РАЗРАБОТКА АКТИВНОГО БАЛАНСИРА ДЛЯ МНОГОЯЧЕЕЧНОЙ БАТАРЕИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Уколов Д. Н.; Гречишников А. В.; Крыжевич Л. С.

УДК 62

РАЗРАБОТКА АКТИВНОГО БАЛАНСИРА ДЛЯ МНОГОЯЧЕЕЧНОЙ БАТАРЕИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

1 аспирант второго года обучения по направлению подготовки «Теплофизика и теоретическая теплотехника» e-mail: ukolov. dmitriy2804 @ mail. ru 2аспирант второго года обучения по направлению подготовки « Физика конденсированного состояния» e-mail: alex97w @ mail. ru 3кандидат технических наук, и.о. заведующего кафедрой информационной

безопасности Курский государственный университет e-mail: Leonid@programist.ru

13Курский государственный университет 2Юго-Западный государственный университет

Статья посвящена разработке высокоэффективной системы для контроля работы аккумуляторной батареи. Приводятся краткое теоретическое описание работы балансиров и электрические схемы для создания активной балансирующей системы индуктивного типа с возможностью зарядки аккумуляторов батареи.

Ключевые слова: литий-ионный аккумулятор, балансирующая система.

DEVELOPMENT OF THE ACTIVE BALANCER FOR A MULTICELL BATTERY OF LI-ION BATTERIES

1Second year postgraduate student in the field of study «Thermophysics and theoretical heat engineering» e-mail: ukolov. dmitriy2804 @ mail. ru 2Second year postgraduate student in the field of study «Condensed Matter Physics» e-mail: alex97w @ mail. ru 3 Candidate of Technical Sciences, Acting Head of the Department of Information Security e-mail: Leonid@programist.ru

1' 3Kursk State University 2South-East State University

The article is devoted to the development of a highly efficient system for monitoring battery operation. A brief theoretical description of the operation of balancers and electrical circuits for creating an active inductive balancing system with the ability to charge batteries are provided.

Keywords: Li-ion battery, battery management system.

Сейчас все технические процессы становятся автоматизированными и многие компании внедряют в свою деятельность технологию беспроводных сетей. Также возрастает и количество автономных устройств у потребителей - смартфоны, беспроводные наушники, умные часы и т.д. Все эти устройства имеют в своем составе аккумуляторные батареи, при зарядке которых возникает существенная проблема -неравномерный заряд отдельных аккумуляторов в батарее, что приводит к снижению ее надежности и долговечности [1]. Данная проблема может быть решена при помощи балансирующих систем. Целью данной работы является создание активного балансира, который мог бы обеспечить работу многоячеечной аккумуляторной батареи.

На современном этапе развития электроники сформировались два основных типа балансиров для аккумуляторных батарей - пассивные и активные. Принцип работы пассивных балансиров построен на том, что они разряжают аккумуляторы, которые имеют напряжение выше, чем минимальное в сборке, на балансировочные резисторы. Это сопровождается большим выделением тепловой энергии и приводит к иррациональному использованию ресурса аккумуляторной батареи. Активные балансиры сравнивают напряжение на двух соседних аккумуляторах в батарее и перераспределяют энергию между ними пока разность потенциалов на них не станет нулевой. В качестве переносчика энергии выступают элементы с малым значением активного сопротивления (конденсаторы или катушки индуктивности) для уменьшения тепловых потерь при протекании электрического тока.

Среди активных балансиров наибольшей популярностью пользуются емкостные системы. Данный вид балансиров заряжает буферную емкость аккумулятором с большим напряжением, затем подключает этот конденсатор к аккумулятору с меньшим напряжением для его подзарядки (рис. 1). Индуктивные системы работают схожим образом, однако перераспределяемая энергия хранится не в конденсаторе, а в буферном дросселе (рис. 2).

Рис. 1. Схема работы емкостного балансира

Рис. 2. Схема работы индуктивного балансира

Таким образом, было принято решение строить балансир на микросхеме ETA3300S2G компании ETA Semiconductor. Данная микросхема является активным

индуктивным балансирующим элементом с низким током собственного потребления. На рисунке 3 показана схема включения ETA3300S2G в проектируемой системе. Буферными дросселями здесь являются элементы L1 и L2, конденсаторы С10-С15 установлены для сглаживания индуктивного выброса и стабилизации напряжения на ячейках батареи. Ток балансировки в данной схеме установлен на уровне 250 мА при помощи RC-цепей R29/C5 и R30/C6. Данное значение выбрано как наиболее оптимальное для литий-ионных аккумуляторов емкостью 2 500 мАч (1/10 от заявленной производителем емкости).

