Aktywny balanser pojemnościowy do akumulatorów 6S

W recenzji balansera indukcyjnego wspominałem, że istnieją również balansery pojemnościowe, w których energia jest przekazywana z jednego ogniwa do drugiego przez ładowanie i rozładowywanie kondensatorów. Taki balanser jest zwykle droższy, ale dzięki jednemu z moich czytelników trafił w moje ręce.


Po recenzji balansera indukcyjnego odezwał się do mnie jeden z czytelników i zaproponował recenzję balansera, który właśnie planował zamówić do swojego akumulatora litowego. Dogadaliśmy się, zamówienie zostało złożone i odebrane, a balanser ostatecznie trafił na mój stół. Co więcej, oprócz samego balansera czytelnik dał mi też akumulator, z którym urządzenie będzie pracować. Za to należą mu się osobne podziękowania.

Oprócz balansera i akumulatora dołożył też kabel do podłączenia ładowarki oraz złącze do balansera.


Zacznę od akumulatora.
To pakiet litowy 6S o deklarowanej pojemności 12 Ah, wyposażony nawet w pasek — wcześniej chyba nie spotkałem się z takim rozwiązaniem, zwykle są to zwykłe ogniwa cylindryczne.
Pakiet jest przystosowany do maksymalnego prądu obciążenia 25C. Parametry ładowania to 4,2 V na ogniwo i prąd do 2C. Dostępne są wersje od 3S do 12S.


Waży 1,6 kg, a jego wymiary bez przewodów to 177 × 71 × 63 mm. W okolicy mocowania paska jest jednak zgrubienie, przez które można odnieść wrażenie, że akumulator trochę spuchł.


Do podłączenia balansera służy zwykłe 7-pinowe złącze o rastrze 2,5 mm. Zapasowa część złącza nie była potrzebna, ale i tak miło, że ktoś pomyślał, że może się przydać.
Do obwodu mocy użyto złącza XT90.
Przewody zasilające mają przekrój 10AWG i są bardzo miękkie. Zrobię tu małą dygresję: złącze z przewodami podłączono do akumulatora przez listwę zaciskową. Zdecydowanie odradzam stosowanie takich listew ze względu na ich niską niezawodność i polecam lutowanie.


Akumulator już pokazany, więc możemy przejść do samej płytki balansera. Takie urządzenia produkują też inne firmy, między innymi Heltec.


Na stronie sprzedawcy jedyne przydatne informacje to krótki opis (tłumaczenie Google):

Tryb równoważenia: kondensator (pełna grupa), equalizer
Napięcie robocze: 2,0–4,2 V
Próg napięcia przy przejściu w tryb uśpienia: można wybrać 2,0 V, 3,0 V lub 3,7 V; obsługa akumulatorów litowo-jonowych, litowo-żelazowo-fosforanowych i litowo-tytanowych
Dokładność balansowania: poniżej 5 mV
Prąd równoważenia: 0,1 V 1 A, 0,2 V 2 A; im większa różnica napięć, tym większy prąd
Maksymalny prąd balansowania: 6 A
Pobór mocy w stanie równowagi: 12 mA
Przeznaczony do akumulatorów: 30 Ah–300 Ah

Płytka jest niewielka, ma wymiary 80 × 50 × 16 mm. Przewody są bardzo miękkie i mają około 45 cm długości, przy czym czarny jest nieco krótszy.


Od góry widać typową cechę balansera pojemnościowego: całą masę kondensatorów polimerowych, w tym przypadku o pojemności 2200 µF i napięciu 6,3 V. Balanser jest przeznaczony do pakietu 6S, więc widać 6 par kondensatorów, a do tego jeszcze jedną parę, najwyraźniej wspólną dla całego balansera.

Widać też, że balanser jest produkowany w dwóch wersjach: jednej do akumulatorów Li-Ion/LiFePO4, a drugiej do LTO. Szukając zdjęcia do nagłówka, natknąłem się na wersję obsługującą trzy typy, rozdzielone na „zwykłe”, LiFePO4 i LTO. O ile wiem, nie ma jednak sensu rozdzielać dwóch pierwszych typów.


