Научная статья на тему 'Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами'

Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
2788
2217
Поделиться
Ключевые слова
ККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ / ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР / ЗАРЯД / РАЗРЯД / ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО / ЗАЩИТНЫЙ КОНТРОЛЛЕР / ВСТРАИВАЕМЫЙ КОНТРОЛЛЕР / ПАССИВНАЯ БАЛАНСИРОВКА / АКТИВНАЯ БАЛАНСИРОВКА / МНОГОСЕКЦИОННАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ / RECHARGEABLE BATTERY / LI-ION ACCUMULATOR / CHARGING / DISCHARGING / CHARGING UNIT / PROTECTION CIRCUIT MODULE / EMBEDDED CONTROLLER / PASSIVE BALANCING / ACTIVE BALANCING / MULTI CELL BATTERY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Мельничук Ольга Васильевна, Фетисов Владимир Станиславович

Статья представляет собой обзор методов и средств организации правильной работы литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей, обеспечивающих их эффективную работу и длительный срок службы. Рассмотрен классический алгоритм зарядки отдельной ячейки такого аккумулятора, включающий в себя три последовательные фазы: предварительную зарядку малым током для случая, если ячейка претерпела до этого глубокий разряд; зарядку постоянным током до уровня 4,2 В и зарядку постоянным напряжением при убывающем до минимума токе. Описаны различные устройства для работы с литиевыми аккумуляторами: защитные контроллеры, которые предохраняют аккумулятор от опасных режимов работы в течение всего жизненного цикла и которые обычно встраивают в корпус аккумулятора; контроллеры зарядки, которые могут иметь различные схемы и алгоритмы работы, в частности для работы с отключением нагрузки при зарядке или без отключения. Описаны соответствующие специализированные микросхемы. Особое внимание уделено обеспечению процессов заряда-разряда многосекционных литиевых батарей, в которых ячейки соединены последовательно. В этом случае важно поддерживать одинаковый уровень заряда всех ячеек во всех режимах работы. Для этого предназначены специальные устройства, выполняющие балансировку ячеек. Балансировка может быть пассивной или активной. Пассивная балансировка заключается в выравнивании напряжения ячеек посредством резисторных байпасных цепей, рассеивающих мощность. Отмечено, что такой метод лучше использовать в недорогих устройствах. Практически вся избыточная энергия от ячеек с большим зарядом рассеивается в виде тепла это главный недостаток пассивного метода. В активном методе балансировки для передачи энергии от более заряженных ячеек к менее заряженным используются реактивные элементы индуктивности, емкости или трансформаторы, потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод гораздо более эффективен, нежели пассивный, однако при этом приходится использовать более дорогие компоненты. В качестве примеров в статье приводятся описания применения конкретных типов микросхем различных производителей: Texas Instruments, Linear Technology, Maxim, STMicroelectronics и др.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Мельничук Ольга Васильевна, Фетисов Владимир Станиславович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

SOME FEATURES OF CHARGING AND DISCHARGING OF LITHIUM RECHARGEABLE BATTERIES AND CORRESPONDING UP-TO-DATE TECHNOLOGIES OF CONTROL

This paper is a review of methods and devices for arrangement of right operation of Li-ion or Li-polymer rechargeable batteries that provides additional duration and long life time of batteries.The traditional algorithm of charging for single Li-ion cell is considered. Such algorithm includes 3 consecutive steps: preventive charging by small current if the cell was deeply discharged, charging by fixed current up to the level of the cell voltage 4.2 V, and charging by the fixed voltage at the descending current. Various devices for the service of lithium batteries are described, such as PCM embedded into the battery protection circuit module that protects a battery from dangerous operational modes during the whole life cycle; charging controllers that may be intended to provide the battery charging with connected or disconnected load. Corresponding specialized integrated circuits are described. Specially the charging-discharging processes in multi cell batteries with series connection of cells are considered. It is important for such batteries to keep equal voltages of all cells in all modes of operation. Balancing of cells is implemented by special devices. Balancing may be passive or active. Passive balancing is equalizing of cell voltages by means of shunt resistors dissipating active power. The main disadvantage of passive balancing is that dissipated energy transforms into useless heat. Such method is recommended for inexpensive devices. Active balancing method is based on energy pumping from cells with redundant charge to cells with insufficient charge by means of reactive elements such as coils, capacitors, transformer. In such case no active energy losses. So active method is more effective than passive one though it requires to use more expensive components. The paper contains many application examples for mentioned types of integrated circuits of such producers as Texas Instruments, Linear Technology, Maxim, STMicroelectronics and others.

