Vysvetlenie balancéra článkov lítiových batérií nabíjačka 18650 a BMS

Vysvetlenie balancéra článkov lítiových batérií nabíjačka 18650 a BMS

Lítium-iónové batérie sú ťahúňmi modernej elektroniky, poháňajú všetko od DIY projektov a dronov až po elektrické vozidlá. Aby však vydržali dlho a poskytovali bezpečný a spoľahlivý výkon, jednotlivé články vo viacčlánkovom batériovom balíku musia byť udržiavané na rovnakej úrovni napätia. Tu prichádza na scénu balancér článkov. Táto príručka, založená na návode Robojax, vysvetľuje základné princípy fungovania balancérov článkov lítium-iónových batérií, ukazuje, ako fungujú v praxi, a vysvetľuje, ako ich pripojiť k vlastným batériovým balíkom.

Pochopenie a používanie balancéra článkov je nevyhnutné pre každého, kto stavia alebo udržiava viacčlánkové lítium-iónové batériové balíky. Tu je niekoľko praktických aplikácií:

• Predĺženie životnosti batérií elektrického náradia: Rekonštrukcia a vyváženie starých batériových balíkov z vŕtačiek alebo píl, aby dostali nový život.
• Údržba batérií pre drony a RC hobby: Zabezpečenie vyváženia LiPo balíkov používaných v dronoch, RC autách a lietadlách pre maximálny výkon a čas letu.
• Stavba vlastných power bánk: Vytváranie vysokokapacitných prenosných zdrojov energie z 18650 článkov, pričom sa zabezpečí rovnomerné nabíjanie a vybíjanie všetkých článkov.
• Konštrukcia DIY solárnych úložísk energie: Stavba bezpečnej a efektívnej batériovej banky pre malý off-grid solárny systém.
• Modernizácia elektrických bicyklov a kolobežiek: Výmena alebo údržba batériových balíkov v osobných elektrických vozidlách na zaistenie bezpečnosti a dlhej životnosti.

Prehľad hardvéru

Na sledovanie tohto návodu a stavbu vlastného balancovacieho zariadenia budete potrebovať nasledujúce komponenty. Mnohé z nich nájdete na eBay, AliExpress alebo Amazone.

• Moduly balancéra článkov: Sú to malé DPS, často červenej alebo modrej farby, ktoré obsahujú balancovací obvod. Dodávajú sa v rôznych konfiguráciách pre 1S, 2S, 3S až 8S batériové balíky. Návod konkrétne používa čip HY2213 (známy aj ako BB3A).
• Lítium-iónové batériové články: Návod používa 18650 články, ale princípy platia aj pre iné lítium-iónové a lítium-polymérové články.
• Testér batérií: Jednoduché zariadenie, ktoré sa zapojí do balancovacieho konektora batérie a zobrazí napätie každého jednotlivého článku. Je neoceniteľné na kontrolu stavu batériového balíka.
• DC napájací zdroj: Používa sa v demonštrácii na simuláciu batériového článku a presné riadenie napätia, aby sa ukázalo, kedy presne sa balancér aktivuje.
• Multimeter: Nevyhnutný na meranie napätia a prúdu na overenie činnosti balancéra.
• JST-XH konektory: Štandardné konektory používané pre balancovacie vodiče na lítium-iónových batériových balíkoch.

Sprievodca zapojením

Pripojenie balancéra článkov k batériovému balíku je jednoduchý proces, ale vyžaduje si starostlivú pozornosť na správne poradie. Balancér monitoruje napätie každého článku v sériovom reťazci. Je kľúčové pripojiť vodiče v správnom poradí, aby nedošlo ku skratu alebo poškodeniu článkov.

Pri sériovom batériovom balíku sú články zapojené koniec na koniec: kladný pól jedného článku sa pripája k zápornému pólu nasledujúceho. Vodiče balancéra sa potom pripájajú ku každému spojovaciemu bodu v tomto sériovom reťazci. Návod to demonštruje na 3S (trojičlánkovom) balíku. Prvý vodič (B0) sa pripája k hlavnému zápornému pólu balíka, druhý vodič (B1) sa pripája k spoju medzi článkom 1 a článkom 2, tretí vodič (B2) sa pripája k spoju medzi článkom 2 a článkom 3 a posledný vodič (B3) sa pripája k hlavnému kladnému pólu balíka. Táto logika platí pre ľubovoľný počet článkov, od 2S až po 8S balík.

Pre vizuálne znázornenie tohto zapojenia si pozrite diagram nižšie.

