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

Li-iyon ve Li-Po pillerin şarj edilmesi ve korunması, günümüzde taşınabilir elektroniklerin en kritik konularından biridir. Daha önce paylaştığım “Li-ion Pil Şarj Entegreleri (MCP73831, TP4056)”, “Pil Koruma Devreleri” ve “Li-ion / Li-Po / LiFePO₄ Piller Hakkında” başlıklı yazılara ek olarak, bu yazıda seri bağlı pillerde dengeleme (balans) kontrolünün neden gerekli olduğu ve nasıl uygulanabileceği konusunu ele alacağım.

Tek hücreli pil kullanan projelerde şarj ve koruma nispeten kolaydır. Ancak daha yüksek voltaj gerektiren uygulamalarda (örneğin 7,4 V, 11,1 V, 14,8 V gibi) pillerin seri bağlanması kaçınılmazdır. İşte bu noktada, şarj devresinde balans (denge) özelliği yoksa ciddi problemler ortaya çıkabilir.

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.

Seri Bağlı Pillerde Neden Balans Gerekli?

Seri bağlı piller hiçbir zaman birebir aynı özellikte değildir.

Her pilin;

• Kapasitesi
• İç direnci
• Yaşı
• İlk doluluk oranı

birbirinden az da olsa farklıdır.

Bu farklar nedeniyle şarj sırasında bazı piller daha erken dolar, bazıları ise daha geç doluluk sınırına ulaşır. Eğer kullanılan şarj devresinde dengeleme yoksa:

• Erken dolan pil aşırı voltaja maruz kalır
• Geç dolan piller tam dolmadan şarj kesilir
• Zamanla pil paketi dengesiz hâle gelir
• Kapasite düşer, ömür kısalır ve güvenlik riski artar

Örnek Senaryo: 3S (12,6 V) Li-İyon Pil Paketi

Projemizde 12 V civarında bir besleme gerektiğini varsayalım. Bunun için 3 adet Li-iyon pili seri bağladık.

Tek bir Li-iyon pilin tam dolu voltajı: 4,2 V

3 seri pilin toplam tam dolu voltajı: 12,6 V

Bu değere uygun bir şarj devresi kullandık ve pilleri şarj etmeye başladık.

Şarj sırasında ortadaki pil 4,2 V sınırına ulaşmış olsun.

Diğer iki pil ise henüz 4,0–4,1 V seviyelerinde.

Toplam voltaj ≈ 12,2 V olduğu için şarj devam eder.

Şarj devam ettikçe ortadaki pil 4,2 V sınırını aşarak 4,3–4,4 V seviyelerine çıkar. Diğer piller hâlâ tam dolmamıştır.

Bu noktada toplam voltaj 12,6 V olduğu için şarj devresi şarjı keser.

Sonuç:

Bir pil aşırı şarj edilmiştir.

Diğer piller eksik şarjlı kalmıştır.

Bu durum birkaç şarj döngüsü tekrarlandığında:

• Aşırı şarj edilen pil hızla bozulur
• Pil paketi kapasitesi düşer
• Şarj süresi kısalır, kullanım süresi azalır

Pil Balans (Dengeleme) Devresi Ne Yapar?

Balans devresi, seri bağlı pillerde erken dolan hücreyi algılar ve bu hücreye ek yük bindirerek geriliminin yükselmesini engeller.

Genellikle, Yük olarak direnç Yük anahtarı olarak transistör kullanılır. Bu sayede, Erken dolan pil 4,2 V seviyesinde tutulur Şarj devresi diğer piller dolana kadar çalışmaya devam eder

Tüm piller dengeli şekilde dolar.

Entegre Çözümler (Profesyonel Sistemler)

Piyasa üzerinde bu iş için geliştirilmiş çok sayıda entegre bulunmaktadır.

Öne çıkanlar:

Texas Instruments – BQxxxx serisi (Laptop bataryalarında yaygın) SII Semiconductor (güncel adıyla ABLIC Inc.)

Bu entegreler:

• Hücre voltaj ölçümü
• Balans
• Aşırı şarj / aşırı deşarj koruması
• Akım ve sıcaklık izleme

gibi birçok özelliği tek pakette sunar.

