Балансир для LiFePO4
Статья обновлена: 2020-12-17
Статья о балансирах для LiFePO4 аккумуляторов. Назначение балансиров, преимущества их использования, особенности выбора и нюансы использования.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы отличаются стабильной и безопасной работой, но чувствительны к перезаряду и глубокому разряду. Чтобы уберечь их от преждевременного износа и выхода из строя, используют BMS платы и балансиры.
Ячейки в аккумуляторной батарее должны иметь одинаковые рабочие параметры. Даже незначительные отличия емкости у последовательно соединенных элементов приводят к неравномерному заряду и разряду, из-за чего более заряженные ячейки быстрее выходят из строя. 
К тому же, при неравномерном заряде снижается общая емкость батареи, т.к. процесс подзарядки АКБ прекращается до полного восполнения заряда всеми ячейками.
Выравнивание напряжения при помощи балансиров
Балансиры для литий-железо-фосфатных аккумуляторов выравнивают напряжение на ячейках в сборке и блокируют его рост выше порогового значения. Они контролируют напряжение на ячейках и при достижении заданного значения инициируют включение силового ключа. В результате параллельно подзаряжаемой секции подключается балластный резистор.
Когда остаточный ток зарядки становится меньше величины тока, проходящего через балластный резистор, рост напряжения на заряжаемой секции останавливается. Но ячейки с меньшим напряжением продолжают заряжаться до тех пор, пока сработают балансиры всех частей батареи. В результате напряжение на всех ячейках будет равным пороговому значению, на которое настроены балансиры.
Основной принцип балансировки – шунтирование резисторами ячеек батареи с наибольшим напряжением. Стандартные балансиры рассчитаны на литий-железо-фосфатные элементы с номинальным напряжением 3,2 В. По заказу поставляются модули с балансировочными резисторами для ячеек с номинальным напряжением 3,6– 3,7 В.
Типы балансиров
Балансиры бывают управляемые и неуправляемые, внешние и входящие в состав АКБ. Но прежде всего они подразделяются на:
Принцип работы пассивных балансиров
Пассивные системы баланса снижают зарядный ток аккумулятора, у которого наблюдается наиболее интенсивный рост напряжения. В классическом варианте это осуществляется замыканием элемента питания шунтирующим резистором R. В результате через замкнутый аккумулятор зарядный ток протекает только частично, а остальной ток идет через шунт R. Скорость заряда зашунтированного аккумулятора снижается, и напряжение на нем растет медленнее. Когда напряжение заряда достигает конечного значения, на всех элементах оно оказывается практически равным.
Цена пассивных балансиров невысока, т.к. они не содержат сложных микросхем. К тому же, они компактны и незначительно влияют на удельные характеристики батареи. К недостаткам пассивных систем относят невозможность использования всего объема энергии, которую способна запасти АКБ, и рассеивание энергии в форме тепла при прохождении через шунты. В результате уменьшается КПД системы «АКБ – зарядное устройство».
Использовать пассивные балансиры рекомендуется в батареях с очень близкими по емкости аккумуляторами, т.е. применение пассивных систем баланса накладывает дополнительные требования при выборе ячеек перед комплектованием и сборкой АКБ. В идеале все элементы в сборке должны быть одинакового химического состава, равной емкости, одного производителя и даже из одной партии.
Принцип работы активных балансиров
Активные балансиры умеют перераспределять энергию между ячейками батареи и способны работать и при разряде, и при заряде. Энергия перераспределяется от элемента с большей емкостью к элементу с меньшей емкостью. При заряде активный балансир уменьшает зарядный ток элемента с большей емкостью и увеличивает ток заряда элемента с меньшей емкостью. При разряде наоборот: балансир берет часть энергии у элемента с большей емкостью и увеличивает его разрядный ток, уменьшая при этом ток разряда элементов с меньшей емкостью.
У активных балансиров LiFePO4 схемы сложнее, зато выделение тепла намного меньше, чем при работе пассивных моделей. Поэтому активные системы балансировки незаменимы в случаях, когда нужен балансировочный ток свыше 5 А. У таких моделей высокий КПД (более 85%), а их способность работать при разряде позволяет не увеличивать время заряда для балансировки батареи.
Недостатками активных систем считаются высокая стоимость, сложность проектирования и изготовления. Собрать активный балансир для LiFePO4 своими руками проблематично. Еще один недостаток активных балансиров – ощутимое потребление тока на холостом ходу. Чтобы снизить потребление тока, такие устройства делают управляемыми – с возможностью включения при необходимости.