Ako funguje balancér článkov

Základnou funkciou balancéra článkov je pôsobiť ako inteligentná, variabilná záťaž pre jednotlivé články. Balancér nepretržite meria napätie každého článku. Keď napätie článku prekročí špecifický prah (zvyčajne 4,2 V pre štandardné lítium-iónové články), balancér pre daný článok aktivuje vnútorný spínač (MOSFET), ktorý pripojí vysokovýkonný rezistor cez svorky článku. Tento rezistor funguje ako záťaž, odoberá z článku malý, riadený prúd a rozptyľuje prebytočnú energiu ako teplo. Tento proces, známy ako „pasívne vyváženie", pomaly znižuje napätie článkov s vyšším napätím na úroveň článkov s nižším napätím, čím zabezpečuje, že celý balík je vyvážený.

Čip HY2213 je populárnou voľbou pre túto úlohu. Má veľmi presný obvod na detekciu napätia, ktorý spotrebúva len mikroampéry prúdu, takže nevybíja batériu, keď je nečinný. Prahové napätie čipu je nastavené jeho vnútorným obvodom a rôzne verzie sú dostupné pre rôzne chemické zloženia batérií. Napríklad verzia BB3A je navrhnutá pre 4,2 V články, zatiaľ čo verzia BB3B môže byť pre 4,35 V články. Balancovací prúd je určený hodnotou použitého rezistora. Nižšia hodnota odporu (napr. 62 ohmov) bude mať za následok vyšší balancovací prúd (napr. ~67 mA), zatiaľ čo vyšší odpor (napr. 100 ohmov) bude mať za následok nižší prúd. To vám umožní vybrať si balancér, ktorý vyhovuje vašim potrebám.

Vysvetlenie kódu

Tento projekt je úplne hardvérový a nevyžaduje žiadne programovanie. Moduly balancéra článkov sú samostatné analógové obvody, ktoré fungujú bez akéhokoľvek kódu.

Živá demonštrácia projektu

Návod poskytuje jasnú, praktickú ukážku procesu vyrovnávania. Pomocou jednosmerného napájacieho zdroja na simuláciu jedného článku batérie prezentujúci pomaly zvyšuje napätie, pričom sleduje prúd multimetrom. Pri napätiach pod hranicou 4,2 V zostáva prúd na nule, čo ukazuje, že vyrovnávač je neaktívny. Akonáhle napätie prekročí hranicu 4,2 V (v rámci tolerancie 25 mV), vyrovnávač sa aktivuje a prúd vyskočí na približne 66 mA. To potvrdzuje, že MOSFET sa zapol a teraz odvádza prúd cez 62-ohmový rezistor. Keď sa napätie zníži späť pod hranicu, vyrovnávač sa vypne a prúd klesne späť na nulu.

Video tiež ukazuje, ako skontrolovať stav batériového bloku pomocou testera batérií. Toto zariadenie sa zapája do balančného konektora a zobrazuje napätie každého článku, čo uľahčuje zistenie, či je blok vyvážený alebo či jeden alebo viac článkov je mimo špecifikácie. Prezentujúci tiež ukazuje úplne nový, plne vyvážený 3S batériový blok, kde všetky články vykazujú veľmi podobné napätie.

Dôležité úvahy

Pri práci s vyrovnávačmi článkov je potrebné mať na pamäti niekoľko kritických bodov:

• Vyrovnávanie je posledný krok: Tieto vyrovnávače sú navrhnuté tak, aby fungovali iba vtedy, keď je batéria takmer plne nabitá. Ak je napätie článku pod hranicou 4,2 V, vyrovnávač neurobí nič. Preto väčšina nabíjačiek batérií zahŕňa fázu vyrovnávania na konci nabíjacieho cyklu.
• Nepripájajte nabíjačku počas vyrovnávania: Keď vyrovnávač aktívne vybíja článok, nesmiete mať k batérii pripojenú nabíjačku ani napájací zdroj. Preto špeciálne nabíjačky vypnú nabíjací prúd pred začiatkom fázy vyrovnávania. Pripojenie nabíjačky počas vyrovnávania môže spôsobiť poškodenie.
• Pripravte blok správne: Pri zostavovaní batériového bloku je nevyhnutné zapojiť články do série (kladný na záporný), aby sa napätia sčítali. Vodiče vyrovnávača sa potom pripájajú ku každému sériovému spojovaciemu bodu. Chyba tu môže viesť ku skratu.

Kapitoly

• [00:00] Úvod do návodu na vyrovnávač článkov
• [00:53] Prečo je vyrovnávanie batérie dôležité
• [02:07] Ako funguje obvod vyrovnávača
• [03:29] Čip HY2213 a jeho špecifikácie
• [03:45] Skúmanie schémy vyrovnávača
• [05:47] Hlavné komponenty: MOSFET a rezistory
• [06:24] Nabíjačky batérií so zabudovanými vyrovnávačmi
• [07:41] Použitie testera batérií na kontrolu napätí článkov
• [09:19] Príprava batériového bloku na vyrovnávač
• [11:27] Živá ukážka procesu vyrovnávania
• [15:41] Záver a záverečné myšlienky