Capacity BMS и Bleeding BMS - в чём разница?

[zap]

Просимулировал схему - возникают сквозные токи, причём не столько между комплементарными транзисторами одной ячейки, сколько между комплементарными транзисторами разных ячеек. Меандр ведь у нас не идеальный, смена полярности имеет какую-то длительность (особенно после конденсатора, который убивает высокие частоты, сглаживая меандр). Пока напряжение по наклонной меняется, в какой-то момент имеем некое среднее напряжение, при котором, например, N-мосфет ячейки 1 ещё не закрыт а P-мосфет ячейки 2 УЖЕ открыт. В этот момент конденсатор начинает заряжаться напряжением ОБОИХ ячеек, в результате возникают огромные токи и хреновая работа схемы в целом.

Надо делать отдельное управление P- и N- каналами, чтобы исключить сей неприятный побочный эффект.

[Павел]

У меня фронты упр. сигнала по 1мкс, попробовал сделать 10мкс - разницы нет. Может у Вас малая амплитуда генератора? У меня размах 2*Vcell т.е. 7.2В, хотя сама схема управления полевиками исключает сквозные токи.

...Проблема сквозных токов решена так: резюк 100к с затвора нижнего на минус, резюк 100к с затвора верхнего на плюс ячейки,  между затворами кондёр, правда источник импульсов уже с размахом в 2*Vcell, но это не проблема, т.о. сначала закрывается один, а уж потом открывается другой. Т.е между затворами всегда напряжение ячейки, не зависимо от того какое напряжение на ячейке, хоть к 12в СА подключай...

На графике:
красным - напряжение затвор-исток N-полевика 1-й ячейки
зелёным - напряжение затвор-исток P-полевика 1-й ячейки
синим - напряжение на стоках относительно минуса 1-й ячейки (он же исток N-полевика)

Сначала закрывается N-полевик, напряжения управления пеерходят через 0, затем открывается P-полевик.
Этот же принцип показан на http://www.power-e.ru/2009_2_38.php  рис.3

[zap]

Да, я был неправ - сквозные токи возникают не из-за завала фронтов. Они возникают только в момент старта схемы, из-за того, что на вход я подаю не переменное напряжение, а меандр 0-5V (симулирую выход таймера или микроконтроллера). у меня там где-то ~10мс сигнал затвора устаканивается от -5 до +5V.

Приведу сначала схему (я тестировал перенос только одним конденсатором, для простоты). Аккумуляторы симулируются конденсаторами, верхний 100 мФ, нижний 50мФ, начальное напряжение на обоих - 3.2В. Первые 5 миллисекунд источник тока I1 заряжает конденсаторы током 5А, напряжения на конденсаторах разъезжается (схема балансировки не успевает переносить заряд), потом он отключается и можно наблюдать как схема постепенно выравнивает напряжение на конденсаторах.

На втором графике вверху приведены напряжения на затворах транзисторов M1, M2, M4 относительно их истоков. Видно, что управляющие напряжения поначалу "раздвинуты" на величину начального заряда "аккумуляторов", постепенно они выходят на нормальное состояние -2.5 ... +2.5V. При большом количестве ячеек это будет довольно длительный процесс, и всё это время через мосфеты будут протекать импульсные огромные токи (нижний график - сток транзистора M4).

Следующие три графика иллюстрируют процесс выравнивания напряжений, для лучшего понимания как влияет ёмкость конденсатора на скорость выравнивания. На первом из трёх графиков ёмкость конденсатора 1000мкф, частота 2кГц (частота одинаковая на всех графиках). Зелёный график - напряжение на нижней "ячейке", синий график - напряжение на верхней "ячейке", красный график - напряжение на конденсаторе. Видно, как он мечется между напряжениями ячеек, перенося заряд с нижней на верхнюю.

Следующий график иллюстрирует что происходит, когда ёмкость конденсатора недостаточна (100мкф). Конденсатор быстро заряжается/разряжается до напряжения ячейки, и остаток такта он тупо простаивает. Видно, что напряжения "ячеек" сходятся гораздо медленнее, чем в первом случае. В таком случае было бы оптимально увеличить частоту переключения, тогда напряжение бы выравнивалось существенно быстрее.

