Активная балансировка Li-Ion аккумуляторов

Всем известно, что аккумуляторы имеют широкое применение в мехатронике, робототехнике, автоматических системах управления и промышленности в целом. Электроавтомобили, автономные роботы, системы резервного питания, мобильные средства связи и вычислительной техники – далеко не полный перечень вариантов их применения. Совершенствуются и сами аккумуляторы. В своих разработках в большинстве случаев мы применяем литий-ионные аккумуляторные батареи.

Особенности строения аккумуляторов (в частности химические процессы в них протекающие) диктуют необходимость применения разнообразных схем зарядных устройств и устройств контроля состояния аккумуляторов. Наиболее важное место здесь занимает система контроля и управления аккумуляторной батареей (далее - СКУ АБ, в иностранной литературе используется аббревиатура BMS – battery management syste).

Применение систем контроля и управления аккумуляторной батареей позволяет:

Как было сказано выше, в ходе работы литий-ионных аккумуляторов возникает такое явление, как разбалансировка. Это связано с тем, что все аккумуляторные ячейки (так будет правильнее называть отдельный литиевый элемент питания) имеют разброс в своих характеристиках, что и приводит к появлению разности напряжения и емкости между ячейками. На рисунке 1 схематично изображено состояние для 4S1P литиевого аккумулятора, когда все ячейки имеют разное напряжение. Разбаланс может приводит к тому, что все ячейки разряжаются по-разному. Говоря простым языком, одна ячейка переразрядится, а другая недоразрядится.

Гораздо более катастрофичными могут оказаться последствия, если система ориентируется на среднее значения напряжения между ячейками при заряде или разряде аккумулятора. В таком случае ячейки с меньшей емкостью могут не успеть зарядиться до верхнего порога в 4,2 вольта, в то время, как другие ячейки зарядятся выше этого значения, что может привести к их взрыву. Аналогично, при разряде такие ячейки могут разрядиться ниже порога в 3 вольта, что приведет к серьезной потере емкости такой ячейки.

Поэтому литиевые аккумуляторы балансировать нужно. А если кто-то говорит, что и так работает, то рано или поздно он поедет в травму с ожогами. Ага. Вообще балансировку можно осуществлять активными методами и пассивными.

Классификация существующих методов приведена на рисунке 2.

Балансировка с переключающимися емкостями (Рисунок 4) заключается в том, что энергия сначала закачивается в буферную емкость от i-ячейки, а затем передается из буферной емкости в соседнюю (i+1)-ячейку. Отсюда следует главный недостаток такой системы – передача заряда из ячеек, отдаленных друг от друга, крайне затруднительна.

Общий недостаток емкостных систем балансировки – броски тока при переключениях между ячейками, что может привести к выходу ключей из строя.

Дроссельные системы балансировки лишены недостатка, характерного для емкостных систем, - броска тока при переключениях между ячейками. В то же время главный недостаток систем, построенных на катушках индуктивности, - бросок напряжения на транзисторах, когда между соседними ячейками возникает разрыв (Рисунок 6). Это может привести к тому, что транзисторы сгорят. Например, имеется 100 ячеек по 3,6 вольт. Между двумя ячейками возник разрыв – как результат все 360В пойдут через два транзистора-ключа. Сопротивление открытого канала транзисторов - порядка 0,2Ом, а сопротивление катушки индуктивности 0,3 Ома – тогда через транзисторы потечет ток в 720А, что мгновенно сожжет транзисторы.

Наиболее эффективным методом, основанном на дроссельной балансировке, является технология PowerPump, запатентованная Texas Instruments (американская компания, один из крупнейших производителей полупроводниковых элементов, микросхем, электроники и изделий на их основе). При данном методе балансировки специализированная микросхема использует индуктивный преобразователь для передачи энергии, а так же n-канальный и p-канальный MOSFET и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на рисунке 7. MOSFET и дроссель составляют промежуточный понижающий/повышающий преобразователь. Если микросхема определяет, что верхней батарее нужно передать энергию в нижнюю, на выводе P3S формируется сигнал частотой около 200 кГц с коэффициентом заполнения около 30%. Когда ключ Q1 открыт, энергия из верхней батареи запасается в дросселе. Когда ключ Q1 закрывается, энергия, запасенная в дросселе, через обратный диод ключа Q2 поступает в нижнюю батарею.

Потери энергии при этом невелики и в основном происходят в диоде и дросселе.