Текст научной работы на тему «Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами»

Мельничук О. В. МеШch.uk O. V

кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

Фетисов В. С. Fetisov V S.

доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

УДК 621.355.9

ОСОБЕННОСТИ ЗАРЯДА И РАЗРЯДА ЛИТИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЭТИМИ ПРОЦЕССАМИ

Статья представляет собой обзор методов и средств организации правильной работы литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей, обеспечивающих их эффективную работу и длительный срок службы.

Рассмотрен классический алгоритм зарядки отдельной ячейки такого аккумулятора, включающий в себя три последовательные фазы: предварительную зарядку малым током для случая, если ячейка претерпела до этого глубокий разряд; зарядку постоянным током до уровня 4,2 В и зарядку постоянным напряжением при убывающем до минимума токе.

Описаны различные устройства для работы с литиевыми аккумуляторами: защитные контроллеры, которые предохраняют аккумулятор от опасных режимов работы в течение всего жизненного цикла и которые обычно встраивают в корпус аккумулятора; контроллеры зарядки, которые могут иметь различные схемы и алгоритмы работы, в частности для работы с отключением нагрузки при зарядке или без отключения. Описаны соответствующие специализированные микросхемы.

Особое внимание уделено обеспечению процессов заряда-разряда многосекционных литиевых батарей, в которых ячейки соединены последовательно. В этом случае важно поддерживать одинаковый уровень заряда всех ячеек во всех режимах работы. Для этого предназначены специальные устройства, выполняющие балансировку ячеек. Балансировка может быть пассивной или активной.

Пассивная балансировка заключается в выравнивании напряжения ячеек посредством резисторных бай-пасных цепей, рассеивающих мощность. Отмечено, что такой метод лучше использовать в недорогих устройствах. Практически вся избыточная энергия от ячеек с большим зарядом рассеивается в виде тепла - это главный недостаток пассивного метода.

В активном методе балансировки для передачи энергии от более заряженных ячеек к менее заряженным используются реактивные элементы индуктивности, емкости или трансформаторы, потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод гораздо более эффективен, нежели пассивный, однако при этом приходится использовать более дорогие компоненты.

В качестве примеров в статье приводятся описания применения конкретных типов микросхем различных производителей: Texas Instruments, Linear Technology, Maxim, STMicroelectronics и др.

Ключевые слова: аккумуляторная батарея, литий-ионный аккумулятор, заряд, разряд, зарядное устройство, защитный контроллер, встраиваемый контроллер, пассивная балансировка, активная балансировка, многосекционная аккумуляторная батарея.

This paper is a review of methods and devices for arrangement of right operation of Li-ion or Li-polymer rechargeable batteries that provides additional duration and long life time of batteries.

SOME FEATURES OF CHARGING AND DISCHARGING

OF LITHIUM RECHARGEABLE BATTERIES AND CORRESPONDING UP-TO-DATE TECHNOLOGIES

OF CONTROL

The traditional algorithm of charging for single Li-ion cell is considered. Such algorithm includes 3 consecutive steps: preventive charging by small current if the cell was deeply discharged, charging by fixed current up to the level of the cell voltage 4.2 V, and charging by the fixed voltage at the descending current.

Various devices for the service of lithium batteries are described, such as PCM - embedded into the battery protection circuit module that protects a battery from dangerous operational modes during the whole life cycle; charging controllers that may be intended to provide the battery charging with connected or disconnected load. Corresponding specialized integrated circuits are described.

Specially the charging-discharging processes in multi cell batteries with series connection of cells are considered. It is important for such batteries to keep equal voltages of all cells in all modes of operation. Balancing of cells is implemented by special devices. Balancing may be passive or active.

Passive balancing is equalizing of cell voltages by means of shunt resistors dissipating active power. The main disadvantage of passive balancing is that dissipated energy transforms into useless heat. Such method is recommended for inexpensive devices.

Active balancing method is based on energy pumping from cells with redundant charge to cells with insufficient charge by means of reactive elements such as coils, capacitors, transformer. In such case no active energy losses. So active method is more effective than passive one though it requires to use more expensive components.

The paper contains many application examples for mentioned types of integrated circuits of such producers as Texas Instruments, Linear Technology, Maxim, STMicroelectronics and others.

