Lithium Battery Cell Balancer Explained charger 18650 and BMS

Lithium Battery Cell Balancer Explained charger 18650 and BMS

Lithiumbatterijen zijn de werkpaarden van de moderne elektronica en voeden alles, van DIY-projecten en drones tot elektrische voertuigen. Om ervoor te zorgen dat ze een lange levensduur en veilige, betrouwbare prestaties leveren, moeten de afzonderlijke cellen in een batterijpakket met meerdere cellen op hetzelfde spanningsniveau worden gehouden. Hier komt een celbalancer om de hoek kijken. Deze handleiding, gebaseerd op een Robojax-tutorial, legt de fundamentele principes achter lithiumbatterij-celbalancers uit, laat zien hoe ze in de praktijk werken en hoe je ze op je eigen batterijpakketten aansluit.

Het begrijpen en gebruiken van een celbalancer is essentieel voor iedereen die batterijpakketten met meerdere lithiumcellen bouwt of onderhoudt. Hier zijn enkele praktische toepassingen:

• De levensduur van accu's van elektrisch gereedschap verlengen: Oude accupakketten van boormachines of zagen herbouwen en balanceren om ze een nieuw leven te geven.
• Drone- en RC-hobbyaccu's onderhouden: Ervoor zorgen dat de LiPo-pakketten die in drones, RC-auto's en -vliegtuigen worden gebruikt, gebalanceerd zijn voor maximale prestaties en vliegtijd.
• Op maat gemaakte powerbanks bouwen: Draagbare voedingen met hoge capaciteit maken van 18650-cellen, zodat alle cellen gelijkmatig laden en ontladen.
• DIY-opslag voor zonne-energie construeren: Een veilige en efficiënte accubank bouwen voor een kleine off-grid zonne-energie-installatie.
• Elektrische fietsen en scooters upgraden: De accupakketten in persoonlijke elektrische voertuigen vervangen of onderhouden om veiligheid en levensduur te garanderen.

Hardware-overzicht

Om deze tutorial te volgen en je eigen celbalancer-opstelling te bouwen, heb je de volgende componenten nodig. Veel hiervan zijn te vinden op eBay, AliExpress of Amazon.

• Celbalancer-modules: Dit zijn kleine PCB's, vaak in rood of blauw, die het balanceercircuit bevatten. Ze zijn verkrijgbaar in verschillende configuraties voor 1S-, 2S-, 3S- en tot 8S-batterijpakketten. De tutorial gebruikt specifiek de HY2213-chip (ook bekend als BB3A).
• Lithiumbatterijcellen: De tutorial gebruikt 18650-cellen, maar de principes zijn van toepassing op andere lithium-ion- en lithium-polymeercellen.
• Batterijtester: Een eenvoudig apparaat dat op de balanceeraansluiting van de accu kan worden aangesloten om de spanning van elke afzonderlijke cel weer te geven. Dit is van onschatbare waarde om de staat van je accupakket te controleren.
• DC-voeding: Wordt in de demonstratie gebruikt om een batterijcel te simuleren en de spanning nauwkeurig te regelen om precies te laten zien wanneer de balancer activeert.
• Multimeter: Essentieel voor het meten van spanning en stroom om de werking van de balancer te verifiëren.
• JST-XH-connectoren: De standaardconnectoren die worden gebruikt voor balanceerdraden op lithiumbatterijpakketten.

Bekabelingshandleiding

Het aansluiten van een celbalancer op je accupakket is een eenvoudig proces, maar vereist zorgvuldige aandacht voor de juiste volgorde. De balancer bewaakt de spanning van elke cel in een serieschakeling. Het is cruciaal om de draden in de juiste volgorde aan te sluiten om kortsluiting of beschadiging van de cellen te voorkomen.

Bij een serie-accupakket zijn de cellen aan elkaar gekoppeld: de positieve pool van de ene cel is verbonden met de negatieve pool van de volgende. De draden van de balancer worden vervolgens op elk knooppunt in deze serieschakeling aangesloten. De tutorial demonstreert dit voor een 3S-pakket (drie cellen). De eerste draad (B0) wordt aangesloten op de hoofdnegatieve pool van het pakket, de tweede draad (B1) op het knooppunt tussen cel 1 en cel 2, de derde draad (B2) op het knooppunt tussen cel 2 en cel 3, en de laatste draad (B3) op de hoofdpositieve pool van het pakket. Dezezelfde logica is van toepassing op elk aantal cellen, van een 2S- tot een 8S-pakket.

Voor een visuele weergave van dit bedradingsschema verwijzen we je naar het onderstaande diagram.

