Płytka zabezpieczająca 4S 40 A do LiFePO4 i przykład jej zastosowania w UPS-ie

Niedawno opublikowałem recenzję akumulatorów LiFePo4 w rozmiarze 32700, ale jak wiadomo, akumulatorów nie można używać bez płytki zabezpieczającej, więc zamówiłem również ją. Skoro już trafiła w moje ręce, przygotowałem krótką recenzję — może komuś się przyda.


Na początek cena: sprzedawca podaje $3.86 plus $0.88 za wysyłkę i w zasadzie mi to odpowiadało. Chciałem zamówić kilka płytek, ale przy próbie zamówienia dwóch koszt wysyłki wzrasta do $3.79. Można oczywiście złożyć kilka osobnych zamówień, ale pomyślałem, że najpierw przetestuję jedną, bo już raz zdarzyło mi się, że zamiast płytki do LiFePo4 przysłali zwykłą. Może nawet przygotuję krótką recenzję.

Pomyłki między płytkami do LiFePo4 i Li-Ion zdarzają się dość często, dlatego trzeba zachować szczególną ostrożność i oglądać zdjęcia w opiniach. Płytki nie są zamienne i nie da się ich przerobić.


Po pewnym czasie dostałem małą kopertę z moją płytką.


Na stronie produktu znajduje się zrzut ekranu z karty katalogowej, według której płytka wytrzymuje prąd ciągły 40 A, chwilowy 80 A, a opóźnienie zadziałania zabezpieczenia wynosi 150 ms.


Płytka jest sprzedawana w dwóch wersjach: z balanserem i bez niego. Do pracy cyklicznej (na przykład w elektronarzędziu) lepiej wybrać wersję z balanserem. Do mojego zastosowania (zastąpienie akumulatorów kwasowo-ołowiowych w UPS-ie) wystarczyłaby zwykła wersja, ale balanser w niczym mi nie przeszkadzał, więc uznałem, że niech już będzie.


Płytka nie ma centralnego kontrolera zabezpieczeń, czyli w zasadzie jest mocniejszym, wielokanałowym odpowiednikiem zwykłych płytek opartych na DW01. Ktoś powie, że to źle. Być może, ale osobiście wolę właśnie takie rozwiązania, bo zwykle nie ma problemów z przywróceniem ich do działania po awaryjnym odłączeniu, kiedy trzeba podłączyć akumulator do ładowarki.

Na płytce zamontowano również 10 tranzystorów AOD472, których rezystancja w stanie włączenia wynosi 6-9.5 mΩ. Oznacza to, że obliczona rezystancja stopnia mocy wynosi 2.4-3.8 mΩ przy maksymalnym prądzie do 275 A.
Na płytce nie ma bocznika pomiarowego — jego rolę pełnią tranzystory mocy, podobnie jak w DW01. Nie ma w tym nic niezwykłego, ale jeśli zechcecie zmniejszyć (lub zwiększyć) prąd zadziałania, trzeba odpowiednio usunąć (lub zamontować) część tranzystorów.


Oto sam układ zabezpieczeń i balansowania.


Na spodzie są tylko oznaczenia, ale już widać, że ścieżki są nie tylko szerokie, lecz także połączone przelotkami między stronami płytki. Poprawia to również odprowadzanie ciepła.


Płytka jest przeznaczona przede wszystkim do elektronarzędzi. Na stronie sprzedawcy znajduje się nawet całkiem niezły opis, choć przetłumaczony przez Google.


Do testu wziąłem cztery akumulatory. Wybrałem te o najniższej rezystancji, pojemności nie mierzyłem — po prostu naładowałem wszystkie jednakowo.


Szerokość płytki odpowiada szerokości dwóch akumulatorów 32700. Można jej użyć zarówno w pakietach, w których akumulatory są ustawione wzdłuż, jak i w poprzek — jeśli można tak powiedzieć.


Schemat połączeń jest bardzo prosty: zwykły pakiet złożony z czterech akumulatorów połączonych szeregowo. Sprzedawca pokazał pakiet 4S2P, ale do testu postanowiłem na razie ograniczyć się do wersji 4S1P.