Key words: rechargeable battery, Li-ion accumulator, charging, discharging, charging unit, protection circuit module, embedded controller, passive balancing, active balancing, multi cell battery.

Введение

В настоящее время очень широкое применение в различных областях техники находят аккумуляторы на основе лития [1, 2]. Различные типы таких аккумуляторов используются почти повсеместно - от сотовых телефонов и мобильной компьютерной техники до мощных источников питания транспортных средств, таких как электромобили, беспилотные летательные и подводные аппараты [3]. Наибольшее распространение получили так называемые литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы (это традиционно сложившиеся названия; хотя по сути все литиевые аккумуляторы являются литий-ионными, сейчас же под литий-ионными понимают обычно аккумуляторы ранних разработок с жидким или гелевым электролитом, другие названия связаны с материалом или исполнением электролита или электрода) [4]. Кроме двух названных типов известно большое количество и других аккумуляторов на основе лития (например, для применения на транспорте серийно выпускаются литий-железофосфатные аккумуляторы [5]), но именно эти два подкласса по масштабам их производства значительно превосходят все остальные и имеют много общего как по выходным параметрам, так и в процессах заряда и разряда. Поэтому далее под кратким названием «литиевые» будем подразумевать именно эти две разновидности, хотя многое из того, что предоставляет современная техника для обеспечения качественного заряда-разряда аккумуляторов, применимо и для других типов.

Преимущества литиевых аккумуляторов очевидны: они имеют большую удельную энергетическую емкость (150-250 Вт^ч/кг против 40-80 Вт^ч/кг у основных конкурентов - никель-кадмиевых или никель-металлогидридных аккумуляторов), выдерживают большие импульсные разрядные токи - 20-40С, обладают низким саморазрядом (1%/мес. против 20%/мес. у никель-кадмиевых). Серьезным преимуществом литиевых аккумуляторов является отсутствие «эффекта памяти», а также высокое значение электро-

движущей силы (ЭДС) единичной ячейки (3,6 В против 1,2 В у никель-кадмиевых).

Однако есть и некоторые технические проблемы, которыми сопровождается эксплуатация литиевых аккумуляторов. В первую очередь это относится к чувствительности этих аккумуляторов к глубокому разряду и чрезмерному перезаряду. Недопустим также перегрев или механические повреждения аккумуляторных ячеек. Невыполнение этих условий иногда приводит к возгоранию или взрыву аккумуляторов. Хотя в последние годы появились отдельные типы литиевых аккумуляторов, обладающих повышенной стойкостью к механическим повреждениям (например, литий-серные аккумуляторы [6]), они еще не выпускаются серийно, и проблема пока сохраняется.

Во многих случаях источники питания представляют собой не единичные аккумуляторные ячейки, а наборы таких ячеек (секций), соединенных последовательно в батареи, имеющие необходимое напряжение. В наибольших масштабах налажено массовое производство многосекционных батарей, имеющих от 2 до 6 секций. Для отдельных применений выпускаются многосекционные батареи, имеющие несколько десятков секций.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Особенности электрохимических процессов, протекающих в аккумуляторных ячейках, приводят к тому, что ячейки со временем начинают отличаться друг от друга по энергетической емкости и внутреннему сопротивлению, что приводит к разбалансу -неравномерному распределению напряжения по секциям. Впоследствии, если не принимать специальных мер, это может привести как минимум к снижению эффективности использования батареи (недоиспользования ее емкости), а в худшем случае к глубокому разряду или перезаряду отдельных секций, их перегреву и выходу из строя.

Для соблюдения безопасных режимов заряда и разряда аккумуляторных батарей (АКБ) необходимо снабжать их специальными электронными устройствами, обеспечивающими контроль и выравнивание

напряжений на отдельных секциях. Это особенно актуально для высокоэнергоемких батарей с емкостями ячеек более 5 А^ч.

Устройства контроля и управления процессами заряда-разряда в АКБ построены, как правило, на базе микроконтроллеров и специализированных микросхем. Эти устройства могут быть встроены в саму АКБ, либо во внешние сервисные блоки, например, в зарядные устройства. В автономных компьютерах управление зарядом-разрядом АКБ возлагается на специальную подсистему управления питанием.

1. Особенности процессов заряда-разряда отдельной ячейки литий-ионного аккумулятора. Специализированные встраиваемые контроллеры

Рассмотрим типовой алгоритм заряда ячейки литий-ионного аккумулятора (рисунок 1).

