwa są jeszcze niedoładowane.

    Sytuacja może być nawet nieco gorsza.
    Układy "hardware secondary protection" służą do incydentalnego a nie notorycznego odcinania baterii. Jeżeli w taki sposób będzie się kończyło każde ładowanie, spowoduje to dość szybką degradację ogniw i znaczne skrócenie ich czasu życia, najbardziej dla ogniwa, które najczęściej "odcinało" całą baterię.