Schemat balansera akumulatorów żelowych 24V TL431, MOSFET, Victron, Volt Polska

Pytanie

schemat balansera akumlatorow zelowych 24V

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Do wyrównywania dwóch szeregowo połączonych akumulatorów żelowych 12 V (pakiet 24 V) możesz zastosować:
  1. Pasywny balanser rezystancyjny z układem TL431 + MOSFET + rezystor mocy (najprostszy do samodzielnego montażu).
  2. Aktywny balanser/ equalizer (np. Victron Battery Balancer, Volt Polska „AKU Protect 24 V”) – gotowe, bardziej wydajne rozwiązanie przenoszące ładunek między akumulatorami.
• Poniżej znajduje się kompletny schemat ideowy pasywnego balansera 24 V oraz sposób włączenia balansera komercyjnego (3-przewodowego).

Szczegółowa analiza problemu

1. Założenia projektowe

Pakiet 24 V = 2 × 12 V GEL
Zakładamy:
• Start balansowania \(V_{prog}=14{,}4\ \text{V}\) na pojedynczym akumulatorze.
• Prąd balansowania \(I_{bal}\approx0{,}6\ \text{A}\) (wystarcza do kompensacji różnic w typowych GEL 40–120 Ah).

2. Pasywny balanser – schemat ideowy

    +14-28 V (BAT2+) ──────────────┐
                                   │
                     +------------+ │
                     |  TL431 (U1)|<──┐   R1 47kΩ 1 %
           R2 10kΩ   +------------+   └─────┬── Punkt REF
   (pomiar) │                           (2,495 V)
            ▼                             │
   Połączenie środkowe ───────────────────┘
   BAT1+ / BAT2-                          │
                                          │
              Rg 330 Ω                    ▼
         (bramka MOSFET)               |‾‾‾‾‾‾‾|
                                        | Q1   |  N-MOSFET logic-level
                                        | IRLZ44N, VDS≥60 V
                                        |_______|
                                           │
                                           ▼
                              R_LOAD 24 Ω/15 W (rezystor mocy)
                                           │
   BAT1- (0 V) ────────────────────────────┘

Komplet elementów dla jednego akumulatora (BAT1):
• U1 – TL431 (precyzyjna dioda odniesienia).
• R1, R2 – dzielnik napięcia (dokładność 1 %).
• Q1 – MOSFET logic-level, np. IRLZ44N lub IPP075N10.
• R_LOAD – ceramiczny rezystor drutowy 24 Ω / ≥15 W (→ ~0,6 A @ 14,4 V, P≈8,6 W).
• Rg – rezystor bramkowy 220–470 Ω.
• Dioda LED + RLED (opcjonalnie) do sygnalizacji pracy.

Zasilanie układu pochodzi bezpośrednio z akumulatora; nie wymaga dodatkowych stabilizatorów. Jeden taki moduł podłączasz równolegle do pierwszego akumulatora (BAT1). Drugi moduł – do drugiego akumulatora (BAT2) nie jest konieczny, bo układ 2 × 12 V wymaga wyrównania tylko punktu środkowego.

Działanie:

1. Dzielnik R1/R2 podaje napięcie odniesienia na pin REF TL431.
2. Gdy \(V_{BAT1}\ge V_{prog}\), TL431 przewodzi, obniża napięcie bramki MOSFET-a → Q1 włącza R_LOAD.
3. Rezystor mocy rozładowuje BAT1, aż napięcie spadnie o histerezę (~50 mV).
4. Po ochłodzeniu układ wyłącza MOSFET, cykl powtarza się.

3. Aktywny balanser 24 V

Zasada: dwukierunkowa przetwornica „buck/boost” przenosi ładunek z akumulatora wyżej naładowanego do słabszego.
• Mocniejsze, prąd = 1–10 A, sprawność > 90 %.
• Układy scalone: Analog Devices LTC3305-2 (2s Lead-acid), TI BQ78z201 (Fuel Gauge + balancing).
• Schemat referencyjny LTC3305-2 jest dostępny w nocie aplikacyjnej – układ wymaga sterownika SPI/I²C, transformatora flyback 1:1:1, MOSFET-ów 60 V i pasywów SMD.