Условно весь процесс разбит на 3 фазы. Первая фаза, так называемый предварительный заряд, включается не всегда, а только в тех случаях, когда аккумулятор сильно разряжен. Если напряжение ячейки ниже 2,8 В, то ее нельзя сразу заряжать номинальным током заряда I : это крайне отрицательно скажется на сроке службы аккумулятора. Поэтому ячейку заряжают сначала малым током примерно до 3,0 В, и только потом - номинальным током. Во второй фазе зарядное устройство работает как источник постоянного тока. При этом напряжение аккумулятора постепенно растет до 4,2 В. Аккумулятор на данный момент заряжен примерно на 70 % своей емкости. Чтобы зарядить ячейку до значений емкости, близких к 100 %, необходимо перейти к третьей фазе: здесь зарядное устройство работает как источник постоянного напряжения. На этом этапе к ячейке приложено постоянное напряжение 4,2 В, а зарядный ток уменьшается от максимума до некоторого заранее заданного минимального значения. В тот момент, когда значение тока уменьшается до этого предела, заряд батареи считается законченным и процесс завершается.

Рассмотренный алгоритм заряда реализован во многих микросхемах, предназначенных для зарядных устройств односекционных литиевых батарей. Для примера рассмотрим контроллер заряда STC4054 компании ЗТМюгоексйотсв Г71.

и.в+

4.2

Предзаряд

0.1-1,

2 фаза: Постоянный ток 3 фаза: Постоянное напряжение

Рисунок 1. Типовой алгоритм заряда ячейки литий-ионного аккумулятора

Рисунок 2. Схема включения STC4054

Микросхема STC4054 выполнена в миниатюрном корпусе типа TSOT23-5L. Это позволяет использовать ее в мобильных устройствах с достаточно жесткими требованиями по массе и габаритам. Схема включения STC4054 представлены на рисунке 2.

Как видим, для включения требуется минимальное количество внешних компонентов — не требуются даже внешние MOSFET-транзисторы, вся обвязка ограничивается фильтрующим конденсатором на входе, программирующим резистором (программирует максимальное значение тока заряда) и индикаторным светодиодом. Кроме уже описанного алгоритма микросхема выполняет защиту от перенапряжения и перегрева. Если значение входного напряжения превышает определенный предел (в частности, 7,2 В) или если температура корпуса превысит величину 120 °С, то зарядное устройство отключается, защищая себя и аккумулятор. Реализована также защита от низкого входного напряжения — если входное напряжение опустилось ниже определенного уровня, то зарядное устройство также отключится.

Устройства, подобные описанному, предназначены, в основном, для построения отдельных зарядных устройств для АКБ, которые на время зарядки отделены от нагрузки. Если же это не так, то часть зарядного тока будет утекать в нагрузку, что в первой фазе зарядки (если аккумулятор сильно разряжен) может замедлить процесс зарядки или вовсе сделать его невозможным. Для избежания таких проблем необходимо предусматривать в схемах зарядки ключевые элементы, которые разделяют пути протекания токов зарядки и нагрузки. Такая технология используется при построении микросхем контроллеров многими фирмами [8]. Например, компания Maxim называет такую технологию SPS — Smart Power Selector, которая используется в микросхемах MAX8844, MAX8819, MAX8877 и некоторых других. Фрагмент схемы SPS приведен на рисунке 3. Ее основное назначение — обеспечивать бесперебойное питание нагрузки. Транзистор VT1 или полностью открыт, или используется как линейный регулятор выходного напряжения Vout (например, 4.4 В), т.е. используется для прямого прохождения тока от источника V. к нагрузке. Транзистор VT2 подключает к нагрузке аккумулятор. Если ток в нагрузке возрастает, и источник V. не может его поддерживать, то с помощью VT2 ограничивается ток зарядки аккумулятора.

Рисунок 3. Структура для раздельного управления токами зарядки и нагрузки

Несколько иное назначение имеют так называемые защитные контроллеры (PCM-Protection Circuit Module, или PCB-Protection Circuit Board), миниатюрные платы которых встраивают непосредственно в корпус аккумулятора (рисунок 4).

Рисунок 4. Ячейка аккумулятора с защитным контроллером

Они также основаны на специализированных микросхемах. В качестве примера приведем микросхему DW01-P производства фирмы Fortune Semiconductor (Тайвань) [9] (рисунок 5).

