Балансировочное устройство для заряда аккумуляторов lipo. Компактное зарядно-балансировочное устройство SkyRC e450 с высоким током заряда

Сейчас на рынке полно зарядных устройств. Автоматы и нет, с измерением емкости и без него. Большинство зарядных устройств универсальны и могут заряжать элементы любой химии. Литий-ион и литий-полимер все чаще применяют в разных устройствах.
Не так давно я переделывал аккумулятор шуруповерта на литий-ионные элементы формата 18650. Заряжаю его умным зарядным устройством Turnigy. Но данное зарядное есть не у каждого.

Понадобится для сборки

Принял решение, собрать простое зарядное устройство с балансиром для литий-иона. Зарядное устройство имеет 3 одинаковых независимых канала. Им можно заряжать от одного элемента до трех. Если нужно, можно добавлять любое количество каналов. У меня же их три, то есть 3S или 11.1 вольт.
Корпусом для балансирующего зарядного устройства является корпус от сгоревшего роутера D-link. Если есть возможность, берите корпус побольше, очень тесно получается в нем работать.

Одним из главным компонентном, являются блоки питания каждого канала. Их роль выполняю платы зарядных устройств планшетов, с выходом 5 Вольт и током от 1 Ампера (или можно купить на Али Экспресс - .

Контроллерами заряда служат платы из Китая - . На каждый канал, свой контроллер. У меня платы без защиты, но она в данном случае не нужна. Можно применять платы контроллеров вместе с разъемами, у меня на двух они отсутствуют, сняты для других проектов. Цена на данные модули копеечная. Если занимаетесь доработкой устройств на литий-ионе и литий-полимере, то данные контроллеры незаменимы.

Изготовление балансировочного зарядного устройства

Платы контроллеров заряда нужно припаять к выходам плат зарядок. Можно и отдельно. Я припаял на толстые жилы от силового кабеля, так конструкция более жесткая.

На платах контроллеров заряда имеются светодиоды, которые индицируют заряд и окончание заряда. Их нужно выпаять. Вместо них будут обычные светодиоды, разного цвета. Они будут прикреплены к окошкам, где раньше моргали светодиоды роутера.

К светодиодам припаял провода от старого шлейфа жесткого диска компьютера. Если есть светодиоды с общим анодом(плюсом), то лучше применить их. У меня таких не оказалось, применил что есть.

На место старых светодиодов, припаиваем шлейфы со светодиодами. На фото у меня зеленый светодиод на 3 мм. Пришлось заменить, оказались паленые, не проверил перед распайкой.

Для задней панели нужно вырезать накладку. В ней проделываем пропилы под выключатель питания и выходной разъем на 4 пина. Разъем снял со старого жесткого диска. Можно применить любой, на нужное количество пинов, с током 1-2 Ампера.
Выключатель снял со старого блока питания компьютера. Накладку прикручиваем на два винта, для жесткости.

Выходной разъем приклеиваем на эпоксидный клей или соду с супер клеем. Я для быстроты приклеил и одним и другим.
Плата зарядок с контроллерами, приклеил на термо клей. Но перед фиксацией припаял сетевые проводочки.

Один из сетевых проводочков, припаиваем к выключателю. Второй, непосредственно к второму проводу сетевого шнура.

Теперь приклеиваем светодиоды. Я клеил термо клеем, можно и содой с супер клеем.

Распаиваем выходные перемычки.
Плюс первого контроллера на первую ножку выходного разъема. Минус его на вторую ножку и соединяем с плюсом второго контроллера. И так далее.

Корпус скручиваем и откладываем в сторону.

Сделаем провод под данной зарядное устройство.
Применил два отрезка проводов от компьютерного блока питания. Спаял в порядке с первого контакта одного разъема к контакту второго.

Подключаем зарядное устройство к аккумулятору шуруповерта (). Красный светодиод индицирует о идущем процессе заряда. По окончанию заряда, загорается зеленый светодиод. Соответственно загораются значки на корпусе: Wi-Fi, второй и четвертый компьютеры.

Вот такое зарядное устройство у нас получилось. Затраты минимальны, а польза большая.
Данным устройством можно заряжать сборки на литий-полимерах, те которые применяют моделисты в своем транспорте. Главное сделать правильный провод зарядки.

