Autobilanciare le batterie +Analog GESTIC, BASTA UN GESTO La nuova tecnologia Microchip permetterà di I Le batterie ricaricabili al litio sono interagire con i leggere e in grado di erogare sistemi mobile un’elevata quantità di energia, ma attraverso i gesti. risultano molto sensibili ad abusi, Vediamo in sono soggette a surriscaldamento e, dettaglio come nel caso peggiore, ad incendio. In funziona 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’al- ogni caso i pacchi LiPo stanno diventando la scelta per eccellenza nella applicazioni mobili. Vediamo allora cosa sono esattamente i pacchi 2s, 3s e 4s, e perché necessitano di essere bilanciati tro canto hanno come difetto l’intolleranza ad una carica errata, tanto da definire quest’ultima una scienza a se. 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 adotFigura 1. Due LiPo 5s di origine cinese connesse in serie ed inserite all’interno di una scatola d’alluminio con un termofusibile. 13 FOCUS ON 18 SKILLS 37 INSIDE 40 TOOLS 7 TIPS’N TRICKS 3 MARKET NEWS 33 SPOTLIGHT 66 EVENTS ZAPPING 59 ANALOG MEMBERSHIP tate 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 Figura 2. Un amplificatore operazionale di potenza e tre resistenze è tutto ciò che serve per realizzare un bilanciatone. 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. 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, piccole variazione alle proprietà elettriche di ognuno di questi settori causerà molti cicli di carica/scarica. Queste leggere discrepanze fanno si 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 ritornare al caricabatterie la corrente in eccesso, così che 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. 13 FOCUS ON 18 SKILLS 37 INSIDE 40 TOOLS 7 TIPS’N TRICKS 3 MARKET NEWS 33 SPOTLIGHT 66 EVENTS ZAPPING 59 ANALOG MEMBERSHIP UN AUTOBILANCIATORE Il principio operativo di questo metodo usando due celle e visualizzato in Figura 2. 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 son 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. É possibile bilanciare pacchi di batterie da due a cinque celle. La caduta di tensione ai 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. capi di ciascun LED limita la tensione in to dall’indicazione dei LED. L’aletta non base al transistor, che assieme alla re- richiede un valore di dissipazione ter- sistenza nell’emettitore limita la cor- mica elevato, mentre il jumper permet- rente in uscita nell’ordine compreso tra terà al circuito di essere configurato i 200 e i 250 mA. Per queste ragioni il per pacchi di batterie da 2S fino ai 5S. circuito è ideale per celle con capacità dai 2 ai 10 Ah. Con l’aggiunta di un alet- FASE DI TEST ta di raffreddamento la corrente potrà Una volta che la costruzione è comple- essere aumentata diminuendo il valore tata (si può realizzare un PCB ad hoc), delle resistenze da R10 a R17. In questa un test di continuità risulterebbe effi- maniera l’unità raggiungerà il bilancia- cace per verificare l’effettivo isolamen- mento più velocemente, come mostra- to 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 0.5A 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 13 FOCUS ON 18 SKILLS 37 INSIDE 40 TOOLS 7 TIPS’N TRICKS 3 MARKET NEWS 33 SPOTLIGHT 66 EVENTS ZAPPING 59 ANALOG MEMBERSHIP Elettroshop systembase 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 1.8V. Sottraendo quindi la tensione dei diodi (D10 o D11), la caduta di tensione dell’emettitore del darlington (circa da 1.0 a 1.1V), e i 0.2V utilizzati ai capi della resistenza da 1 Ω, si avrà chiaro come la corrente sarà effettivamente limitata a 250 mA. (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, e 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 44V. 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 son 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 Codice MIP 2834253 13 FOCUS ON 18 SKILLS 37 INSIDE 40 TOOLS 7 TIPS’N TRICKS 3 MARKET NEWS 33 SPOTLIGHT 66 EVENTS ZAPPING 65 59 ANALOG MEMBERSHIP