Балансировка литий ионных аккумуляторов. Блог от said_t

Прислал:

Нет, речь пойдет не о рыболовной приманке, и даже не о цирковых акробатах балансирующих под куполом. Речь будет о том, как добиться баланса параметров аккумуляторов, соединённых последовательно.

Как известно, ячейка аккумулятора - достаточно низковольтное устройство, поэтому их обычно соединяют в пачки последовательно. В идеале, если параметры всех аккумуляторов одинаковы, мы имеем источник с напряжением в n-раз большим, чем одиночная ячейка, и заряжать-разряжать его мы можем как единый более высоковольтный аккумулятор.

Увы, так будет только в идеале. Каждый аккумулятор в этой пачке, как и всё в этом мире, уникален, и найти двух совершенно одинаковых невозможно, да и их характеристики - ёмкость, утечки, степень заряженности, будут меняются от времени и температуры.

Конечно, изготовители аккумуляторов стараются подбирать максимально близкие по параметрам, но различия всегда есть. И со временем, такие разбалансы характеристик могут ещё и возрастать.

Эти различия характеристик ячеек ведут к тому, что аккумуляторы работают по разному и, в результате общая ёмкость составной батареи будет ниже, чем составляющих её ячеек, это раз, а во-вторых, ресурс такого аккумулятора также будет ниже, т.к. он определяется самым "слабым" аккумулятором, который будет изнашиваться быстрее других.
Что же делать?

Есть два основных критерия для оценки степени балансировки ячеек:
1. Выравнивание напряжения на ячейках,
2. Выравнивание заряда в ячейках.

Достигать своих целей в достижении этих методов балансирования также можно двумя способами:
1. Пассивным и
2. Активным.

Поясним сказанное.
С критериями балансировки всё понятно, либо мы просто добиваемся равенства напряжений на ячейках, либо каким-либо образом вычисляем заряд аккумулятора и добиваемся, чтобы эти заряды сравнялись (при этом напряжения могут и различаться).

Со способами реализации тоже ничего сложного. В пассивном методе мы просто переводим в тепло энергию в наиболее заряженных аккумуляторных ячейках, до тех пор, пока напряжения или заряды в них не сравняются.
В активном же способе любым способом перекачиваем заряд из одной ячейки в другую, по возможности с минимальными потерями. Современная схемотехника легко реализует такие способности.

Понятно, что рассеять проще, чем перекачать, а сравнить напряжения проще, чем сравнить заряды.

Также эти методы могут применяться как при зарядке, так и при разрядке. Чаще всего, конечно, балансировку проводят при зарядке аккумулятора, когда энергии много и её можно сильно не экономить и поэтому без особых потерь можно воспользоваться пассивным рассеиванием "лишнего" электричества.
При разрядке всегда применяют только активную перекачку заряда, но такие системы весьма редки, из-за большей сложности схемы.

Поглядим на практическую реализацию вышесказанного.
При зарядке, в простейшем случае на выходе ЗУ ставится устройство, называемое "балансиром".
Далее, чтобы не сочинять самому, просто вставлю кусок текста из статьи с сайта http://www.os-propo.info/content/view/76/60/ . Речь идет о зарядке литиевых аккумуляторов.

"Простейший тип балансира - это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке LiPo с пороговым значением 4.20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно банке LiPo, пропускающий через себя большую часть тока заряда (1А и более) и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Фактически, выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.

В такой схеме поставленная задача заряда и выравнивания пары разных паков реально осуществима. Но такие балансиры на практике бывают только самодельными. Все фирменные микропроцессорные балансиры используют другой принцип работы.

Вместо того, чтобы рассеивать полные токи заряда в конце, микропроцессорный балансир постоянно контролирует напряжения на банках и постепенно выравнивает их в течение всего процесса заряда. К банке, заряженной больше других, балансир подключает параллельно некоторое сопротивление (порядка 50-80 Ом в большинстве балансиров), пропускающее через себя часть зарядного тока и лишь чуть-чуть замедляющее заряд этой банки, не останаливая его полностью. В отличие от транзистора на радиаторе, способного взять на себя основной ток заряда, это сопротивление обеспечивает лишь небольшой ток балансировки - порядка 100мА, а потому такой балансир не требует массивных радиаторов. Именно этот ток балансировки указывается в технических характеристиках балансиров и обычно составляет не более 100-300мА.

Такой балансир существенно не нагревается, поскольку процесс идет в течение всего заряда, и тепло при небольших токах успевает рассеиваться без радиаторов. Очевидно, что если ток заряда будет существенно выше тока балансировки, то при большом разбросе напряжений на банках балансир не успеет выровнять их до того момента, как самая заряженная банка достигнет порогового напряжения. "
Конец цитаты.

Примером рабочей схемы простейшего балансира могут служить следующие (взято с сайта http://www.zajic.cz/).

Рис.1. Простая схема балансира.

Фактически это мощный стабилитрон, кстати, весьма точный, нагруженный на низкоомную нагрузку, роль которой здесь выполняют диоды D2...D5. Микросхема D1 измеряет напряжение на плюсе и минусе аккумулятора и если оно поднимается выше порога, открывает мощный транзистор T1, пропуская через себя весь ток от ЗУ.

