Пассивный балансир для lifepo4 своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 10.09.2024

Хорошо в такую погоду что-то смастерить своими руками? тренировка для мозга нужна всегда, за одно и рассказал, как это всё работает.
Пока солнышко было в выходные, за грибами не ходил в лес?

@Мария R3TM да ) доделал вчера .Но как и планировал - без ограждения.Так как впереди зима ,а зимой на него никто не будет выходить.Поэтому детали ограждения можно делать в помещении в тепле.А установить весной ранней .А сейчас паннели солнечные жду - потому ,что кронштейн готов уже - надо их на него монтировать и поднимать на место установки на крышу .

@Дмитрий R3TGM ты балкон-то доделал?

@Дмитрий R3TGM да, домом надо заниматься, это важнее, тем более в хорошую погоду.

@Мария R3TM оо))) класс) я в деревне не был - у меня дом на даче в приоритете в этом году !

@Дмитрий R3TGM в нашей тоже не было ни одного, а на прошлой неделе пол корзинки набрали подосиновиков. С картошкой пожарили

Общее свойство литиевых аккумуляторов – они не терпят перезаряда и глубокую посадку напряжения. Литий-ионных АКБ более 10 разновидностей, и в них используются разные активные составляющие. У каждой свой рабочий диапазон по напряжению, и эти границы должны соблюдаться. Плата балансировки литиевых аккумуляторов – это электрическая схема в цепи, поддерживающая нужные параметры, и отключающая батарею, если та неисправна. Зарядка, контроль уровня разряда и защита АКБ реализована посредством отдельных плат, но бывают и совмещенные схемы.

Балансир для Li-Ion аккумуляторов служит для поддержки нужных параметров.

Что такое плата балансировки, ее функции

Балансир для аккумуляторов 18650 (BMS – Battery Monitoring System) – система, отслеживающая состояние батареи.

Любой качественный литий ионный источник питания имеет в своей конструкции такой балансир. Сразу стоит обозначить, что большинство неприятностей, связанных с повреждениями батареи, вызваны неправильной эксплуатацией. Вот минимальные требования, необходимые литию: не заряжать и не разряжать выше-ниже определенных значений, не использовать токи, выходящие за пределы рекомендуемых производителем. Плата BMS и нужна, чтобы контролировать все эти моменты.

Подключение платы балансировки.

В каких случаях применяют балансировку

Схемы балансира литиевого аккумулятора

Каждая батарея, будь то самодельная или фабричного производства, должна иметь защиту. Литиевые аккумуляторы заряжают с применением специальных балансировочных плат. Одни делают их своими руками, другие заказывают с китайских площадок, например, AliExpress, TaoBao.

LM317. Простое устройство, стабилизирующее ток. В ходе настройки подает на батарею напряжение 4.2 В. Предусмотрены регулировочные сопротивления и светодиодный индикатор – во время зарядки горит красным. Устройство подключается посредством внешнего блока питания. Запитка от USB не предусмотрена – в этом недостаток; Схема TP4056.
TP4056. Китайское устройство, оснащенное защитой от переполюсовки. Им можно регулировать параметры зарядки, а сама схема предполагает подключение по USB. Контроль зарядки – автоматический. Сила зарядного тока плавно снизится, когда будет достигнута нужная емкость. В устройстве есть штекер, куда устанавливается дополнительный температурный сенсор;
NCP1835. Компактная и универсальная схема, используемая в паре с АКБ, имеющими различные эксплуатационные параметры. Этим балансиром можно заряжать сильно разряженные батареи – подается ток малой силы. Также в модуле регулируется время зарядки. Если АКБ незаряжаемая – плата подаст соответствующий сигнал;
S8254AA – контроллер заряда с балансиром. Есть защита от перезарядки и переразрядки, контроль над коротким замыканием. Ламп-индикаторов нет, поэтому статус зарядки узнать нельзя. В продаже встречается такой же блок, но без балансира – с гетинаксом красного цвета.

Если делают балансир своими руками, обычно используют стабилитрон TL431A и транзистор BD140.

Плата балансировки – элемент, отслеживающий состояние аккумуляторной батареи во время зарядки и обеспечивающий безопасность процесса. Он характерен компактными размерами и без проблем крепится к общей пластине.

Упрощенная схема BQ40Z50-R1

Внешние аккумуляторы (power banks) активно используются для зарядки смартфонов и других мобильных гаджетов. Это простое по структуре устройство: литий-ионные или литий-полимерные батареи, управляющая печатная плата, корпус. Но сама по себе разработка зарядных схем для внешних аккумуляторов и электромобилей не так проста, тут можно экспериментировать и предлагать новые решения.

