Balancer pro LiFePo4 baterie

Balancer může prodloužit životnost baterie, ale především zajišťuje její bezpečný provoz. Platí to u Li-ion baterií, a dvojnásobně u technologie LiFePo4. Chování baterií LiFePo4 při nabíjení je zrádné kvůli velmi ploché napěťové charakteristice přes většinu SOC a ostrým nárůstem napětí po překročení 98 % SOC. Pokud dojde v LiFePo4 baterii k rozbalancování článků, může snadno dojít k přebití některého z nich právě vlivem této charakteristiky.

LiFePo4 v domácím bateriovém úložišti FVE

V domácích bateriových úložištích pro fotovoltaické elektrárny se používají téměř výhradně baterie LiFePo4. Jejich použití pro tento účel je výhodné ze dvou důvodů:

zvládají v porovnání s ostatními technologiemi baterií zatím (2026) nejvyšší počet nabíjecích cyklů – kolem 4000. Technologie Li-ion se pohybuje okolo 800.
jsou „bezpečné“ – při mechanickém poškození ani při přebití neexplodují. Nicméně při přebíjení mohou uvolňovat plyny, které hořlavé jsou (vodík, metan a další) a jejich nahromadění v nevětraném prostoru může k explozi vést! Odborný detailní rozbor takové nehody je k dispozici zde.

Vzhledem k nabíjecí charakteristice LiFePo4 baterií stačí k přebití jednoho z článků baterie i malé rozbalancování mezi články. U akupacků s ochrannou elektronikou (BMS), která monitoruje napětí každého článku a v případě přebití nebo jiného problému dokáže celou baterii od střídače odpojit nebo střídači alespoň po komunikace dát povel, aby přestal nabíjet, nebezpečí nehrozí nebo je velmi malé.

Nebezpečí nastává v případě, kdy je v elektrárně použit střídač bez komunikace s baterií, monitorující pouze napětí celé baterie a baterie, která je složena ze samostatných článků bez BMS. Takováto konfigurace je však cenově dobře dostupná a poskytuje prostor pro možné budoucí úpravy a tudíž je zajímavá z pohledu každého, kdo si chce fotovoltaickou elektrárnu postavit svépomocí. Já osobně zatím (2026) ve své elektrárně bateriové úložiště nemám – pouze ohřívám TUV, ale mnoho lidí/přátel z mého okolí stavělo fotovoltaickou elektrárnu s bateriovým úložištěm výše popsaným způsobem a tento balancer byl vyvinut jako doplněk pro vyšší bezpečnost provozu jejich elektráren.

Motivace k návrhu vlastního balanceru pro LiFePo4

Na Aliexpressu a stejně tak i na evropském trhu lze nalézt ke koupi velké množství BMS s integrovanými balancery nebo i samostatné balancery pro baterie LiFePo4. Nepříjemností většiny těchto balancerů však je skutečnost, že se jedná o aktivní balancery. Na první pohled je aktivní balancer jistá volba proti pasivnímu, nicméně je nutné zvážit nejenom kladné, ale i záporné stránky tohoto řešení.

Klady aktivních balancerů:

+ energie se mezi články při balancování „přelévá“ a nemaří se
+ při stejných rozměrech jsou aktivní balancery výkonnější než balancery pasivní

Zápory aktivních balancerů:

– nižší spolehlivost a bezpečnost než u balanceru pasivního ->
- – v aktivních balancerech je použito několik měničů s tranzistory a tlumivkami nebo kondenzátory. Dojde-li k poruše některého z měničů, může se stát, že poškozený měnič vyzkratuje připojený článek baterie a vyvolá nebezpečný stav.
- – aktivní řešení je obecně složitější a méně spolehlivé než řešení pasivní (existuje-li).

U bateriového úložiště fotovoltaické elektrárny nepovažuji rozměry balanceru ani velikost energetických ztrát při balancování za podstatné. Osobně kladu důraz na co nejvyšší spolehlivost a bezpečnost celého systému. Po těchto úvahách jsem aktivní balancery vyřadil z výběru. Pasivních balancerů je na trhu podstatně méně a jsou kupodivu drahé. Z těchto důvodů jsem se pustil vývoje vlastního pasivního balanceru.

Požadavky na vlastní balancer

balancer bude schopen balancovat 16s baterii LiFePo4
celý balancer bude realizován na jedné DPS a nebude potřebovat přídavné chladiče
DPS balanceru se musí vejít do rozměru 100 x 100 mm – kvůli výhodnější ceně DPS při jejich výrobě na JLCPCB
balanční proudy budou ideálně až 1 A

Návrh balanceru

Základ balanceru tvoří battery monitor BQ76952 od Texas Instruments. S battery monitory od TI pracuji již delší dobu a tento je pro svou univerzálnost můj nejoblíbenější. Obvod BQ76952 ve zkratce umožňuje:

kontrolu 3s – 16s baterií
má integrovanou nábojovou pumpu pro ovládání silových high-side FETů
má možnost připojení a ovládání precharge i predischarge obvodů
umožňuje autonomní balancování článků proudem až 100 mA pomocí integrovaných FETů nebo vyššími proudy pomocí externích FETů
má integrovaný lineární nastavitelný stabilizátor napětí pro napájení dalších obvodů, např. 3,3 V pro MCU
s připojeným procesorem umí komunikovat přes I2C, SPI nebo HDQ

V návrhu jsem vyšel z katalogového zapojení obvodu, ořezaného na minimum součástek potřebných k balancování článků. Zapojení neobsahuje silové FETy, měření proudu ani měření teploty článků. Obvod BQ zde pouze monitoruje napětí jednotlivých článků a pomocí externích balančních obvodů vyrovnává rozdíly mezi nimi.

