Системы балансировки заряда аккумуляторов
Оригинал статьи: ООО “НИП”
При эксплуатации энергетической системы, состоящей из 2-х и более аккумуляторных батарей («АКБ») любого типа, соединенных последовательно или последовательно-параллельно, неизбежно возникает дисбаланс напряжений из-за разности внутреннего сопротивления отдельных АКБ. Изначально (при использовании однотипных АКБ) этот дисбаланс незаметен и не влияет на энергоемкость системы. Но уже через несколько месяцев активной эксплуатации внутреннее сопротивление каждой АКБ меняет свое первоначальное значение. Это может происходить от многих факторов: удары, вибрации, недозаряд, переразряд, технологические отклонения при производстве и пр. Причем у каждого АКБ внутреннее сопротивление может меняться по своему закону. Чем больше разница между внутренними сопротивлениями отдельных АКБ, тем быстрее энергетическая система начнет терять свою эффективность, тем чаще придется ее заряжать.
Давайте рассмотрим систему, состоящую из 4-х последовательно соединенных АКБ 12 В – 100 А·ч (Рис. 1). Конечное напряжение зарядного устройства стабильно и составляет 57,6 В. В начале эксплуатации напряжения конечного заряда будут 14,4 В+14,4 В+14,4 В+14,4 В=57,6 В. Но со временем хотя бы у одного АКБ изменится внутреннее сопротивление и слагаемые суммы изменятся, например так: 14,4 В+14,5 В+14,3 В+14,4 В=57,6 В. Один АКБ недозаряжен, другой перезаряжен, но оба процесса крайне губительно влияют на АКБ и дисбаланс со временем только увеличивается. Примерно через год эксплуатации общая картина напряжений заряда может выглядеть уже так: 13,5 В+15,6 В+13,2 В+15,3 В=57,6 В. Время работы оборудования от такой системы будет стремительно сокращаться и вместо положенных, к примеру, 7 – 8 лет для одного АКБ, система через 1,5 – 2 года будет иметь меньше половины первоначальной емкости.
Продлить срок жизни такой системы можно несколькими способами:
– покупать дорогие АКБ одной партии выпуска с минимальными технологическими отклонениями у надежного производителя;
– использовать многоканальное зарядное устройство. Один канал — одна АКБ.
– использовать разработанную нами систему балансировки заряда (совместно с одноканальным зарядным устройством), которая в автоматическом режиме будет следить за напряжением на каждой АКБ, шунтируя ее пассивной нагрузкой и тем самым компенсируя разброс внутренних сопротивлений. Применение такой системы дает возможность использовать АКБ одинаковой емкости, но разных производителей в уже работающих установках (например при плановой замене отработанных АКБ).
Основные параметры разработанной системы приведены ниже:
– выравнивание напряжений отдельных АКБ идет постоянно с самого начала заряда. Этим достигается значительное уменьшение выделяемой мощности на балластной нагрузке (в отличии от систем, начинающих реагировать на конечное напряжение заряда). Система считывает напряжения с каждой АКБ, вычисляет среднее и включает балластную нагрузку на тех АКБ, напряжение которых выше среднего;
– идет постоянный мониторинг (через интерфейс RS485), позволяющий визуально оценить работу каждого АКБ как в процессе заряда, так и в процессе разряда. Каждый балансировочный модуль имеет свой уникальный номер, который можно сопоставить с конкретным АКБ;
– благодаря гальванической развязке по шине управления есть возможность балансировать несколько групп АКБ (см. рис. 2);
– благодаря модульному исполнению можно добавлять группы АКБ к уже работающей системе, причем не обязательно искать АКБ той же фирмы-производителя;
– система позволяет решать задачи балансировки для свинцовых 2 В, 6 В и 12 В АКБ; для литиевых 2,4 В, 3,2 В и 3,7 В; для щелочных и других типов АКБ;
– систему можно использовать и на высокое напряжение (в паспорте пока не описано). Например в мощных промышленных ИБП с напряжением 480 В (40 последовательно соединенных АКБ 12 В). Напряжение для питания контроллера берется с любых 4-х соединенных последовательно АКБ в цепи. (см. рис. 3)
– срок окупаемости такой системы составляет меньше 1 года, благодаря низкой стоимости и кратному увеличению срока жизни аккумуляторов (на примере системы для 4-х АКБ 12 В – 230 А·ч).
Система состоит из контроллера балансировки заряда (далее «КБЗ»), подключаемого на общее напряжение группы (групп) АКБ, и отдельных модулей балансировки заряда (далее «МБЗ»), подключаемых непосредственно на каждый АКБ. КБЗ и все МБЗ соединяются при помощи параллельного шлейфа (одного или двух). Для контроля состояния работы системы на контроллере предусмотрен интерфейс RS-485. Используя преобразователь интерфейса к нему можно подключить компьютер через разъем USB.