Наверняка, каждый радиолюбитель сталкивался с проблемой, подключая литиевые аккумуляторы последовательно, замечал что один садиться быстро а другой еще вполне держит заряд, но из за другого севшего вся батарея не выдает нужного напряжения. Это происходит от того что при зарядке всего блока батарей, они заряжаются не равномерно, и часть батарей набирают полную емкость а часть нет. Это приводит не только к быстрому разряду, но и к выходу из строя отдельных элементов, из за постоянной не до зарядки.
Исправить проблему достаточно просто, на каждый аккумуляторный элемент нужен так называемый балансир, устройство которое после полной зарядки батареи блокирует ее дальнейший перезаряд, и управляющим транзистором обводит зарядный ток мимо элемента.
Схема балансира достаточно проста, собрана на прецизионном управляемом стабилитроне TL431A, и транзисторе прямой проводимости BD140.

После долгих экспериментов схема немного изменилась, в место резисторов было установлено 3 последовательно включенных диода 1N4007, работать балансир стал как по мне стабильней, диоды при зарядке ощутимо греются, это следует учитывать при разводке платы.

Принцип работы очень прост, пока напряжение на элементе меньше 4,2 вольта, идет зарядка, управляемый стабилитрон и транзистор закрыты и не влияют на процесс зарядки. Как только напряжение достигнет 4,2 вольта, стабилитрон начинает открывать транзистор, который через резисторы суммарным сопротивлением 4 Ома шунтирует аккумулятор, тем самым не давая напряжению подняться выше верхнего порога 4,2 вольта, и дает возможность зарядиться остальным аккумуляторам. Транзистор с резисторами спокойно пропускает ток около 500 мА, при этом он нагревается градусов до 40-45. Как только на балансире загорелся светодиод аккумулятор который к нему подключен полностью заряжен. То есть, если у вас соединено 3 аккумулятора, то окончанием заряда нужно считать загорание светодиодов на всех трех балансирах.
Настройка очень проста, подаем на плату (без аккумулятора) напряжение 5 вольт через резистор примерно 220 Ом, и меряем на плате напряжение, оно должно быть 4,2 вольта, если оно отличается то подбираем резистор 220 кОм в небольших пределах.
Напряжение для зарядки нужно подавать примерно на 0,1-0,2 вольта больше чем напряжение на каждом элементе в заряженном состоянии, пример: у нас 3 последовательно соединенных аккумулятора по 4,2 вольта в заряженном состоянии, суммарное напряжение 12,6 вольта. 12,6 + 0,1 + 0,1 + 0,1 = 12,9 вольта. Также следует ограничит ток заряда на уровне 0,5 А.
Как вариант стабилизатора напряжения и тока можно использовать микросхему LM317, включение стандартное с даташита, схема выглядит следующим образом.

Трансформатор нужно выбирать с расчета - напряжение заряженной батареи + 3 вольта по переменке, для корректной работы LM317. Пример у вас батарея 12,6 вольта + 3 вольт = трансформатор нужен 15-16 вольт переменного напряжения.
Так как LM317 линейный регулятор, и падение напряжения на нем превратится в тепло, обязательно устанавливаем ее на радиатор.
Теперь немного о том как рассчитать делитель R3-R4 для стабилизации напряжения , а очень просто по формуле R3+R4=(Vo/1.25-1)*R2 , величина Vo - это напряжение окончания заряда (максимальное выходное после стабилизатора).
Пример: нам нужно получить на выходе 12,9 вольта для 3-х. батарей с балансирами. R3+R4=(12.9/1.25-1)*240=2476,8 Ом. что примерно ровняется 2,4 кОм + у нас стоит подстроечный резистор, для точной подстройки (470 Ом), что позволит нам, без проблем установить расчетное выходное напряжение.
Теперь расчет выходного тока, за него отвечает резистор Ri, формула простая Ri=0.6/Iз , где Iз - максимальный ток заряда. Пример нам нужен ток 500 мА, Ri=0.6/0,5А= 1,2 Ом. Следует учитывать, что через данный резистор течет зарядный ток, потому мощность его стоит брать 2 Вт. Вот и все, платы я не выкладываю, они будут когда я соберу зарядное устройство с балансиром для своего металлоискателя.

Осталось решить вопросы зарядки и индикации состояния. Напомню, что выбор деталей и способа доработки сильно ограничен бюджетом, поэтому вместо оптимальных решений приходится идти на компромиссы.