Рис.2. Простая схема балансира.

Аналогично работает и вторая схема (Рис.2.), но в ней всё тепло выделяется в транзисторе Т1, который греется как "чайник" - радиатор видно на картинке ниже.

На Рис.3 видно, что балансир состоит из 3-х каналов, каждый из которых выполнен по схеме Рис.2.

Конечно, промышленность уже давно освоила подобные схемы, которые выпускаются в виде законченной микросхемы. Их выпускают многие компании. Как пример, воспользуюсь материалами статьи о методах балансировки, опубликованной на сайте "РадиоЛоцман" http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=59991 , которые буду частично изменять или убирать, чтобы не раздувать статью.
Цитата:
" Пассивный метод балансировки.
Наиболее простое решение - выравнивание напряжения батарей. Например, микросхема BQ77PL900, обеспечивает защиту батарейных блоков с 5-10 последовательно включенными батареями. Микросхема представляет собой функционально законченный узел и может применяться для работы с батарейным отсеком, как показано на рисунке 4. Сравнивая напряжение банки с пороговым, микросхема, при необходимости, включает режим балансировки для каждой из банок.

Рис.4. Микросхема BQ77PL900, и второй аналог, где лучше видно внутреннее устройство (взят отсюда http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm ).

На Рис. 5 показан принцип её действия. Если напряжение какой-либо батареи превышает заданный порог, включаются полевые транзисторы и подключают параллельно ячейке аккумулятора нагрузочный резистор, через который ток идет в обход ячейки и уже не заряжает её. Остальные ячейки при этом продолжают заряжаться.
При падении напряжения, полевик закрывается и зарядка может продолжаться. Таким образом, в конце зарядки на всех ячейках будет присутствовать одинаковое напряжение.

При применении алгоритма балансировки, использующего в качестве критерия только отклонение напряжения, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего сопротивления батарей (см. Рис. 6.). Дело в том, что на этом сопротивлении падает часть напряжения когда через аккумулятор протекает ток, что вносит дополнительную погрешность в разброс напряжений при заряде.
Микросхема защиты батарей не может определить, чем вызван разбаланс - разной ёмкостью батарей или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все батареи окажутся заряженными на 100%.

В микросхеме BQ2084 используется улучшенная версия балансировки, также основанная на изменении напряжения, но, чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений BQ2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика.

Рис. 5. Пассивный метод, основанный на балансировке по напряжению.

Рис. 6. Пассивный метод балансировки по напряжению.

Микросхемы семейства BQ20Zхх, используют для определения уровня заряда фирменную технологию Impedance Track, базирующуюся на определении состояния заряда батарей (СЗБ) и ёмкости батареи.

В этой технологии для каждой батареи вычисляется заряд Qneed, необходимый для полной её зарядки, после чего находится разница?Q между Qneed всех батарей. Затем микросхема включает силовые ключи, которые разряжают все ячейки до уровня наименее заряженной, до тех пор, пока заряды не уравняются

Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений батарей не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время, как при при зарядке, так и при разрядке аккумулятора. Однако, как уже говорилось выше, при разряде этот метод использовать глупо, т.к. энергии всегда не хватает.

Основное преимущество этой технологии - более точная балансировка батарей (см. рис. 7) по сравнению с другими пассивными методами.

Рис. 7. Пассивная балансировка, основанная на СЗБ и ёмкости.

Активная балансировка

По энергоэффективности этот метод превосходит пассивную балансировку, т.к. для передачи энергии от более заряженной ячейки к менее заряженной, вместо резисторов используются индуктивности и ёмкости, потери энергии в которых практически отсутствуют. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы без подзарядки.

Микросхема BQ78PL114, произведенная по фирменной технологии PowerPump, представляет собой новейший компонент компании TI для активной балансировки батарей и использует индуктивный преобразователь для передачи энергии.

PowerPump использует n-канальный p-канальный полевой транзисторы и дроссель, который расположен между парой батарей. Схема показана на Рис.8. Полевики и дроссель составляют собой понижающий/повышающий преобразователь.

Например, если BQ78PL114 определяет, что верхняя ячейка заряжена больше, чем нижняя, то на выводе PS3 формируется сигнал открывающий транзистор Q1 с частотой около 200 кГц и скважностью около 30%.

При закрытом Q2 получается стандартная схема понижающего импульсного стабилизатора, при этом внутренний диод Q2 замыкает ток индуктивности во время закрытого состояния ключа Q1.

При перекачке же из нижней ячейки в верхнюю, когда открывается только ключ Q2 получаем также типовую схему, но уже повышающего импульсного стабилизатора.

Ключи Q1 и Q2, естественно, одновременно никогда открываться не должны.

Рис. 8. Балансировка по технологии PowerPump.

Потери энергии при этом невелики и почти вся энергия перетекает из сильно заряженной в малозаряженную банку. Микросхема BQ78PL114 реализует три алгоритма балансировки:
- по напряжению на выводах батареи. Этот метод похож на пассивный метод балансировки, описанный выше, но при этом потерь почти нет;
- по напряжению холостого хода. В этом методе компенсируется различие во внутренних сопротивлениях батарей;
- по состоянию заряда батареи (основан на прогнозировании состояния батареи). Метод схож с тем, который использован в семействе микросхем BQ20Zxx при пассивной балансировке по СЗБ и емкости батареи. В этом случае точно определяется заряд, который необходимо передать от одной батареи к другой. Балансировка происходит в конце заряда. При использовании этого метода достигается наилучший результат (см. Рис. 9.)

Рис. 9. Активная балансировка по алгоритму выравнивания состояния заряда батареи .

Из-за больших токов балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с рассеиванием энергии. В случае балансировки батарейного блока ноутбука токи балансировки составляют 25…50 мА. Подбирая значение компонентов можно достичь эффективности балансировки в 12-20 раз лучшей, чем при пассивном методе с внутренними ключами. Типичного значения разбалансировки (менее 5%) можно достичь уже за один или два цикла.

Кроме того, технология PowerPump имеет и другие преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы - заряд, разряд и даже тогда, когда батарея, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем батарея, получающая энергию. " (Конец частичного цитирования.)

Продолжим описание активных способов перекачки заряда из одной ячейки в другую следующей схемой, которую нашел в Интернете на сайте "HamRadio" http://qrx.narod.ru/bp/bat_v.htm .

В качестве схемы перекачки заряда использован не индуктивный, а ёмкостной накопитель. Например, широко известны, так называемые, преобразователи напряжения на коммутируемых конденсаторах. Одна из массовых - это микросхема ICL7660 (MAX1044 или отечественный аналог КР1168ЕП1).

В основном микросхема используется для получения отрицательного напряжения, равного напряжению её питания. Однако, если отрицательное напряжение на её выходе окажется по каким-то причинам больше по величине, чем положительное напряжение питания, то микросхема начнёт качать заряд "в обратную сторону", забирая из минуса, и отдавая в плюс, т.е. она всё время пытается уравнять эти два напряжения.

Это свойство и использовано для балансировки двух аккумуляторных ячеек. Схема такого балансира приведена на Рис.10.

Рис.10. Схема балансира с ёмкостной перекачкой заряда.

Микросхема с высокой частотой подключает конденсатор С1 либо к верхнему аккумулятору G1, либо к нижнему G2. Соответственно С1 будет заряжаться от более заряженного и разряжаться в более разряженный, каждый раз перенося какую-то порцию заряда.
Со временем напряжения на аккумуляторах станут одинаковыми.

Энергия в схеме практически не рассеивается, КПД схему может достигать до 95…98% в зависимости от напряжения на аккумуляторах и выходного тока, который зависит от частоты переключения и ёмкости С1.

При этом собственно потребление микросхемы составляет всего несколько десятков микроампер, т.е. находится ниже уровня саморазряда многих аккумуляторов, и поэтому микросхему можно даже не отключать от аккумулятора и она будет постоянно неспешно выполнять работу по выравниванию напряжения на ячейках.

Реально ток перекачки может достигать 30…40мА, но КПД при этом снижается. Обычно десяток мА. Также напряжение питания может быть от 1.5 до 10В, а это значит, что микросхема может балансировать как обычные Ni-Mh пальчики, так и литиевые аккумуляторы.

Практическое замечание: на Рис.10. показана схема которая балансирует аккумуляторы с напряжением меньше 3В, поэтому её шестая ножка (LV) подключена к выходу 3. Для балансировки литиевых аккумуляторов с более высоким напряжением, вывод 6 нужно оставить свободным, никуда не подключать.

Также, этим методом возможно балансировать не только два, но и большее количество аккумуляторов. На Рис.11. показано, как это сделать.

Рис.11. Каскадирование микросхем перекачки заряда.

Ну, и напоследок, ещё одно схемное решение, реализующее ёмкостную передачу заряда от одного аккумулятора к другому.
Если в ICL7660 представляла собой мультиплексор, который мог подключать конденсатор С1 только к двум источникам, то взяв мультиплексор с большим числом каналов переключения, (3, 4, 8) можно одной микросхемой уравнивать напряжения уже на трех, четырех или восьми банках. Причем, банки могут быть соединены как угодно, как последовательно, так и параллельно. Главное, чтобы напряжение питания микросхемы было выше максимального напряжения на банках.

Схема так называемого "обратимого преобразователя напряжения", описанного в журнале "Радио" 1989, № 8, показана на Рис.12.

Рис.12. Обратимый преобразователь напряжения в качестве балансира на мультиплексоре 561КП1..

К выравнивающему устройству может быть подключено до четырех элементов. Конденсатор С2 поочередно подключается к различным элементам, обеспечивая перекачку энергии этих элементов и выравнивание напряжения на них

Число элементов в батарее может быть уменьшено. В этом случае вместо исключенных элементов достаточно подключить конденсатор емкостью 10..20мкФ.

Ток балансировки такого источника весьма мал до 2 мА. Но так как он работает постоянно, не отключаясь от аккумуляторов, то свою задачу - уравнивание зарядов ячеек, он выполняет.

В заключение хочу заметить, что современная элементная база позволяет выполнять балансировку ячеек составного аккумулятора практически без потерь и уже достаточно проста, чтобы перестать быть чем-то "крутым" и недоступным.

И поэтому радиолюбителю, конструирующему устройства на аккумуляторах, полагаю, стоит задуматься о переходе на активные методы перекачки энергии между банками в батарее, пусть хотя бы "по старинке", ориентируясь на равенство напряжений между аккумуляторными ячейками, а не зарядов в них.

Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас .

Наверняка, каждый радиолюбитель сталкивался с проблемой, подключая литиевые аккумуляторы последовательно, замечал что один садиться быстро а другой еще вполне держит заряд, но из за другого севшего вся батарея не выдает нужного напряжения. Это происходит от того что при зарядке всего блока батарей, они заряжаются не равномерно, и часть батарей набирают полную емкость а часть нет. Это приводит не только к быстрому разряду, но и к выходу из строя отдельных элементов, из за постоянной не до зарядки.
Исправить проблему достаточно просто, на каждый аккумуляторный элемент нужен так называемый балансир, устройство которое после полной зарядки батареи блокирует ее дальнейший перезаряд, и управляющим транзистором обводит зарядный ток мимо элемента.
Схема балансира достаточно проста, собрана на прецизионном управляемом стабилитроне TL431A, и транзисторе прямой проводимости BD140.

Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о двух простеньких платках, предназначенных для контроля за сборками Li-Ion аккумуляторов, именуемые BMS. В обзоре будет тестирование, а также несколько вариантов переделки шуруповерта под литий на основе этих плат или подобных. Кому интересно, милости прошу под кат.
Update 1, Добавлен тест рабочего тока плат и небольшое видео по красной плате
Update 2, Поскольку тема вызвала небольшой интерес, поэтому постараюсь дополнить обзор еще несколькими способами переделки шурика, чтобы получился некий простенький FAQ

Общий вид:


Краткие ТТХ плат:


Примечание:

Сразу же хочу предупредить – с балансиром только синяя плата, красная без балансира, т.е. это чисто плата защиты от перезаряда/переразряда/КЗ/высокого нагрузочного тока. А также вопреки некоторым убеждениям ни одна из них не имеет контроллера заряда (CC/CV), поэтому для их работы необходима специальная платка с фиксированным напряжение и ограничением тока.

Габариты плат:

Размеры плат совсем небольшие, всего 56мм*21мм у синей и 50мм*22мм у красной:




Вот сравнение с аккумуляторами АА и 18650:


Внешний вид:

Начнем с :


При более детальном рассмотрении можно увидеть контроллер защиты – S8254AA и компоненты балансировки для 3S сборки:


К сожалению, рабочий ток по заявлению продавца всего 8А, но судя по даташитам один мосфет AO4407A рассчитан на 12А (пиковый 60А), а у нас их два:

Еще отмечу, что ток балансировки совсем небольшой (около 40ma) и активируется балансировка, как только все ячейки/банки перейдут в режим CV (вторая фаза заряда).
Подключение:


попроще, ибо не имеет балансира:


Она также выполнена на основе контроллера защиты – S8254AA, но рассчитана на более высокий рабочий ток в 15А (опять же по заявлениям производителя):


Ходя по даташитам на используемые силовые мосфеты, рабочий ток заявлен 70А, а пиковый 200А, хватит даже одного мосфета, а у нас их два:

Подключение аналогичное:


Итого, как мы видим, на обеих платах присутствует контроллер защиты с необходимой развязкой, силовые мосфеты и шунты для контроля проходящего тока, но в синей есть еще и встроенный балансир. Я особо не вникал в схему, но похоже, что силовые мосфеты запараллелены, поэтому рабочие токи можно умножать на два. Важное примечание - максимальные рабочие токи ограничиваются токовыми шунтами! Про алгоритм заряда (CC/CV) эти платки не знают. В подтверждение тому, что это именно платы защиты, можно судить по даташиту на контроллер S8254AA, в котором о зарядном модуле ни слова:


Сам контроллер рассчитан на 4S соединение, поэтому с некоторой доработкой (судя по даташиту) – подпайкой кондера и резистора, возможно, заработает красная платка:


Синюю платку так просто доработать до 4S не получится, придется допаивать элементы балансира.

Тестирование плат:

Итак, переходим к самому главному, а именно к тому, насколько они пригодны для реального применения. Для тестирования нам помогут следующие приспособления:
- сборный модуль (три трех/четырехрегистровых вольтметра и холдер для трех 18650 аккумуляторов), который мелькал в моем обзоре зарядника , правда, уже без балансировочного хвостика:


- двухрегистровый ампервольтметр для контроля тока (нижние показания прибора):


- понижающий DC/DC преобразователь с токоограничением и возможностью заряда лития:


- зарядно-балансировочное устройство iCharger 208B для разряда всей сборки

Стенд простой - плата преобразователь подает фиксированное постоянное напряжение 12,6V и ограничивает зарядный ток. По вольтметрам смотрим, на каком напряжении срабатывают платы и как отбалансированы банки.
Для начала посмотрим главную фишку синей платы, а именно балансировку. На фото 3 банки, заряженные на 4,15V/4,18V/4,08V. Как видим – разбалансировка. Подаем напряжение, зарядный ток постепенно падает (нижний приборчик):


