CC BY
62Решетневскуе чтения. 2018
УДК 621.316.722, 621.354.342.1
ПАССИВНАЯ СИСТЕМА ВЫРАВНИВАНИЯ ПО ЕМКОСТИ ДЛЯ ЛИТИЙ-ИОННЫХ БАТАРЕЙ
А. Т. Лелеков, В. Ф. Кадыров, С. Л. Денисов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: a.t.lelekov@yandex.ru
Исследован пассивный метод выравнивания литий-ионных аккумуляторов в батарее по ёмкости. Предложен вариант принципиальной схемы, проведены испытания разработанной системы выравнивания.
Ключевые слова: выравнивание, аккумуляторная батарея, заряд, литий-ионный аккумулятор.
PASSIVE CELL CAPACITY BALANCING SYSTEM FOR LI-ION BATTERIES
A. T. Lelekov, V. F. Kadyrov, S. L. Denisov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: a.t.lelekov@yandex.ru
A passive method of capacity equalizing for lithium-ion batteries has been studied. A variant of the circuit is proposed, and tests of the developed system are carried out.
Keywords: equalization, passive cell capacity balancing, li-ion battery, charge
В системе электропитания большинства космических аппаратов в качестве накопителя энергии применены литий-ионные аккумуляторные батареи. Достаточно высокое напряжение внутренней сети (номинальное напряжение 100 В) требует большого количества (не менее 27) соединённых последовательно аккумуляторов, вследствие чего проблема балансировки батареи по ёмкости становится очень актуальной. Батарея разбалансирована, когда накопленный заряд отдельных аккумуляторов различается. При разряде цепочки аккумуляторов одним током, аккумулятор с меньшей ёмкостью разрядится первым, напряжение на нем упадёт, и он либо будет переразряжен (что приведёт к его повреждению), либо контроллер батареи спасая аккумулятор отключит разряд. При этом питание полезной нагрузки прекратится, хотя батарея ещё имеет в запасе энергию. Таким образом, батарея будет работать как самый «слабый» аккумулятор в ней. Вдобавок вследствие того, что характеристики аккумуляторов зависят от текущей ёмкости, они будут иметь разное тепловыделение и, следовательно, различную температуру и скорость деградации характеристик.
Для предотвращения разбаланса батареи применяют различные балансировочные устройства и процедуры [1]. У литий-ионных аккумуляторов напряжение достаточно сильно зависит от ёмкости [2] (на графике «напряжение-ёмкость» нет плоских участков), поэтому батарею обычно балансируют по напряжению, добиваясь равенства напряжений отдельных аккумуляторов. Электрохимия литий-ионных аккумуляторов допускает нахождение напряжения в пределах от 2,4-2,8 В до 4,1-4,3 В, вне этого диапа-
зона скорость деградации существенно (на порядки) выше.
Одним из наиболее простых и надёжных методов выравнивания является использование пассивных выравнивающих устройств (ВУ), типа мощного стабилитрона, настроенного на предельное максимальное напряжение заряда аккумулятора. При заряде батареи по достижении на аккумуляторе предельного напряжения стабилитрон включается и обводит зарядный ток мимо аккумулятора, стабилизируя напряжение на нём и исключая таким образом его перезаряд. При включении ВУ на нем выделяется тепловая энергия, равная IЗАРUАКК, которая иначе пошла бы на заряд аккумулятора. К окончанию заряда напряжения на аккумуляторах выравниваются. Условием окончания заряда будет превышение напряжениями всех аккумуляторов некоторого порога, близкого к максимальному напряжению заряда аккумулятора.
Для выбора оптимальной по точности, температурной стабильности и надёжности, были проанализированы несколько вариантов принципиальной схемы ВУ, для которых были подобраны электронные компоненты.
Наиболее удачная принципиальная схема приведена на рис. 2, а измеренные выходные вольт-амперные характеристики на рис. 3.
Видно, что результирующая ВАХ имеет как достаточно крутой подъём, так и приемлемый уровень тока для применения в качестве пассивного выравнивающего элемента. Разброс между образцами ВУ по напряжению стабилизации также достаточно мал, и может быть еще уменьшен прецизионной подгонкой порога управления.
Системы управления, космическая навигация и связь
Рис. 1. Структурная схема батареи с пассивной системой выравнивания
Рис. 2. Принципиальная схема ВУ
с"1 _
3f01
1 /
/ 7
3J и ¡si VH 9.1 li
Рис. 3. ВАХ ВУ
В качестве управляемого стабилитрона применена микросхема TI TL431 (отечественный аналог К142ЕН19, производство ЗАО «Группа Кремний ЭЛ»). Для разработанной схемы проведены испытания на температурную стабильность характеристик.
Библиографические ссылки
1. Lee W. C., Drury D., Mellor P. Comparison of passive cell balancing and active cell balancing for automotive batteries // 2011 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC 2011. Doi: 10.1109/VPPC. 2011.6043108.
2. Таганова А. А., Бубнов Ю. И., Орлов С. Б. Гер -метичные химические источники тока: Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний
и эксплуатации : справочник. СПб. : Химиздат, 2005. 264 с.
References
1. Lee W. C., Drury D., Mellor P. Comparison of passive cell balancing and active cell balancing for automotive batteries // 2011 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC 2011. Doi: 10.1109/VPPC.2011.6043108.
2. Taganova A. A., Bubnov Yu. I., Orlov S. B. Hermetic chemical sources of current: Elements and batteries. Equipment for testing and operation // Handbook. St. Petersburg: Himizdat, 2005. 264 p.
© Лелеков А. Т., Кадыров В. Ф., Денисов С. Л., 2018