Аналогично катушкам индуктивности можно использовать трансформаторы (с разным числом обмоток). Эффективность метода не очень высокая, но данная система решает проблемы больших токов при разрыве в цепи. Если опять вернуться к примеру со 100 ячейками по 3,6 вольта, то при обрыве в цепи на транзисторах будет напряжение не 360 вольт, а всего 3,6, что не приведет к их сгоранию.

Существует три варианта построения систем балансировки на трансформаторах. Первый, buck-boost converter, основан на том, что энергия передается между двумя соседними фиксированными парами ячеек (между соседней четной и нечетной ячейкой). Данный метод изображен на Рисунке 8.

Второй вариант – fly back converter, энергия передается между четными и нечетными ячейками, не связанными между собой (Рисунок 9)

Третий вариант совмещает в себе два предыдущих метода. Пример работы такой системы приведен на рисунке 10.

Системы активной балансировки, построенные на использовании преобразователей – повышающих, понижающих, прямоходовых и обратноходовых, а так же двунаправленных, считаются наиболее эффективными топологиями. В таких системах ключи находятся со стороны вторичной обмотки трансформатора (со стороны аккумулятора), то есть на ключи действует только напряжение ячеек, что не приведет к их выгоранию. В то же время усилители находятся со стороны первичной обмотки трансформатора (то есть с той стороны, к которой подключается зарядное устройство). Такой подход позволяет минимизировать потери в ключах, и одновременно с этим согласовывает разные уровни напряжений с обеих сторон трансформатора.

В частности, системы, построенные на повышающих преобразователях, передают энергию от одной ячейки ко всей группе ячеек. Пример такой системы показан на рисунке 11. Контроллер выбирает наиболее заряженную ячейку, включает соответствующий ей преобразователь, и энергия от ячейки начинает распределяться на всю группу.

Общей чертой обратноходовых преобразователей и buck-boost преобразователей является то, что они хранят энергию непосредственно в дросселе. В отличии от них, прямоходовой преобразователь только передает энергию через трансформатор, а для хранения энергии используются дополнительные элементы – катушки индуктивности. Сама энергия непосредственно передается с первичной обмотки от зарядного устройства.

Для создания системы активной балансировки был выбран метод балансировки на двунаправленном buck-boost преобразователе. Такой метод позволяет передавать энергию как от одной ячейки к группе ячеек (buck mode – передача энергии от наиболее заряженной ячейки), так и от группы ячеек к одной, наименее заряженной ячейке (boost mode). Для решения проблемы бросков тока будет использован контроллер тока, который позволяет формировать ШИМ-сигнал по току с постоянной амплитудой. Уникальность разрабатываемой системы заключается в том, что контроль преобразователя будет осуществляться одной единственной микросхемой, то есть микросхема будет непосредственно регулировать сигнал на первичной и вторичной обмотке трансформатора, а так же выполнять функции контроллера тока.

В области активной балансировки существует много наработок.

Известно изобретение «Устройство выравнивания напряжения на батарее» (патент США «Stackable Bi-directional Multicell Battery Balancer» №US8692516B2, МПК: H02J7/00, опубликован 08.04.2014).

Указанное устройство представляет собой систему из двунаправленных преобразователей энергии обратноходового типа, способную передавать энергию от всей батареи наименее заряженной ячейке и энергию от наиболее заряженной ячейки всей батарее. Так же устройство позволяет измерять напряжение каждого отдельного элемента литий-ионной АБ. Данной устройство построена на специализированных микросхемах компании Linear Technology (американская компания, производителей полупроводниковых элементов, микросхем, электроники и изделий на их основе) – LTC3300-1 и LTC6802-1 (Рисунок 12). Главным преимуществом данного изобретения является возможность его применения для высоковольтных батарей (напряжением до 1000 вольт). Недостатком данного устройства является сложность схемы управления, обуславливающая необходимость применения специализированной микросхемы LTC3300-1. Реализация логики работы данной микросхемы на элементной базе общего назначения достаточно сложна.

Другим примером изобретений в области активной балансировки является устройство контроля и балансировки литий-ионной аккумуляторной батареи, разработанное сотрудниками ЦНИИ РТК (Патент RU 176470 U1, опубликовано 22.01.2018, авторы: Гук М.Ю., Зыков Н.В., Иванов М.М., Кузнецов В.А.)