Рисунок 5. Схема включения м/с DW01-P и плата контроллера на ее основе

Микросхема с помощью двух внешних MOSFET-транзисторов производит контроль и управление в ситуациях переразряда (OD-Overdischarge) и переза-

ряда (OC-Overcharge). Если напряжение на ячейке упадет ниже 2,5 В, то контроллер закрывает транзистор FET1 (но заряд при этом возможен через встроенный диод), а если оно будет выше 4,2 В, то закроется транзистор FET2 (но разряд при этом возможен через встроенный диод этого транзистора). Кроме того, контроллер закрывает FET1 при чрезмерном токе разряда. Величина тока разряда, а также наличие зарядного устройства определяется по падению напряжения на резисторе R2. Таким образом предотвращаются аварийные режимы работы. К клеммам BATT+, BATT- подключают нагрузку или зарядное устройство. Транзисторы FET1, FET2 входят в состав сборки TXY8205A [10].

Микросхемы PCM, подобные описанной, сейчас массово выпускают большое количество фирм. Причем среди них есть и контроллеры, предназначенные для защиты ячеек многосекционных батарей. Так, компания Seiko Instruments (Япония) выпускает целую линейку микросхем для PCM-контроллеров (S-8205, S-8253 и др.), ориентированных на различное количество секций [11]. От вышеописанных односекцион-ных PCM-контроллеров они отличаются только более сложными входными цепями для мониторинга каждой секции аккумулятора, но реакция на аварийные режимы для любой секции одна — отключается (от зарядного источника или нагрузки) вся батарея целиком.

2. Обеспечение заряда-разряда многосекционных литиевых батарей

Производители литиевых АКБ обычно комплектуют батареи из специально подбираемых близких по параметрам ячеек. Однако небольшие отличия в параметрах отдельных ячеек остаются, со временем они увеличиваются.

Во многих защитных и зарядных контроллерах полный заряд АКБ определяется по суммарному напряжению всей батареи последовательно включенных ячеек. Поэтому напряжение заряда отдельных ячеек может находиться в широких пределах, однако оно не может превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда (обычно 4,25 В). Однако в каком-нибудь слабом звене — ячейке с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением — напряжение может быть выше, чем на остальных полностью заряженных ячейках. Высокое напряжение такой ячейки после завершения заряда говорит об ее ускоренной деградации. При разряде на нагрузку такая ячейка будет быстрее других терять напряжение. Таким образом, при заряде на слабой ячейке может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные ячейки батареи еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов АКБ. То есть дисбаланс ячеек уменьшает время работы устройств без подзарядки и срок службы батареи.

Существуют два метода балансировки батарей — пассивный и активный [12]. Пассивный метод осуществляется за счет подключения в нужные моменты времени разрядных резисторов, шунтирующих

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ячейки, а активный — за счет перетоков энергии между ячейками через реактивные элементы.

Известны и другие технические решения. Например, зарядку можно производить от одного источника после перекоммутации ячеек с последовательной схемы на параллельную, в которой ток заряда каждой ячейки можно регулировать отдельно. Возможно также использование зарядного устройства с гальваническими развязанными выходами для заряда всех последовательно соединенных ячеек, при этом ячейки подключаются к своему источнику непосредственно или через управляемые ключи [13]. Однако такие решения не получили широкого распространения из-за относительной сложности реализации.

Пассивная балансировка

Этот метод балансировки заключается в выравнивании напряжения ячеек посредством резисторных байпасных цепей, рассеивающих мощность. Эти цепочки, параллельные ячейкам, могут быть интегрированы в корпус АКБ или помещаться во внешнем устройстве. Такой метод лучше использовать в недорогих устройствах. Практически вся избыточная энергия от ячеек с большим зарядом рассеивается в виде тепла — это главный недостаток пассивного метода, т.к. он сокращает время работы батарей без подзарядки.

Для реализации пассивного метода балансировки различными компаниями выпускается большое количество микросхем разных типов. Например, микросхема bq77PL900 от Texas Instruments [14], обеспечивающая зарядку с балансировкой и защиту АКБ с 5—10 последовательно включенными ячейками, широко используется в различных автономных устройствах. Сравнивая напряжение ячеек с установленными порогами, микросхема при необходимости включает режим балансировки. На рисунке 6 показан принцип действия. Если напряжение какой-либо ячейки превышает заданный порог, заряд прекращается, подключается соответствующая байпасная цепочка. Заряд не возобновляется до тех пор, пока напряжение ячейки не снизится ниже порогового.