Как работает 2-х уровневый балансир для LiFePO4
В 2-уровневых балансирах для литий-железо-фосфатных аккумуляторов реализован следующий принцип выравнивания напряжения:
Инструкция по сборке LiFePO4 аккумулятора
Как собрать LiFePO4 аккумулятор: этапы и особенности
Аккумуляторы LiFePO4 – компактные и функциональные, отличаются легкостью веса, долговечностью и оптимальны для любых целей использования. Для защиты от переразряда и перезаряда, предупреждения длительного превышения разрядного тока комплектуются BMS платой, при емкости свыше сорок ампер дополняются балансирами. По своим преимуществам устройства значительно опережают «собратьев», не обладают эффектом памяти, отличается термической и химической стабильностью, нетоксичны и не подвержены самовоспламенению. Минимальное количество циклов даже при усиленной эксплуатации составляет не менее 2000 (до стопроцентного разряда), а при щадящем режиме использования – около 8000 (если не разряжать свыше 80%).
Сборка LiFePO4 аккумулятора состоит в последовательно-параллельном соединении ячеек устройства. Для этого необходимы электроизоляционные материалы, коннекторы, кабель, зарядное устройство, паяльник или же контактная сварка, ячейки LiFePO4. Батареи располагаются вместе, выравниваются, для удобства склеиваются (по заранее выбранной схеме). После этого с каждой убирается технологический пятачок (с помощью отпайки или ножа), соединяются перемычки, балансир и силовой провод. Для защиты от замыкания стоит воспользоваться термоусадкой.
Схема подключения с симметричной BMS платы
Схема подключения BMS платы
LiFePO4: сборка по правилам
Важно помнить, что использовать ячейки лучше из одной партии, в противном случае, ориентируйтесь на их внутреннее сопротивление. Не новые изделия стоит протестировать на емкость.
Если конструкция создается последовательно, то напряжение по ячейкам суммируется, показатель емкости неизменен. При этом обязательно балансировать элементы, потому как каждый из них будет иметь различное время заряда.
Параллельное соединение не требует балансировки ячеек по параллелям, предполагает суммирование емкости, а параметр напряжения – неизменен.
Инструкция по сборке LiFePO4 аккумулятора довольно проста, но процесс требует соблюдения определенных мер безопасности. Все элементы необходимо оберегать от механических ударов, для работы использовать защитные очки. Нельзя замыкать клеммы с разной полярностью (как на самих аккумуляторах, так и на электродах), рекомендуется их залудить, либо произвести пайку до начала монтажа конструкции.
Первый вариант подходит для самостоятельной сборки, он эффективен и не требует мастерских навыков, второй необходимо выполнять с помощью мощного паяльника и при воздействии на контакты не дольше пары секунд и третий самый удобный способ сборки LiFePO4 аккумулятора из ячеек, которые имеют болтовое соединение.
Собрать LiFePO4 аккумулятор просто. Для этого необходимо использовать качественные комплектующие, найти которые вы сможете в нашем магазине LiFePO4.RU
Для чего нужен балансир в LiFePO4 аккумуляторе
Из-за естественной разницы в разряде отдельных элементов уровень заряда ячеек аккумулятора может производиться с разной скоростью, когда одни уже достигли определенных показателей ампер-часов, а другие еще нет. Это может привести к дисбалансу и неэффективному использованию устройства. Для того чтобы выровнять разницу заряда всех ячеек, используются балансиры.
Обратите внимание! Балансиры устанавливаются на аккумуляторную сборку, если емкость превышает 40Ah, с балансировкой аккумулятора до 40Ah справляется BMS плата.
Данные устройства бывают пассивными и активными:
Пассивные балансиры на всем протяжении заряда аккумулятора находятся в спящем режиме, пока напряжение на ячейках аккумулятора не достигнет напряжения балансира, т. е. как только уровень напряжения на ячейке достигает напряжения балансира, балансир начинает работать и выводить излишки емкости в тепло с полностью заряженной ячейки, а остальные ячейки продолжают заряжаться. Благодаря этому процессу все ячейки аккумуляторной батареи заряжаются полностью, не накапливая дисбаланс и аккумулятор сохраняет свою емкость. Пассивные балансиры рекомендуются для установки в LiFePO4 аккумулятор, т. к. они не снижают ресурс аккумулятора и не мешают работе BMS платы. Напряжение балансира должно быть немного меньше, чем напряжение отсечки BMS платы по верхнему порогу напряжению.
