Для зарядки LiPo аккумуляторов большой емкости, недорогие зарядные балансиры не вполне подходят по причине ограниченного зарядного тока, в результате чего заряд аккумуляторов большой емкости (2…5А) растягивается на весьма длительное время. Предлагаемое зарядное устройство предназначено для зарядки 2S…3S LiPo аккумуляторов большой емкости с их балансировкой и индивидуальным отключением банок, на которых напряжение достигло 4,2 вольт.

Данная схема предназначена для зарядки 2S и 3S аккумуляторов, но при необходимости заряжать 4S или 5S аккумуляторы, достаточно увеличить число ячеек. Все ячейки одинаковы.

Принцип работы ЗУ рассмотрим на примере одной ячейки. Основой является прецизионный cтабилитрон TL431 с регулируемым порогом включения. Порог включения задается резистивным делителем напряжения на выводе управляющего электрода стабилитрона. До момента включения стабилитрона весь ток заряда течет через аккумулятор. Стабилитрон через резистор 1 Ком подключен параллельно аккумулятору, и напряжение на плюсовой шине, а также на резистивном делителе (и на управляющем электроде стабилитрона) по мере заряда аккумулятора постепенно возрастает. При достижении напряжения на аккумуляторе 4,2 Вольт открывается стабилитрон и от падения напряжения на резисторе 1 Ком открывается силовой транзистор КТ816. Зарядный ток теперь проходит через него. Загорается сигнализирующий светодиод. Цепочка из 4х последовательно соединеных мощных диодов и переход КЭ транзистора являются мощным стабилитроном с напряжением стабилизации около 4,2 Вольт, который препятствует разряду аккумулятора через открытый переход транзистора. Резистор *1,5 Ком подобрать таким образом, что бы при достижении на соответствующей банке аккумулятора напряжения +4,2 Вольт стабилитрон открывался и загорался сигнальный светодиод.

Доработанная схема.

Детали.
Трансформатор ТН36 или аналогичный.
Транзисторы КТ816 (ток коллектора 3 А).
Диоды – мощные диоды дипа КД226 с током не менее 2 А.
Мощный проволочный переменный резистор 10…..20 Ом для регулировки тока заряда.
Амперметр 1….3 А, для контроля тока заряда.

Каждый транзистор имеет небольшой радиатор 20 х 40 мм из аллюминия 1 мм.

Выходное напряжение, поступающее с выпрямителя на балансир должно превышать напряжение заряжаемой батареи. В выпрямителе использован диодный мост на ток 3 А и конденсатор 2200 мкф х 36 Вольт.

Для одной банки - напряжение с выпрямителя должно быть около 6 Вольт.
Для двух банок - напряжение с выпрямителя должно быть около 11 Вольт.
Для трех банок - напряжение с выпрямителя должно быть около 15 Вольт.
Для четырех банок - напряжение с выпрямителя должно быть около 20 Вольт.

При необходимости можно коммутировать обмотки трансформатора.
Напряжение отсечки заряженной банки 4,2 вольт.

Ток заряда для аккумуляторов выставляется мощным проволочным переменным резистором 10…20 Ом в пределах 1…2 А , а для аккумуляторов маленькой емкости в пределах 0,5 А.
Пользуюсь этим зарядником два года. Заряжаю аккумуляторы 1,8……….3,0 А.

Монтажка

Негатив печатной платы на три зарядные ячейки (3S LiPo) . Вид со стороны дорожек.

Вариант конструктивного исполнения ЗУ. Вид спереди. Диоды горят - заряд окончен.

Вид сзади. Видна ось переменного проволочного резистора установки тока.

Общий вид на внутренности.

Вид на печатную плату.

Видны - переменный резистор, диодный мост, конденсатор фильтра.

Специально для скептиков и приверженцев микроконтроллеров хочу сказать следующее.
Я ни в коем случае не отрицаю преимущества микроконтроллеров перед технологиями 80х годов!
Но схемотехника и технологии 80х доступны даже начинающим радиолюбителям, чего не скажешь о микропроцессорах. В данной статье я просто хочу показать, что на простых советских радиоэлементах, можно без особых усилий и материальных затрат за пару дней собрать то или иное нужное для дела устройство!

Александр Дегтярев, Владикавказ


При последовательном способе зарядки, одно из главных требований, которое необходимо обеспечить, следующее – напряжение ни на одной секции заряжаемого литиевого аккумулятора, при зарядке, не должно превысить определённой величины (величина этого порога зависит от типа литиевого элемента). Обеспечить выполнение этого требования, при последовательной зарядке, не приняв специальных мер, невозможно… Причина очевидна – отдельные секции аккумулятора не идентичны, поэтому достижение максимально допустимого напряжения на каждой из секций при зарядке, происходит в разное время. Складывается ситуация, когда мы обязаны зарядку прекратить, так как напряжение на части секций уже достигло максимально допустимого порога. В то же время, часть секций остаются недозаряженными. Это плохо главным образом потому, что в итоге снижается общая ёмкость аккумулятора, так нам придётся прекратить разряд аккумулятора в тот момент, когда напряжение на самой «слабой» (недозаряженной) секции, достигнет своего минимально допустимого порога.