Модификация зарядного устройства

Старое зарядное устройство состоит из двух частей - блока питания и зарядной станции-стакана с двумя индикаторами - «питание» и «зарядка». Первый индикатор горит при подключении стакана к питанию, второй - во время зарядки. Теоретически, второй индикатор должен гаснуть после окончания зарядки, но из-за особенности питания горит всегда, когда в стакан вставлен аккумулятор.

Блок питания обозначен как источник постоянного напряжения на 18 В. На самом деле он состоит из понижающего трансформатора и диодного моста, на выходе - пульсирующее напряжение (половинки синусоиды) с амплитудой 25 В. Не знаю, чем руководствовался производитель, но такое питание вряд ли подходит для зарядки даже оригинальных батарей. Возможно, потому они так быстро и сдохли, всего за год.

На плате выпрямителя внутри БП предусмотрено место для выпрямляющего конденсатора, но он не установлен. Заявленный максимальный выходной ток 400 мА, и это тоже не кажется правдой, даже на таком токе трансформатор заметно нагревается, до температуры не менее 80°C, судя по расплавлению термоклея, который я использовал для дополнительной фиксации трансформатора внутри корпуса БП.

Правильно было бы купить новый блок питания, но из-за экономии решил оставить старый, реальная эксплуатация покажет, стоила ли этого экономия в 5 долларов (цена за БП 24 В / 1 А на eBay). Также необходимо было сохранить габариты всех комплектных устройств, чтобы они вставлялись в свои места в чемодане дрели.

Для зарядки лития мне здесь понадобится как минимум источник постоянного напряжения на 16,8 В или чуть меньше. Неправильное напряжение старого БП сыграло здесь на руку, теперь можно выпрямить напряжение с него до 25 В и подключить на выход понижающий преобразователь-стабилизатор напряжения.

Самый дешевый вариант зарядки, который, кстати, и реализован в старом зарядном устройстве, - это шунт для ограничения тока после источника напряжения. Но этот метод зарядки очень медленный, поэтому решил здесь улучшить параметры зарядки, установив почти полноценное зарядное устройство для лития с фазами CC (постоянный ток) и CV (постоянное напряжение) на основе , уже имеющегося в наличии. Но я всё равно прикупил ещё один такой же, так как подобный девайс оказался весьма полезен в электронном хозяйстве, цена вопроса - от $1,5 на eBay.

Конденсатор для выпрямителя взял из старых запасов на 100 мкФ / 63 В, ничего более подходящего по параметрам и размерам не было. Расчёты необходимой ёмкости не проводил, так как после этого выпрямителя будет ещё стабилизатор, а также из-за того, что высокая стабильность на выходе не нужна.

Максимальный ток пришлось ограничить 500 мА, при большем токе блок питания перегревается. Если захочется повысить ток, придётся купить новый БП на 20-35 В и ~20 Вт. Помимо базового здесь будет реализован альтернативный вариант зарядки большим током, поэтому проблемы у меня здесь нет. Напряжение выставил на 16,4 В, чтобы уменьшить вероятность перезаряда отдельных ячеек литиевой сборки.


После долгого поиска места для установки платы стабилизатора в зарядный стакан пришлось отказаться от штатной индикации, а также перенести разъём питания на собственную плату-переходник (светлая плата на фото), уже был в наличии. В этом проекте в первый раз использовал ЛУТ (лазерно-утюжная технология - перенос тонера рисунка, распечатнного на лазерном принтере на бумаге, с помощью утюга на фольгированный тестолит), получилось сносно. Все потенциометры также пришлось перенести. Просверлил дырочки в корпусе стакана для светодиодов на плате стабилизатора, чтобы была хотя бы минимальная индикация. На фото выше зелёная плата - старая, положил рядом для сравнения.

Плата греется не сильно, но всё равно добавил пассивное охлаждение для снижения рисков. К задней части платы с помощью теплопроводящего клея приклеил маленький алюминиевый радиатор, для надежности потом закреплю его дополнительно. В этом проекте повсеместно используется термопластичный клей, который начинает плавиться уже при 80°C, поэтому пытаюсь делать охлаждение там, где это возможно. Ровно под этим радиатором в корпусе стакана есть вентиляционная решетка, что пришлось кстати. В верхней части стакана также есть подобные прорези, циркуляция воздуха здесь должна получиться достаточной.