Basit Transistörlü Pil Balans Devresi

Hobi projeleri ve düşük maliyetli uygulamalar için basit transistörlü balans devreleri oldukça yaygındır. Aşağıdaki devrede BD140 PNP transistör yük olarak kullanılmıştır

TL431 referans entegresi ile hassas voltaj algılama yapılır Trimpot sayesinde balans voltajı ayarlanabilir.

Not: Tek hücreli uygulamalarda balans devresine gerek yoktur. Seri bağlı her pil için bir adet balans devresi kullanılır.

3S (12,6 V) Pil Paketi İçin Bağlantı

3 adet seri bağlı Li-iyon pil için her hücreye bir balans devresi bağlanır.

Devre test amaçlı olarak delikli plakette kurulabilir. Ancak: PCB tasarımı, SMD malzemeler kullanılarak çok daha kompakt hâle getirilebilir.

Balans Devresinin Ayarlanması

Ayarlama için Ayarlı bir güç kaynağı gereklidir

Adımlar:

Güç kaynağını 4,25 V’a ayarlayın

Trimpotu yavaşça çevirin

LED yanmaya başladığında (veya TL431 REF bacağı 2,5 V gördüğünde) ayar tamamdır

Çekilen akımı kontrol edin

Tipik balans akımı: 100 mA – 400 mA

Ben 18650 Li-iyon piller için 300 mA kullandım.

İsterseniz sabit dirençlerle trimpotsuz da ayar yapılabilir; ancak çok turlu trimpot kullanmak en pratik çözümdür.

Yük Seçenekleri ve Isı Yönetimi

Bu devrede BD140 doğrudan yük olarak kullanılabilir

Alternatif olarak:

5–10 Ω / 1–2 W direnç

Seri bağlı 3–4 adet 1N4007 diyot

eklenebilir.

BD140 mutlaka küçük bir soğutucuya bağlanmalıdır.

Daha hassas sonuçlar için:

Gerilim bölücü dirençler %1 toleranslı seçilmelidir.

Pil Balans Nerelerde Kullanılıyor?

Bu tür basit balans devreleri:

• Oyuncak araçlar
• Model tekne ve helikopterler
• Basit Li-iyon şarj adaptörleri

gibi birçok ticari üründe yaygın olarak kullanılmaktadır.

Entegre Kontrollü Daha Gelişmiş Seçenekler

Daha ileri uygulamalar için Entegre kontrollu, Mikrodenetleyici tabanlı pil balans sistemleri tercih edilebilir.

Örneğin: S8209B entegresi ile Balans Aşırı şarj / deşarj koruması tek devrede sağlanabilir.

Önemli Bir Hatırlatma

Pil balans devresi: Bozuk pili onarmaz, Kapasitesi düşmüş pili iyileştirmez

Ancak: Sağlam pillerin zarar görmesini engeller, Pil paketinin ömrünü uzatır, Güvenliği artırır

Seri bağlı pillerde kullanılması şiddetle tavsiye edilir.

Balans Devresi Olmadan Seri Pil Kullanmak Mümkün mü?

Evet, ama şansa bağlıdır.

Eğer piller:

Aynı üretim serisinden benzer kapasite ve iç dirence sahipse uzun süre sorun çıkarmayabilir.

Daha iyi sonuç için:

Birden fazla pili ölçün.

Yüksüz ve yüklü voltajlarını not alın.

Birbirine en yakın olanları seri bağlayın.

Örnek:

PİL-A yüklü 3.0V yüksüz 3.90V

PİL-B yüklü 3.60V yüksüz 3.85V

Yüksüz voltajları yakın olsa da yüklü voltajları farklı olduğu için bu piller seri kullanım için uygun değildir.

Test yükü olarak:

15 Ω / 2 W direnç kullanılabilir.

Kullanılmış pillerde:

Tam şarj edin

Birkaç gün bekleyin

Ölçümleri tekrar edin

Sonuç

Seri bağlı Li-iyon pil kullanımı kaçınılmazsa: Balans devresi kullanmak bir lüks değil, gerekliliktir Basit devreler bile ciddi fark yaratır

Mümkünse pilleri ayrı ayrı şarj etmek en sağlıklı çözümdür.

Bu sayede: Daha güvenli Daha uzun ömürlü Daha kararlı pil paketleri elde edebilirsiniz. Son olarak konuda geçen BMS sistemi hakkında ki yazıyı incelemenizi öneririm: BMS nedir