Balanser do superkondensatorów EDLC

Ładowanie pojedynczych superkondensatorów EDLC nie stanowi najmniejszego problemu. Dostępne są gotowe rozwiązania ładowarek scalonych z zabezpieczeniami. Nieco gorzej jest przy ładowaniu pakietów, składających się z kilku szeregowo połączonych superkondensatorów. Ze względu na tolerancję pojemności, nie zawsze w takim wypadku napięcie na okładzinach kondensatorach, z których jest złożony pakiet rozkłada się równomiernie. Jest to szczególnie niebezpieczne, ponieważ nawet niewielkie przekroczenie napięcia znamionowego (najczęściej 2,5…3 V DC, kondensatory na 4,5…5,5 V są dwoma szeregowo połączonymi elementami na niższe napięcie z równoległymi rezystorami wyrównującymi rozkład napięcia) kończy się trwałym uszkodzeniem, a nawet eksplozją kondensatora!

Układ balansera jest więc niezbędny dla prawidłowego ładowania szeregowo połączonych kondensatorów. Głównym jego zadaniem jest zabezpieczenie kondensatora przed wzrostem napięcia powyżej wartości bezpiecznej (2,45 V dla kondensatorów; 2,5 V jak w modelu). W razie przekroczenia 2,45 V układ bocznikuje naładowany akumulator rezystorem, umożliwiając przepływ prądu i ładowanie pozostałych cel bez wzrostu napięcia o najmniejszej pojemności w pakiecie. Wydłuża to czas ładowania układu oraz pogarsza sprawność ładowania, ale zapewnia niezawodność i trwałość pakietu.

Rysunek 1. Schemat ideowy balansera dla superkondensatorów

Schemat balansera pokazano na rysunku 1. Układ pełni funkcję precyzyjnej diody Zenera. Napięcie VBAT z kondensatora pakietu doprowadzone jest do układu U1 typu LTC6703HV – mikromocowego komparatora z wbudowanym źródłem napięcia odniesienia 400 mV i histerezą przełączania 6,5 mV. Dzielnik R1A/R1B/R2 ustala próg przełączenia układu na 2,45 V. Rezystor R4 i kondensator C1 filtrują zasilanie komparatora. Z wyjścia komparatora jest sterowany klucz z tranzystorem Q1. Opornik R3 zasila wejście bramki, ponieważ komparator ma wyjście z otwartym drenem. W zależności od wartości prądu balansowania należy dobrać rezystory R5A…R5C. Rezystory R5A i R5B typu 2512 o mocy maksymalnej 1 W umieszczone są na płytce drukowanej. Ze względu na odprowadzanie ciepła nie zaleca się zmniejszania ich wartości poniżej 33 Ω. Jeżeli jest wymagany większy prąd balansowania, należy zastosować zewnętrzny rezystor w obudowie TO220 lub aluminiowej, zamontowany na radiatorze.

Maksymalny prąd balansowania nie powinien przekraczać 3 A. Dioda LB sygnalizuje aktywność balansera. W prototypie, dla wartości rezystorów ze schematu pobór prądu poniżej napięcia balansowania nie przekracza 10 μA, co czyni go pomijalnym w porównaniu do prądu samorozładowania kondensatora EDLC.

Balanser zmontowano na niewielkiej dwustronnej płytce drukowanej. Jej schemat montażowy pokazano na rysunku 2. Montaż nie wymaga opisu.

Rysunek 2. Schemat montażowy balansera dla superkondensatorów

Podczas uruchomienia, zasilając układ z zewnętrznego zasilacza z pomiarem prądu bezwzględnie należy sprawdzić napięcie aktywacji, które powinno wynosić 2,40…2,45 V dla kondensatorów 2,5 V. Dokładną regulację można wykonać korzystając z zasilacza laboratoryjnego poprzez dobór rezystancji R1A. Podczas pracy rezystory R5A…R5C silnie nagrzewają się, należy więc zapewnić odpowiednią cyrkulację powietrza wokół balansera.

Wykorzystanie balansera wymaga kilku uwag praktycznych. Liczba zastosowanych modułów musi odpowiadać liczbie kondensatorów połączonych szeregowo. Każdy z nich jest łączony bezpośrednio z zaciskami balansowanego kondensatora.

Ze względu na duże wartości rezystancji użytych oporników oraz wymaganą dokładność pomiaru progu zadziałania, po montażu płytkę należy bezwzględnie umyć, aby usunąć pozostałości topnika. Następnie należy zabezpieczyć płytkę drukowaną lakierem elektroizolacyjnym lub preparatem do hermetyzacji płytek.

Zastosowany komparator ma niewielką histerezę, upraszcza budowę balansera oraz zmniejsza straty mocy w balansowanej sekcji. Układ jest precyzyjny, ale charakteryzuje się podwyższoną czułością na wahania napięcia zasilania. Połączenia balansera i superkondensatora muszą być wykonane jak najkrótszym przewodem o przekroju 2,5 mm², aby wahania napięcia VBAT związane z aktywacją balansera nie wpływały na pracę komparatora i nie doprowadzały do oscylacji przy przełączaniu. Oscylacje nie są szkodliwe dla pracy i układu, ale zwiększają generowane zakłócenia EMC oraz wydłużają niepotrzebnie czas balansowania (mniejsze wypełnienie przebiegu prądu balansowania).

Uwaga! Pracując z baterią superkondensatorów należy zachować szczególną ostrożność, ponieważ zgromadzony w niej ładunek w wypadku zwarcia może spowodować dotkliwe poparzenia i pożar.

Adam Tatuś, EP