Для питания различных электронных устройств применяются аккумуляторные батареи. Неидентичность характеристик элементов приводит к снижению срока службы батареи по сравнению с одиночным элементом. В статье рассматриваются выравнивающие устройства, позволяющие оптимизировать зарядно-разрядный режим батареи и продлить тем самым ее срок службы.
Неидентичность характеристик элементов аккумуляторной батареи не позволяет реализовать оптимальный зарядно-разрядный режим.
В результате этого различные элементы в процессе заряда накапливают разную энергию, что не позволяет реализовывать максимально возможную емкость батареи.
Кроме того, существует опасность перезарядки отдельных элементов. Эксплуатация аккумуляторной батареи не должна допускать перезаряда или переразряда любого из последовательно включенных элементов, так как это может привести к снижению срока службы батареи или даже к ее повреждению
Рис.1.
В современных "интеллектуальных" зарядных устройствах предусмотрена возможность выравнивания напряжения на элементах батареи, что позволяет оптимизировать зарядно-разрядный процесс и улучшить эксплуатационные характеристики этой батареи.
Рассмотрим режим выравнивания на примере зарядно-разрядного устройства, реализованного на микросхеме МС33345. Упрощенная схема зарядно-разрядного устройства на основе этой микросхемы приводится на рис. 1.
Микросхема МС33345 осуществляет сбор информации о состоянии элементов G1—G4 батареи. Это осуществляется путем сравнения напряжения на каждом элементе с верхним (UPA3P) и нижним (U3AP) порогами допустимого напряжения, которые могут задаваться пользователем с помощью резисторов внешнего делителя R1—R3.
По результатам сравнения изменяется алгоритм работы зарядного или разрядного ключевого транзистора с помощью логического устройства, входящего в функциональные узлы микросхемы.
В случае, когда часть элементов зарядилась до верхнего порога напряжения, зарядный процесс чередуется с разрядом каждого из этих элементов на свой резистор с помощью внутренних транзисторных ключей. 
При этом ключи разряда недозаряженных элементов не включаются. Аналогичные функции реализуются также в микросхемах МС33347, МС33346 и др.
Рис.2.
Для выравнивания напряжения на элементах можно использовать преобразователи напряжения на коммутируемых конденсаторах. Схема выравнивающего устройства на микросхеме ICL7660 показана на рис. 2.
Микросхема ICL7660 поочередно подключает конденсатор С1 к G1 или G2. Если напряжение на G1 больше, чем на G2, то С1 заряжается от G1 и разряжается на G2. В результате этого напряжение на G1 уменьшается, а на G2 увеличивается. 
Рис.3.
Это приводит к выравниванию напряжения на G1 и G2.
Если в исходном состоянии напряжение на G2 больше, чем на G1, то процесс протекает в противоположном направлении, приводя в конечном итоге к выравниванию напряжений.
На рис. 3 показана зависимость I1 от U2 (напряжение на G2), полученная опытным путем при U1 = 1,34 В (напряжение на G1).
При макетировании в качестве G1 и G2 использовались никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы емкостью 1700 мА/ч.
Из рисунка видно, что если U1 > U2, то ток G1 заряжает конденсатор С1, который отдает полученную энергию G2.
Если U1 < U2, то конденсатор С1 запасает энергию от G2 и отдает ее G1. При равенстве напряжений процесс выравнивания останавливается.
При макетировании получена зависимость напряжения на G1 и G2 от времени, которая приведена на рис. 4. 
Из рис. 4 видно, что процесс выравнивания замедляется при приближении U1 к U2.
Выравнивающее устройство может использоваться на протяжении всего времени эксплуатации батареи, как в процессе заряда, так и в процессе разряда, а также при отключенной нагрузке.
Рис.4.
Поскольку процесс выравнивания происходит непрерывно, его длительный характер не снижает эффективности устройства.
Потери в выравнивающем устройстве обусловлены потреблением тока микросхемы ICL7660, которое не превышает 4...5 мкА, что значительно меньше тока саморазряда Ni-MH и Ni-Cd аккумуляторов.
Микросхема ICL7660 сохраняет работоспособность при напряжении питания, достигающем 10В, что позволяет использовать выравнивающее устройство и для литий-ионных (Li-Ion) и свинцовокислотных (Lead-Acid) аккумуляторов.
Некоторое повышение потребляемого тока микросхемой и в этом случае не превышает тока саморазряда аккумуляторов.
В качестве преобразователя на коммутируемых конденсаторах можно применить и другие аналогичные микросхемы таких фирм как Maxim, National Semiconductor, Microchip и др. 
Рис.5.
При применении в батарее большего числа элементов возможно наращивание структуры выравнивающего устройства.
Пример схемы устройства для батареи, состоящей из трех элементов, показан на рис. 5.
Выравнивающее устройство может быть построено на основе обратимого преобразователя напряжения [1].
К выравнивающему устройству может быть подключено до четырех элементов. Конденсатор С1 поочередно подключается к различным элементам, обеспечивая перераспределение энергии этих элементов и выравнивание тем самым напряжения на них
Число элементов в батарее может быть уменьшено. В этом случае вместо исключенных элементов достаточно подключить конденсатор емкостью Ю...20мкФ.
При уменьшении числа элементов обеспечивается дополнительный эффект. 
Рис.6.
Так, при трех элементах устройство формирует дополнительное напряжение 4/3 UBAT, которое может быть использовано в приборе с этой батареей.
Схема устройства показана на рис. 6.
Следует учитывать, что этот источник является слаботочным (до 2 мА).
Устройство на обратимом преобразователе может эксплуатироваться с любыми из рассмотренных в статье типами аккумуляторов.
Его недостатком является пониженное быстродействие.
Д. Онышко. А. Журченко.
Литература:
1. А. Онышко, В. Кичатов. Обратимый преобразователь напряжения.— Радио, 1989, № 8, С . 77, 78.
2. Maxim full-line CD-Catalog Version 5.0 2001 Edition.
3. National Analog and interface products databook, 2001 Edition.
| 