Таким образом, получил в корпусах старого БП и зарядного стакана зарядное устройство для литиевой сборки 4S с максимальным током 500 мА. Предполагаемое время зарядки - 3-4 часа, примерно как у старого зарядного со старыми батареями. Окончание заряда можно определить по одному из индикаторов преобразователя, он гаснет при падении зарядного тока примерно до 20 мА (настраивается, но это минимум), что для этой батареи оказалось достаточно маленьким значением, чтобы оно достигалось почти в самом конце зарядки, при зарядке более высокоомной батареи падение тока до 20 мА может происходить намного раньше. Также можно проверить напряжение на самой батарее, об этом далее.

Эта зарядка вполне подходит и для старой батареи на никеле, вторая из комплекта осталась нетронутой, но из-за сильно возросшего у неё внутреннего сопротивления время полной зарядки будет существенно больше, что практически исключает полезность этого варианта, учитывая также и то, что никель приходится заряжать перед работой.

Зарядка с балансировкой

На самой аккумуляторной сборке уже есть балансировочный выход, осталось вывести его наружу. Некоторые просто вырубают дыру в корпусе батареи, чтобы можно было вывести шнурок наружу, но мне такой вариант не нравится, да и балансировочный кабель у сборки всё равно слишком короткий. Поэтому решил установить на корпусе батареи разъём. Здесь нужны гнезда и разъёмы на 5 контактов, выдерживающих не менее 1 А, лучше 2-3 А, меньше просто не интересно.

Можно было поставить коннекторы DIN (как у старых магнитофонов или клавиатур AT) или Mini-DIN (как у PS/2). Отказался от этой затеи, так как ни в собственных залежах, ни на eBay не были найдены необходимые компоненты по адекватной цене.

USB не подходит по количеству контактов и/или максимальному току. Есть варианты с USB 3.0 или, даже лучше, 3.1, но коннекторов либо ещё нет в продаже, либо они слишком дорогие.

Следующий кандидат - коннекторы FireWire (IEEE 1394) , точнее FireWire 400. Шесть глубоко посаженных, слегка подпружиненных контактов, конструкция почти исключает короткое замыкание. Просто идеально, этот вариант и выбрал. Так как теперь этот стандарт уже раритет, гнёзда вышли недёшево, пара обошлась в $1,5, заказал. Вилки в продаже вообще не нашёл, понадеялся на переделку какого-нибудь кабеля FireWire.


Пока коннекторы были в пути, начал перебирать свои старые провода FireWire и искать по магазинам новые. Оказалось, что все найденные кабели имеют проводку толщиной всего 28-30AWG, в лучшем случае только пара проводов 22AWG. Всю проводку от батареи к зарядному изначально планировал делать , поэтому пришлось отказаться от этого замечательного варианта. Стандарт ограничивает максимальный ток значением 1,5 А, что объясняет использование таких тонких проводов даже в хороших кабелях.


Наш победитель - , подобные используются для большинства балансировочных устройств и аккумуляторных сборок. Конечно, эти коннекторы были самым очевидным вариантом, но они довольно хрупкие, а также их слишком легко можно закоротить, поэтому сначала пытался найти альтернативу. Они довольно дёшевы, за те же $1,5, что отдал только за пару гнёзд FireWire, я взял 20 наборов XH2.54-5P (гнездо + вилка + пины).

Для установки в корпус пришлось использовать пару переходников (можно было бы и один, если бы текстолит был двухсторонний, но такого у меня сейчас нет). Крепление к корпусу сделал на паре скобок из толстого медного провода, впаянных в ту же плату, что и разъём. Изначально хотел крепить болтами с гайками, но места под такое крепление внутри батареи не оказалось. Так как разъём выступает за пределы корпуса, по плану даже намного больше, чем получилось в результате, пришлось искать место там, где между батареей и дрелью наибольший зазор. Дополнительно укрепил термопластичным клеем.




Проверка показала, что такой разъём здесь вполне уместен. Установка гнезда в закрытую в рабочем положении часть батареи уменьшает вероятность его замыкания. Но я всё равно случайно замкнул его, в итоге выжег пару дорожек на одной из плат-переходников, само гнездо повредилось лишь слегка, менять на новое не стал.