Последний график иллюстрирует что происходит, когда ёмкость избыточна (10000мкф). Видно, что конденсатор не успевает ни зарядиться, ни разрядиться полностью, однако скорость схождения напряжений ячеек максимальна при данных параметрах схемы и частоте переключения. В принципе, можно было бы уменьшить частоту переключения с целью экономии на потерях переключения мосфетов, но это, скорее всего, даст не особо большой выигрыш.

В процессе симуляции я понял, что большое влияние оказывает сопротивление мосфетов в открытом состоянии. Оно существенно превышает внутреннее сопротивление и ячейки, и конденсатора, поэтому именно оно ограничивает скорость заряда конденсатора. С другой стороны, тут нельзя перестараться т.к. у электролитов существует такой параметр как максимальный импульсный ток при заданной частоте, он не такой уж и большой (напр. для люминевых SMD электролитов на 2700мкф этот параметр - менее ампера при частоте 10кгц). Так что тут надо подбирать с умом - либо гигантские электролиты на большие токи и низкоомные мосфеты, либо мелкие электролиты и высокоомные мосфеты (и потери на их нагрев).

[zap]

Было бы клёво, если бы схема как-то могла улавливать "степень разбалансировки батареи", и меняла скорость переключения в каком-то диапазоне, например, от 2 до 20кГц. При сильно разбалансированной батарее имеет смысл поднять частоту, чтобы малая ёмкость аккумулятора компенсировалась частотой переноса заряда. При мало разбалансированной батарее имеет смысл опустить частоту переключения, чтобы избежать потерь на заряд затворов мосфетов и их нагрев на линейном участке их характеристики.

[Павел]

Да, я был неправ - сквозные токи возникают не из-за завала фронтов. Они возникают только в момент старта схемы, из-за того, что на вход я подаю не переменное напряжение, а меандр 0-5V (симулирую выход таймера или микроконтроллера). у меня там где-то ~10мс сигнал затвора устаканивается от -5 до +5V.
...
На втором графике вверху приведены напряжения на затворах транзисторов M1, M2, M4 относительно их истоков. Видно, что управляющие напряжения поначалу "раздвинуты" на величину начального заряда "аккумуляторов", постепенно они выходят на нормальное состояние -2.5 ... +2.5V. При большом количестве ячеек это будет довольно длительный процесс, и всё это время через мосфеты будут протекать импульсные огромные токи (нижний график - сток транзистора M4).

Дело не только в меандре, но и в том что С1 и С2 в начальный момент времени не заряжены. Выход - по 2 стабилитрона вольт на 5 параллельно "затворным" резюкам. Или защитные диоды.

Следующие три графика иллюстрируют процесс выравнивания напряжений, для лучшего понимания как влияет ёмкость конденсатора на скорость выравнивания. На первом из трёх графиков ёмкость конденсатора 1000мкф, частота 2кГц (частота одинаковая на всех графиках). Зелёный график - напряжение на нижней "ячейке", синий график - напряжение на верхней "ячейке", красный график - напряжение на конденсаторе. Видно, как он мечется между напряжениями ячеек, перенося заряд с нижней на верхнюю.

В этом плане, ИМНО, более информативны графики токов конденсаторов.

В процессе симуляции я понял, что большое влияние оказывает сопротивление мосфетов в открытом состоянии. Оно существенно превышает внутреннее сопротивление и ячейки, и конденсатора, поэтому именно оно ограничивает скорость заряда конденсатора. С другой стороны, тут нельзя перестараться т.к. у электролитов существует такой параметр как максимальный импульсный ток при заданной частоте, он не такой уж и большой (напр. для люминевых SMD электролитов на 2700мкф этот параметр - менее ампера при частоте 10кгц). Так что тут надо подбирать с умом - либо гигантские электролиты на большие токи и низкоомные мосфеты, либо мелкие электролиты и высокоомные мосфеты (и потери на их нагрев).

Как насчёт EEUFM0J821L?
По 2 штуки впараллель, получим RippleCurrent 2.480А и Impedance 20.5мОм (даташит на них приаттачил).
Их (Panasonic серия FM) кстати хвалят здесь: http://people.overclockers.ru/noble/record2
А тут про smd  есть: http://www.low-esr.com/

Ув. latgal, а какие у Вас стоят кондеры, не могли бы посмотреть или сфоткать?