Od spodu płytka również jest gęsto obsadzona komponentami, a większość miejsca zajmują tranzystory MOSFET — jest ich łącznie 24, po 4 na każdy kanał. Widać też 6 układów w obudowach SO-8, prawdopodobnie sterowników tranzystorów, mały układ w obudowie SOT23-6, który — sądząc po znajdującym się obok dławiku — niemal na pewno jest przetwornicą DC-DC, oraz jeszcze jeden układ w obudowie SOT23-5, być może generator.
U góry widać też sześć bezpieczników oznaczonych literą U. Nie udało mi się ustalić prądu zadziałania — z jakiegoś powodu nie znalazłem go w tabelach, ale znalazłem je na AliExpress; podają napięcie 72 V i prąd 6,3–8 A.

Płytka jest pokryta lakierem ochronnym, co zwiększa jej niezawodność.


Osoba, która przysłała mi płytkę, sama wcześniej interesowała się tym, jakie komponenty są na niej zamontowane, dlatego usunęła lakier z kilku z nich.
Tranzystory — MDU1518, 30 V, 94 A, 4,2/6,2 mΩ
Ośmionóżkowy układ obok to prawdopodobnie sterownik EG2131.
Nie udało mi się zidentyfikować układu przetwornicy DC-DC.
Generator taktujący to najpewniej coś podobnego do popularnego timera 555.



Sądząc po liczbie kanałów, zastosowano tu inną zasadę balansowania niż w balanserze indukcyjnym. Najpierw kondensatory każdego kanału są ładowane z odpowiednich akumulatorów. Napięcie na kondensatorach jest takie samo jak na akumulatorach.
Następnie za pomocą tranzystorów odłącza się je od akumulatorów i łączy równolegle, dzięki czemu ładunek się wyrównuje.
Potem kondensatory poszczególnych kanałów ponownie podłącza się do akumulatorów, ale teraz mają one jednakowe napięcie. W efekcie bardziej naładowany akumulator znów ładuje kondensator, a mniej naładowany doładowuje się z kondensatora.

Taki układ pozwala dokładniej wyrównywać napięcie na ogniwach akumulatora.


Akumulator dotarł całkowicie rozładowany. Napięcia na ogniwach, tutaj i dalej, będę podawał w kolejności od pierwszego do szóstego. Za pierwsze uznaję ogniwo podłączone do ujemnego (wspólnego) przewodu układu, oznaczonego kolorem czarnym.
Widać też niewielką nierównowagę. Całkowite napięcie akumulatora wynosiło 18.467 V.

Tutaj i dalej wszystkie napięcia podaję przy odłączonym balanserze. Osobno zaznaczę te pomiary, które wykonałem z podłączonym balanserem.


Eksperyment przeprowadzę w możliwie najtrudniejszych warunkach: naładuję tylko jedno ogniwo, pierwsze w układzie.
Pełne naładowanie wymagało 12.25 Ah, co odpowiada pojemności podanej na akumulatorze.
Po naładowaniu napięcie pierwszego ogniwa wynosiło 4.1819 V, a całego akumulatora 19.574 V. Później zbiorę wszystko w jednej tabeli, ale na razie będę pokazywał najważniejsze momenty na zdjęciach, w kolejności chronologicznej.


Oczywiście podczas testu chciałem zmierzyć prąd w obwodzie akumulatorów, ale nie chciałem wprowadzać dodatkowego błędu pomiaru. Dlatego poszedłem nieco inną drogą i zmierzyłem rezystancję przewodów. Na podstawie spadku napięcia na nich można określić prąd.
Wyszło mi 13.37 mΩ na odcinku o długości 44 cm. Przewód jest oznaczony jako 18AWG. Według tabeli rezystancja odcinka przewodu o takiej długości i takim przekroju powinna wynosić 9.2 mΩ, co jest zbliżone do zmierzonej wartości, ale dopuszczam, że sam przewód ma mniejszy przekrój, niż powinien.