Hoe de celbalancer werkt

De kernfunctie van een celbalancer is om te fungeren als een slimme, variabele belasting voor individuele cellen. De balancer meet continu de spanning van elke cel. Wanneer de spanning van een cel een specifieke drempel overschrijdt (doorgaans 4,2 V voor standaard lithium-ioncellen), activeert de balancer voor die cel een interne schakelaar (een MOSFET) die een krachtige weerstand over de polen van de cel aansluit. Deze weerstand fungeert als belasting, onttrekt een kleine, gecontroleerde stroom aan de cel en dissipeert de overtollige energie als warmte. Dit proces, bekend als "passief balanceren", brengt de cellen met een hogere spanning langzaam terug naar het niveau van de cellen met een lagere spanning, waardoor het hele pakket in balans blijft.

De HY2213-chip is een populaire keuze voor deze taak. Hij heeft een zeer nauwkeurig spanningsdetectiecircuit dat slechts microampères aan stroom verbruikt, zodat hij de accu niet leegtrekt wanneer hij inactief is. De drempelspanning van de chip wordt ingesteld door zijn interne circuits, en er zijn verschillende versies beschikbaar voor verschillende batterijchemieën. Een BB3A-versie is bijvoorbeeld ontworpen voor 4,2 V-cellen, terwijl een BB3B-versie mogelijk voor 4,35 V-cellen is. De balanceerstroom wordt bepaald door de waarde van de gebruikte weerstand. Een lagere weerstandswaarde (bijv. 62 ohm) resulteert in een hogere balanceerstroom (bijv. ~67 mA), terwijl een hogere weerstand (bijv. 100 ohm) resulteert in een lagere stroom. Zo kun je een balancer kiezen die past bij jouw behoeften.

Uitleg van de code

Dit project is volledig hardwarematig en vereist geen programmering. De celbalancer-modules zijn zelfstandige analoge circuits die zonder enige code functioneren.

Live projectdemonstratie

De tutorial biedt een duidelijke, praktische demonstratie van het balanceringsproces. Met behulp van een DC-voeding om een enkele batterijcel te simuleren, verhoogt de presentator langzaam de spanning terwijl hij de stroom met een multimeter controleert. Bij spanningen onder de 4,2V-drempel blijft de stroom op nul, wat laat zien dat de balancer inactief is. Zodra de spanning de 4,2V-grens overschrijdt (binnen een tolerantie van 25mV), activeert de balancer en springt de stroom naar ongeveer 66mA. Dit bevestigt dat de MOSFET is ingeschakeld en nu stroom afvoert via de 62-ohm weerstand. Wanneer de spanning weer onder de drempel wordt verlaagd, schakelt de balancer uit en zakt de stroom terug naar nul.

De video laat ook zien hoe je de staat van een batterijpakket kunt controleren met een batterijtester. Dit apparaat wordt op de balance-connector aangesloten en toont de spanning van elke cel, waardoor het gemakkelijk is om te zien of een pakket gebalanceerd is of dat een of meer cellen buiten de specificatie vallen. De presentator toont ook een gloednieuw, volledig gebalanceerd 3S-batterijpakket, waarbij alle cellen bijna dezelfde spanning aangeven.

Belangrijke Overwegingen

Er zijn een paar kritieke punten om in gedachten te houden bij het werken met celbalancers:

• Balanceren is een laatste stap: Deze balancers zijn ontworpen om alleen te werken wanneer de batterij bijna volledig is opgeladen. Als de spanning van een cel onder de 4,2V-drempel ligt, doet de balancer niets. Dit is waarom de meeste batterijladers een balanceringsfase aan het einde van de laadcyclus opnemen.
• Sluit geen lader aan tijdens het balanceren: Wanneer een balancer actief een cel ontlaadt, mag er geen lader of stroombron op de batterij zijn aangesloten. Dit is waarom speciale laders hun laadstroom uitschakelen voordat de balanceringsfase begint. Het aansluiten van een lader tijdens het balanceren kan schade veroorzaken.
• Bereid je pakket correct voor: Bij het bouwen van een batterijpakket is het essentieel om de cellen in serie aan te sluiten (positief op negatief) om de spanning op te tellen. De balancerdraden worden vervolgens op elk van de serieverbindingspunten aangesloten. Een fout hier kan leiden tot kortsluiting.

Hoofdstukken

• [00:00] Inleiding op de celbalancer-tutorial
• [00:53] Waarom batterijbalancering belangrijk is
• [02:07] Hoe het balancercircuit werkt
• [03:29] De HY2213-chip en zijn specificaties
• [03:45] Onderzoek van het balancerschema
• [05:47] Belangrijkste componenten: MOSFET en weerstanden
• [06:24] Batterijladers met ingebouwde balancers
• [07:41] Een batterijtester gebruiken om cels panningen te controleren
• [09:19] Een batterijpakket voorbereiden voor de balancer
• [11:27] Live demonstratie van het balanceringsproces
• [15:41] Conclusie en slotgedachten