Поскольку платка не имеет каких-либо индикаторов, то окончание балансировки можно оценить только на глаз. Амперметр за час с лишним до окончания уже показывал по нулям. Кому интересно, вот небольшой ролик о том, как работает балансир в этой плате:

Update 1: Тест нагрузки:
По току отдачи нам поможет следующий стенд:
- все тот же холдер/держатель для трех 18650 аккумуляторов
- 4-х регистровый вольтметр (контроль общего напряжения)
- автомобильные лампы накаливания в качестве нагрузки (к сожалению, у меня всего 4 лампы накаливания по 65W, больше не имею)
- мультиметр HoldPeak HP-890CN для измерения токов (макс 20А)
- качественные медные многожильные акустические провода большого сечения

Пару слов о стенде: аккумуляторы соединены «вальтом», т.е. как бы друг за другом, для уменьшения длины соединительных проводов, а следовательно и падения напряжения на них при нагрузке будет минимальным:


Соединение банок на холдере («вальтом»):


В качестве щупов для мультиметра выступили качественные провода с крокодилами от зарядно-балансировочного устройства iCharger 208B, ибо HoldPeak’овские не внушают доверие, да и лишние соединения будут вносить дополнительные искажения.
Для начала потестим красную плату защиты, как самую интересную в плане токовой нагрузки. Припаяем силовые и побаночные провода:


Получается что-то типа этого (нагрузочные соединения получились минимальной длины):


Я уже упоминал в разделе о переделке шурика о том, что подобные холдеры не очень предназначены для таких токов, но для тестов пойдет.
Итак, стенд на основе красной платки (по замерам не более 15А):


Коротко поясню: плата держит 15А, но у меня нет подходящей нагрузки, чтобы вписаться в этот ток, поскольку четвертая лампа добавляет еще около 4,5-5А, а это уже за пределами платки. При 12,6А силовые мосфеты теплые, но не горячие, самое то для продолжительной работы. При токах более 15А плата уходит в защиту. Я замерял с резисторами, они добавляли пару ампер, но стенд уже разобран.
Огромный плюс красной платы – нет блокировки защиты. Т.е. при срабатывании защиты ее не нужно активировать подачей напряжения на выходные контакты. Вот небольшой видеоролик:

Синяя платка держит больший ток, но на токах более 10А силовые мосфеты сильно греются. На 15А платка выдержит не более минуты, ибо через 10-15 секунд палец уже не держит температуру. Благо остывают быстро, поэтому для кратковременной нагрузки вполне подойдут. Все бы ничего, но при срабатывании защиты плата блокируется и для разблокировки необходимо подавать напряжение на выходные контакты. Это вариант явно не для шуруповерта. Итого, ток в 16А держит, но мосфеты очень сильно греются:


Вывод: лично мое мнение таково, что для электроинструмента отлично подойдет обычная плата защиты без балансира (красная). Она имеет высокие рабочие токи, оптимальное напряжение отсечки в 2,5V, да и легко дорабатывается до конфигурации 4S (14,4V/16,8V). Я считаю – это самый оптимальный выбор для переделки бюджетного шурика под литий.
Теперь по синей платке. Из плюсов – наличие балансировки, но рабочие токи все же небольшие, 12А (24А) это для шурика с крутящим моментом 15-25Нм несколько маловато, особенно когда патрон уже почти стопорит при затяжке самореза. Да и напряжение отсечки всего 2,7V, а это значит, что при сильной нагрузке часть емкости батареи останется невостребованной, поскольку на высоких токах просадка напряжения на банках приличная, да и они рассчитаны на 2,5V. И самый большой минус – плата при сработке защиты блокируется, поэтому применение в шуруповерте нежелательно. Синюю платку лучше использовать в каких-нибудь самоделках, но это опять же, лично мое мнение.

Возможные схемы применения или как переделать питание шурика на литий:

Итак, как же можно переделать питание любимого шурика с NiCd на Li-Ion/Li-Pol? Эта тема уже достаточно заезжена и решения, в принципе, найдены, но я вкратце повторюсь.
Для начала скажу лишь одно – в бюджетных шуриках стоит лишь плата защиты от перезаряда/переразряда/КЗ/высокого нагрузочного тока (аналог обозреваемой красной платы). Никакой балансировки там нет. Более того, даже в некоторых брендовых электроинструментах нет балансировки. Это же относится ко всем инструментам, где есть гордые надписи «Зарядка за 30 минут». Да, они заряжаются за полчаса, но отключение происходит тогда, как только напряжение на одной из банок достигнет номинала или сработает плата защиты. Не трудно догадаться, что банки будут заряжены не полностью, но разница всего 5-10%, поэтому не столь важно. Главное запомнить, заряд с балансировкой идет, как минимум, несколько часов. Поэтому возникает вопрос, а оно вам надо?

Итак, самый распространенный вариант выглядит так:
Сетевое ЗУ со стабилизированным выходом 12,6V и ограничением тока (1-2А) -> плата защиты ->
В итоге: дешево, быстро, приемлемо, надежно. Балансировка гуляет в зависимости от состояния банок (емкость и внутреннее сопротивление). Вполне рабочий вариант, но через некоторое время разбалансировка даст о себе знать по времени работы.