Dla ułatwienia pomiaru przylutowałem do pierwszego i drugiego ogniwa kawałki przewodów, do których podłączałem jedną sondę multimetru. Drugą podłączałem do styku złącza, nie przerywając obwodu.
Otrzymałem następujące wartości (odstęp między pomiarami wynosił 20 minut).
1. zaraz po podłączeniu: 1S – 4.78 A, 2S – 287 mA
2. po 20 minutach: 1S – 3.17 A, 2S – 127 mA
3. po 40 minutach: 1S – 2.33 A, 2S – 40 mA
4. po 60 minutach: 1S – 1.93 A, 2S – 27 mA

Deklarowany prąd balansowania wynosił do 5–6 A. Na samym początku uzyskałem podobne wyniki. Myślę, że mogłyby być wyższe, gdyby przewody były krótsze.


Płytka nagrzewała się głównie w okolicy balansera pierwszego ogniwa. Pomiary wykonano po 20, 60 i 100 minutach od rozpoczęcia testu.


Po 1 godzinie i 20 minutach od rozpoczęcia testu, z ciekawości zmierzyłem prąd w obwodzie ostatniego ogniwa. Otrzymałem:
1S 1.66 A
2S 11 mA
6S -264 mA

Ujemną sondę multimetru podłączałem do płytki, a dodatnią do złącza. Widać, że w przypadku ostatniego akumulatora prąd płynie w przeciwnym kierunku.

W rzeczywistości taki pomiar nie jest całkiem miarodajny, ponieważ prąd ma charakter impulsowy. Mam jednak nadzieję, że multimetr poprawnie zmierzył jego wartość średnią.


Po około 10 godzinach od rozpoczęcia testu prąd wyraźnie spadł i wynosił:
1S 322 mA
2S 2,5 mA
6S -51 mA



Następnie podłączyłem pierwsze ogniwo do ładowarki i postanowiłem sprawdzić, ile pojemności zużyło.
Teoretycznie, przy pojemności 12 Ah i pełnym balansowaniu powinno wyjść 2+2+2+2+2+2 Ah zamiast początkowych 12+0+0+0+0+0 Ah. Oznacza to, że naładowanie pierwszego ogniwa powinno wymagać około 10 Ah, ale oczywiście dotyczy to idealnych warunków i sprawności 100%. Podczas ładowania zużyto 8.231 Ah, co zasadniczo również wskazuje na to, że pierwsze ogniwo oddało większość energii na naładowanie pozostałych pięciu.


Potem ponownie rozpocząłem balansowanie, a po około 6 godzinach zmierzyłem prądy. Wyniki:
1S 266 mA
2S -37 mA
6S -36,8 mA

W zasadzie wykonałem te pomiary dla siebie, ale podaję je, ponieważ w przeciwieństwie do poprzednich tym razem prąd był ujemny nie tylko w szóstym, lecz także w drugim kanale.


Napięcia na ogniwach po 35 godzinach od rozpoczęcia testu i jednym ponownym naładowaniu pierwszego ogniwa wyglądały następująco.
Dodam, że ogniwa 2–6 były ładowane wyłącznie z pierwszego. Największa różnica występowała między pierwszym a drugim ogniwem i wynosiła 16 mV. Całkowite napięcie pakietu wynosiło 22.626 V.


Następnie podłączyłem do ładowarki cały akumulator, ale na wszelki wypadek kontrolowałem napięcie na najbardziej naładowanym ogniwie, ponieważ akumulator nie ma układu zabezpieczającego.
1, 2. Pod koniec ładowania napięcie pierwszego ogniwa wzrosło do krytycznej wartości 4,25 V, ale ponieważ dalej już nie rosło, nie przerywałem ładowania
3, 4. Ostatecznie do naładowania zużyto 9,296 Ah, maksymalne napięcie pierwszego ogniwa wyniosło 4,2517 V. Pomiaru dokonałem bezpośrednio na płytce balansera, więc występuje błąd pomiaru.

Myślę, że bardzo pomogłoby skrócenie przewodów. Przy kanale o wyższym napięciu balanser mógłby lepiej rozdzielać energię.


W rzeczywistości napięcie pierwszego ogniwa było nieco wyższe i niemal natychmiast po odłączeniu ładowarki wynosiło 4,256 V, a całkowite napięcie akumulatora — 25,194 V. Największa różnica napięć występowała między pierwszym a drugim ogniwem i wynosiła 79 mV.


A oto wyniki po 12 godzinach. Maksymalna różnica wyniosła zaledwie 1 mV i znów wystąpiła między pierwszym a drugim ogniwem. Moim zdaniem świetnie.