Активные балансиры в отличие от пассивных, переносят энергию из более заряженных ячеек к менее заряженным. Активные балансиры не расходуют энергию, а направляют ее на соседние менее заряженные элементы аккумулятора. Кроме всего этого, благодаря данной системе, батарея также надежно защищена от перегрева. В LiFePO4 аккумуляторе не рекомендуется использование активных балансиров, т. к. они снижают ресурс аккумулятора и не всегда корректно взаимодействуют с BMS платой защиты.
Рекомендуемые статьи
Как выбрать BMS плату для LiFePO4 аккумулятора
Перезаряд и переразряд литий-железо-фосфатной LiFePO4 батареи сильно снижает срок ее использования и может привести к порче аккумулятора. Защитить ресурс батареи призвана система защиты BMS. Специальная плата, установленная при сборке внутри аккумулятора, осуществляет контроль заряда/разряда ячеек аккумулятора. Если на одной из ячеек напряжение превышает допустимый предел по уровню заряда или ра..
Инструкция по сборке LiFePO4 аккумулятора
Как собрать LiFePO4 аккумулятор: этапы и особенности Аккумуляторы LiFePO4 – компактные и функциональные, отличаются легкостью веса, долговечностью и оптимальны для любых целей использования. Для защиты от переразряда и перезаряда, предупреждения длительного превышения разрядного тока комплектуются BMS платой, при емкости свыше сорок ампер дополняются балансирами. По своим преимуществам устройст..
Как подключить BMS плату?
Главное преимущество современной аккумуляторной батареи (АКБ) – высокая плотность энергии на единицу массы – сопровождается недостатками, которые нужно компенсировать. Речь идет о перезаряде и глубоком разряде. АКБ не потерпит подобного обращения и отреагирует выходом из строя. BMS (Battery Management System) плата, устройство, которое следит за параметрами аккумулятора, управляет зарядкой и комму..
Балансир для LiFePO4
Статья обновлена: 2020-12-17
Статья о балансирах для LiFePO4 аккумуляторов. Назначение балансиров, преимущества их использования, особенности выбора и нюансы использования.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы отличаются стабильной и безопасной работой, но чувствительны к перезаряду и глубокому разряду. Чтобы уберечь их от преждевременного износа и выхода из строя, используют BMS платы и балансиры.
Ячейки в аккумуляторной батарее должны иметь одинаковые рабочие параметры. Даже незначительные отличия емкости у последовательно соединенных элементов приводят к неравномерному заряду и разряду, из-за чего более заряженные ячейки быстрее выходят из строя. К тому же, при неравномерном заряде снижается общая емкость батареи, т.к. процесс подзарядки АКБ прекращается до полного восполнения заряда всеми ячейками.
Выравнивание напряжения при помощи балансиров
Балансиры для литий-железо-фосфатных аккумуляторов выравнивают напряжение на ячейках в сборке и блокируют его рост выше порогового значения. Они контролируют напряжение на ячейках и при достижении заданного значения инициируют включение силового ключа. В результате параллельно подзаряжаемой секции подключается балластный резистор.
Когда остаточный ток зарядки становится меньше величины тока, проходящего через балластный резистор, рост напряжения на заряжаемой секции останавливается. Но ячейки с меньшим напряжением продолжают заряжаться до тех пор, пока сработают балансиры всех частей батареи. В результате напряжение на всех ячейках будет равным пороговому значению, на которое настроены балансиры.
Основной принцип балансировки – шунтирование резисторами ячеек батареи с наибольшим напряжением. Стандартные балансиры рассчитаны на литий-железо-фосфатные элементы с номинальным напряжением 3,2 В. По заказу поставляются модули с балансировочными резисторами для ячеек с номинальным напряжением 3,6– 3,7 В.
Типы балансиров
Балансиры бывают управляемые и неуправляемые, внешние и входящие в состав АКБ. Но прежде всего они подразделяются на:
Принцип работы пассивных балансиров
Пассивные системы баланса снижают зарядный ток аккумулятора, у которого наблюдается наиболее интенсивный рост напряжения. В классическом варианте это осуществляется замыканием элемента питания шунтирующим резистором R. В результате через замкнутый аккумулятор зарядный ток протекает только частично, а остальной ток идет через шунт R. Скорость заряда зашунтированного аккумулятора снижается, и напряжение на нем растет медленнее. Когда напряжение заряда достигает конечного значения, на всех элементах оно оказывается практически равным.
