Autobilanciare le batterie LiPo

Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload, dedicata ai più importanti temi dell'elettronica e alla loro storia. Le batterie ricaricabili al litio sono leggere e in grado di erogare un’elevata quantità di energia, ma risultano molto sensibili ad abusi, sono soggette a surriscaldamento e, nel caso peggiore, ad incendio. In ogni caso i pacchi LiPo stanno diventando la scelta per eccellenza nelle applicazioni mobili. Vediamo allora cosa sono esattamente i pacchi 2s, 3s e 4s, e perché necessitano di essere bilanciati.

Introduzione

I 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’altro canto, hanno come difetto l’intolleranza ad una carica errata, tanto da definire quest’ultima una scienza a sé. 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 adottate 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 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.

Figura 1. Due LiPo 5s di origine cinese connesse in serie ed inserite all’interno di una scatola d’alluminio con un termofusibile.

Figura 1. Due LiPo 5s di origine cinese connesse in serie ed inserite all’interno di una scatola d’alluminio con un termofusibile

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, piccola variazione alle proprietà elettriche di ognuno di questi settori causerà molti cicli di carica/scarica. Queste leggere discrepanze fanno sì 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 far ritornare al caricabatterie la corrente in eccesso, cosicché, 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.

UN AUTOBILANCIATORE

Il principio operativo di questo metodo usando due celle è visualizzato in Figura 2.

Figura 2. Un amplificatore operazionale di potenza e tre resistenze è tutto ciò che serve per realizzare un bilanciatone.

Figura 2. Un amplificatore operazionale di potenza e tre resistenze è tutto ciò che serve per realizzare un bilanciatore

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 sono 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.

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.

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

É possibile bilanciare pacchi di batterie da due a cinque celle. La caduta di tensione ai capi di ciascun LED limita la tensione in base al transistor, che assieme alla resistenza nell’emettitore limita la corrente in uscita nell’ordine compreso tra i 200 e i 250 mA. Per queste ragioni il circuito è ideale per celle con capacità dai 2 ai 10 Ah. Con l’aggiunta di una aletta di raffreddamento la corrente potrà essere aumentata diminuendo il valore delle resistenze da R10 a R17. In questa maniera l’unità raggiungerà il bilanciamento più velocemente, come mostrato dall’indicazione dei LED. L’aletta non richiede un valore di dissipazione termica elevato, mentre il jumper permetterà al circuito di essere configurato per pacchi di batterie da 2S fino ai 5S.

FASE DI TEST

Una volta che la costruzione è completata (si può realizzare un PCB ad hoc), un test di continuità risulterebbe efficace per verificare l’effettivo isolamento 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 0.5 A 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 (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, ed 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 44 V. 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 sono 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 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 1.8 V. Sottraendo quindi la tensione dei diodi (D10 o D11), la caduta di tensione dell’emettitore del Darlington (circa da 1.0 a 1.1 V), e i 0.2 V utilizzati ai capi della resistenza da 1 , si avrà chiaro come la corrente sarà effettivamente limitata a 250 mA.

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