__ ВАТЗ

С5 ' '

1н

0603 R29

200к 0603

С6

1н

0603 R30

200к 0603

GND'I

DA9

ВАТР ST BIAS

ISET sw

BATN ВАТС

С7

Юн 0603

L1 1мк

ETA3300S2G

СЮ ' 1мк 0603

С11 ' 1мк

0603

□ А10

ВАТР ST BIAS

ISET SW

BATN ВАТС

С8

Юн 0603

L2 1мк

ETA3300S2G

С12 : 1мк 0603

С13 1мк 0603

Рис. 3. Схема включения балансира ETA3300S2G

XS5

ВАТ2

XS6

СИ : 22мк 0805

ВАТ1

XS7

С15 : 22мк 0805

• XS8

Также в разрабатываемом устройстве была предусмотрена схема защиты от глубокого разряда (рис. 4). Она отключает батарею от нагрузки, если напряжение на одном из аккумуляторов станет меньше, чем допустимое производителем (для аккумуляторов формата 18650 оно составляет 2,5-3 В). В качестве основного элемента сравнения выступает микросхема ^431, к опорному выводу которой подключен резистивный делитель. Таким образом, если напряжение на аккумуляторе станет меньше 3±0,03В, микросхема ^431 притянет базу транзистора BC817-25 земле и через оптрон LTV-817S-TA1-C перестанет протекать ток. Данное изменение фиксируется логическим элементом [4] HEF4082BT,652, который в последствии выдаст сигнал ошибки на линию FLV.

Рис. 4. Схема защиты от глубокого разряда аккумуляторов

Для защиты аккумуляторной батареи от короткого замыкания на выходе была спроектирована схема токовой защиты (рис. 5). Основным чувствительным элементом данного узла является резистор R7, выполняющий роль шунта [2]. При увеличении тока нагрузки также увеличивается и падение напряжения на данном элементе, что фиксируется компаратором TS391ILT. Если это значение превысит допустимое, то выход компаратора откроется и на линии FOC появится сигнал ошибки. Настройка максимального выходного тока осуществляется подбором резистора R8, который уменьшает опорное напряжение на неинвертирующем входе компараторе TS391ILT.

Рис. 5. Схема защиты от повышенной токовой нагрузки

Обработку ошибок на линиях FLV и FOC осуществляет логический элемент HEF4082BT,652 (рис. 6). Если один из данных сигналов примет состояние логического «0», то выход HEF4082BT,652 будет притянут к земле, что, в свою очередь, включит индикационный светодиод VD1 и отключит аккумуляторную батарею от нагрузки через силовой транзистор VT5.

НЕ^082ВТ,

Рис. 6. Схема обработки и индикации ошибок балансира

Для зарядки аккумуляторной батареи были выведены клеммы ХБ3 и ХБ4, к которым подключается источник питания 12В. Данная линия проходит через монитор входного питания (рис. 7), который отключает батарею в процессе зарядки от нагрузки через транзистор УТ6. Зарядка аккумулятор осуществляется при помощи специализированной микросхемы МАХ8724ЕТ1+ по системе СС-СУ (постоянный ток -постоянное напряжение) [3]. Преимуществами данной микросхемы являются ее высокий КПД (~93%), возможность зарядки большими токами (>1А) и малые массогабаритные характеристики.

Рис. 7. Схема монитора входного питания

Рис. 8. Схема контроллера зарядки аккумуляторной батареи

Таким образом, в результате проектирования был разработан активный балансир индуктивного типа, работающий по схеме подключения 3S (3 последовательно включенных аккумулятора). Данное устройство также оснащено защитами от глубокого разряда и короткого замыкания на выходе и имеет встроенный контроллер заряда аккумуляторов, что позволяет использовать его как высокоэффективное BMS-устройство.

Библиографический список

1. Изосимова, Т. А. Анализ просадки емкости аккумуляторных ячеек / Т. А. Изосимова, А. С. Афанасьев // Современные и информационные технологии в социальной сфере: сборник научных трудов республиканской НПК. - Чебоксары:, 2021. - С. 72-79.

2. Никифоров, И. К. Электронная аппаратура. Пассивные компоненты схем: резисторы, предохранители, конденсаторы. Термоэлектрические устройства / И. К. Никифоров. - Москва: Инфора-Инженерия, 2023. - 401 с.

3. Хрусталев, Д. А. Аккумуляторы / Д. А. Хрусталев. - Москва: Изумруд, 2003. -

224 с.

4. Шустов, М. А. Цифровая схемотехника. Практика применения / М. А. Шустов. - Москва, 2018. - 640 с.

5. ETA3000 Datasheet, Cell Balancer. - URL: https://datasheetspdf.eom/pdf/1424958/ETA/ETA3000/1 (дата обращения: 23.11.2023).

6. HEF4082B Dual 4-input AND gate Datasheet. - URL: https://statie.ehipdip.ru/lib/801/DQC004801208.pdf (дата обращения: 25.11.2023).

7. MAX8724ETI Datasheet. - URL: https://datasheet.su/datasheet/MAXIM%20-%20Dallas%20Semiconductor/MAX8724ETI (дата обращения: 28.11.2023).

8. TS391ILT Datasheet. - URL: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/170804/STMICR0ELECTR0NICS/TS391ILT.html (дата обращения: 25.11.2023).

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Уколов Д. Н., Гречишников А. В., Крыжевич Л. С.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Уколов Д. Н., Гречишников А. В., Крыжевич Л. С.

DEVELOPMENT OF THE ACTIVE BALANCER FOR A MULTICELL BATTERY OF LI-ION BATTERIES

Текст научной работы на тему «РАЗРАБОТКА АКТИВНОГО БАЛАНСИРА ДЛЯ МНОГОЯЧЕЕЧНОЙ БАТАРЕИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ»