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Autobilanciare le batterie
+Analog
GESTIC,
BASTA UN GESTO
La nuova tecnologia
Microchip
permetterà di
I
Le batterie ricaricabili al litio sono
interagire con i
leggere e in grado di erogare
sistemi mobile
un’elevata quantità di energia, ma
attraverso i gesti.
risultano molto sensibili ad abusi,
Vediamo in
sono soggette a surriscaldamento e,
dettaglio come
nel caso peggiore, ad incendio. In
funziona
pacchi di batterie LiPo sono raggruppamenti di celle ideali per essere ricaricati. Molto leggeri nel peso, e con
un’alta concentrazione di energia, hanno la peculiarità di scaricarsi molto lentamente e ricaricarsi velocemente. D’al-
ogni caso i pacchi LiPo stanno
diventando la scelta per eccellenza
nella applicazioni mobili. Vediamo
allora cosa sono esattamente i
pacchi 2s, 3s e 4s, e perché
necessitano di essere bilanciati
tro canto hanno come difetto l’intolleranza ad una carica errata, tanto da definire quest’ultima una scienza a se.
Ogni produttore di dispositivi basati su
batterie al litio è sicuro che dovrà produrre un caricabatterie dedicato all’applicazione, in grado di monitorare la carica delle celle. Tutto ciò in modo da
prevenire i due possibili processi di distruzione di una LiPo, denominati: scarica-profonda e sovraccarica. L’ultima
condizione è estremamente pericolosa
in quanto il litio risulta molto reattivo; infatti se si dovesse verificare una situazione del genere, sarà meglio aver a disposizione un secchio di sabbia.
CELLE LIPO
Le batterie ricaricabili ai polimeri di litio
(LiPo) negli ultimi anni sono state adotFigura 1. Due LiPo 5s di origine cinese
connesse in serie ed inserite all’interno di
una scatola d’alluminio con un termofusibile. 13
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tate dalla maggior parte dei produttori di
dispositivi portatili. Il loro peso contenuto e la corrente di scarica elevata,
le rendono ideali nel campo delle applicazioni mobili. La recente diminuzione dei prezzi le ha rese ancora più
competitive. I maggiori produttori come
Kokam o Ansmann rendono disponibili prodotti a £28 per 4000 mAh, mentre le
celle Cinesi possono essere vendute
su eBay al prezzo di £5 per 4000 mAh.
Una veloce ricerca di “lipo 5s” nel sito
eBay fornirà un idea più chiara riguardante il prezzo alla data corrente. Un
pacco descritto come 5s dispone di
cinque celle in serie.
La capacità della batteria (C) è fornita in
mAh. Un pacco con capacità di 4000
mAh sarà dunque in grado di fornire 4 A
continuamente per un ora. Dunque un
pacco con capacità 4000 mAh e formato da cinque celle sarà descritto come LiPo 5s 4000.
Un’altra importante proprietà da considerare è il valore massimo della corrente di scarica. Quando l’autore ha
comprato le batterie per il progetto descritto qui di seguito, la versione Cinese offriva una corrente di scarica inferiore, 15 C, rispetto ai 30 C della
versione originale.
La maggior parte delle recenti offerte
dalla Cina riesce a mantenere un prezzo contenuto con le medesime caratteristiche del prodotto originale. Una
Figura 2. Un amplificatore operazionale di
potenza e tre resistenze è tutto ciò che
serve per realizzare un bilanciatone. batteria con valore nominale di scarica
di 30 C può essere scaricata in sicurezza ad un valore superiore 30 volte la
propria capacità oraria; in questo caso
a 120 A in due minuti. Dunque con la
cella 15 C (Figura 1), 60 A sono abbastanza impressionanti e sufficienti.
UN EQUILIBRIO DIFFICILE
Caricare delle celle LiPo non è esageratamente difficile; basta fornire una
corrente di carica costante del valore
compreso tra 0.5 e 1 C, fino a che la tensione delle singole celle non raggiunge
un valore compreso tra 4.1 e 4.2 V. Per
una singola cella ciò risulta molto lineare, ma quando molte son connesse
in serie a formare un pacco, piccole
variazione alle proprietà elettriche di
ognuno di questi settori causerà molti
cicli di carica/scarica. Queste leggere
discrepanze fanno si che la cella invecchi prematuramente, o nel caso peggiore una perdita totale di carica. Con le
batterie NiCd o ad acido trattenuto il
problema appena descritto non si riscontra. In un pacco di batterie LiPo
le singole celle non sono completamente identiche.
Ognuna ha una capacità leggermente
più elevata o contenuta di un’altra. Prendendo il caso di due celle connesse in
serie, quella delle due con la capacità
più bassa si caricherà più velocemente
rispetto alla propria partner, incappando in una scarica profonda; durante il ciclo di carica, se la fornitura di corrente
continuasse finché anche la controparte non risultasse piena, la cella con
capacità più minuta riceverà una sovraccarica.
Dopo diversi cicli di carica/scarica la
differenza tra le singole celle diventerà
sempre maggiore, e i successivi sovraccarichi e scariche profonde, finiranno per ledere la capacità dell’accumulatore.
La soluzione al problema è abbastanza
semplice: il potenziale della cella è un
buon indicatore della quantità di carica
della batteria, non si dovrà far altro che
verificare che I singoli pacchi raggiungano lo stesso valore di tensione, realizzando quindi un bilanciamento del
sistema.
METODI DI BILANCIAMENTO
L’approccio a forza bruta (dopo due cicli di carica) è il metodo per far cedere
il potenziale e definire un valore di tensione. Tutte le celle si troveranno allo
stesso voltaggio, con qualsiasi offset
accumulato ridotto a zero. Lo svantaggio di questo metodo è che l’energia
prelevata dalla cella durante questa
procedura è semplicemente dissipata e
persa. Le celle dovranno essere caricate
nuovamente prima dell’uso. Le batterie
dei Laptop solitamente dispongono di
un dispositivo hardware di gestione alloggiato nella batteria stessa.
Un microcontrollore monitora la tensione di ciascun pacco, deviando la
corrente nei tratti più deboli, garantendo all’intero sistema una carica appropriata. Un altro metodo più complesso
permette di ritornare al caricabatterie la
corrente in eccesso, così che quando il
pacco risulterà bilanciato solo una piccola parte di energia sarà stata sprecata. Dal punto di vista della conservazione dell’energia, questa soluzione è
ottimale, ma l’hardware per la realizzazione risulta un tantino complesso.
Possiamo sicuramente fare meglio del
primo metodo, e i metodi complessi
non sono sicuramente quelli universali.
C’è un’alternativa; un sistema super
semplice che garantisce un bilanciamento automatico con una relativamente bassa perdita di energia.
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UN AUTOBILANCIATORE
Il principio operativo di questo metodo
usando due celle e visualizzato in Figura 2. Un partitore di tensione formato da R1 e R2 produce esattamente
metà del valore di tensione formato dalla combinazione delle due celle. L’operazionale (di potenza) pilota la corrente
dal limitatore di corrente R3 fino al centro della connessione tra le due batterie.
Quando la cella superiore ha un potenziale più elevato rispetto a quella inferiore, la corrente fluisce all’interno della stessa finché entrambe non si trovano
allo stesso livello. Nessuna prova o calcoli son necessari eccetto quelli che
definiscono il valore di R3, in grado di
fornire una corrente di bilanciamento
nell’ordine di 0.02 a 0.1 C. Cosa succede se si hanno più di due celle? Facile, basta aggiungere altri amplificatori
operazionali. Un IC a 4 operazionali è
sufficiente per bilanciare pacchi fino a 5
celle. Gli operazionali standard non sono in grado di fornire la corrente necessaria per il bilanciamento, quindi un
amplificatore in classe B a transistor
dovrà essere aggiunto in uscita per pilotare il carico. Darlington di potenza a
basso costo (da T1 a T8) sono una buona scelta per mantenere bassi i costi di
realizzazione. La Figura 3 mostra lo
schema completo del circuito. É possibile bilanciare pacchi di batterie da due
a cinque celle. La caduta di tensione ai
Figura 3. Più celle = più operazionali e resistenze. Più corrente = stage d’uscita con
amplificatore Darlington in classe B. Più convenienza = Led indicanti il flusso di corrente
in uscita. capi di ciascun LED limita la tensione in
to dall’indicazione dei LED. L’aletta non
base al transistor, che assieme alla re-
richiede un valore di dissipazione ter-
sistenza nell’emettitore limita la cor-
mica elevato, mentre il jumper permet-
rente in uscita nell’ordine compreso tra
terà al circuito di essere configurato
i 200 e i 250 mA. Per queste ragioni il
per pacchi di batterie da 2S fino ai 5S.
circuito è ideale per celle con capacità
dai 2 ai 10 Ah. Con l’aggiunta di un alet-
FASE DI TEST
ta di raffreddamento la corrente potrà
Una volta che la costruzione è comple-
essere aumentata diminuendo il valore
tata (si può realizzare un PCB ad hoc),
delle resistenze da R10 a R17. In questa
un test di continuità risulterebbe effi-
maniera l’unità raggiungerà il bilancia-
cace per verificare l’effettivo isolamen-
mento più velocemente, come mostra-
to dei transistor gli uni dagli altri. Dopo
il test d’isolamento e un controllo visivo
generale della basetta, si provvederà
nel posizionare il jumper JP5 (5s) lasciando di conseguenza tutte le altre
posizioni libere. Ora aggiustata la tensione di uscita di un alimentatore da
banco attorno ai 10 V connettere i due
cavi d’uscita al connettore K1 (osservando le polarità).