Чтобы не допустить повышение напряжения при зарядке, выше определённого порога, и служит балансир. Его задача достаточно проста – следить за напряжением на отдельной секции, и, как только напряжение на ней при зарядке достигнет определенной величины, дать команду на включение силового ключа, который подключит параллельно заряжаемой секции балластный резистор. При этом, если остаточный ток зарядки (а он, ближе к концу зарядки, уже достаточно мал, из-за малой разницы потенциалов между напряжением на заряжаемом аккумуляторе и напряжением на выходе зарядного устройства) будет меньше (или равен) тока протекающего через балластный резистор, то повышение напряжения на заряжаемой секции – прекратиться. При этом зарядка остальных секций, напряжение на которых ещё не достигло максимально допустимых значений – продолжиться. Закончится процесс заряда тем, что сработают балансиры всех секций аккумулятора. Напряжение на всех секциях будет одинаковым, и равным тому порогу, на которые настроены балансиры. Ток зарядки будет равен нулю, так как напряжение на аккумуляторе и напряжение на выходе зарядного устройства будут равны (нет разности потенциалов – нет тока зарядки). Будет протекать лишь ток через балластные резисторы. Его величина определяется величиной последовательно соединённых балластных резисторов и напряжением на выходе зарядного устройства.

Саму функцию контроля напряжения, легко смог бы выполнить любой компаратор, снабжённый опорным напряжением… Но компаратора у нас нет (точнее – он есть, но использовать его нам не удобно и не выгодно). У нас есть TL431. Но компаратор из неё, честно сказать – никакой. Сравнивать напряжение с опорным она умеет очень хорошо, но вот выдать чёткую, однозначную команду на силовой ключ, она не может. Вместо этого, при подходе к порогу, она плавно начинает загонять силовой ключ в активный (полуоткрытый) режим, ключ начинает сильно греться, и, в итоге, мы имеем не балансир, а полную ерунду.

Вот именно эту проблему, которая не позволяла полноценно использовать TL431, удалось решить на днях. Ларчик просто открывался (но открывать его пришлось более двух лет) – надо было превратить TL431, в триггер Шмитта. Что и было сделано. Получился идеальный балансир - точный, термостабильный, достаточно простой, с чёткой командой на силовой ключ.

Ниже - две принципиальные схемы балансиров, рассчитанные для контроля порогов LiFePO4 и Li-ion аккумуляторов.

Превратить TL431 в триггер Шмитта, удалось добавив в схему p-n-p транзистор Т1 и резистор R5. Работает это так - делителем R3,R4 определяется порог контролируемого напряжения. В момент, когда напряжение на управляющем электроде достигает 2,5 Вольта, TL431 – открывается, открывается при этом и транзистор Т1. При этом потенциал коллектора повышается, и часть этого напряжения через резистор R5 поступает в цепь управляющего электрода TL431. При этом TL431 лавинообразно входит в насыщение. Схема приобретает ярко выраженный гистерезис – включение происходит при 3,6 Вольт, а выключение - при 3,55 Вольт. При этом в затворе силового ключа формируется управляющий импульс с очень крутыми фронтами, и попадание силового ключа в активный режим – исключено. В реальной схеме, при токе через балансировочный резистор равном 0,365 Ампер, падение напряжения на переходе сток-исток силового ключа составляет всего 5-6 мВ. При этом сам ключ, всегда остаётся холодным. Что, собственно, и требовалось. Эту схему можно легко настроить для контроля любого напряжения (делителем R3,R4). Величина максимального тока балансировки определяется резистором R7 и напряжением на секции аккумулятора.

Коротко про точность. В реально собранном балансире на пять секций для аккумулятора LiFePO4, напряжения при балансировке уложились в диапазон 3,6-3.7 Вольт (максимально допустимое напряжение для LiFePO4 составляет 3,75 Вольт). Резисторы при сборке использовались обычные (не прецизионные). На мой взгляд – очень хороший результат. Считаю, что добиваться большей точности при балансировке, никакого особого практического смысла – нет. Но для многих – это скорее вопрос религии, нежели физики. И они вправе, и имеют возможность добиваться большей точности.

Рисунок ниже – плата отдельного балансира, и, для примера, плата балансира на шесть секций. Очевидно, что клонируя плату отдельного балансира, можно легко сделать плату балансира на любое количество секций и любых пропорций.

Вот таким зарядно-балансировочным устройством я теперь пользуюсь. Я использую блок питания, описанный в статье про инвертор с адаптивным ограничением тока. Но можно использовать и любой другой стабилизированный блок питания, доработав его шунтом.

Балансир выполнен в виде отдельной платы. Он подключается к балансировочному разъему аккумулятора во время зарядки.

Пара слов про комплектующие. TL431 и p-n-p биполярный транзистор (подойдёт практически любой) в корпусах SOT23, можно найти на материнских платах компьютеров. Там же, можно найти и силовые ключи с "цифровыми" уровнями. Я использовал CHM61A3PAPT (или можно - FDD8447L) в корпусах TO-252A - подходят идеально, хотя характеристики очень избыточны (на токи до 1А , можно найти и что-нибудь по-проще).

В современных устройствах контроля за литиевыми батареями, описанные выше функции возложены на микроконтроллер.Но это гораздо более сложные для повторения устройства, и их применение оправдано далеко не всегда. Думаю - совсем не плохо, когда есть выбор.

Так выглядит балансир "живьём". За качество изготовления, вновь прошу прощения - из-за экономии времени, вновь рисовал плату обычным перманентным фломастером.

Скачать список элементов (PDF)