Najpierw skleiłem akumulatory ze sobą za pomocą piankowej taśmy dwustronnej, a potem całość zabezpieczyłem zwykłą taśmą klejącą.


Zagiąłem blaszki tak, aby zakładka wypadała na styku ujemnym. W takim układzie nawet jeśli podczas lutowania przegrzeję styk i stopię koszulkę termokurczliwą, nic niebezpiecznego się nie stanie.


Dalej już banalnie: przykleiłem kawałek kartonu taśmą dwustronną, a do niego, również na taśmę dwustronną, płytkę z przylutowanymi przewodami mocy. Przewody lepiej przylutować wcześniej, żeby nie grzać płytki już zamontowanej na akumulatorach.
Potem przylutowałem przewody balansera. Na tym etapie można uznać, że montaż pakietu jest prawie zakończony. Brakuje tylko wspólnej koszulki termokurczliwej, ale nie będę jej zakładać, bo to tylko test.


Płytka od razu przeszła w tryb pracy — nie trzeba było jej „rozruszać” przez podłączenie ładowarki. Do pierwszych testów użyłem obciążenia EBC-A10H, prąd do 10 A, moc do 150 W, co akurat pasuje do tego zestawu.


Już przy wstępnym ładowaniu wyszedł „szczegół”: domyślnie obciążenie w trybie LiFePo4 kończy ładowanie, gdy prąd spadnie do 50 mA. Ponieważ tutaj prąd balansowania wynosi 100 mA, w tym trybie ładowanie trwałoby w nieskończoność. Żeby odłączenie następowało prawidłowo, trzeba więc ustawić prąd na 100 mA plus prąd końcowy.


Po około 20 minutach temperatura rezystorów wynosiła około 80 stopni. Moim zdaniem to trochę za dużo; przydałaby się dodatkowa warstwa kartonu między płytką a akumulatorem.


Żeby balansowanie przebiegło prawidłowo, należałoby odczekać jakiś czas, ale nie chciało mi się czekać, więc przeszedłem do testu pomiaru pojemności.
Przy rozładowaniu prądem 10 A uzyskałem 5685 mAh, czyli 68 Wh, z czego 65 Wh przypadło na zakres 10–14 V. Rozładowanie przerwał układ zabezpieczający, a nie obciążenie.


Łączny spadek napięcia na płytce zabezpieczającej wyniósł około 50 mV przy prądzie 10 A. Napięcie miało przy tym tendencję do wzrostu: w ciągu około 3 minut rozładowania wzrosło o 10 mV.


Podczas testów kontrolowałem napięcie na akumulatorach. Po odłączeniu obciążenia najwyższe napięcie miało trzecie ogniwo, a najniższe czwarte, dlatego właśnie na nim sprawdzę napięcie odcięcia, żeby pomiar był bardziej miarodajny.


Uruchomiłem rozładowanie prądem 5 A, kontrolując napięcie. Tester wskazał, że płytka odłączyła się przy 2,09 V, co praktycznie odpowiada parametrom podanym w opisie.


Następnie całkowicie naładowałem akumulator, żeby sprawdzić napięcie odcięcia przy przeładowaniu.


Początkowo najwyższe napięcie było na czwartym akumulatorze, ale potem zauważyłem, że najpierw wzrosło do około 3,71 V, a następnie zaczęło spadać i po krótkim czasie obniżyło się do 3,70 V. Można tu zaobserwować proces balansowania: ten kanał balancera utrzymuje napięcie, nie dopuszczając do jego przekroczenia, a w tym czasie pozostałe akumulatory są ładowane niewielkim prądem.


Żeby napięcia na akumulatorach się wyrównały, trzeba jednak ustawić niezbyt duży prąd ładowania i przez jakiś czas utrzymywać zestaw przy napięciu końcowym. Ponadto przy niezbalansowanym pakiecie może to spowodować zadziałanie zabezpieczenia.
W moim przypadku prąd ładowania wynosił 4 A, dlatego zestaw i tak dotarł do „mety” niezbalansowany. Napięcia na akumulatorach 1–2–3–4:


1. W chwili, gdy przerwałem ładowanie, czyli gdy prąd ładowania spadł do 110 mA i praktycznie cała energia była rozpraszana przez balancery, na pierwszym akumulatorze było 3,73 V.
2. Następnie doprowadziłem do zadziałania zabezpieczenia, ustawiając napięcie końcowe ładowania na 15 V zamiast wymaganych 14,6 V. Płytka odłączyła się przy 3,76 V zamiast deklarowanych 3,75 V, co mieści się w podanych parametrach.