Очевидно, что некоторая разница в напряжениях секций (AVend) при описанном методе может остаться и после балансировки. Это вызвано конечным значением напряжения гистерезиса AVOVH , которое обязательно имеет место при регулировке. Кроме того, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего сопротивления ячеек. Оно вносит свой вклад в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты не может определить, чем вызвана разбалан-сировка напряжений: разной емкостью ячеек или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все ячейки окажутся на 100 % заряженными. Несколько лучший результат балансировки обеспечивает микросхема bq2084 той же фирмы. Чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений bq2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика. Другое преимущество bq2084 — измерение и анализ напряжения всех ячеек, входящих в АКБ. Однако в любом случае этот метод применим лишь в режиме зарядки.

Микросхемы фирмы Texas Instruments семейства bq20zxx используют для определения уровня заряда свою особую технологию, названную Impedance Track, базирующуюся на определении напряжения и емкости ячейки. В этой технологии для каждой ячейки вычисляется заряд QNEED, необходимый для достижения полностью заряженного состояния, после чего находится разница AQ между QNEED всех ячеек. Затем микросхема включает силовые ключи, через которые происходит балансировка ячейки до состояния AQ=0. Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений ячеек не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время: и при зарядке, и при разрядке АКБ. При использовании технологии Impedance Track достигается более точная балансировка ячеек.

Активная балансировка

В активном методе балансировки для передачи энергии от более заряженных ячеек к менее заряженным используются индуктивности или емкости,

AVEND

t| Lj fe Is ti li

V,jV - детектирование порога do перенапряжению ^Vovh - гистерезис регулирования напряжения на ячейке

Рисунок 6. Действие пассивной балансировки

потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод гораздо более эффективен, нежели пассивный. Однако при этом приходится использовать более дорогие компоненты — катушки индуктивности, трансформаторы, конденсаторы. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы устройства без подзарядки.

В качестве примера микросхемы, реализующей активный метод балансировки, рассмотрим специализированный микроконтроллер от Texas Instruments bq78PL114, произведенный по фирменной технологии PowerPump, в которой применяются катушки индуктивности для передачи энергии. Технология PowerPump использует пару из n-канального и p-канального MOSFET-транзисторов и катушку индуктивности, которая расположена между парой секций АКБ. Схема показана на рисунке 7.

MOSFET и катушка образуют промежуточную вольтдобавочную цепь. Если bq78PL114 определяет, что верхней секции нужно передать энергию в нижнюю, на выводе P3S появляется импульсный сигнал (частота 200 кГц, скважность 30 %), разрешающий эту передачу. Когда ключ Q1 открыт, энергия из верхней секции запасается в катушке. Когда ключ Р1 закрывается, энергия, запасенная в катушке, через обратный диод ключа Р2 поступает в нижнюю секцию. Потери энергии при этом незначительны.

При больших токах балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с внутренними байпасными ключами. Так, в случае балансировки АКБ ноутбука (токи балансировки 25—50 мА) можно достичь эффективности балансировки в 12—20 раз лучшей, чем при пассивном методе. При типичных значениях разбалансировки (менее чем 5 %) баланса можно

Mio

Кривая напряжения В переключающем узле

! i. !

1 I

I MV J 1

J ! 1 _

Ш.

Q1 OffTJn"7" Ql Off Время, 1 мкеУдел

Рисунок 7. Перекачка энергии между секциями с помощью технологии PowerPump

Рисунок 8. Схема включения LTC3300-1

достичь за 1—2 цикла. Кроме того, технология PowerPump имеет и другие преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы — при заряде, разряде, на холостом ходу и даже тогда, когда секция, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем секция, получающая энергию.

В качестве другого примера современного решения для реализации активной балансировки рассмотрим микросхему LTC3300-1 фирмы Linear Technology

[15] (рисунок 8). Ее особенность состоит в применении трансформаторов в качестве внешних перераспределяющих элементов. Она способна перераспределять энергию в батарее, содержащей до 6 последовательно соединенных ячеек литиевых аккумуляторов. При этом имеется возможность построения системы балансировки для высоковольтных батарей (с напряжением до 1000 В) на основе наращиваемого количества микросхем LTC3300-1, каждая из которых обслуживает свою группу ячеек. Применение этой микросхемы возможно как совместно с микросхемой контроля литиевых батарей LTC6803-1 этой же фирмы

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

[16], так и с другими устройствами контроля, в том числе и спроектированными самим разработчиком батареи. Эта легкость наращивания системы обуслов-

Список литературы

1. Learning the basics about batteries / Cadex Electronics Inc. — URL: http://http://batteryuniversity. com/learn/article/lithium_based_batteries.

