Балансировщик никелевых батарей

TLDR: вопрос касается модернизации балансировочного устройства для Ni-MH батареи существующего устройства (которое не заряжает батарею непрерывно), желательно таким образом, чтобы не требовался частый доступ к батарее. Менять логику заряда/разряда прибора не представляется возможным - в таком случае действительно лучше было бы переделать схему под литиевый аккумулятор.

В то время как для каждого распространенного химического состава лития существует множество литиевых балансиров, никелевых (Ni-MH или Ni-Cd) балансиров, кажется, почти не существует.

Я знаю, что говорят, что никелевые элементы будут балансироваться, если их заряжать стандартным зарядом C/10 в течение 16 часов. А в до-ли-эру энтузиасты делали тот же C/10 «формирующий заряд» рюкзака после сборки, а затем использовали его как есть, не слишком заботясь о дисбалансе.

Но недавно я столкнулся с ситуацией, когда желательно иметь Ni-MH балансир.

Устройство (робот-пылесос) заряжает аккумулятор 12S Ni-MH емкостью 2200 мАч током ~C/2, с контролем окончания заряда dV/dt и dT/dt, по-видимому, на месте. (И разряжает их при ~C/2 при работе.)

После нескольких сотен циклов (год или около того почти ежедневного использования) полезная емкость батареи значительно падает.

Поэлементный тест четко показывает, что некоторые клетки хронически недозаряжены, что приводит к инверсии полярности во время разряда и быстрому износу пораженных клеток.

Я думаю, что правильная балансировка может значительно (в 2 раза или около того) продлить общий срок службы батареи (поскольку здоровые элементы в батарее все еще имеют 80%+ своей первоначальной емкости).

Поиск в сети привел к нескольким предложениям по никелевому балансиру:

1) Очень практичный и простой ограничитель напряжения: https://www.electroschematics.com/balancing-ni-mh-battery-packs/

Пара выпрямительных диодов на ячейку, которые будут частично шунтировать ячейку, когда она почти полностью заполнится, тем самым ограничивая ее заряд и давая возможность участникам, занявшим второе место, наверстать упущенное.

Требует, чтобы все диоды были на общем радиаторе для выравнивания температуры, быстро разряжают батареи, если их не отключить, ограничивает полезную емкость батареи.

Хотя он и грубее, но для периодической балансировки вроде годится, но интегрировать такой "балансир" в аккумулятор невозможно.

2) Индуктивный балансировщик на базе микроконтроллера: http://cache.freescale.com/files/32bit/doc/app_note/AN4428.pdf

Хорошее универсальное решение, но для этого случая оно выглядит излишним. Критерием целесообразности является стоимость балансира, которая не должна существенно превышать стоимость элементов для новой батареи.

3) Простой челночный балансировщик заряда: https://easyeda.com/Popov_Alex_r/Battery_Balancer_Ni_Cd_Active1-840522a2a4e44fe89bf70d560e4607f9

Выглядит отлично для интеграции с током в режиме ожидания 80 мкА (это 60 мАч в месяц, что сравнимо с саморазрядом Ni-MH аккумуляторов на 2200 мАч), но зарядные челноки не особенно эффективны, и я сомневаюсь, что он сможет достичь баланса. состояние на бывшей в употреблении батарее с максимальным током балансировки всего 10 мА.

Похоже, что ни одна из специально разработанных балансировочных ИС не может работать с напряжениями никелевых элементов, и большинство из них специализируется на литиевых элементах с защитой от пониженного напряжения на ~ 2,75 В.

Любые другие идеи о балансире никелевых батарей, которые можно было бы интегрировать в батарею существующего устройства?