Более правильный вариант:
Сетевое ЗУ со стабилизированным выходом 12,6V, ограничением тока (1-2А) -> плата защиты с балансировкой -> 3 последовательно соединенных аккумулятора
В итоге: дорого, быстро/медленно, качественно, надежно. Балансировка в норме, емкость батареи максимальная

Итого, будем стараться сделать наподобие второго варианта, вот как можно сделать:
1) Li-Ion/Li-Pol аккумуляторы, платы защиты и специализированное зарядно-балансировочное устройство (iCharger, iMax). Дополнительно придется вывести балансировочный разъем. Минусов всего два – модельные зарядники недешевые, да и обслуживать не очень удобно. Плюсы – высокий ток заряда, высокий ток балансировки банок
2) Li-Ion/Li-Pol аккумуляторы, плата защиты с балансировкой, DC преобразователь с токоограничением, БП
3) Li-Ion/Li-Pol аккумуляторы, плата защиты без балансировки (красная), DC преобразователь с токоограничением, БП. Из минусов только то, что со временем появится разбалансировка банок. Для минимизации разбалансировки, перед переделкой шурика необходимо подогнать напряжение к одному уровню и желательно брать банки из одной партии

Первый вариант сгодится только тем, кто имеет модельное ЗУ, но мне кажется, если им нужно было, то они уже давным давно переделали свой шурик. Второй и третий варианты практически одинаковые и имеют право на жизнь. Необходимо лишь выбрать, что важнее – скорость или емкость. Я считаю, что самый оптимальный вариант – последний, но только раз в несколько месяцев нужно балансировать банки.

Итак, хватит болтовни, переходим к переделке. Поскольку я не имею шурика на NiCd аккумах, поэтому о переделке только на словах. Нам будет нужно:

1) Источник питания:

Первый вариант. Блок питания (БП), как минимум, на 14V или больше. Ток отдачи желателен не менее 1А (в идеале около 2-3А). Нам подойдет блок питания от ноутбуков/нетбуков, от зарядных устройств (выход более 14V), блоки для питания светодиодных лент, видеозаписывающей аппаратуры (DIY БП), например или :


- Понижающий DC/DC преобразователь с токоограничением и возможностью заряда лития, например или :


- Второй вариант. Готовые блоки питания для шуриков с токоограничением и выходом 12,6V. Стоят недешево, как пример из моего обзора шуруповерта MNT - :


- Третий вариант. :


2) Плата защиты с балансиром или без оного. То току желательно брать с запасом:


Если использоваться будет вариант без балансира, то необходимо подпаять балансировочный разъем. Это нужно для контроля напряжения на банках, т.е. для оценки разбалансировки. И как вы понимаете, нужно будет периодически дозаряжать батарею побаночно простым зарядным модулем TP4056, если началась разбалансировка. Т.е. раз в несколько месяцев, берем платку TP4056 и заряжаем поочереди все банки, которые по окончании заряда имеют напряжение ниже 4,18V. Данный модуль корректно отрубает заряд на фиксированном напряжении 4,2V. Данная процедура займет час-полтора, зато банки будут более-менее отбалансированы.
Написано немного сумбурно, но для тех, кто в танке:
Через пару месяцев ставим на зарядку батарею шуруповерта. По окончании заряда достаем балансировочный хвостик и меряем напряжение на банках. Если получается что-то вроде этого – 4,20V/4,18V/4,19V, то балансировка, в принципе не нужна. Но если картина следующая – 4,20V/4,06V/4,14V, то берем модуль TP4056 и дозаряжаем поочереди две банки до 4,2V. Другого варианта, кроме специализированных зарядников-балансиров я не вижу.

3) Высокотоковые аккумуляторы:


Я уже ранее писал пару небольших обзоров о некоторых из них – и . Вот основные модели высокотоковых 18650 Li-Ion аккумуляторов:
- Sanyo UR18650W2 1500mah (20А макс.)
- Sanyo UR18650RX 2000mah (20А макс.)
- Sanyo UR18650NSX 2500mah (20А макс.)
- Samsung INR18650-15L 1500mah (18А макс.)
- Samsung INR18650-20R 2000mah (22А макс.)
- Samsung INR18650-25R 2500mah (20А макс.)
- Samsung INR18650-30Q 3000mah (15А макс.)
- LG INR18650HB6 1500mah (30А макс.)
- LG INR18650HD2 2000mah (25А макс.)
- LG INR18650HD2C 2100mah (20А макс.)
- LG INR18650HE2 2500mah (20А макс.)
- LG INR18650HE4 2500mah (20А макс.)
- LG INR18650HG2 3000mah (20А макс.)
- SONY US18650VTC3 1600mah (30А макс.)
- SONY US18650VTC4 2100mah (30А макс.)
- SONY US18650VTC5 2600mah (30А макс.)

Я рекомендую проверенные временем дешевенькие Samsung INR18650-25R 2500mah (20А макс.), Samsung INR18650-30Q 3000mah (15А макс.) или LG INR18650HG2 3000mah (20А макс.). С другими баночками особо не сталкивался, но лично мой выбор - Samsung INR18650-30Q 3000mah. У Лыж был небольшой технологический дефект и начали появляться фейки с заниженной токоотдачей. Статью о том, как отличить фейк от оригинала могу скинуть, но чуть позже, нужно поискать ее.