Далее нужно собрать кабель для подключения к балансировочному зарядному устройству, в моём случае - . Это зарядное устройство помимо подключения по балансировочному кабелю требует также подключение и к силовому разъёму, позаимствовал разъём молекс для этого у одного из ненужных кабелей из комплекта B6.




Сразу проверил зарядку по новому кабелю. Оказалось, что одна из паек провода к пину XH2.54 не получилась, переделал. Далее всё заработало, как и задумывалось.

Индикация заряда

По-хорошему, здесь лучше использовать звуковую сигнализацию о разряде любой из ячеек до критического уровня (например, 3 В), активируемую прямо в процессе работы, чтобы не отвлекаться на проверку батареи. Такие устройства продаются, и довольно недорого, подключение его через кнопку дрели в сети можно найти. Но это всё равно деньги, а я решил экономить, чтобы был хотя бы минимальный экономический смысл в доработке батареи.


Поэтому я воткнул сюда простой , включаемый по отдельной кнопке. Возможно, когда-нибудь я заменю или переделаю его на сигнализацию, но пока буду сам следить, чтобы общее напряжение не опускалось ниже 13,5-14,0 В. Либо можно добавить сюда по компаратору на ячейку с общей пищалкой, дешево и достаточно (дополнение: честно говоря, до сих пор не понял, как это можно сделать просто и дешево).

Обратите внимание на расположение индикатора и кнопки. Я - правша, поэтому мне оказалось удобнее расположение на левом боку. Передняя сторона также выбрана не случайно - она реже перекрывается правой рукой или одеждой. Кнопка расположена подальше от экрана для того, чтобы при её нажатии даже в толстых перчатках не перекрывался экран.

С помощью этого вольтметра также можно определить окончание зарядки. Если проверять напряжение прямо во время зарядки, напряжение быстро дойдёт почти до максимума (здесь 16,4 В) и дальше будет очень медленно к нему приближаться, и только при полной зарядке оно с ним совпадёт. Чтобы оценить действительный уровень заряда, придётся вытащить батарею из стакана.

Вот так в итоге выглядит батарея. Шуруп сверху держит площадку с контактами.

Итого

Посчитаем, что получилось в деньгах, цены в рублях. Если деталь взята из запасов, показана примерная рыночная стоимость.

• аккумуляторная сборка: $15
• конденсатор для выпрямителя БП: $0,3
• плата стабилизатора CC CV: $4 (можно найти от $1,5-2,0)
• кусочек фольгированного текстолита, примерно 50*70 мм (половина ушла на ошибки и резерв): $0,3
• провода 22AWG, около 1 м: $0,3
• 2-3 набора коннекторов XH2.54-5P (считаю только 2-3, т.к. остальным разъёмам я точно найду применение): $0,3
• маленький вольтметр: $1,8 (можно найти от $1,0)
• кнопка включения вольтметра: $0,15
• свёрла (убил парочку в процессе): $0,40
• прочие расходные материалы: $0,30

Итого примерно $21. Переделка второго аккумулятора при тех же расценках обошлась бы примерно в $18. Итого около 40 долларов за комплект. Это почти цена новой, но самой дешёвой дрели-шуруповёрта с двумя литиевыми аккумуляторами. Я решил не делать вторую батарею, поэтому выгода у меня получилась неплохая.

Для более долгой жизни батареи и более быстрой и безопасной зарядки также потребуется зарядное устройство с балансировкой, это ещё как минимум 15 долларов, что снова возвращает к минимальной выгоде около 10 баксов, однако вряд ли вы получите функцию балансировки в дешевой аккумуляторной дрели из магазина. Мне подсказали, что и на дорогих профессиональных моделях эта функция также может отсутствовать, и мне неизвестно, есть ли на рынке такие модели вообще.

Мне балансировщик обошёлся в $6, но это исключение. Суммарно на доработку я затратил 21 + 6 = 27 долл. и получил инструмент, который прослужит мне еще пару-тройку лет, всегда готовый к работе. Без этой переделки нужно было заряжать аккумулятор пару-тройку часов, чтобы закрутить 10-20 саморезов, несерьёзно. Помимо этого, я наконец освоил ЛУТ, поработал с мощным компактным аккумулятором, и вообще получил +100 к опыту.

Я его заряжаю через переходной провод с помощью Turnigy.

Переделка простая, но вот зарядное доступно не каждому.
Решил сделать простое и надежное балансировочное зарядное устройство. Большинство деталей найдется у любого мастера, а ряд деталей доступен для заказа из Китая, ну или можно купить в магазине радиотоваров.