[Павел]

...При мало разбалансированной батарее имеет смысл опустить частоту переключения, чтобы избежать потерь на заряд затворов мосфетов и их нагрев на линейном участке их характеристики.

Какой же нагрев если нет токов?
Будут ли потери на определение степени разбалансированности и на управление частотой меньше потерь на заряд затворов мосфетов?

zap, попробуй посчитать полную мощность, теряемую в схеме, при нулевой разбалансированности ячеек (напруги равны) в установившемся режиме (задай начальные напряжения всех кондёров). Я это делаю так: вывожу график суммы всех энергий, генерируемых источниками и смотрю наклон это и есть сумма потерь в Ваттах.

[zap]

Дело не только в меандре, но и в том что С1 и С2 в начальный момент времени не заряжены. Выход - по 2 стабилитрона вольт на 5 параллельно "затворным" резюкам. Или защитные диоды.

Не пойдёт. Стабилитрон ограничит напряжение в диапазоне -0.5 ... +5, а нам надо что-то типа -3 ... +3V. Кроме двух гирлянд из диодов, включенных встречно-параллельно ничего в голову не приходит.

В этом плане, ИМНО, более информативны графики токов конденсаторов.

Можно и тока, вот график при "достаточной, но не избыточной ёмкости", суммарное сопротивление P- и N- мосфетов 0.11ом, у конденсатора и "ячеек" нулевое сопротивление.

Как насчёт EEUFM0J821L?
По 2 штуки впараллель, получим RippleCurrent 2.480А и Impedance 20.5мОм (даташит на них приаттачил).

В принципе, неплохо, только где их у нас достанешь. Если бы они хотя бы в каком-нибудь буржуйском веб-магазине с доставкой продавались.

Только какой смысл ставить два по 820, когда один на 2200 (EEUFM0J222L) будет занимать меньше места на плате, при бОльшей ёмкости, мЕньшем сопротивлении  и таком же токе?
10 x 25мм против 2 x 8 x 15мм. Положить их набок и все дела. 15 конденсаторов по 10мм в ширину получим 15см ширину платы. В принципе, всё равно меньше чем BMS'ки от V-Power

Ув. latgal, а какие у Вас стоят кондеры, не могли бы посмотреть или сфоткать?

Скорее всего, "обычные китайские", но большого размера (-> на большие токи). Короче, ясно, что на размере сэкономить не получится, это компромисс.

Их (Panasonic серия FM) кстати хвалят здесь: http://people.overclockers.ru/noble/record2

Да, там есть хорошая ссылка на badcaps.net, где продаются "хорошие" конденсаторы, правда "телушка полушка, да рубль перевоз"

В принципе, как вариант на крайний случай:
http://www.badcaps.net/store/product_info.php?cPath=2&products_id=60
http://www.badcaps.net/store/product_info.php?cPath=2&products_id=59

На ебэе продаются дешевле и панасоники, и rubycon, но там можно нарваться на  подделку.

Теперь про мосфеты. Предположим, напряжение между ячейками разъедется больше, чем на 0.1В. Суммарное сопротивление P- и N- мосфетов для IRF7319 будет порядка 100мОм. Положим внутреннее сопротивление аккумулятора 2 миллиома и сопротивление конденсатора 20мОм. Тогда зарядный ток будет 0.1/(0.1+0.002+0.02) = 0.8A всего. Хм, запас по току есть, надо бы мосфеты получше, а то балансировка будет медленно идти

[zap]

...При мало разбалансированной батарее имеет смысл опустить частоту переключения, чтобы избежать потерь на заряд затворов мосфетов и их нагрев на линейном участке их характеристики.

Какой же нагрев если нет токов?

Точно Остаётся ёмкость затвора. При ёмкости, например, 1нФ, размахе напряжения затвора 5В и частоте 10кГц мы будем терять по C*U^2/2 = 0.000125 джоулей в секунду, т.е. будем иметь постоянно подключённую нагрузку в 0.125 милливатт. Фигня. Значит, просто поднимаем частоту до оптимальной и забиваем на изменение частоты.

zap, попробуй посчитать полную мощность, теряемую в схеме, при нулевой разбалансированности ячеек (напруги равны) в установившемся режиме (задай начальные напряжения всех кондёров). Я это делаю так: вывожу график суммы всех энергий, генерируемых источниками и смотрю наклон это и есть сумма потерь в Ваттах.