Как все это хозяйство соединить:


Ну и пару слов о соединении. Используем качественные медные многожильные провода приличного сечения. Это качественные акустические или обычные ШВВП/ПВС сечением 0,5 или 0,75 мм2 из хозмага (вспарываем изоляцию и получаем качественные проводочки разного цвета). Длина соединительных проводников должна быть минимальной. Аккумуляторы, желательны из одной партии. Перед их соединением желательно зарядить их до одного напряжения, чтобы как можно дольше не было разбалансировки. Пайка аккумуляторов не представляет ничего сложного. Главное иметь мощный паяльник (60-80Вт) и активный флюс (паяльная кислота, например). Паяется на ура. Главное потом протереть место пайки спиртом или ацетоном. Сами аккумуляторы размещаются в батарейном отсеке от старых NiCd банок. Располагать лучше треугольником, минус к плюсу или как в народе «вальтом», по аналогии с этим (один аккум будет расположен наоборот), либо чуть выше хорошее пояснение (в разделе тестирование):


Так, соединяющие аккумуляторы провода, получатся короткими, следовательно, падение драгоценного напряжения в них под нагрузкой будет минимальным. Использовать холдеры на 3-4 аккумулятора не рекомендую, не для таких токов они предназначены. Побаночные и балансировочные проводники не так важны и могут быть меньшего сечения. В идеале, аккумы и плату защиты лучше запихать в батарейный отсек, а понижающий DC преобразователь отдельно в док станцию. Светодиодные индикаторы заряд/заряжено можно заменить своими и вывести на корпус докстанции. При желании можно добавить в батарейный модуль минивольтметр, но это лишние деньги, ибо общее напряжение на АКБ только косвенно скажет об остаточной емкости. Но если есть желание, почему бы и нет. Вот :

Теперь прикинем по ценам:
1) БП – от 5 до 7 долларов
2) DC/DC преобразователь – от 2 до 4 долларов
3) Платы защиты - от 5 до 6 долларов
4) Аккумуляторы – от 9 до 12 долларов (3-4$ штучка)

Итого, в среднем 15-20$ за переделку (со скидками/купонами), либо 25$ без оных.

Update 2, еще несколько способов переделки шурика:

Следующий вариант (подсказали по комментам, спасибо I_R_O и cartmannn ):
Использовать недорогие 2S-3S зарядные устройства типа (это производитель того же iMax B6) или всевозможные копии B3/B3 AC/imax RC B3 () или ()
Оригинальный SkyRC e3 имеет зарядный ток на каждую банку 1,2А против 0,8А у копий, должен быть точен и надежен, но в два раза дороже копий. Совсем недорого можно купить на том же . Как я понял по описанию, он имеет 3 независимых зарядных модуля, что-то сродни 3 модулей TP4056. Т.е. SkyRC e3 и его копии не имеют балансировки как таковой, а просто заряжают банки до одного значения напряжения (4,2V) одновременно, поскольку у них не выведены силовые разъемы. В ассортименте SkyRC есть действительно зарядно-балансировочные устройства, например, но ток балансировки всего 200ma и стоит уже в районе 15-20 долларов, зато умеет заряжать лифешки (LiFeP04) и токи заряда до 3А. Кому интересно, могут ознакомиться с модельным рядом .
Итого, для данного варианта необходимо любое из вышеперечисленных 2S-3S зарядных устройств, красная или аналогичная (без балансировки) плата защиты и высокотоковые аккумуляторы:


Как по мне, очень хороший и экономичный вариант, наверно, я бы остановился на нем.

Еще один вариант, предложенный камрадом Volosaty :
Использовать так называемый «Чешский балансир»:

Где он продается лучше спросить у него, я первый раз о нем услышал, :-). По токам ничего не подскажу, но судя по описанию, ему необходим источник питания, поэтому вариант не такой бюджетный, но вроде как интересный в плане зарядного тока. Вот ссылка на . Итого, для данного варианта необходимы: источник питания, красная или аналогичная (без балансировки) плата защиты, «чешский балансир» и высокотоковые аккумуляторы.

Преимущества:
Я уже ранее упоминал о преимуществах литиевых источников питания (Li-Ion/Li-Pol) над никелевыми (NiCd). В нашем случае сравнение лицом к лицу – типичная батарея шурика из NiCd аккумов против литиевой:
+ высокая плотность энергии. У типичной никелевой батареи 12S 14,4V 1300mah запасенная энергия 14,4*1,3=18,72Wh, а у литиевой батареи 4S 18650 14,4V 3000mah - 14,4*3=43,2Wh
+ отсутствие эффекта памяти, т.е. можно заряжать их в любой момент, не дожидаясь полного разряда
+ меньшие габариты и вес при одинаковых параметрах с NiCd
+ быстрое время заряда (не боятся больших токов заряда) и понятная индикация
+ низкий саморазряд

Из минусов Li-Ion можно отметить только:
- низкая морозостойкость аккумуляторов (боятся отрицательных температур)
- требуется балансировка банок при заряде и наличие защиты от переразряда
Как видим, преимущества лития налицо, поэтому зачастую имеет смысл переделки питания…
+173 +366

Иногда есть необходимость в зарядке Li-Ion аккумулятора, состоящего из нескольких последовательно соединенных ячеек. В отличие от Ni-Cd аккумуляторов, для Li-Ion аккумуляторов необходима дополнительная система управления, которая будет следить за равномерностью их заряда. Зарядка без такой системы рано или поздно приведет к повреждению элементов аккумулятора, и вся батарея будет неэффективна и даже опасна.