В рамках одного проекта мы разрабатывали внешний аккумулятор с поддержкой обычной и быстрой зарядки, в том числе от солнечных батарей. Еще одно требование — минимизация габаритов устройства. На первом этапе мы реализовали обычную зарядку четырех одинаковых АКБ LiFePO4 за счет микроконтроллера и менеджера заряда BQ40Z50-R1, без применения специализированной микросхемы заряда и ШИМ. Помимо заряда микроконтроллер красиво управляет индикаторными светодиодами и взаимодействует с пользователем по BLE. Делимся подробностями этого этапа разработки.

Постановка задачи и решение

Для зарядных устройств одним из важных параметров является использование батареек с определенным типом химии. С учетом того, что литий-железо-фосфатный аккумулятор LiFePO4 имеет несколько преимуществ по сравнению с другими разновидностями (например, возможность заряда большим током), то именно он был выбран для нового зарядного устройства.

Как правило, заданные параметры аккумуляторной батареи достигается за счет использования нескольких батарей меньшей емкости и напряжения. Цель использования аккумуляторов с последовательным соединением — уменьшить потери, увеличить КПД. Обычно в любой системе, состоящей из нескольких последовательно включенных батарей, возникает проблема разбалансировки заряда отдельных батарей. Эту проблему решает выравнивание заряда по батареям — метод проектирования, позволяющий увеличить безопасность эксплуатации батарей, время работы без подзарядки и общий срок службы.

Номинальное напряжение 3,2 В
Максимально допустимое напряжение 3,65 В
Номинальный зарядный ток при полной разрядке 400 мА

Схемотехника

Как уже было отмечено, микросхема BQ40Z50-R1 — это зарядный менеджер, который используется для контроля параметров заряда/разряда АКБ, а также настройки различных алгоритмов заряда/разряда АКБ в зависимости от текущих параметров (например, температуры, зарядного/разрядного тока и прочего).

Разработчики микросхемы предусмотрели возможность активного режима заряда и режима с ограничением по току (Pre-charge), который используется при полной разрядке АКБ. Схемотехника устройства при этом не изменяется (см. спецификацию). Необходимо только пересчитать токоограничительный резистор в цепи Pre-charge. В нашем случае для заряда выбранных АКБ LiFePO4 нужен был зарядный ток порядка ~400 мА.

Настройка микросхемы BQ40Z50-R1

BQ40Z50-R1 настраивается при помощи программного пакета bqStudio. Для записи установленных параметров и общения с микросхемой используем преобразователь SMB to USB:

Программатор EV2300

Не будем описывать само подключение, т.к. о нем подробно рассказано в технической спецификации и справочнике. В итоге программа должна запуститься, как показано на скриншоте:

Интерфейс программы Battery Management Studio (bqStudio)

Расскажем об этапах настройки BQ40Z50-R1:

1. Выбор сходного профиля по химии батареек (Chemistry Programming)

Интерфейс окна bqStudio для выбора профиля химии

2. Калибровка (Calibration)

Первым делом сообщаем bqStudio текущее положение дел, для чего требуется замерить реальные значения:

напряжения на батарее;
напряжения на 1-й ячейке;
напряжения на входе;
тока;
температуры.

3. Настройка (Settings)

Затем подключаем нужные функции:

включение/выключение защит (Protection);
терморезисторов (Temperature Enable/Mode);
режим определения заряда, разряда батареи (SOC Flag Config): по напряжению или по емкости;
включение балансировки (Balancing configuration);
включение/отключение одноразовых защит (Fuse);
включение/отключение самовосстанавливаемой защиты (Protection);
что должно включится автоматически после подачи питания (Manufacturing) — при этом должны быть установлены биты FET_EN=1 и GAUGE_EN=1.

Этот режим работы встроен в микросхему BQ. Внешний микроконтроллер может включить и использовать этот режим для управления током заряда, напряжением и другими параметрами заряда. Микросхема BQ40Z50-R1 будет проводить все измерения, анализ и вычисление необходимых для АКБ параметров заряда и отсылать микроконтроллеру рекомендации по шине SMBus. Также BQ может управлять внешними ключами переключения режимов и токов заряда и защиты. Для правильного использования этого режима необходимо провести ряд настроек: токи, напряжения для разных диапазонов температуры, признак окончания заряда, балансировку.

Для правильной работы данного режима настраиваем в окне программы управления следующие поля:

Значение температур, при которых будут переключаться режимы заряда (Temperature Range)
Токи и напряжения заряда для заданных выше диапазонов температур (Low/Standart/High/Rec Temp Charging)
Ток предзаряда (Pre-Charging)
Ток обслуживающего заряда (Maintenance Charging) — для компенсации саморазряда
Напряжения (Voltage range), по превышению которых будут выставлены следующие флаги, они будут видны микроконтроллеру в регистре статуса заряда (Charging status):
—PV – режим Pre-charge
—LV – низкое напряжение
—MV – среднее
—HV – высокое

Меню Data Memory в программном пакете bqStudio

5. Защита (Protection)

Без настройки защиты никак нельзя:

Устанавливаем регистр PCHGC-защиты по току, при котором Pre-charge будет выключаться на заданное время, если ток в это время превысит установленный порог.
Устанавливаем защиту по Under voltage и Over voltage (из описания на АКБ).
Остальные параметры оставляем по умолчанию.