При половинной плотности энергии и удвоенном количестве циклов никелевые батареи неэкономичны. Возможно, они разбалансировались так быстро, что балансир был более сложным и дорогим. Reallyyyyy раздача никелевых элементов.
При одном цикле в день (и плотности энергии, достаточной для задачи) 2x цикла означают 2x полезное время автономной работы.
Я оставил эту ошибку как парадокс нефункциональности! NiMh имеют в 2 раза меньше циклов. Существуют долгие дискуссии о жизнеспособности никелевых химикатов с 2005 года, когда они действительно начали проигрывать войну с LiPo. тепловой избыток и обратная полярность делают их ненадежными. За 500 циклов вы можете ожидать, что хорошо обработанные NiMh потеряют 30% своей емкости... Для LiPo 2018 года при том же рейтинге Втч вы получите 10%-20% после 500 циклов. При той же массе в кг LiPo потеряет 5-10% энергии после 500 циклов в той же машине econologie.com/fichiers/partager2/1289845872GrXcum.gif
Вот форум, на котором некоторые электронщики пытались создать прототипы никелевых батарей : с 2007 года... google.com/…

Ответы (3)

Активная балансировка просто не нужна для аккумуляторов NiCd и NiMH. Полностью заряженной ячейке не повредит несколько перезарядить, чтобы довести медленно заряжающуюся ячейку до полной зарядки.

Вы не можете сделать это с перезаряжаемыми литиевыми элементами — они имеют тенденцию делать плохие вещи при малейшей степени перезарядки, поэтому были разработаны активные балансировщики.

Очень верно и лаконично. С другой стороны, мониторинг отдельных элементов во время заряда и разряда имел бы смысл для крупносерийных NiCd/NiMH аккумуляторов (еще одна функция, которую мы получили во многих литиевых аккумуляторах, но редко встречаем в никелевых аккумуляторах).

Проблема, которую вы обнаружили, очень распространена в больших стопках никелевых батарей: некоторые элементы меняют полярность каждый цикл и быстро портятся, поэтому вся батарея умирает. Но основная причина этого эффекта не (на мой взгляд) отсутствие балансировки во время зарядки. Эффективность зарядки падает по мере заполнения элемента, поскольку он начинает преобразовывать входную энергию в тепло. Ячейка той же емкости, которая имела меньший заряд в начале цикла, сможет хранить больше приложенной к ней энергии, чем ячейка, которая становится (слегка переполненной) во время цикла зарядки.

Типичная проблема, которая разрушает никелевые аккумуляторы, заключается в разнообразии ячеек: некоторые ячейки имеют меньшую емкость и испытывают реверсирование при каждом глубоком разряде, а также перезаряжаются в следующем цикле зарядки (dV/dt не срабатывает, если одна первая ячейка заполняется... ). И реверсирование, и перезарядка приводят к тому, что элементы теряют еще большую емкость, пока они не выйдут из строя. Еще одним источником разнообразия состояния заряда являются различия в саморазряде. Но и в этом случае они перебалансируются в следующем цикле зарядки (и если вы выполняете циклы своих элементов каждые два дня, саморазряд не является проблемой для элементов без дефектов).

Чтобы избежать преждевременного отказа батареи, вам нужна лучшая защита от конца разряда, которая обнаруживает перевернутый элемент даже в том случае, если другие 11 элементов все еще работают нормально. Существуют разные способы реализации этого:

  • Вы можете сделать конечное напряжение разряда 11 * 1,25 В = 13,75 В, поэтому одна ячейка с нулем (еще не инвертированная), в то время как 11 ячеек с типичным 1,25 В уже вызовут срабатывание защиты от переполюсовки. Но это обычно приводит к слишком раннему прекращению разряда, потому что напряжение также падает при всплесках тока (вам придется компенсировать это), и вы можете безопасно разряжать элементы до 12 * 1,00 В, если они «сбалансированы», поэтому типичная напряжение отключения составляет 12 В для пакета 12S.

  • Вы можете обнаружить быстрое падение напряжения примерно на 1 В как признак выпадения ячейки (опять же, вы должны компенсировать скачки тока, чтобы избежать неправильного срабатывания).