Балансировка — это режим заряда, который контролирует напряжение каждой отдельной ячейки в батареи аккумулятора и не допускает превышения напряжения на них выше установленного уровня. Если одна из ячеек зарядиться раньше остальных, балансир берет на себя избыточную энергию и переводит ее в тепло, не допуская превышения напряжения заряда конкретной ячейки.

Для Ni-Cd аккумуляторов нет необходимости в такой системе, поскольку каждый элемент батареи при достижении своего напряжения перестает принимать энергию. Признак заряда Ni-Cd — это увеличение напряжения до определенного значения, с последующим его снижением на несколько десятков мВ и повышением температуры, поскольку излишняя энергия переходит в тепло.

Перед зарядкой Ni-Cd должны быть разряжены полностью, в противном случае возникает эффект памяти, который приведет к заметному снижению емкости, и восстановить ее можно только путем нескольких полных циклов заряда/разряда.

С Li-Ion аккумуляторами все наоборот. Разрядка до слишком низких напряжений вызывает деградацию и необратимое повреждение с увеличением внутреннего сопротивления и уменьшением емкости. Также зарядка полным циклом быстрее изнашивает аккумулятор, чем в режиме подзарядки. Аккумулятор Li-Ion не проявляет симптомов заряда как у Ni-Cd, так что зарядное устройство не может обнаружить момент полного заряда.

Li-Ion как правило заряжают по методу CC/CV, то есть, на первом этапе заряда устанавливают постоянный ток, например, 0,5 С (половина от емкости: так для для аккумулятора емкостью 2000 мАч ток заряда составит 1000мА). Далее при достижении конечного напряжения, которое предусмотрел производитель (например, 4,2 В), заряд продолжают стабильным напряжением. И когда ток заряда снизится до 10..30мА аккумулятор можно считать заряженным.

Если у нас батарея аккумуляторов (несколько аккумуляторов соединенных последовательно), то мы заряжаем, как правило, только через клеммы на обоих концах всего пакета. При этом мы не имеем никакой возможности контролировать уровень заряда отдельных звеньев.

Возможно, что будет так, что один из элементов будет иметь более высокое внутреннее сопротивление или чуть меньшую емкость (в результате износа аккумулятора), и он быстрее остальных достигнет напряжение заряда 4,2 В, в тоже время у остальных будет только по 4,1 В, и вся батарея не покажет полный заряд.

Когда напряжение батареи достигнет напряжение заряда, может оказаться так, что слабый элемент зарядиться до 4,3 В или даже больше. С каждым таким циклом такой элемент будет все больше и больше изнашиваться, ухудшая свои параметры, до тех пор, пока это не приведет к выходу из строя всей батареи. Мало того, химические процессы в Li-Ion нестабильны и при превышении напряжения заряда значительно повышается температура аккумулятора, что может привести к самовозгоранию.

Простой балансир для li-ion аккумуляторов

Что же тогда делать? Теоретически самый простой способ заключается в использовании стабилитрона, подключенного параллельно каждому элементу батареи. При достижении напряжения пробоя стабилитрона, он начнет проводить ток, не позволяя повышаться напряжению. К сожалению, стабилитрон на напряжение 4,2 В не так легко найти, а 4,3 В уже будет слишком много.

Выходом из данной ситуации может быть применение популярного . Правда в этом случае ток нагрузки не должен превышать более 100 мА, что очень мало для заряда. Поэтому ток необходимо усилить при помощи транзистора. Такая схема, подключенная параллельно к каждой ячейки, защитит ее от перезаряда.

Это слегка измененная типовая схема подключения TL431, в datasheet ее можно найти под названием „hi-current shunt regulator” (сильноточный регулятор шунта).

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…5 А) 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 *22 Ком подобрать таким образом, что бы при достижении на соответствующей
банке аккумулятора напряжения +4,2 Вольт стабилитрон открывался и загорался сигнальный
светодиод.

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.

Принципиальная схема зарядки - балансира LiPo .

Файл.lay

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.

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 коллегам, что на простых советских радиоэлементах, можно без особых усилий и материальных затрат за пару дней собрать то
или иное нужное для дела устройство!
Еще хочу особо отметить - когда наши инженеры ещё не имели калькуляторов, а считали на логарифмических линейках, то все их грандиозные проекты работали! Достаточно вспомнить
АМС "Венера" 70х годов, которая опустилась на поверхность Венеры и передала на Землю цветные фотографии. И советские луноходы и лучшие в мире самолеты 50х годов! И конечно, полёт Юрия Гагарина! В те годы все расчеты производились именно на логарифмических линейках! У меня, конечно, есть калькулятор и не один. Но пользоваться логарифмической линейкой я тоже умею.