Kolejnym etapem była próba ustalenia prądu zadziałania zabezpieczenia przeciążeniowego. Podłączyłem więc zestaw do obciążenia o maksymalnym prądzie 30 A.
Przez pierwsze 20 sekund wszystko działało prawidłowo, ale potem usłyszałem ciche kliknięcie, a obciążenie wyłączyło się, bo napięcie spadło poniżej ustawionego limitu.


Okazało się, że lut zadziałał jak bezpiecznik termiczny. Spoiwo się stopiło i jeden styk odsunął się dzięki swojej sprężystości.


No dobrze, przylutowałem go ponownie, przy okazji dodając trochę spoiwa, i uruchomiłem test jeszcze raz. Tym razem zestaw normalnie oddawał 30 A, choć styki wyraźnie się nagrzewały.
Uznałem jednak, że 30 A to trochę mało, więc podłączyłem drugie obciążenie i ustawiłem na nim prąd 10 A. Potem uruchomiłem pierwsze z prądem 30 A, uzyskując łącznie około 40 A. Następnie zacząłem zwiększać prąd na drugim obciążeniu (pierwsze było już ustawione na maksimum).
Po krótkiej chwili pierwsze obciążenie znów się wyłączyło, bo napięcie spadło poniżej ustawionego minimum, a z jednego ze styków zaczął wydobywać się dym. Musiałem przerwać test; w chwili wyłączenia łączny prąd wynosił około 50–55 A.


1. Po awaryjnym wyłączeniu i oględzinach okazało się, że styki nagrzały się do takiej temperatury, że pojawiły się na nich barwy nalotowe, czyli metal w miejscu nagrzania ściemniał.
2. Zbliżenie. Wyraźnie widać miejsce, w którym nagrzewanie było największe.
3. Co ciekawe, po drugiej stronie zestawu nic takiego się nie stało, czyli przegrzały się dwa z trzech połączeń.
4. Nagrzewanie było tak duże, że stopiła się zarówno specjalna taśma, jak i część koszulki termokurczliwej akumulatora.


I właśnie tutaj trochę się zaniepokoiłem, bo takie nagrzewanie zdecydowanie nie jest normalne. Postanowiłem więc sprawdzić rezystancję połączeń i uzyskałem ciekawe wyniki:
1, 2, 3. Rezystancja styków 1-2, 2-3, 3-4. Widać, że rezystancja styku 2-3 jest mniejsza; wyżej pisałem, że nagrzewał się on mniej niż dwa pozostałe, więc to wyraźnie nie przypadek.
4. Całkowita rezystancja akumulatora bez uwzględnienia płytki zabezpieczającej. Same ogniwa mają około 7 mΩ, a połączenia między nimi dodały jeszcze około 12 mΩ.
5. Rezystancja płytki zabezpieczającej bez przewodów doprowadzających, czyli tranzystory mocy i ścieżki na płytce. Przy teście prądem 10 A uzyskałem mniej więcej taki wynik (51 mV / 10 A = 5,1 mΩ).
6. Całkowita rezystancja akumulatora z uwzględnieniem samych ogniw, połączeń, przewodów i płytki zabezpieczającej.


Ciekawe, że na stronie produktu była nawet tabelka z informacją, co robić, jeśli coś nie działa. Zachowałem ją na wszelki wypadek.


Później zostawiłem pakiet na około godzinę przy prądzie 100 mA i uzyskałem takie wyniki: po lewej wcześniejsze pomiary, po prawej po godzinie „odpoczynku”.
3,709 - 3,682
3,614 - 3,636
3,595 - 3,654
3,678 - 3,639

Jak widać, napięcia stopniowo się wyrównują.

A teraz możemy przejść do bardziej obrazowego eksperymentu. W tym celu bierzemy starego UPS-a.