Данное устройство состоит из трансформатора с общим сердечников и одинаковыми по количеству витков рабочими обмотками, такими что, по крайней мере, две соседние ячейки имеют одну общую пару рабочих обмоток, которая своей общей точкой подключена к общей точке соединения этих ячеек, а свободными концами эта пара рабочих обмоток подключена через ключевые элементы к другим выводам соответствующих ячеек, а также генератора импульсов, выполненного в виде преобразователя постоянного напряжения и управляемых ключевых элементов, выпиленных на полевых транзисторах. Также в систему балансировки был введен коммутатор для измерения напряжения каждого элемента АБ в отдельности и микропроцессор для управления всей системой в целом. Микропроцессор с помощью коммутатора измеряет напряжение на ячейках АБ и выдает команду балансировочному устройству на проведение процедуры балансировки только при превышении разности напряжений на элементах АБ определённого порогового значения, что обеспечивает снижение потерь энергии и увеличение срока службы батареи.

Аналогичным к вышеописанному, но не имеющим возможности измерения напряжения каждого элемента АБ в отдельности, является устройство выравнивания напряжения на батарее (патент на изобретение США «Charge Redistribution Method For Cell Arrays», №US2014103857A1, МПК: H02J7/00, опубликован 17.04.2014).

В общем, посмотрели, поискали и решили, что интересно сделать всё-таки своё. Потому что кроме общего описания в этих патентах в общем-то и нет. Патентов на самом деле есть побольше, но привели несколько… Да и не о патентах вообще речь, а о том, что велосипеды изобретаются и делиться ими никто особо не хочет. Ну или нам не повезло просто.

Для создания системы активной балансировки был выбран метод балансировки на двунаправленном buck-boost преобразователе. Такой метод позволяет передавать энергию как от одной ячейки к группе ячеек (buck mode – передача энергии от наиболее заряженной ячейки), так и от группы ячеек к одной, наименее заряженной ячейке (boost mode). Вообще поиск показал, что есть решение у Texas Instruments, которое мы и попробуем реализовать. Зарядное устройство и нагрузка подключаются к первичной обмотке трансформатора, а батареи – ко вторичной обмотке.

Для реализации используются специализированные микросхемы от Texas Instruments – EMB1428 и ЕМВ1499. EMB1428 – драйвер, который управляет матрицей полевых транзисторов, коммутирующих нужную ячейку к вторичной обмотке трансформатора. ЕМВ1499 – двунаправленный контроллер тока, выполняющий также функции контроллера ШИМ сигнала на обеих обмотках buck-boost преобразователя.

Разрабатываемое устройство состоит из двух функциональных частей – коммутатора (Рисунок 13) и непосредственно устройства балансировки. Коммутатор построен на основе матрицы транзисторов и драйвера EMB1428 . Устройство балансировки построено на трансформаторе и микросхеме ЕМВ1499, образующими buck-boost преобразователь с системой управления.

Матрица транзисторов (Рисунок 14) состоит условно из двух частей. Одна состоит из транзисторов, которые напрямую подключаются к выводам ячеек аккумулятора – назовем ее "переключатель ячеек". Транзисторы ставятся парами, у них общий исток и общий затвор, такое построение блокирует протекание тока в обе стороны при закрытых транзисторах, что позволяет уменьшить потери. Можно пронумеровать такие пары транзисторов от 0 до 7 снизу вверх. Один сток подключатся к выводу батареи, второй сток – подсоединяется к общей линии, четной (ODD, линия красного цвета на Рисунке 14) или нечетной (EVEN, линия синего цвета на Рисунке 14), в зависимости от номера.

Вторая часть находится между " переключателем ячеек" и DC/DC преобразователем – назовем ее " переключатель полярности". EMB1428Q связан с микроконтроллером через интерфейс связи SPI (EMB1428Q получает от MCU команду, какая батарея требует заряда/разряда, докладывает об ошибках). Получив команду, EMB1428Q выбирает нужную ячейку в аккумуляторе, подключает ее через транзисторы к четной и нечетной линии и к нужному каналу, чтобы была нужная полярность (сначала EMB1428Q закрывает ненужные транзисторы, потом открывает нужные транзисторы). Например, выделение ячейки 1: открываются транзисторы Vg0 и Vg1, Vg11 и Vg8 (верх – к плюсу, низ – к минусу). Ячейка 2: открываются транзисторы Vg1 и Vg2, Vg9 и Vg10.