  • Вы можете контролировать напряжение отдельных ячеек или меньших подстеков (так что вы отключаетесь, если любой из 4 подстеков по 3 ячейки упадет ниже 3 вольт).

Все эти возможности увеличивают стоимость и сложность схемы разряда, как и хороший выбор почти одинаковых элементов для упаковки, поэтому производители устройств часто выбирают дешевый и простой путь.

И, наконец, ответ на ваш вопрос: чтобы сбалансировать аккумулятор, просто заряжайте аккумулятор в течение 3 часов при C/10 после надлежащего завершения dV/dt или dT/dt (если ваше устройство не поддерживает подзарядку или подзарядку). ) каждый другой месяц. В вашем вопросе правильно упоминается эффект балансировки (полные ячейки перезаряжаются на безопасную величину, любые неполные ячейки заряжаются). Однако по причинам, изложенным выше, я не ожидаю, что это значительно продлит срок службы упаковки.

Похоже, проблема в прогрессирующем расхождении зарядов клеток - для начала они слишком разнородны и с каждым циклом расходятся, а не сходятся. А вот балансировщик-фиксатор именно такая штука - он пытается сблизить ячейки. Так как у меня есть два одинаковых прибора, я попробую с новыми батареями, которые собираюсь собрать для них - один соберу с челночным балансировщиком заряда, а другой без него. Посмотрим, как они поведут себя в долгосрочной перспективе.
@ 611 Проблема не в прогрессирующем расхождении заряда ячейки , которое может быть исправлено балансировщиком, и уже противодействует процессу заряда. Проблема заключается в прогрессирующем расхождении емкости ячеек . Слабые элементы имеют самый низкий уровень заряда, когда батарея пуста, а также самый высокий уровень заряда, когда батарея полная. Челночный балансировщик может немного помочь, но я не думаю, что чипы ICL7660 (которые не соответствуют спецификации при 1,2 В BTW) имеют шанс сохранить балансировку при токе заряда (разряда) в 1 ампер.
Таким образом, в основном, правильный «балансировщик» должен выравнивать емкость элемента при каждой зарядке или разрядке и должен поддерживать скорость зарядки и разрядки. Я согласен, что небольшого зарядного шаттла в таких обстоятельствах будет недостаточно. (Я знаю, что 1,2 В не соответствует спецификации, но, поскольку я нашел дешевые готовые к использованию модули, я попробую.)

Я не уверен, как они называются, но простые схемы балансировки LiPo, которые я видел, просто шунтируют ток элемента, когда он достигает 4,2 В.

Однако я не уверен, как это будет работать с NiMH, потому что они, как правило, самоограничиваются по напряжению (IIRC, напряжение NiMH на самом деле немного падает, когда они полностью заряжены). Таким образом, вы балансируете по разным причинам: с зарядкой LiPo вы избегаете перезарядки, которая разрушает элементы; с зарядкой NiMH вы хотите избежать недозарядки .

Если вы можете перенастроить зарядную цепь, чтобы почти полностью зарядить аккумулятор, а затем снизить его до C/10, этого может быть достаточно.

Не часть ответа, но -- у меня есть это циничное представление о том, что причина, по которой устройства с питанием от LiPo аккумуляторов более надежны в долгосрочной перспективе, заключается в том, что один и тот же режим зарядки, который предотвращает воспламенение элемента, также является режимом зарядки, который поддерживает его. здоровый. NiMH (и NiCd, и свинцово-кислотные) аккумуляторы могут подвергаться ужасному обращению, и они просто умирают после истечения гарантии; они не поджигают дома (или задние части) людей, что приводит к послегарантийным судебным искам.
Напряжение NiCd-элемента падает при полной зарядке, а NiMH — нет. Вот почему ранние зарядные устройства NiCd нельзя использовать с аккумуляторами NiMH; они использовали это падение напряжения, чтобы определить окончание заряда, поэтому они просто продолжали заряжать элементы NiMH до точки повреждения.
Балансировщик никелевых батарей
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v