2. Lithium Batteries: Science and Technology / ed. by G.-A. Nazri, G. Pistoia(s.). — Springer, 2009.

3. Фетисов В.С., Тагиров М.И., Мухаметзянова А.И. Подзарядка электрических беспилотных летательных аппаратов: обзор существующих разработок и перспективных решений // Авиакосмическое приборостроение. — 2013. — № 11. — С. 7-26.

4. Кедринский И.А., Яковлев В.Г. Литий-ионные аккумуляторы. — Красноярск: Платина, 2002. — 268 с.

5. Rao M.C. Novel Cathode Materials for Rechargeable Batteries // International Journal of Science and Research (IJSR), Proceedings of National Conference on Advanced Technology Oriented Materials (AT0M-2014), 8-9th Dec., 2014, Rajahmundry. — Andhra Pradesh, India, 2014. — P. 11-13. — URL: http://www.ijsr.net/conf/ AT0M2014/AT0M2014_03.pdf.

6. Kolosnitsyn V.S., Karaseva E.V. Lithium-Sulfur Batteries: Problems and Solutions // Russian Journal of Electrochemistry. — 2008. — Vol. 44. — No. 5. — Р. 506509. — URL: https://www.researchgate.net/publication /225512575_Lithium-sulfur_batteries_Problems_and_ solutions.

7. Никитин А. Все для литиевых аккумуляторов: микросхемы STM для зарядных устройств и мониторинга батарей // Новости электроники. — 2013. — № 2. — С. 21-26. — URL: http://www.compel.ru/lib/ ne/2013/2/4-vse-dlya-litievyih-akkumulyatorov-mikro-shemyi-stm-dlya-zaryadnyih-ustroystv-i-monitoringa-batarey.

лена наличием цифрового интерфейса управления, аппаратно совместимого с SPI, и простого протокола обмена информацией. Подбирая для каждого конкретного применения внешние компоненты с различными характеристиками можно соответствующим образом варьировать характеристики разрабатываемой системы балансировки. В частности, применив мощные MOSFET-транзисторы, можно повысить ток баланса до 10 А.

Заключение

Управление процессами заряда-разряда литиевых АКБ — довольно сложная и ответственная задача. Однако на сегодняшний день она во многом облегчена благодаря наличию на рынке большого количества разнообразных микросхем, модулей и готовых изделий, которые предназначены специально для решения указанной технической задачи.

Среди производителей специализированных интегральных микросхем для контроля и управления зарядом-разрядом литиевых АКБ заметно выделяются такие фирмы как Texas Instruments, Linear Technology, Maxim Integrated Products, STMicroelectronics, Seiko Instruments, NXP Semiconductors.

8. Охрименко В. Интеллектуальные контроллеры зарядки аккумуляторов // Электронные компоненты. — 2011. — № 6. — С. 85-88.

9. DW01-P: One Cell Lithium-ion/Polymer Battery Protection IC. Техническая информация компании Fortune Semiconductor Corp. — 2014. — URL: http:// www.ic-fortune.com/upload/Download/DW01-P-DS-15_ EN.pdf.

10. Устройство и принцип работы защитного контроллера Li-ion/polymer аккумулятора. — URL: http:// go-radio.ru/sxema-kontrollera-litiy-ionnogo-akkumulatora. html.

11. Lithium-ion Rechargeable Battery Protection ICs. Техническая информация компании Seiko Instruments Inc. — 2016. — URL: http://www.sii-ic.com/en/semicon/ products/power-management-ic/lithium-ion-battery-protection-ic.

12. Рыкованов А., Беляев С. Активные и пассивные системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей// Компоненты и технологии. — 2014. — № 3. — С. 121-124.

13. Груздев А.И. Концепция построения систем контроля и управления высокоэнергоемких литиевых аккумуляторных батарей // Электрохимическая энергетика. — 2005. — Т. 5. — № 2. — С. 90-93.

14. Сихуа Вэн. Выравнивание параметров секций аккумулятора обеспечивает дополнительное время работы и увеличивает срок службы аккумуляторных батарей//Компоненты TI: Бюллетень научно-технической информации. — 2011. — Вып. 2 (30). — С. 44-48.