Чтобы посчитать полную мощность, надо точно проэмулировать конденсатор, включая токи утечки, потери на индуктивность конденсатора итд. Я просто не знаю, насколько эти параметры знАчимы; судя по тому, что их производители не приводят, они пренебрежительно малы, или нет? Так-то в симуляторе всё выглядит отлично - в конденсаторе и мосфетах теряются какие-то там 125 микроватт плюс ~300 микроватт тратятся из источника меандра (это при частоте 10кГц и конденсаторе EEUFM0J222L). Плюс сколько ещё там съест 555я (а она тоже постоянно заряжает/разряжает времязадающий конденсатор). Суммарно, думаю, в 1-2 милливатта можно уложиться.

[TRO]

В теории, при переносе энергии конденсаторами, половина энергии уходит в тепло. Тепло выделяется там где сопротивление больше, и как уже выяснили, это происходит на мосфетах.  А не маловаты ли для этого корпуса у обсуждаемых транзисторов? Может брать уже взрослые низковольтные полевики, с меньшим сопротивлением канала, причём все N канальные, и раскачивать их затворы трансформатором с двумя выходными обмотками(двухтактным, с паузой)?

[zap]

Во, нашёл нормированные токи утечки на примерно такие конденсаторы вот здесь.

Посчитал, что "параллельное сопротивление" такого конденсатора при напряжении 6.3В получается примерно 15кОм.
В таком случае, вместо 150 микроватт потерь в конденсаторе и мосфетах получаем примерно 800 микроватт, т.е. в шесть раз больше.
В принципе, всё равно терпимо.

В теории, при переносе энергии конденсаторами, половина энергии уходит в тепло

Я вот тоже такое слышал, но так и не понял - где оно теряется? И почему ровно половина?

Трансформатор и "взрослые" полевики - это слишком. Тогда потери достигнут очень больших величин, у них ёмкости затворов очень большие, плюс потери в трансформаторе.

[Павел]

Дело не только в меандре, но и в том что С1 и С2 в начальный момент времени не заряжены. Выход - по 2 стабилитрона вольт на 5 параллельно "затворным" резюкам. Или защитные диоды.

Не пойдёт. Стабилитрон ограничит напряжение в диапазоне -0.5 ... +5, а нам надо что-то типа -3 ... +3V. Кроме двух гирлянд из диодов, включенных встречно-параллельно ничего в голову не приходит.

Перефразирую:
Выход - по 2 стабилитрона вольт на 5 "встречно-параллельно", параллельно "затворным" резюкам.
Помню раньше отечественные стабилитроны продавались сдвоенные, не знаю как щас, не суть.

Как насчёт EEUFM0J821L?
По 2 штуки впараллель, получим RippleCurrent 2.480А и Impedance 20.5мОм (даташит на них приаттачил).

В принципе, неплохо, только где их у нас достанешь. Если бы они хотя бы в каком-нибудь буржуйском веб-магазине с доставкой продавались.

Жми на EEUFM0J821L - это и есть ссылка на Платан, там они есть в наличии, он в Питере есть, от м.Спортиная надо пройтись немного. Можно в магазине Микроника ещё глянуть.
О глянь: "EXR 1500 мкф -6.3в CPU LESR" в http://www.micronika.ru/order.phtml?vid=37&&showperpage=300&page=2
Там же IRF7317:  http://www.micronika.ru/order.phtml?keyword=irf73

Только какой смысл ставить два по 820, когда один на 2200 (EEUFM0J222L) будет занимать меньше места на плате, при бОльшей ёмкости, мЕньшем сопротивлении  и таком же токе?
10 x 25мм против 2 x 8 x 15мм. Положить их набок и все дела. 15 конденсаторов по 10мм в ширину получим 15см ширину платы. В принципе, всё равно меньше чем BMS'ки от V-Power

Исходил из того что есть, в принципе можно и с Ебея, но дороже.
Я думаю располагать в 2 ряда: кондёры с внутренней стороны, 2 разъёма с внешней, а то сильно вытянутая будет, хотя может это и не плохо.

