Балансировка LiFePO4 аккумуляторов – как и зачем она проводится

У некоторых пользователей создается впечатление, что смысл балансировки в поддержании одинакового напряжения на всех ячейках, но это отнюдь не так. У ячеек может быть разное напряжение, но тем не менее аккумулятор может быть при этом идеально сбалансирован. В некоторых случаях приведение ячеек к одинаковому напряжению только вредит.

Рассмотрим например случай, когда при полном разряде аккумулятора у ячеек появляется разбег, что многие могли заметить. Надо иметь в виду, что ячейки никогда не бывают совершенно одинаковой емкости, поэтому емкость аккумулятора определяется емкостью одной самой низкоемкой ячейки в цепи. Аккумулятор соответственно может иметь максимальную емкость равную емкости этой ячейки, и задача балансировки в том, чтобы аккумулятор не имел емкости ниже этого значения.

Положим у нас 4 ячейки, и у одной слева наименьшая емкость:

    

Как видите, верхняя часть каждой ячейки находится на одном уровне (100% заряда аккумулятора), это значит балансировка хорошая и проведена по верхнему уровню (top balancing). 

Если посмотреть на уровень 0% заряда аккумулятора, то заметно, что у левой ячейки на этом уровне напряжение 2.5В, а у остальных все еще 3.2В. И ничего страшного в этом нет, это всего лишь означает, что у левой ячейки емкость ниже остальных, она разрядилась, и БМС отключила аккумулятор. Сами цифры утрированы, на самом деле разброс в этом примере слишком большой, и у хорошего качества ячеек такого разброса не бывает, но здесь просто задача наглядно показать, что разброс по напряженю при идеально сбалансированной сборке имеет место быть.

Что будет если мы разрядим такой аккумулятор и будем его балансировать в разряженном состоянии? Мы перельем заряд из более емких ячеек в левую и аккумулятор придет к такому виду:

Такой аккумулятор тоже сбалансирован, но сбалансирован по нижнему уровню (bottom balancing). Это значит, что при полном разряде у всех ячеек будет одинаковое напряжение 2.5В, а при полном заряде у левой будет 3.6В, а у остальных 3.3В. 

Обычно принято балансировать по одному уровню – либо верхнему, либо нижнему. Первый вариант наиболее распространен, и все пассивные балансиры именно по нему и работают, т.е. они ждут, пока напряжение ячейки повысится до 3.4-3.6В и начинают разряжать наиболее заряженные ячейки.

Что будет если мы будем балансировать и на верхнем, и на нижнем уровне, а также на остальных уровнях посередине, как делают все ненастраиваемые активные балансиры? Получится, что балансир будет постоянно переливать заряд из одних ячеек в другие перемещая их туда-сюда.

И если на верхнем или нижнем уровнях (не на обоих, а именно на одном из них!) эта работа имеет смысл, то работа на обоих уровнях это просто переливание из пустого в порожнее, ненужный разряд аккумулятора и износ ячеек.

А как же балансировка на уровнях посередине? Работа на этих уровнях имеет такой же вредный эффект. По идее на этих уровнях, когда напряжение ячеек очень мало отличется, балансир не должен работать, но зачастую они из-за своих погрешностей балансируют даже ячейки с одинаковыми напряжениями. Поэтому с активными балансирами также зачастую устанавливают кнопку отключения балансира, чтобы он зря не разряжал аккумулятор. Мы же устанавливаем только пассивные балансиры, либо настраиваемые (Smart) активные балансиры, которые работают только по верхему уровню.

В каких же случаях аккумулятор не сбалансирован и требует балансировки? Вот два примера:

 

В примере выше левая ячейка имеет уровень заряда намного ниже, чем остальные ячейки. Как видите, при разряде левая ячейка полностью высаживается, когда остальные ячейки еще имеют половину емкости.

Если посмотреть на расстояние между 0% и 100%, то видно, что используется всего половина из доступной емкости ячеек.

Поэтому надо дозарядить левую ячейку, чтобы привести ее верхний уровень к верхнему уровню остальных ячеек, тогда аккумулятор выдаст полную емкость.

 

А в этом примере уже левая ячейка имеет уровень заряда, намного превышающий уровень остальных ячеек. Поэтому нужно разрядить остальные ячейки, либо дозарядить левую для того, чтобы аккумулятор смог выдавать полныю емкость.

Как видно по последним двум рисункам, их интервал от 0% до 100% гораздо меньше, чем интервал на первых рисунках. Этот интервал и есть доступная емкость аккумулятора. Поэтому в этом случае дисбаланс приводит к потере емкости, и требуется балансировка для ее восстановления. А на первых рисунках, несмотря на разбег напряжения, аккумулятор полностью сбалансирован и выдает максимально возможную емкость.

Рекомендуем прочитать также вот эту статью: Почему мы не устанавливаем активные балансиры