Инструменты и материалы:

Корпус для устройства;
- платы зарядок для планшета;
- контроллера для литий-иона;
- разъем со штырями;
- разъем с гнездами;
- выключатель;
- провода, паяльник, клеевой пистолет.

Монтировать зарядное устройство буду в корпусе сгоревшего роутера. В процессе монтажа схемы, понял, что выбрал маленький корпус. Процесс сборки немного усложнился, но я с поставленной задачей справился, но об этом дальше. Плата роутера может еще для чего сгодится.

Для каждого канала, я применю платы от зарядок. Количество плат, можно применить и большего количества или меньшего. У меня три канала и зарядок тоже три.

Следить за процессом заряда будут контроллеры заряда для литий-иона. Применить можно и с BMS, но он в данном случае не нужен. У меня одна плата новая, а две со спаянными разъемами(куда то применял их). Разъем абсолютно не мешает работе и процессу сборки.

На заднюю панель роутера, нужно вырезать полоску пластика. У меня стеклотекстолит толщиной полтора миллиметра. В полоске вырезаем окошки под выключатель питания и разъем балансировки.

Разъем я применил от старого жесткого диска, на 4 контакта. Выключатель снял со сгоревшего блока ATX. Так же просверлил отверстия под винты. для крепления планки. Позже просверлю отверстие под сетевой шнур. Разъем приклеил на соду с супер клеем.

Контроллеры заряда будут установлены в корпусе и индикации не будет видно. Для этого я взял разноцветные светодиоды. Красный отображает процесс заряда, а зеленый его окончание.

Чтоб подпаять светодиоды к плате, я применил отрезки шлейфа IDE.

Платы контроллеров нужно соединить с платами зарядок. Я соединил их луженым проводом на 0.5 мм. Получилось довольно жестко.

Шлейфы со светодиодами припаял вместо штатных светодиодов контроллеров. Сразу бросается в глаза, что зеленый светодиод уменьшился в размере. Я допустил ошибку и не проверил светодиоды, они оказались сгоревшими. Припаял какие попались под руку.

Платы приклеил на термо клей. Держатся отлично, пробовал кидая на пол)) Перед приклеиванием подпаял сетевые провода.

Просверлил отверстие под сетевой шнур. Распаял один из проводов на выключатель. Второй сетевой соединил вместе с оставшимися проводами от плат зарядок.

Светодиоды приклеил на места, где раньше были установлены светодиоды платы роутера. Клеил на термо клей.

Выходные провода контроллеров соединил последовательно. Плюс припаял на первый контакт. На второй контакт, припаял соединение проводов минуса первого и плюса второго контроллеров. Далее распаиваем остальные провода по порядку.

Одеваем крышку и прикручиваем. Откладываем в сторону зарядное устройство и распаиваем зарядный провод.

Провода применил со сгоревшего блока питания. Распаял соответственно доработанного аккумулятора шуруповерта. По схеме провода распаиваются по порядку от первого к четвертому. Места спайки изолирую термоусадкой.

Сейчас всё большую популярность набирают литиевые аккумуляторы. Особенно пальчиковые, типа 18650 , на 3,7 В 3000 мА. Ни сколько не сомневаюсь, что ещё 3-5 лет, и они полностью вытеснят никель-кадмиевые. Правда остаётся открытым вопрос про их зарядку. Если со старыми АКБ всё понятно - собирай в батарею и через резистор к любому подходящему блоку питания, то тут такой фокус не проходит. Но как же тогда зарядить сразу несколько штук, не используя дорогие фирменные балансировочные ЗУ?

Теория

Для последовательного соединения аккумуляторов, обычно к плюсу электрической схемы подключают положительную клемму первого последовательное соединение аккумуляторов аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к минусу блока. Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Значит если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

Энергия, накопленная в АКБ, равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы - параллельно или последовательно.

Литий-ионные батареи просто подключить к БП нельзя - нужно выравнивание зарядных токов на каждом элементе (банке). Балансировку проводят при зарядке аккумулятора, когда энергии много и её можно сильно не экономить и поэтому без особых потерь можно воспользоваться пассивным рассеиванием "лишнего" электричества.