Цена пассивных балансиров невысока, т.к. они не содержат сложных микросхем. К тому же, они компактны и незначительно влияют на удельные характеристики батареи. К недостаткам пассивных систем относят невозможность использования всего объема энергии, которую способна запасти АКБ, и рассеивание энергии в форме тепла при прохождении через шунты. В результате уменьшается КПД системы «АКБ – зарядное устройство».
Использовать пассивные балансиры рекомендуется в батареях с очень близкими по емкости аккумуляторами, т.е. применение пассивных систем баланса накладывает дополнительные требования при выборе ячеек перед комплектованием и сборкой АКБ. В идеале все элементы в сборке должны быть одинакового химического состава, равной емкости, одного производителя и даже из одной партии.
Принцип работы активных балансиров
Активные балансиры умеют перераспределять энергию между ячейками батареи и способны работать и при разряде, и при заряде. Энергия перераспределяется от элемента с большей емкостью к элементу с меньшей емкостью. При заряде активный балансир уменьшает зарядный ток элемента с большей емкостью и увеличивает ток заряда элемента с меньшей емкостью. При разряде наоборот: балансир берет часть энергии у элемента с большей емкостью и увеличивает его разрядный ток, уменьшая при этом ток разряда элементов с меньшей емкостью.
У активных балансиров LiFePO4 схемы сложнее, зато выделение тепла намного меньше, чем при работе пассивных моделей. Поэтому активные системы балансировки незаменимы в случаях, когда нужен балансировочный ток свыше 5 А. У таких моделей высокий КПД (более 85%), а их способность работать при разряде позволяет не увеличивать время заряда для балансировки батареи.
Недостатками активных систем считаются высокая стоимость, сложность проектирования и изготовления. Собрать активный балансир для LiFePO4 своими руками проблематично. Еще один недостаток активных балансиров – ощутимое потребление тока на холостом ходу. Чтобы снизить потребление тока, такие устройства делают управляемыми – с возможностью включения при необходимости.
Как работает 2-х уровневый балансир для LiFePO4
В 2-уровневых балансирах для литий-железо-фосфатных аккумуляторов реализован следующий принцип выравнивания напряжения:
Lifepo4 аккумуляторы эксплуатация и особенности
Если разрядить батарейку ниже положенного, то она просто стремительно начнёт терять ёмкость и в итоге совсем перестанет заряжаться, и окончательно умрёт, причем очень быстро. А если перезарядить, то аккумулятор начнёт вздуваться из-за выделения газов внутри ячейки, и тоже начнёт терять ёмкость, и быстро умирает.
Свинцово-кислотные аккумуляторы в этом смысле более выносливые так-как от перезаряда выкипает электролит, но если перезаряд недолгий, то это особо не вредит аккумулятору, потом можно просто долить дистиллированной воды и аккумулятор будет работать дальше. А если разрядить аккумулятор менее 10 V, то аккумулятор тоже будет работать после такого, но потеряет немного ёмкости.
Литий-ионные аккумуляторы просто умирают от перезарядов и глубоких разрядов ниже положенного, по-этому очень важно не допускать критических состояний таких аккумуляторов. Для li-ion критические параметры это разряд минимум до 2.70V, и заряд до 4.20V, а для lofepo4 разряд до 2.00V, а заряд до 3,75 (3.39)V, хотя некоторые производители разрешают заряжать до 3.90V (всё зависит от конкретной «химии» в аккумуляторах.
Так вот от перезаряда вздулись и мои lifepo4 аккумуляторы, они ещё живые, но походу ёмкости там уже нет.
Если литий-ионные аккумуляторы используются не в циклическом режиме работы, а в буферном (ИПБ, солнечные системы и др.), то рекомендуется понизить напряжение заряда, чтобы на ячейку приходилось не 3.60-3.90V, а 3.40-3.45V. Или использовать умные заурядные устройства или контроллеры, которые заряжают (для систем 12 V) до 14.6V, а через 10-20 минут опускают напряжение до 13.6-13.8V, что соответствует 3,40-3,45V на ячейку.
Чтобы не испортить аккумуляторы обязательно нужно установить плату защиты BMS, или хотя-бы поставить балансировочные платы. Дело в том что во время эксплуатации напряжение ячеек может разбегаться, и со временем наступит тот момент когда общее напряжение будет вроде-бы в норме 14.6V, а напряжение ячеек разное. К примеру 1яч(3.35V), 2яч(3.57V), 3яч(3.44V) 4( 4.24V). В итоге четвёртая ячейка перезаряжается и значит просто умрет, хотя общее напряжение мы не превышали.
