Балансировка LiFePO4 аккумуляторов – как и зачем она проводится

Мифы о балансировке аккумуляторов

Многие пользователи полагают, что цель балансировки заключается в поддержании одинакового напряжения на всех ячейках аккумулятора, однако это не так. Аккумулятор может быть идеально сбалансирован даже при различных напряжениях на ячейках. В некоторых случаях выравнивание напряжения может даже навредить.

Разброс напряжений при разряде

Когда аккумулятор полностью разряжен, возникает разброс напряжений, что обусловлено неодинаковой емкостью ячеек. Емкость аккумулятора определяется ячейкой с наименьшей емкостью, и задача балансировки заключается в предотвращении снижения емкости ниже этого уровня.

Пример с четырьмя ячейками

Предположим, что у нас есть четыре ячейки, одна из которых имеет наименьшую емкость. В полностью заряженном состоянии (100% заряда) все ячейки находятся на одном уровне, что означает хорошую верхнюю балансировку (top balancing). При полном разряде (0% заряда) у ячейки с наименьшей емкостью напряжение составит 2.5В, тогда как у остальных оно останется на уровне 3.2В. Это нормально и свидетельствует о том, что ячейка с наименьшей емкостью разрядилась первой, а БМС отключила аккумулятор для защиты.

Нижняя балансировка

Если балансировать аккумулятор в разряженном состоянии, перераспределяя заряд из более емких ячеек в менее емкие, то при полном разряде все ячейки будут иметь одинаковое напряжение 2.5В, а при полном заряде — различное напряжение, например, 3.6В и 3.3В. Такой подход называется нижней балансировкой (bottom balancing).

Верхняя балансировка

Обычно балансировка проводится по одному уровню — верхнему или нижнему. Верхняя балансировка является более распространенной, и все пассивные балансиры работают именно по этому принципу, разряжая наиболее заряженные ячейки при достижении напряжения 3.4-3.6В.

Опасности многопозиционной балансировки

Если проводить балансировку одновременно на верхнем и нижнем уровнях, а также на промежуточных уровнях, как это делают активные ненастраиваемые балансиры, то они будут постоянно перераспределять заряд, что приведет к ненужному разряду аккумулятора и износу ячеек.

Балансировка на промежуточных уровнях

Работа балансиров на промежуточных уровнях также имеет негативный эффект, так как при малых различиях в напряжении балансиры могут срабатывать из-за погрешностей. Поэтому с активными балансирами часто устанавливают кнопку отключения, чтобы избежать ненужного разряда. Мы предпочитаем пассивные балансиры или настраиваемые активные балансиры (Smart), которые работают только по верхнему уровню.

Примеры необходимости балансировки

Когда же аккумулятор требует балансировки? Рассмотрим два примера.

В первом примере одна из ячеек имеет значительно меньший уровень заряда по сравнению с остальными. При разряде эта ячейка полностью разряжается, тогда как остальные сохраняют половину емкости. Это означает, что используется только половина доступной емкости аккумулятора. В таком случае необходимо дозарядить эту ячейку до уровня остальных.

Во втором примере одна из ячеек имеет значительно больший уровень заряда. Необходимо разрядить остальные ячейки или дозарядить эту ячейку, чтобы аккумулятор смог использовать полную емкость.

Заключение

На последних рисунках интервал от 0% до 100% значительно меньше, чем на первых. Этот интервал и есть доступная емкость аккумулятора. Таким образом, дисбаланс приводит к потере емкости, и требуется балансировка для ее восстановления. На первых рисунках, несмотря на разброс напряжений, аккумулятор полностью сбалансирован и выдает максимальную возможную емкость.