Балансировочные устройства для зарядки аккумуляторов

Одновременная зарядка нескольких литиевых аккумуляторов при последовательном и параллельном соединении. Схема балансира для зарядки нескольких 3.7v Li-Ion или Li-Polymer аккумуляторов

Несмотря на то, что параллельное соединение нескольких аккумуляторов имеет ряд достоинств, такое включение (по сравнению с последовательным) используется довольно редко. Ёмкость такой батареи равна сумме емкостей запараллеленных АКБ, а разрядный ток, который она может отдать в нагрузку, равен току одного элемента, умноженному на количество элементов.
При этом и в процессе заряда, и в процессе разряда аккумуляторы обмениваются энергией, то есть если одна из банок имеет меньшую ёмкость, остальные не дадут ей зарядиться либо разрядиться быстрее их самих. Можно абсолютно спокойно одновременно заряжать разные по ёмкости аккумуляторы в параллели, то есть балансировка не нужна, сборка будет сама себя балансировать.

Другое дело – последовательное соединение АКБ. Здесь суммируются напряжения каждого из аккумуляторов, а общая ёмкость сборки равна ёмкости аккумулятора с самой маленькой ёмкостью. Заряжать такую сборку нужно напряжением, равным сумме максимальных напряжений для каждого из аккумуляторов. К примеру, для литиевых 4.2-вольтовых АКБ батарею из трех последовательно соединённых элементов следует заряжать напряжением, а вернее – током до напряжения 12.6 В.
При зарядке такой последовательной сборки одним из главных требований является предотвращение неравномерности заряда каждого из элементов, т. е. исключение ситуаций, когда одна ячейка уже полностью зарядилась и уходит в перезаряд, а остальные ещё недозарядились. Обеспечить выполнение этого требования при последовательной зарядке, не приняв специальных мер, невозможно.

Для решения этой задачи применяются специальные балансировочные устройства, которые позволяют значительно продлить срок службы АКБ. Простейший тип "балансира" – это ограничитель напряжения. В его функции в процессе заряда входят отслеживание значения напряжения на каждом отдельном элементе, и, как только оно достигнет максимальной величины – подача команды на замыкание силового ключа. Данный ключ подключен параллельно аккумулятору и в момент замыкания пропускает через себя большую часть зарядного тока, разгружая элемент и превращая часть пропускаемой энергии в тепло.
Исходя из сказанного, легко увидеть, что такой балансир вступает в работу только в конце заряда.

Функциональная схема и принцип работы описанного балансировочного устройства приведены на Рис.1.


Рис.1 Функциональная схема и принцип работы балансира для зарядки АКБ

Поскольку среди выпускаемого ассортимента стабилитронов найти мощные приборы с заданными и идентичными характеристиками – дело непростое и недешёвое, то на практике стабилитроны заменяется электронными аналогами. Одними из таких заслуженно популярных аналогов являются электронные устройства с регулируемым напряжением стабилизации на ИМС TL431 (Рис.2).

Рис.2 Схемы электронных аналогов мощных стабилитронов на ИМС TL431

Описание регулируемого аналога стабилитрона на TL431, содержащее калькулятор по расчёту элементов делителя, было нами приведено и подробно рассмотрено на странице – (ссылка на страницу).

На Рис.2 слева направо изображены: 1. Простейшая схема регулируемого аналога стабилитрона с напряжением пробоя 4.2 В; 2. Аналогичная схема, но с индикатором срабатывания ключа, соответствующего полному заряду аккумулятора (к которому подключена схема); 3. Точно такое же по функционалу устройство с индикацией, но выполненное на дополнительном транзисторе.

Приведённые схемы фигурируют в различных заслуживающих доверия источниках информации, проверены многочисленной радиолюбительской братвой и, как показывает практика, довольно надёжны и неприхотливы в настройке. Единственное о чём следует побеспокоиться – это подобрать с точностью не менее 1% номиналы резисторов R1 и R2, либо заменить R2 последовательной цепочкой, состоящей из резистора 9.1 кОм и подстроечника на 2 кОм. Подстроечным резистором необходимо отрегулировать напряжение срабатывания силового ключа на уровне 4.2 вольта.

В качестве Т1 можно применить любой p-n-p транзистор мощностью не менее 15 Вт, типа: BD136, BD138, КТ816, TIP32 и т. д.
Транзистор Т2 – опять-таки любой маломощный p-n-p.

А теперь сгруппируем всё вышеперечисленное в общую схему балансировочного устройства для зарядки трёх 3.7v литиевых аккумуляторов.

Рис.3 Схема простого зарядного устройства для трёх последовательно соединённых Li-Ion аккумуляторов

Несмотря на многочисленные конструкции, приведённые в сети, идея использовать токозадающий резистор между источником питания и схемой балансировки не является самой удачной. При таком построении зарядный ток будет в значительной степени уменьшаться в процессе набора аккумулятором напряжения, что не позволит АКБ полностью зарядиться с максимальной для него скоростью.
Простейшее устройство источника тока позволит устранить данный недостаток, сохраняя зарядный ток на более-менее постоянном уровне в течение всего времени заряда: от начала до момента срабатывания балансировочного ключа.

Источник (стабилизатор) тока выполнен на транзисторах Т1, Т2. Резисторы R1...R3 определяют величину выходного тока источника, которая рассчитывается по простой формуле I≈0,6/R.
Трёхпозиционный тумблер S1 (ON)-OFF-(ON) коммутирует эти резисторы, позволяя выходному (зарядному) току принимать значения: 300 мА, 600 мА и 1000 мА.

Мощность, которая выделяется на транзисторе Т2 в виде тепла, приблизительно равна Р≈(Еп - 4.2*3)*Iзар, то есть при напряжении питания 20 В и зарядном токе 1 А составляет около 7 Вт. Поэтому с учётом конкретных условий (напряжения питания и значения тока) для транзистора может потребоваться радиатор.
Кстати, на ключе балансира также может выделяться существенная мощность, немногим недотягивающая до значения 4.2*Iзар.

Аналоги стабилитронов (на схеме в синих квадратах) можно выполнить по любой из схем, приведённых на Рис.2. Количество их практически ничем не ограничено, следует лишь позаботиться о выборе соответствующего напряжения питания.

С блоками же питания напряжением 16...20 вольт проблем возникнуть не должно – это могут быть расхожие БП от ноутбуков или электроинструмента.