K balancování článků slouží vždy dvojice výkonových rezistorů v pouzdře 2512. Původní myšlenka byla, aby byl balancer schopen balancovat proudem až 1 A při napětí cca 3,6 V. Tomu odpovídá ztrátový výkon na dvojici rezistorů 3,6 W. Běžné rezistory 2512 zvládají ztrátový výkon až 2 W, nicméně potřebují k tomu odpovídající chladicí plochu, která v tomto návrhu k dispozici nebyla. Po testech oteplení na hotové DPS jsem došel k tomu, že balanční proudy 1 A jsou bez přídavných chladičů bohužel nereálné. Z výsledků testů vyšel maximální balanční proud cca 0,7 A při 3,6 V, čemuž odpovídá ztrátový výkon 2,52 W a balanční rezistory o hodně cca 5 Ω, resp. 2 x 10 Ω paralelně. I tento proud považuji za dostatečný a akceptovatelný.

Balanční rezistory spínám výkonovými FETy PSMN3R5-30YL. Tento typ tranzistorů jsem zvolil proto, že jsem jich doma měl nakoupeno více na jiné projekty a také proto, že zde budou FETy bohatě předimenzovány. Na druhou stranu v tomto zapojení pracují (v nejhorším případě) na samé hraně svého threshold voltage (1,3 V – 2,15 V), což není ideální. Bude-li balancován článek s napětím 3,4 V, příslušný balanční FET bude otevírán napětím gate přibližně 2,2 V. Lepší volbou by byly méně výkonné FETy s nižším threshold voltage a i nižší cenou, např. 50N04F, nicméně i toto řešení je funkční.

Paralelně k balančním rezistorům jsou zapojeny signalizační LED diody, aby bylo dobře patrné, který článek je právě balancován. Zbytek součástek je daný dle datasheetu a aplikačních poznámek od obvodu BQ.

Po otestování balanceru pro 16s baterii přišel dotaz, zda-li by balancer nezvládl i 8s baterii. Samozřejmě, že ano. Jen se mi nechtěla předělávat DPS. Nakonec se mi podařilo přizpůsobit zapojení na stávající DPS pro 16s baterii i na baterii 8s navíc pouze dvěma drátovými propojkami. Obvod BQ76952 má vlastnost, že článek s nejvyšším napětím musí být vždy připojen k pinu VC16. Ostatní články se pak připojují od VC0. Z toho důvodu je osmičlánková baterie zapojena tak, že články 1 – 7 jsou zapojeny do VC0 – VC7 a článek 8 je zapojen do VC16. Ty dvě drátové propojky by tedy ani nebyly potřeba, jen by bylo nutné připojit balancer přes oba konektory. V konektoru J1 by však byly zapojeny pouze dva dráty, což mi přišlo zbytečné. Úprava zapojení balanceru pro 8s baterii je zanesena ve schématu níže.

Chování balanceru

Obvod BQ po připojení k baterii pracuje pouze v aktivním režimu (nepřechází do sleep módu). Z toho vychází klidová spotřeba balanceru přibližně 1 mA. Vzhledem k tomu, že balancer bude připojen k bateriím, jejichž kapacita se bude pohybovat v řádu desítek až stovek Ah a které navíc budou neustále dobíjeny z fotovoltaiky, považuji klidovou spotřebu 1 mA za zanedbatelnou.

Algoritmus balancování jsem nastavil obdobně jako u běžných balancerů na trhu: je-li rozdíl v napětí mezi články vyšší než 100 mV a zároveň, je-li napětí článku s nejnižším napětím alespoň 3300 mV, pak teprve začne balancer balancovat. Články LiFePo4 má smysl balancovat (vzhledem ke své charakteristice) jedině při SOC blízké 100 %. Zmenší-li se rozdíl napětí mezi články pod 20 mV, balancování skončí.

K omezení celkového ztrátového výkonu může balancer současně balancovat maximálně 2 články.

Teplotní testy balanceru

Maximální balanční proud jsem stanovil na základě měření oteplení balančních rezistorů a DPS s různými hodnotami rezistorů. Testy jsem prováděl pomocí regulovatelného zdroje připojeného k balančním rezistorům na nejméně vhodném místě DPS – na okraji, kde mají rezistory nejmenší chladicí plochu. Pro každou hodnotu balančních rezistorů jsem provedl měření oteplení s napětím na rezistorech přibližně 3,65 V, což je maximální povolené na článku LiFePo4 a také pro napětí 4 V. Tato hodnota je spíše informační, nicméně není vyloučeno, že velmi rozbalancované články baterie se na tuto hodnotu nemohou při nabíjení dostat. Proto je dobré znát chování balanceru i při těchto podmínkách. Měření jsem prováděl při okolní teplotě 20 °C.