4. Włączenie gotowego balansera (equalizera) 3-przewodowego

  +24 V (BAT2 +)  ──── czerwony ────┐
                                     │
  Połączenie środkowe                │
  BAT1+ = BAT2-  ── biały ───────────┼── Equalizer
                                     │
  0 V (BAT1-)     ─── czarny ────────┘

Po poprawnym podłączeniu kontrolki LED sygnalizują:
• ON – urządzenie zasilane, napięcie w normie,
• BAL – aktywna kompensacja (prąd do 5 A w zależności od modelu).

Aktualne informacje i trendy

• Gotowe, aktywne balancery (Victron, Volt Polska, Heltec) – prądy 1–5 A, auto-shutdown < 10 V, CAN/RS485 do telemetrii.
• Pojawiają się balancery wielokanałowe z układami ADI LTC3309 i mikroprocesorem, które potrafią obsłużyć 24-60 V w jednej płytce i logować historię napięć.
• Coraz częściej integruje się balancer w samej ładowarce (ładowarki duo-channel 2 × 12 V).

Wspierające wyjaśnienia i detale

Obliczenie dzielnika:
\[
\frac{R_2}{R_1+R2}=\frac{V{REF}}{V_{prog}}\qquad
R1=\frac{V{prog}}{V_{REF}}\;R_2-R2
\]
dla \(V_{prog}=14{,}4\ \text{V}\), \(V\{REF}=2{,}495\ \text{V}\), \(R_2=10\text{kΩ}\)
\[
R_1\approx47{,}7\text{kΩ}\;(E96:\,47{,}5\text{kΩ})
\]

Aspekty etyczne i prawne

• Akumulatory kwasowo-ołowiowe podlegają dyrektywie BATTERY (EU) 2006/66/WE – obowiązek zdania zużytych baterii.
• Układy wysokoprądowe wymagają zgodności z LVD (2014/35/EU) oraz znakowania CE przy sprzedaży.
• Bezpieczeństwo: stosuj bezpieczniki topikowe ≤ 1,5 × I_bal przy akumulatorze, przewody o przekroju ≥ 1 mm², izolacja ≥ 60 V.

Praktyczne wskazówki

1. Montuj rezystor mocy na radiatorym lub podkładce aluminiowej; dopuszczalna temp. < 150 °C.
2. Zachowaj min. 5 mm odstępu miedzy ścieżkami 30 V DC.
3. Po złożeniu: naładuj oba akumulatory osobno do 14,4 V, następnie zmostkuj i włącz balanser – różnica napięć spadnie < 30 mV w ciągu 1–2 h.
4. Raz w roku skontroluj rezystancję styku w punkcie środkowym; słaby styk = błędny pomiar.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Pasywny balanser zamienia energię w ciepło – w dużych systemach (> 20 A ładowania) straty są znaczące.
• Aktywny balancer domowej konstrukcji wymaga starannego PCB (rzędowe sygnały 50–100 kHz, EMC).
• Niedopasowanie pojemności akumulatorów > 10 % sprawi, że żaden balanser nie zrekompensuje różnic.

Sugestie dalszych badań

• Integracja balansera z BMS CANopen (np. projektu open-source „OpenBMS-Lead-Acid”).
• Zastosowanie superkondensatora jako bufora ładunku (topologia LTC3300 + supercap).
• Analiza wpływu temperatury na punkt balansowania – adaptacyjny próg \(V_{prog}(T)\).

Krótkie podsumowanie

Pasywny układ TL431 + MOSFET + rezystor mocy to najprostszy schemat do samodzielnego zbudowania balansera 24 V. Zapewnia on wyrównanie napięć, gdy jeden z akumulatorów osiągnie 14,4 V, rozpraszając nadwyżkę energii jako ciepło. W zastosowaniach o większych prądach lub gdy zależy Ci na minimalnych stratach – rozważ gotowy aktywny balanser (3-przewodowy) o prądzie 1–5 A. Poprawnie dobrany i podłączony balanser wydłuży żywotność pary akumulatorów GEL nawet o kilkadziesiąt procent i uchroni je przed prze- i niedoładowaniem.