Дисбаланс ячеек происходит из-за разности сопротивлений ячеек, или из-за плохого соединения ячеек между собой. Если ячейки отличаются по внутреннему сопротивлению, то они по разному заряжаются и разряжаются. Для устранения дисбаланса применяют балансировочные платы (балансиры), которые подключаются к каждой ячейке, и при достижении 3.60-3.75V подключается балластный резистор, который разряжает ячейку если её напряжение превысило порог срабатывания. Таким образом балансиры держат уже зарядившиеся ячейки пока не зарядятся остальные. Но просто балансиры не уберегут ячейки от перезаряда если дисбаланс будет очень сильный, а так-же балансиры никак не помогут если аккумулятор разрядится слишком глубоко ( ниже положенного).
На литий-ионные аккумуляторы нужно устанавливать полноценные BMS (Battery monagement system), которые отслеживают напряжение каждой ячейки, и если напряжение превысит критические отметки заряда или разряда, то BMS полностью отключит аккумулятор. Так-же BMS отключает аккумулятор при превышении допустимого тока и при КЗ, и так-же при заряде выполняет балансировку ячеек. В общем это полноценная защита аккумулятора, которая не даст аккумулятору перезарядится, разрядится, тем самым обеспечит ему долгую жизнь.
Перед вводом в эксплуатацию нужно предварительно отбалансировать ячейки аккумулятора, так-как они могут быть разной степени заряженности и естественно с разным напряжением. Для этого нужно все ячейки соединить параллельно, то-есть плюс с плюсом всех ячеек и минус с минусом. И так соединённые параллельно ячейки нужно полностью зарядить до 3,60V. Ниже на фото пример параллельного соединения ячеек lifepo4 для балансировки.
Если посмотреть на график Lfepo4 (ниже рисунок), то можно увидеть что основная ёмкость ячейки лежит в пределах 3.0-3.35 V, это 90% ёмкости. После 3.0V, а разряд происходит очень быстро, а основное время разряда лежит в пределах напряжения 3.3-3.0V. Так-же и заряд после напряжения 3.35V происходит очень быстро так-как аккумулятор уже практически заряжен.
Исходя из этого понятно что lifepo4 вообще не нужно заряжать до 3.60V и более, так-как аккумулятор и так заряжен почти на 100% при напряжении 3.35V. При использовании 80% ёмкости количество циклов lifepo4 3000 и более, а при 100% использования ёмкости количество циклов всего 1500-2000. При циклировании на 20-25% количество циклов до 5000-7000. Точные данные можно узнать в описании конкретных аккумуляторов.
Lifepo4 хорошо работает со стандартными зарядными устройствами и контроллерами, предназначенными для заряда свинцово-кислотных аккумуляторов, так-как напряжение для систем на 12 V 13.8-14.7V. Особенно хорошо подходят для лифера контроллеры и зарядные ус., которые осуществляют «Умный» заряд АКБ., то-есть многостадийный заряд.
Алгоритм обычно такой:
заряд аккумулятора длится пока напряжение не поднимется до 14.2-14.7 V,
далее под этим напряжением аккумулятор держится 10-20 минут,
и далее напряжение понижается до 13.6-13.8V.
Но все сложности эксплуатации Lifepo4 заключающиеся в установке платы BMS и соблюдении режимов заряда и разряда с лихвой перекрываются преимуществами перед свинцово-кислотными аккумуляторами. Во-первых это большое число циклов заряда/разряда, и длительный срок службы, 15-20 лет. Lifepo4 не нужно заряжать на 100%, он не теряет ёмкости от недозарядов. А так-же Lifepo4 аккумуляторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление, которое напрямую влияет на КПД заряда/разряда. Такие аккумуляторы можно заряжать большими токами, и аккумулятор можно зарядить всего за 1 час током 1С, а вот свинцово-кислотные АКБ так зарядить не получится, их надо заряжать током 0.1С в течении 10 часов, можно чуть быстрее, но КПД от этого сильно уменьшится и закипит электролит.
Таким образом только на КПД мы получаем больше энергии на 20-30%, а это не мало, особенно когда ёмкость аккумуляторов киловатт десять, тогда на обычных АКБ будет теряется 2-3кВт за каждые 10кВт пришедшей в АКБ энергии, а при использовании Lifepo4 потери почти незаметны.
Если есть вопросы, то оставляйте комментарии ниже в форме «в контакте».