15. LTC3300-1. Datasheet. Техническая информация компании Linear Technology Corp. 2013. — URL: http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/33001fb.pdf.

16. LTC6803. Datasheet. Техническая информация компании Linear Technology Corp. 2011. — URL: http:// cds.linear.com/docs/en/datasheet/680313fa.pdf.

References

1. Learning the basics about batteries / Cadex Electronics Inc. — URL: http://http://batteryuniversity. com/learn/artide/lithium_based_batteries.

2. Lithium Batteries: Science and Technology / ed. by G.-A. Nazri, G. Pistoia(s.). — Springer, 2009.

3. Fetisov V.S., Tagirov M.I., Mukhametzyanova A.I. Podzaryadka elektricheskikh bespilotnykh letatel'nykh apparatov: obzor sushchestvuyushchikh razrabotok i perspektivnykh reshenii//Aviakosmicheskoe pribo-rostroenie. — 2013. — № 11. — S. 7-26.

4. Kedrinskii I.A., Yakovlev V.G. Litii-ionnye akkumulyatory. — Krasnoyarsk: Platina, 2002. — 268 s.

5. Rao M.C. Novel Cathode Materials for Rechargeable Batteries // International Journal of Science and Research (IJSR), Proceedings of National Conference on Advanced Technology Oriented Materials (AT0M-2014), 8-9th Dec., 2014, Rajahmundry. — Andhra Pradesh, India, 2014. — P. 11-13. — URL: http://www.ijsr.net/conf/ AT0M2014/AT0M2014_03.pdf.

6. Kolosnitsyn V.S., Karaseva E.V. Lithium-Sulfur Batteries: Problems and Solutions // Russian Journal of Electrochemistry. — 2008. — Vol. 44. — No. 5. — R. 506-509. — URL: https://www.researchgate.net/ publication/225512575_Lithium-sulfur_batteries_ Problems_and_solutions.

7. Nikitin A. Vse dlya litievykh akkumulyatorov: mikroskhemy STM dlya zaryadnykh ustroistv i monitoringa batarei // Novosti elektroniki. — 2013. — № 2. — S. 21-26. — URL: http://www.compel.ru/lib/ ne/2013/2/4-vse-dlya-litievyih-akkumulyatorov-mikroshemyi-stm-dlya-zaryadnyih-ustroystv-i-monitoringa-batarey.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8. Okhrimenko V. Intellektual'nye kontrollery zaryadki akkumulyatorov // Elektronnye komponenty. — 2011. — № 6. — S. 85-88.

9. DW01-P: One Cell Lithium-ion/Polymer Battery Protection IC. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Fortune Semiconductor Corp. — 2014. — URL: http://www. ic-fortune.com/upload/Download/DW01-P-DS-15_EN.pdf.

10. Ustroistvo i printsip raboty zashchitnogo kontrollera Li-ion/polymer akkumulyatora. — URL: http://go-radio.ru/sxema-kontrollera-litiy-ionnogo-akkumulatora.html.

11. Lithium-ion Rechargeable Battery Protection ICs. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Seiko Instruments Inc. — 2016. — URL: http://www.sii-ic.com/en/semicon/ products/power-management-ic/lithium-ion-battery-protection-ic.

12. Rykovanov A., Belyaev S. Aktivnye i passivnye sistemy balansa Li-ion akkumulyatornykh batarei // Komponenty i tekhnologii. — 2014. — № 3. — S. 121-124.

13. Gruzdev A.I. Kontseptsiya postroeniya sistem kontrolya i upravleniya vysokoenergoemkikh litievykh akkumulyatornykh batarei // Elektrokhimicheskaya energetika. — 2005. — T. 5. — № 2. — S. 90-93.

14. Sikhua Ven. Vyravnivanie parametrov sektsii akkumulyatora obespechivaet dopolnitel'noe vremya raboty i uvelichivaet srok sluzhby akkumulyatornykh batarei//Komponenty TI: Byulleten' nauchno-tekhnicheskoi informatsii. — 2011. — Vyp. 2 (30). — S. 44-48.

15. LTC3300-1. Datasheet. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Linear Technology Corp. 2013. — URL: http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/33001fb.pdf.

16. LTC6803. Datasheet. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Linear Technology Corp. 2011. — URL: http:// cds.linear.com/docs/en/datasheet/680313fa.pdf.