Il LED D9 si accenderà e qualche milliampere sarà speso per l’alimentazione.
Se tutto è in ordine, aumentare la tensione d’ingresso fino ai 20 V. D9 dovrebbe illuminarsi con un’intensità maggiore, mentre utilizzando un multimetro
si dovrà verificare che nei pin 2, 3, 4 e 5
siano presenti le tensioni 4, 8, 12 e 16 V
(rispettivamente un quinto della tensione di alimentazione). A questo punto, tramite l’alimentatore da banco, limitare la corrente d’uscita a 0.5A e
cortocircuitare tra di loro ogni pin adiacente di K1. Se il circuito risponde in
maniera corretta, dovrebbe fuoriuscire dall’alimentatore al massimo una
corrente di 200 mA.
Effettuati questi test, il dispositivo è
pronto per essere connesso al pacco di
batterie da bilanciare. Importante è non
dimenticarsi di impostare il jumper nella posizione corretta rispetto al pacco di
batterie utilizzato: per un 3S, verificare
che si trovi in posizione JP3-1 e JP3-2.
Controbilanciato dovrà restare connesso alla batteria finché tutti I LED
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2S e 4S, mentre 5S richiedono solamente un jumper. Una piena carica di un
pacco di celle LiPo hanno una tensione
superiore ai 21 V (4.2 V/cell). Il rubinetto per regolare la tensione viene realizzato mediante la connessione delle resistenze da R1 a R5. Ogni amplificatore
operazionale compara la tensione attuale della cella con una tensione di riferimento.
Quando la tensione della cella è differente dalla tensione di controllo l’operazionale comanda uno dei darlington,
caricando la cella (quando il potenziale
è basso) o scaricandola (quando è troppo alto). Il risultato sta nel portare tutte
le celle allo stesso valore di tensione.
Finché la corrente di bilanciamento sarà maggiore di 20 mA il led corrispondente sarà illuminato.
Lo stage d’uscita può bilanciare al massimo 250 mA. Il limite può essere tranquillamente variato modificando il valore
della componentistica di IC1A.
La tensione ai capi del LED in conduzione sarà all’incirca di 1.8V. Sottraendo quindi la tensione dei diodi (D10 o
D11), la caduta di tensione dell’emettitore del darlington (circa da 1.0 a 1.1V),
e i 0.2V utilizzati ai capi della resistenza
da 1 Ω, si avrà chiaro come la corrente
sarà effettivamente limitata a 250 mA.
(eccetto D9) non si saranno spenti. Non
è necessario bilanciare le LiPo ad ogni
carica.
L’abitudine dell’autore è bilanciare la
batteria ogni circa dieci cicli di carica. Il
metodo d’utilizzo dell’autore consiste
nel connettere in serie due pacchi 5S,
dopo averli bilanciati in maniera seguente: si comincia con il connettere
il circuito in modalità 5S, e eseguire il bilanciamento ad ognuno dei due pacchi.
Fatto ciò, si procederà impostando il
sistema in 2S e collegate le due batterie
in serie si provvederà a bilanciare i due
sistemi indipendenti connettendo il positivo al pin 3 di K1, il negativo al pin 1 e
la serie tra I due al pin 2. L’ultimo bilanciamento si potrà eseguire solamente se IC1 sarà un LM348, il quale
supporta tensione fino a 44V. L’alternativa LM324 è utilizzabile con tensioni massime di 32 V, sufficienti per 2 x 4s
(e 1 x 5s).
COME LAVORA
Connettere il connettore di bilanciamento del pacco LiPo tramite K1. I Jumper da JP2 a JP5 son utilizzati per definire la dimensione del pacco (da 2 a 5).
Il Jumper nominato JPx-1 collega la
tensione della batteria al circuito mentre JPx-2 connette la batteria al canale
di riferimento.
Due jumper sono necessari per i pacchi
Codice MIP 2834253
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