Никель-кадмиевые АКБ не требуют дополнительных систем, поскольку каждое звено при достижении его максимального напряжения заряда перестает принимать энергию. Признаки полного заряда Ni-Cd - это увеличение напряжения до определенного значения, а затем его падение на несколько десятков милливольт, и повышение температуры - так что лишняя энергия сразу превращается в тепло.

У литиевых аккумуляторов наоборот. Разрядка до низких напряжений вызывает деградацию химии и необратимое повреждение элемнта, с ростом внутреннего сопротивления. В общем они не защищены от перезаряда, и можно потратить много лишней энергии, резко сокращая тем самым время их службы.

Если соединить несколько литиевых элементов в ряд и запитать через зажимы на обоих концах блока, то мы не можем контролировать заряд отдельных элементов. Достаточно того, что одно из них будет иметь несколько более высокое сопротивление или чуть меньшую емкость, и это звено гораздо быстрее достигнет напряжения заряда 4,2 В, в то время как остальные будут еще иметь 4,1 В. И когда напряжение всего пакета достигнет напряжение заряда, может оказаться, что эти слабые звенья заряжены до 4,3 Вольт или даже больше. С каждым таким циклом будет происходить ухудшение параметров. К тому же Li-Ion является неустойчивым и при перегрузке может достичь высокой температуры, а, следовательно, взорваться.

Чаще всего на выходе источника зарядного напряжения ставится устройство, называемое "балансиром". Простейший тип балансира - это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке Li-Ion с пороговым значением 4,20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно элементу, пропускающий через себя большую часть тока заряда и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.

Упрощённая схема балансира для АКБ

Вот упрощённая схема балансира тока на базе TL431. Резисторы R1 и R2 устанавливают напряжение 4,20 Вольт, или можно выбрать другие, в зависимости от типа батареи. Эталонное напряжение для регулятора снимается с транзистора, и уже на границе 4,20 В система начнет приоткрывать транзистор, чтобы не допустить превышения заданного напряжения. Минимальное увеличение напряжения вызовет очень быстрый рост тока транзистора. Во время тестов, уже при 4,22 В (превышение на 20 мВ), ток составил более 1 А.

Сюда подходит в принципе любой транзистор PNP, работающий в диапазоне напряжений и токов, которые нас интересуют. Если батареи должны быть заряжены током 500 мА. Расчет его мощности прост: 4,20 В х 0,5 А = 2,1 В, и столько должен потерять транзистор, что вероятно, потребует небольшого охлаждения. Для зарядного тока 1 А или больше мощность потерь, соответственно, растет, и все труднее будет избавиться от тепла. Во время теста были проверены несколько разных транзисторов, в частности BD244C, 2N6491 и A1535A - все они ведут себя одинаково.

Делитель напряжения R1 и R2 следует подобрать так, чтобы получить нужное напряжение ограничения. Для удобства вот несколько значений после применения которых, мы получим следующие результаты:

• R1 + R2 = Vo
• 22K + 33K = 4,166 В
• 15К + 22K = 4,204 В
• 47K + 68K = 4,227 В
• 27K + 39K = 4,230 В
• 39K + 56K = 4,241 В
• 33K + 47K = 4,255 В

Это аналог мощного стабилитрона, нагруженного на низкоомную нагрузку, роль которой здесь выполняют диоды D2...D5. Микросхема D1 измеряет напряжение на плюсе и минусе аккумулятора и если оно поднимается выше порога, открывает мощный транзистор, пропуская через себя весь ток от ЗУ. Как соединяется всё это вместе и к блоку питания - смотрите далее.

Блоки получаются действительно маленькие, и вы можете смело устанавливать их сразу на элементе. Следует только иметь в виду, что на корпусе транзистора возникает потенциал отрицательного полюса батареи, и вы должны быть осторожны при установке систем общего радиатора - надо использовать изоляцию корпусов транзисторов друг от друга.

Испытания

Сразу 6 штук балансировочных блоков понадобились для одновременной зарядки 6 аккумуляторов 18650. Элементы видны на фото ниже.

Все элементы зарядились ровно до 4,20 вольта (напряжение были выставлены потенциометрами), а транзисторы стали горячие, хотя и обошлось без дополнительного охлаждения - зарядка током 500 мА. Таким образом, можно смело рекомендовать данный метод для одновременного заряда нескольких литиевых аккумуляторов от общего источника напряжения.

Обсудить статью ОДНОВРЕМЕННАЯ ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