Теперь про мосфеты. Предположим, напряжение между ячейками разъедется больше, чем на 0.1В. Суммарное сопротивление P- и N- мосфетов для IRF7319 будет порядка 100мОм. Положим внутреннее сопротивление аккумулятора 2 миллиома и сопротивление конденсатора 20мОм. Тогда зарядный ток будет 0.1/(0.1+0.002+0.02) = 0.8A всего. Хм, запас по току есть, надо бы мосфеты получше, а то балансировка будет медленно идти

Там кстати ещё с сопротивление тонких проводочков, которые к БМСке идут , да и сопротивление конденсатора 20мОм ток проходит 2 раза, так что множим на 2  .
Но всёравно 0.8A - это хорошо, у меня в БМСке 100 Ом резюки, значит 38мА ток, у еситиповеровских - 100мА, так что все ОК.

В теории, при переносе энергии конденсаторами, половина энергии уходит в тепло.

Как только это утверждение заработает, от всех кондёров пойдёт дым 

Во, нашёл нормированные токи утечки на примерно такие конденсаторы вот здесь.

Посчитал, что "параллельное сопротивление" такого конденсатора при напряжении 6.3В получается примерно 15кОм.
В таком случае, вместо 150 микроватт потерь в конденсаторе и мосфетах получаем примерно 800 микроватт, т.е. в шесть раз больше.
В принципе, всё равно терпимо.

Да, я думаю пользы всёравно будет больше чем вреда

[TRO]

Как только это утверждение заработает, от всех кондёров пойдёт дым 

Разрядите в симуляторе один конденсатор на другой через резистор, а потом по разнице напряжений посчитайте сколько первый энергии отдал, а второй приобрёл. Это не утверждение было, это физика за школьный курс.

[Павел]

Смоделировал.
Разрядил кондёр 1000мкФ заряженный до 1 В на кондёр 1000 мкФ заряженный до 0.9 В через резюк 0.1 Ом.
Первый отдал 48.5 мДж, второй принял 46 мДж, на резисторе рассеялось 2.5 мДж. И точка.

[zap]

Такс, один знающий человек меня пролечил насчёт конденсаторов, так что ща сыграем в испорченный телефон и я вам всё перескажу

Значит сначала рассмотрим энергию, которую отдаёт источник (любой, в том числе заряженный конденсатор). Мощность источника P = I * U. Энергия это мощность помноженное на время, т.е. E = I * U * t. Но I * t это, по определению, электрический заряд (в кулонах), q. Итого, получаем, что энергия, которую отдаёт источник E = q * U (1).

Энергия, запасённая в конденсаторе E = C * U^2 / 2. Но заряд конденсатора q = C * U, поэтому можно записать: E = q * U / 2 (2).

Как видим, сравнивая формулу (1) с формулой (2), половина энергии источника "где-то" теряется по дороге пока доходит до конденсатора, и количество этой потерянной энергии не зависит от сопротивления линии передачи - каково бы оно ни было, оно рассеивает ровно половину энергии. Скажу честно, я ещё глубинно не прогрокал это свойство природы, могу лишь принять его умом. Буду постепенно впитывать

Более строгое математическое доказательство вышесказанного.

Исходные данные: из источника с напряжением U вытекает заряд dq, то есть энергия dE = U * dq.

Из определения ёмкости конденсатора имеем: C = q / U  ==> q = U * C. Тогда при изменении заряда конденсатора dq = C * dU. Тогда изменение энергии конденсатора dE = U * dq = C * U * dU. Значит при заряде конденсатора от 0 до V вольт его конечная энергия будет равна:

Код Выделить Развернуть

E = интеграл (от 0 до V) (C * U * dU) = C * V^2 / 2

Дальше думаем сами. Казалось бы, вот она - жопа, данная нам в ощущениях - КПД при переносе энергии конденсатором не может превышать 50%, как писал TRO несколькими постами выше. Однако на практике всё оказывается не так плохо

Если заряжать конденсатор не от нуля до V, а всего лишь от (V-dV) до V, то энергия в конденсаторе окажется:

Код Выделить Развернуть

E = интеграл (от V-dV до V) (C * U * dU)