Výsledky měření:

balanční rezistor 5 Ω – teplota při 3,65 V: 127 °C, teplota při 4 V: 150 °C
balanční rezistor 6 Ω – teplota při 3,65 V: 113 °C, teplota při 4 V: 132 °C
balanční rezistor 7,5 Ω – teplota při 3,65 V: 98 °C, teplota při 4 V: 110 °C

Běžně si DPS nechávám vyrábět na standardním materiálu FR4 s TG135 s tloušťkou mědi 35 μm (nejběžnější provedení DPS, kterému odpovídá příznivá cena), ani tento projekt nebyl výjimkou. Z toho důvodu považuji teplotu 130 °C za absolutně maximální pracovní teplotu DPS. Měření ukázalo, že i s balančními rezistory 5 Ω se teplota při napětí 3,65 V pohybuje „na hraně“ a při napětí 4 V maximální teplotu výrazně převyšuje. Nicméně, budeme-li považovat napětí 3,65 V za maximální, je hodnota 5 Ω sice hraniční, ale použitelná. Vyšší hodnoty balančních rezistorů vyhoví bez problémů.

Pokud bychom přeci jen chtěli balancer provozovat s vyššími balančními proudy a nebo pokud bychom chtěli dosáhnout ještě vyšší spolehlivosti, reálných řešení problému s oteplením se nabízí několik:

DPS balanceru nechat vyrábět na základním materiálu s vyšší teplotní odolností, např. FR4 s TG170 nebo TG180.
jako základní materiál DPS zvolit hliník, který dokáže teplo rozvést daleko lépe. Nechat vyrobit balancer na hliníkové DPS by nebyl problém – i jsem s touto možností počítal a DPS jsem navrhl jako jednovrstvou – stačilo by pouze vyměnit konektory pro připojení článků za SMD, avšak hliníkové DPS jsou pro ruční pájení nevhodné a výroba prototypů je tudíž obtížná. Z tohoto důvodu jsem nakonec zvolil materiál FR4 a zatím u něj i zůstal.
nechat základní materiál DPS FR4 s TG135 a zkusit větší tloušťku mědi, např. 70 μm. Větší tloušťka mědi by opět měla přispět k tomu, že se teplo rozvede lépe a dál po DPS.
připevnit balancer na chladič. Součástky jsou na DPS pouze z jedné strany, chladič by mohl být pohodlně připevněn na druhé straně.

Finální parametry balanceru

balancer je možné připojit k 8s i 16s LiFePo4 baterii
balancer je realizován na jedné DPS o rozměrech 100 x 100 mm
se základním materiálem DPS FR4 TG135 je balancer schopen balancovat 2 články baterie současně proudy až 0,7 A na článek bez přídavného chladiče. S lepšími základními materiály DPS by byly možné vyšší balanční proudy
balancer je pasivní -> vyšší bezpečnost provozu
paralelně k balančním rezistorům jsou připojeny LED, indikující balancování daného článku
prototypová výrobní cena balanceru s DPS FR4 TG135, 35 μm Cu je příznivá (2026):
- 8s, FETy PSMN: ~ 300 Kč
- 16s, FETy PSMN: ~ 450 Kč
- 8s, FETy 50N04F: ~ 150 Kč
- 16s, FETy 50N04F: ~ 200 Kč

Zhodnocení projektu balanceru pro LiFePo4 baterie

Cílem tohoto projektu bylo realizovat pasivní balancer pro domácí bateriová úložiště k fotovoltaickým elektrárnám využívající 16s baterie LiFePo4. Základ balanceru tvoří integrovaný obvod BQ76952 zapojený s mírnými úpravami dle datasheetu. Navržený balancer je kompaktní, jednoduchý, cenově dostupný a nakonec se podařilo přizpůsobit ho i k 8s baterii.

Maximální balanční proudy jsou 0,7 A na článek a jsou limitovány pouze oteplením DPS při balancování, jelikož balanční rezistory jsou chlazeny do DPS. Balancer byl testován především kvůli ceně s nejběžnějším typem DPS, což je materiál FR4 TG135 s 35 μm Cu. Požadavek na vyšší balanční proudy by mohlo vyřešit použití jiného základního materiálu DPS, vyšší vrstva mědi nebo použití přídavného chladiče.

Kromě zlepšení odvodu tepla z DPS by eventuální další vývoj balanceru mohl být zaměřen na volbu vhodnějších balančních FETů. Nejenom, že FETy PSMN v pouzdře LFPAK56 jsou zbytečně velké a drahé, ale i FETy 50N04F mají stále poměrně vysoký threshold voltage (max. 2 V). Jako vhodnější dnes vidím FETy v malém pouzdře SOT-23 s maximálním proudem drain např. pouze 3 A a threshold voltage max. 1,8 V.

Nicméně i přes tyto nedostatky považuji tento projekt za úspěšný a balancer za provozovatelný.