Oczywiście są też wyniki w postaci liczbowej i wykresu.
Po lewej stronie w kolumnie podano czas w minutach. Przez pierwsze trzy godziny sprawdzałem wyniki co 20 minut, później już bardziej nieregularnie, bo główna faza balansowania była zakończona.
Na żółto zaznaczono wyniki po 6 i 18 godzinach od doładowania pierwszego ogniwa.


To samo w postaci wykresu. Numeracja na osi poziomej odpowiada wierszom tabeli.


Przy okazji mierzyłem też napięcia przy podłączonym balanserze. Numeracja jest tu nieco inna, więc najłatwiej kierować się czasem od rozpoczęcia testu. Dodałem też wyniki po pełnym naładowaniu akumulatora, zaznaczone na pomarańczowo.
Dodam, że przy podłączonym balanserze różnica napięć na koniec wyniosła zaledwie 0,6 mV!


Na wykresie widać etapy doładowywania: punkt 7 odpowiada doładowaniu pierwszego ogniwa, a punkt 11 — pełnemu naładowaniu.



Całkowite napięcie akumulatora wynosiło 25,1 V. Potem ponownie podłączyłem go do ładowarki i doładowanie wymagało zaledwie 178 mAh.
Przy okazji, na stronie sprzedawcy podano, że pobór prądu przez płytkę wynosi 25 mA. U mnie wyszło mniej: 178/12=15 mA, i to z uwzględnieniem faktu, że akumulator nadal był balansowany.



I oczywiście wnioski.
Moim zdaniem to świetny balanser. Są lepsze modele, ale na pewno nie w tej cenie, więc nawet ich nie biorę pod uwagę — kosztują kilka razy więcej.
W porównaniu z balanserem indukcyjnym jego zaletą jest to, że nie przekazuje energii kolejno z pierwszego ogniwa do drugiego, potem z drugiego do trzeciego itd., lecz balansuje cały akumulator jednocześnie, rozdzielając energię z najbardziej naładowanego ogniwa między pozostałe, słabiej naładowane.
Właśnie ta zasada działania pozwoliła uzyskać dokładność balansowania na poziomie 0,6–1 mV. Później po prostu przestałem śledzić proces.

Są też wady: przy dużej różnicy napięć proces nie przebiega szybko, a ponadto balanser wyraźnie pobiera więcej prądu niż indukcyjny, w którym wszystkim steruje specjalny układ scalony potrafiący przejść w tryb uśpienia. Myślę, że właśnie dlatego zaleca się stosowanie go z akumulatorami o dużej pojemności.
No i cena — jest jednak zauważalnie wyższa niż w przypadku balansera indukcyjnego.

Mimo wymienionych wad mogę go polecić. Podoba mi się, że potrafił całkiem dobrze zbalansować akumulator, mimo że w zestawie naładowane było tylko jedno z sześciu ogniw.

Mam też kilka zaleceń, które mogą poprawić działanie zarówno testowanego przeze mnie zestawu, jak i podobnych urządzeń.
1. Nie używać polietylenowych złączek w obwodach dużej mocy. Lepiej wybrać coś lepszej jakości albo zastosować przewody z końcówkami.
Ogólnie w przypadku pocynowanych przewodów może wystąpić taki efekt, że po ich nagrzaniu docisk słabnie, a złączka zaczyna się topić.
2. Złącze balansera jest moim zdaniem zbyt słabe dla prądów rzędu 4–6 A, bo pierwotnie przeznaczono je raczej do kontroli. Lepiej wymienić je na mocniejsze.
3. Przewody do balansera warto skrócić. Wtedy zacznie działać bardziej dynamicznie i będzie mógł zapewnić większy prąd przy mniejszych spadkach napięcia. Przy balansowaniu małymi prądami to nie pomoże, ale pod koniec ładowania lub rozładowania może się przydać.
4. Płytka zabezpieczająca jest potrzebna. Kiedy podłączałem i odłączałem przewody, a także ogólnie grzebałem przy płytce, cały czas bałem się, że coś się zewrze — efekty specjalne byłyby niezłe :)

Na razie to wszystko. Mam nadzieję, że było przydatne.