Mam zresztą dwa takie urządzenia i całkiem możliwe, że rozpoznaliście te dość popularne UPS-y. W obu akumulatory padły już dawno temu, a w jednym nawet pękła obudowa.


Jeśli wydaje wam się, że na zdjęciu są dwa identyczne modele, to się mylicie: po lewej jest model 400 VA, a po prawej 600 VA.


W praktyce różnią się tylko pojemnością akumulatora: w modelu 400 VA wynosiła ona 4 Ah, a w 600 VA — 7 Ah. Tak, są jeszcze niewielkie różnice na płytkach, ale zasadniczo modele niewiele się od siebie różnią, a transformatory mają takie same wymiary. Słabszy model trafił do mnie przypadkiem, ktoś mi go podarował. Kiedy go otworzyłem i porównałem, zrozumiałem, że można w nim zamontować akumulator 7 Ah. Praktyka pokazała, że działa tam świetnie.


Odłączamy fabryczny akumulator i podłączamy zamiast niego pakiet LiFePO4. Naciskamy magiczny przycisk i po sygnale dźwiękowym oraz kliknięciu przekaźnika UPS przełącza się na zasilanie z akumulatora.


Do testu podłączam do niego lampę 150 W, choć w rzeczywistości ma chyba 125 W, ale w tym eksperymencie nie jest to już takie ważne. Ważne, że wszystko działa. Może jednak pojawić się problem: jeśli akumulator rozładuje się na tyle, że zadziała zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem na płytce zabezpieczającej, a nie w samym UPS-ie, to w przypadku „inteligentnej” płytki może być konieczne otwarcie UPS-a, bo może się już nie włączyć. „Głupia” płytka najprawdopodobniej przywróci zasilanie i będzie czekać na pojawienie się prądu ładowania, ale wszystko zależy od UPS-a i trzeba to sprawdzić osobno dla każdego modelu.

Pobawiłem się tak przez chwilę, bo lampa mocno się nagrzewa. Dość mocno grzały się też mostki na akumulatorze, ponieważ prąd wynosił około 15 A.


Podłączamy UPS do sieci i rozpoczynamy ładowanie. Napięcie początkowe wynosiło około 13,27 V, po pewnym czasie wzrosło do 13,63 V i już się nie zmieniało. Na samym początku prąd ładowania wynosił około 250–300 mA, ale myślę, że wynikało to z tego, że napięcie akumulatora było bliskie napięciu końcowemu ładowania.


Wynika z tego, że w tym modelu UPS-a napięcie końcowe ładowania wynosi 3,40 V na ogniwo. To niewiele, ale spójrzmy na wykres, na którym porównywałem pojemność przy różnych napięciach końcowych ładowania — był tam również taki test.
Z wykresu wynika, że przy rozładowaniu uzyskam około 5700 mAh. Jedyny minus jest taki, że ładowanie będzie bardzo długie, częściowo także dlatego, że akumulator w UPS-ie nie jest podłączony czterema przewodami.


Wnioski.
Ogólnie nie mam zastrzeżeń do płytki. Nie udało mi się jedynie sprawdzić prądu zadziałania zabezpieczenia, szkoda. Poza tym wszystko działa, a zmierzone wartości odpowiadają tym podanym w opisie.

Zastrzeżenia mam natomiast do akumulatorów, a dokładniej do ich wyprowadzeń. Tak, w rzeczywistości mój pakiet nie jest przystosowany do takich prądów i najlepiej byłoby zastosować co najmniej konfigurację 4S2P, a jeszcze lepiej 4S3P. Nie spodziewałem się jednak, że wyprowadzenia będą miały tak dużą rezystancję. W praktyce, przy rezystancji samego akumulatora wynoszącej 7 mΩ, rezystancja blaszek na poziomie 4–4,5 mΩ wygląda po prostu na ogromną i zdecydowanie trzeba to poprawić — albo wymieniając blaszki, albo łącząc je równolegle i przylutowując przewód.

Eksperymenty jednak trwają. W tej chwili czeka na wysyłkę jeszcze 10 takich akumulatorów, tym razem tylko od Litokali. Poza tym mam w domu małą płytkę 2S LiFePO4. Chcę przy okazji przetestować również ją.

To już wszystko. Mam nadzieję, że było przydatne :)