EMB1428Q связана с EMB1499Q, чтобы контролировать балансировку, получать сообщения об ошибках, разрешать/запрещать балансировку в режиме заряда/разряда.

EMB1499Q – двунаправленный DC-DC преобразоватеь, контроллерь тока, контроллер ШИМ. К EMB1499Q подсоединяется трансформатор и четыре полевых транзистора (три n-канальных и один р-канальный) – образуют двунаправленный прямоходовой преобразователь, через который течет балансировочный ток, заданный с помощью специального резистора. Стоит отметить, что значение балансировочного тока может составлять до 5 Ампер – это значение задается с помощью шунтирующего резистора и напряжения, подаваемого на один из входов микросхемы EMB1499Q. N-канальные транзисторы регулируются встроенными в микросхему драйверами. Р-канальный транзистор регулируется внешним драйвером. Р-канальный транзистор в сочетании с одним N-канальным образуют активное ограничение (в англоязычной литературе – Active Clamp). При правильном подборе компонентов обеспечивается квазирезонансный режим переключения силового ключа и, следовательно, малые коммутационные потери и электромагнитные помехи.

Таким образом, с помощью EMB1428Q из АБ «выделяется» одна батарея, которую нужно зарядить или разрядить. Т.е. происходит обмен энергией между одной ячейкой и всем аккумулятором. Энергия в ходе процесса балансировки хранится в катушке индуктивности и в трансформаторе.

Стоит отметить, что микросхема EMB1499Q обладает защитой от ненормальных условий (перезаряд, переразряд, короткое замыкание и т.д.). Также EMB1499Q, обнаружив вышеперечисленные аномалии, сообщает о них EMB1428Q по трем линиям в трехбитной кодировке, откуда информация идет дальше на микроконтроллер.

В итоге мы решили попробовать реализовать такой балансир, что из этого получится? Пока не знаем, но обязательно расскажем о результатах своей работы. Когда-нибудь☺

1. ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011. Источники тока химические. Термины и определения. – Москва: Стандартинформ, 2013. – 50 с
2. Борисевич А.В. Моделирование литий-ионных аккумуляторов для систем управления батареями: обзор текущего состояния // Современная техника и технологии. 2014. № 5
3. Беляев С., Рыкованов А. Активные и пассивные системы баланса Li-Ion аккумуляторных батарей // Компоненты и технологии. 2014. №3.
4. Бровка Н. Системы контроля литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей // Компоненты и технологии. 2006. №10.
5. Гук М.Ю., Зыков Н.В., Иванов М.М., Кузнецов В.А. Патент RU 176470 U1, 22.01.2018.
6. Иншаков А.П., Федотов Ю.Б. Проблема мониторинга и балансировки аккумуляторных батарей транспортных средств.
7. Патент США «Stackable Bi-directional Multicell Battery Balancer» №US8692516B2, МПК: H02J7/00, 08.04.2014.
8. Патент на изобретение США «Charge Redistribution Method For Cell Arrays», №US2014103857A1, МПК: H02J7/00, 17.04.2014.
9. Рыкованов А. Системы баланса Li-Ion аккумуляторных батарей // Силовая электроника. 2009. №1.
10. Устройство и принцип работы защитного контроллера Li-ion/polymer аккумулятора [Электронный ресурс] // http://go-radio.ru/sxema-kontrollera-litiy-ionnogo-akkumulatora.html
11. Davide Andrea. White Paper - Li-Ion BMS chips [Электронный ресурс] // URL: http://liionbms.com/php/wp_bms_chips.php
12. James Moran. PowerPump Balancing [Электронный ресурс] // http://www.ti.com/lit/an/slua524b/slua524b.pdf
13. Sihua Wen. Cell balancing buys extra run time and battery life [Электронный ресурс] // URL: http://www.ti.com/lit/an/slyt322/slyt322.pdf
14. Three and four cell lithium-ion or lithium-polymer battery protection AFE [Электронный ресурс] // URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq29312.pdf
15. 16-Cell Li-Ion Battery Active Balance Reference Design // URL: http://www.ti.com/lit/ug/tidubz7/tidubz7.pdf
16. Voltage protection for 2-, 3-, OR 4-cell Li-Ion batteries [Электронный ресурс] // URL: http://www.ti.com/lit/ds/slus568c/slus568c.pdf