Li-iyon Li-polimer Pillerin Dengeli Şarj Edilmesi Pil Balans Devresi

Li-iyon, Li-po pillerin şarjı, koruması konusunda paylaşılan “Li-ion Pil Şarj Entegreleri MCP73831 TP4056“, “pil koruma devreleri” “Li-ion Li-PO LifePO4 Piller Hakkında” yazılarına ek olarak seri bağlı pillerin dengeleme, balans kontrolü hakkında bir kaç bilgi vereceğim..

Genelde tek pil ile bir çok proje gerçekleştiriliyor daha yüksek voltajlar için seri pil bağlantısı gerekli bu durumda şarj cihazında, devresinde balans, dengeleme özelliği yoksa; pillerin kapasitesine göre bozulma oluyor, erken dolan piller aşırı yüklenip bozuluyor ayrıca bu sorunlu pil, piller erken doldukları için şarj devresi diğer piller dolmadan şarj işlemini bitiriyor.

Örneğin; Projemizde 12V ihtiyacımız var 3 adet Li-iyon pili seri bağladık tam şarjda 1 pilin voltajı 4.2V bu durumda 3 pil için 12.6V şarj cihazı gerekli bunu hallettik ve pillerimizi şarj etmeye başladık her pilin ayrı kapasitesi ve doluluk oranı var bazı piller erken dolacak aşağıda ki şemada ortadaki pil 4.2V sınır değere ulaştı diğerleri tam dolmadı bu durumda toplam voltaj 12.2V şarj devremiz 12.6V olana kadar şarjı kesmeyecek.

Şarj işlemi devam ediyor bir süre sonra ortadaki pil sınır voltajını aşacak 4.4V olacak diğer piller tam dolmadı 4.1V seviyesinde kaldılar fakat toplam voltaj 12.6V olduğu için şarj kesilecek

Pillerimiz yeni dengeleme devresi olmayan bir şarj cihazı ile şarj ettik kullanıyoruz, pilin durumuna göre bir kaç şarj sonrasında aşırı voltaj yüklenen ve tam dolmayan pillerin performansında düşüş olacak pil paketimiz çok daha hızlı şarj olacak ve aynı şekilde hızlıca bitecek.

Pil balans, degeleme devresi bu durumu engellemek için erken dolan pili algılayıp yük bindiriyor yük olarak genelde direnç kullanılıyor bu durumda pilin voltajı sınır değeri aşamıyor şarj devresi diğer piller dolana kadar şarja devam ediyor.

Pil balansı için çok gelişmiş sistemler entegreler var özellikle Texas Instruments üretimi BQXXXX serisi pil koruma, dengeleme entegreleri Laptop bataryalarında sıkca kullanılıyor daha uygun bol çeşit üreten diğer firma ise SII Semiconductor (sanırım firma el değiştirmiş ABLIC Inc olmuş)

Basit Pil Dengeleme Devresi

En sık kullanılan devreler basit yapıda transistörlü oluyor bazıları direkt transistörü yük olarak kullanıyor bazıları transistör ile yük direnci, diyot kullanıyor aşağıda ki devrede BD140 PNP transistör yük olarak kullanılmış TL431 REF bacağına bağlı olan trimpot ile hassas voltaj ayarı yapılabiliyor.

Tek pil için bu devreyi kullanmaya gerek yok. Seri bağlantıda her pil için balans devresinden 1 tane kullanılıyor 12.6V için seri bağlanan 3 adet li-ion pil bağlantı şeması;

Devreyi test için delikli plakete kurdum test amaçlı olduğu boyutları düşünmesim düzenli bir PCB çizimi ve SMD malzemeler ile çok daha küçük boyutlarda yapılabilir.

Pil balans devresinin ayarlanması: Öncelikle ayarlı bir güç kaynağı gerekli güç kaynağınızın voltajını 4.25V olarak ayarlayın 1K trimpotu led ışık vermeye başlayıncaya kadar yavaşca çevirin (veya TL431 REF bacağında 2.5V gören kadar..) bu arada güç kaynağından çekilen akımada bakın pilin gücüne göre 100ma…..400ma arası bir değer yeterlidir. Ben 18650 Li-ion piller için 300ma kullandım

Temelde TL431 REF bacağında 2.5V olacak şekilde direnç ayarı yapılmalı tam değerde direnç kullanırsanız trimpota gerek kalmaz fakat en kolayı çok turlu timpot kullanmak

Bu devrede direkt BD140 transistörü yük olarak kullanılıyor bazı uygulamalarda PNP transistörün kollektör bacağına 1W…2W 5….10-OHM direnç veya seri 3…4 tane 1N4007 diyot bağlanıyor. Testlerde kullanmadım ama BD140 transistörlerinin ufak bir soğutucuya bağlanması gerekli 1K trimpotu çok turlu olandan kullanırsanız daha hassas ayar yapabilirsiniz ayrıca gerilim bölücü 15K, 22K dirençler %1 toleranslı olması daha iyi sonuç verir.

Yukarıda devrenin basitleştirilmiş hali görünüyor yük olarak direnç bağlı bu direnç yerine seri bağlı diyotlar veya ilk şemada ki gibi hiç bir şey bağlanmadan direkt transistör yük olarak kullanılabilir. Led gösterge için ek transistör kullanmak daha stabil ama transistörün kollektörünede bağlanabilir veya hiç kullanılmaya bilir.

Bu basit sistem bir çok cihazın şarj adaptöründe kullanılıyor özellikle piyasada bulunan maket, model araba, tekne, helikopter gibi ürünlerin şarj cihazlarında..

Daha gelişmiş olan entegre kontrollü dengeleyici devreler var çok daha karmaşık olanların yanı sıra mikrodenetleyici kontrollü olanlarıda var. Fazla karmaşık olmayan SII Semiconductor ürünleri kullanıma daha uygun örneğin S8209B entegresi bu entegre ile hem dengeleme hemde koruma sistemi yapılabilir.

Pil dengeleme devresi sorunlu olan pili onarmaz veya daha iyi performans vermesini sağlamaz ama pilin daha kötü duruma gelmesini ve durumu iyi olan pillerin daha fazla zarar görmesini engeller. Seri bağlı pillerde kullanmak gerekli…

Balans Devresi Kullanmadan Olsa?

Düşük bir ihtimalle şansınız var bazen pillerin arasında ki fark çok fazla olmuyor bu durumda pil paketi uzun süre sorun çıkartmıyor.

Ölçüm yaparak en az sorun yaşatacak pilleri tespit edip seri bağlantı yapabilirsiniz fakat satıcının buna izin vereceğini sanmam ayrıca bolca pil gerekli bu iş “Transistörlerin Eşitlenmesi Match edilmesi” yazısında ki gibi bir şey ayıklama yapmak gerekli..

Örneğin elinizde kullanılmamış 10 tane li-iyon pil var hepsinin voltajını ölçün her pilin voltajını üzerine yazın sonra yük bağlayıp ölçümü tekrarlayın ve yük üzerinde ki voltaj durumunu pillerin üzerine yazın. Yüksüz ve yüklü voltaj değeri uyan veya birbirine yakın pilleri seri bağlayıp kullanabilirsiniz dikkat edin iki voltajda uyumlu olmalı mesela;

PİL-A yüklü 3.0V yüksüz 3.90V
PİL-B yüklü 3.60V yüksüz 3.85V

Bu pillerin yüksüz voltajları bir birine çok yakın ama yük üzerinde voltajları çok farklı bu piller seri bağlantı için işimizi görmez 2 değerde aynı veya bir birine yakın olmalı. Yük olarak 15-OHM 2W direnç kullanabilirsiniz.

Kullanılmış pillerde ise; hepsini tam şarj edin bir kaç gün sonra aynı ölçüm işlemini yapın..

Son olarak seri bağlantıyı buzup tekrar toplamak uğraştırıcı ama imkan varsa pilleri ayrı şarj edip kullanabilirsiniz..