               (dV^2)
E = C*((dV*V) - ------)  (3)
                 2


Из формулы выше хорошо видно, что с уменьшением dV второй член стремится к нулю гораздо быстрее первого. Это значит, что чем меньше колебания напряжения на конденсаторе, тем ближе КПД переноса к 100%! А если вместо dV подставить V (т.е. полностью заряжаем и разряжаем конденсатор), то получим ту самую формулу E = C * V^2 / 2. Тогда, разделив формулу (3) на энергию, вытекшую из источника (E = C * dV * V), получим формулу для эффективности:

Код Выделить Развернуть

          dV
EFF = 1 - -----
         (2*V)


Как видим, эффективность не зависит ни от ёмкости, ни от частоты, а только лишь от разницы потенциалов между точками переноса. При разнице напряжений 3.2 и 3.3V получаем эффективность 98.5%! Уря!

[TRO]

Действительно точка.

Половина энергии теряется это если полностью заряженный конденсатор разрядить на полностью разряженный. А в случае когда разница напряжений конденсаторов намного меньше среднего напряжения на конденсаторах, потери уменьшаются.

В общем был неправ.

З.Ы. Пока писал это сообщение, ZAP успел разжевать всё математически.

[zap]

Перефразирую:
Выход - по 2 стабилитрона вольт на 5 "встречно-параллельно", параллельно "затворным" резюкам.

Затворный резюк один на два транзистора разной структуры. Два встречно-параллельных стабилитрона дадут ограничение тока -0.5 ... 0.5 вольт независимо от номинала стабилитронов т.к. они в прямом направлении - обычные диоды.

Жми на EEUFM0J821L - это и есть ссылка на Платан, там они есть в наличии, он в Питере есть, от м.Спортиная надо пройтись немного. Можно в магазине Микроника ещё глянуть.

Хм, Платан вроде только оптом торгует, разве нет? Я как-то пытался один раз у них затовариться, они меня по телефону вежливо послали с моими объёмами. Впрочем, я так понял что оптом от них торгует Вольтмастер, но у них какой-то стрёмный механизм покупки в Питере.

А вот Микроника - это вариант. Будем считать, что с конденсаторами вопрос решён

Там кстати ещё с сопротивление тонких проводочков, которые к БМСке идут , да и сопротивление конденсатора 20мОм ток проходит 2 раза, так что множим на 2  .

У меня есть липовые котлеты, у них балансировочный разъём порядка 10см длиной. При удельном сопротивлении меди 17мОм на метр на кв. мм получаем сопротивление одного проводочка примерно 1.7мОм. Терпимо.

[Павел]

Перефразирую:
Выход - по 2 стабилитрона вольт на 5 "встречно-параллельно", параллельно "затворным" резюкам.

Затворный резюк один на два транзистора разной структуры. Два встречно-параллельных стабилитрона дадут ограничение тока -0.5 ... 0.5 вольт независимо от номинала стабилитронов т.к. они в прямом направлении - обычные диоды.

Тьфу, опечатался, не "встречно-параллельно", а "стабилитроны встречно, а затем уж параллельно затворным резюкам", тогда в обе стороны нужным напряжением будут ограничивать.

Там кстати ещё с сопротивление тонких проводочков, которые к БМСке идут , да и сопротивление конденсатора 20мОм ток проходит 2 раза, так что множим на 2  .

У меня есть липовые котлеты, у них балансировочный разъём порядка 10см длиной. При удельном сопротивлении меди 17мОм на метр на кв. мм получаем сопротивление одного проводочка примерно 1.7мОм. Терпимо.

Коротенькие - хорошо. А сечение 1мм²?

[zap]

Тьфу, опечатался, не "встречно-параллельно", а "стабилитроны встречно, а затем уж параллельно затворным резюкам", тогда в обе стороны нужным напряжением будут ограничивать.

О, точно - так сработает.

Коротенькие - хорошо. А сечение 1мм²?

Ну, на глазок где-то так На вид как проводочки, которые массово используются в комповых БП (в MOLEX разъёмах). Ну даже если 0.5мм^2 - ну 4 миллиома вместо двух. Всё равно ерунда по сравнению с конденсатором и мосфетами.