Gas Gauging – особая функция микросхемы BQ40Z50-R1 для вычисления текущей емкости батареи и оставшегося времени до полного заряда или разряда.

Для работы этого режима из многих установок настраиваем наиболее важные:

Design — прогнозируемые значения емкости и напряжения батареи
FD — уровни напряжения или емкости полного разряда
TD — уровни напряжения или емкости для отключения разряда
FC — уровни напряжения или емкости полного заряда
TC — уровни напряжения или емкости для отключения заряда

Процесс обучения для вычисления емкости батареи:

Выводы

Общее время заряда в таком случае составляет 5-6 часов. Емкость АКБ в конце заряда составляет 80-90% от номинальной. Если вам не нужна быстрая зарядка нескольких АКБ, требуется минимизировать себестоимость микросхемы заряда и сократить месте на плате, то это ваш вариант.

Что понадобится?

Для сборки батареи из LiFePO4 аккумуляторов своими руками приготовьте:

необходимое число аккумов с одинаковыми характеристиками, в идеале – из одной партии;
принадлежности для их соединения, например, для призматиков с резьбовыми клеммами – переходные пластины и крепежные болты, для цилиндрических элементов – никелевую полосу и аппарат контактной сварки;
БМС плату с подходящими характеристиками;
балансировочные провода;
измерительные приборы – вольтметр, омметр, мультиметр;
клеммы-переходники;
силовые клеммы;
медный многожильный провод диаметром 6 мм;
электроизоляционные материалы;
кнопку включения-выключения АКБ;
зарядное устройство, подходящее для собираемой литий-железо-фосфатной АКБ;
штекер для зарядного устройства;
индикатор зарядки;
средства индивидуальной защиты – диэлектрические перчатки, защитные очки;
термоусадочную пленку для герметизации созданной АКБ;
аккумуляторный бокс или материалы для его изготовления.

Схема сборки

При расчете необходимый вольтаж батареи нужно разделить на номинальное напряжение 3 В каждого элемента. Для 36-вольтовой батареи получаем 12 последовательно соединяемых ячеек, по 2 в параллели для набора емкости. Аналогично для получения батареи на 48 В последовательно соединяется 16 элементов. Но у заряженных LFP элементов напряжение составляет 3,65 В, поэтому напряжение заряженной батареи будет выше номинального значения: 3,65х12= 43,8 В, 3,65х16=58,4 В.

Последовательность сборки АКБ

Для создания LiFePO4 батареи по заданной схеме нужно:

Подготовить все компоненты, инструменты, измерительные приборы. Ячейки для сборки должны быть с идентичными характеристиками и низким уровнем заряда – около 20% (для безопасной сборки).
Соединить их по заранее продуманной схеме. При соединении строго соблюдать полярность. Призматические элементы соединить переходными пластинами и закрепить крепежом. Цилиндрические – соединить при помощи никелевой полосы и аппарата контактной сварки.
К минусовой клемме батареи присоединить BMS плату. От нее к каждому контакту провести балансировочные провода. Припаять их или присоединить клеммами. Четко соблюдать схему подключения, прилагаемую к конкретной БМС плате.
Присоединить силовые провода и необходимые разъемы.
Герметизировать полученную АКБ при помощи широкой термоусадки.
Поместить АКБ в корпус.
Вывести проводку. Установить кнопку включения-выключения, индикатор уровня заряда-разряда, штекер для зарядного устройства.
Имеющиеся в корпусе отверстия герметизировать.

Далее нужно протестировать батарею, зарядить ее, закрепить в выбранном месте, подключить к контроллеру, нагрузке, бортовому компьютеру или вольтметру.

О безопасности

При сборке аккумуляторной батареи, ее тестировании и дальнейшем использовании нужно соблюдать меры предосторожности. Недопустимо использовать элементы питания сомнительного качества или имеющие очевидные признаки неисправности. Аккумы нельзя ронять, деформировать, нагревать, подвергать перезаряду или глубокому разряду. Недопустимо замыкать плюсовые и минусовые клеммы. В процессе работ желательно использовать защитные очки и диэлектрические перчатки.

В данной статье приведена ознакомительная информация по сборке LFP батарей. В зависимости от подвида используемых аккумуляторов и технологии их сборки алгоритм и последовательность действий могут быть изменены. При отсутствии достаточных знаний, навыков, инструментов, комплектующих или опыта работы по изготовлению аккумуляторной батареи лучше поручить эту работу специалистам. В мастерской VoltBikes производятся АКБ всевозможных размеров и форм, с заданными характеристиками и гарантией качества.

Читайте также: