4S — kondensatorowy balanser i kilka słów o jego działaniu

To już trzeci test aktywnego balansera i drugi test balansera kondensatorowego, czyli pojemnościowego. Poprzednim razem skupiłem się bardziej na samym działaniu, ale prawie nic nie napisałem o mechanizmie jego pracy. Dziś to niedopatrzenie zostanie naprawione.


Kupiłem ten balanser zamiast indukcyjnego, bo wydał mi się dość słaby, zwłaszcza że planowałem używać go z pojemnymi akumulatorami. Ale nie będę przedłużać — przejdźmy do testu.

Zapakowany w niewielką torebkę antystatyczną.


Z opisu na stronie sklepu

ale niestety nie wszystko wygląda tak pięknie, o tym na końcu recenzji.

W środku znajduje się płytka balansera oraz przewody z wtyczką do podłączenia do płytki. Przewody mają około 20 cm długości, są bardzo sztywne i nie powiedziałbym, że mają duży przekrój.


Na górnej stronie płytki niemal całą powierzchnię zajmuje dziesięć kondensatorów polimerowych o pojemności 2200 µF i napięciu 6,3 V.
Oprócz złącza na płytce są też otwory do przylutowania przewodów. Polecam skorzystać właśnie z nich — wtedy można użyć przewodów o większym przekroju.


Jeśli przejdziecie do sklepu, uważni czytelnicy zauważą pewną różnicę między zdjęciem na stronie produktu a płytką pokazaną w recenzji.
W sklepie pokazano płytkę z dziewięcioma kondensatorami i bez złącza, a ja dostałem wersję z dziesięcioma kondensatorami i złączem. Ostatecznie zdjęcie do nagłówka musiałem znaleźć na AliExpress.


Jeszcze więcej elementów znajduje się na spodzie płytki: u góry są cztery bezpieczniki, niżej 16 tranzystorów, a jeszcze niżej sterowniki i generator impulsów.


Zanim przejdziemy do dokładniejszego opisu, porównajmy tę płytkę z poprzednią testowaną, przeznaczoną do pakietów 6S. Tutaj elementów jest prawie półtora raza więcej.


Warto jednak zauważyć, że różni się nie tylko liczba elementów, ale też same komponenty. Na płytce po prawej tranzystory są wyraźnie mocniejsze, jest też przetwornica DC-DC, a płytkę pokryto lakierem ochronnym.


A oto coś, o co pytaliście w komentarzach do poprzedniej recenzji — schemat. Przy okazji spróbuję wyjaśnić, jak działa cała ta „kuchnia”.

Na początek ogólny schemat. W rzeczywistości na płytce jest o jakieś dwadzieścia elementów więcej. Nie pokazano małych kondensatorów ceramicznych przy zasilaniu każdego układu ani dwóch kondensatorów połączonych równolegle z ośmioma kondensatorami polimerowymi.

Żeby łatwiej było zrozumieć schemat, zaznaczyłem kolorami obwody pierwszego i czwartego kanału. Jak widać, generatorem impulsów jest popularny timer NE555. Impulsy trafiają następnie do czterech sterowników tranzystorów polowych, a potem do kluczy mocy.


Ponieważ na pełnym schemacie trudno dostrzec, jak wszystko jest połączone, zostawiłem dla przykładu tylko generator, jeden sterownik i jeden zestaw kluczy.


Niech was nie zmyli to, że wejścia sterownika są połączone razem. W zastosowanym układzie EG2131 są one względem siebie zanegowane, czyli podanie logicznej jedynki otwiera górny klucz, a podanie zera — dolny. To proste i wygodne rozwiązanie; przerwę ochronną najpewniej generuje sam sterownik.


Jako klucze mocy zastosowano tranzystory IRF7455 o rezystancji w stanie włączenia 7,5 mΩ.


Teraz o zasadzie działania.
Jeśli usuniemy ze schematu wszystko, co zbędne, i zostawimy tylko stopień mocy, a dla uproszczenia zastąpimy go przełącznikami, otrzymamy coś takiego.
Górne klucze przełączają się synchronicznie i w przeciwfazie względem dolnych.


Zasada działania jest bardzo prosta i obejmuje dwa takty. Ze względu na specyfikę sterowników jako pierwszy załącza się dolny klucz, ale dla jasności pokażę to w bardziej czytelnej kolejności.
1. Górne i środkowe kondensatory są łączone równolegle za pomocą kluczy, a poszczególne kanały są połączone szeregowo. Napięcie na kondensatorach jest równe napięciu na ogniwach.
2. Górne klucze się rozwierają, a dolne zwierają. Wszystkie kondensatory zostają połączone równolegle, a napięcia na nich się wyrównują, czyli bardziej naładowane oddają energię mniej naładowanym.
3. Dolne klucze się rozwierają, a górne zwierają. Kondensatory, które oddały część energii, ponownie ładują się z ogniw o wyższym napięciu, a te, które otrzymały energię, oddają ją ogniwom o niższym napięciu.

Na schematach pokazano pierwszy i drugi takt, które później po prostu się powtarzają. Układ działa bez przerwy, dopóki jest zasilany. W przeciwieństwie do balansera indukcyjnego nie przekazuje ładunku z ogniwa 1 do 2, potem z 2 do 3, z 3 do 4 itd., lecz wyrównuje napięcia w całym pakiecie jednocześnie.


Częstotliwość pracy wynosi około 7 kHz. Przy okazji: podczas pracy płytka cicho, ale nieprzyjemnie piszczy.
Wydajność można zwiększyć, podnosząc częstotliwość, ale wtedy trzeba zastosować tranzystory o mniejszej rezystancji Rdson. Wzrośnie też obciążenie kondensatorów.
W każdym razie, jak widać, taki balanser można zbudować samodzielnie, bo nie zawiera żadnych specjalizowanych układów scalonych — tylko generator, a do tego zestawy składające się ze sterownika, 4 tranzystorów i kondensatorów. Liczba zestawów odpowiada liczbie podłączonych ogniw akumulatora.

Pewnie nasuwa się pytanie: czy da się zbudować taki układ dla 100500 ogniw? Nie, 100500 raczej nie, ale 100–120 jest całkiem łatwe do osiągnięcia. Ograniczeniem jest maksymalne napięcie izolacji sterownika tranzystorów, które najczęściej wynosi 600 V. Ponadto przy napięciu powyżej 15–17 V trzeba zastosować stabilizator lub przetwornicę napięcia do zasilania sterowników i generatora.


Balancer testowałem tak samo jak indukcyjny: podłączyłem go do pakietu 4S z akumulatorów LiFePO4, przy czym płytka zabezpieczająca była odłączona.
Po podłączeniu nic się nie spaliło, a na płytce zaświeciła się dioda sygnalizująca pracę. Świeciła tak jasno, że spokojnie można by nią oświetlić pokój, a ponieważ była bardzo mała, dosłownie wypalała oczy.


Tak jak poprzednio, akumulator najpierw został całkowicie naładowany, a następnie rozładowany tak, by uzyskać duże rozbalansowanie. Tak jak poprzednio, pierwsze ogniwo rozładowywało się przez 38 minut prądem 5,5 A, trzecie przez 19 minut, a czwarte przez 57 minut. Po zakończeniu przygotowań poziom naładowania ogniw wyglądał następująco:
1. 35%
2. 100%
3. 70%
4. 5%


Ponieważ napięcie akumulatorów LiFePO4 nie zależy zbyt mocno od poziomu naładowania, różnica między całkowicie naładowanym ogniwem (2) a prawie całkowicie rozładowanym (4) wynosiła zaledwie 0,5 V.


Nie przeprowadzałem szczegółowego testu z krótkimi odstępami czasu, bo w zasadzie takie sprawdzenie było już w poprzednich recenzjach, ale od czasu do czasu mierzyłem, co się dzieje.
Wyniki po około 2, 3 i 7 godzinach od rozpoczęcia. Widać, że napięcie szybko zbliżyło się do wartości pośredniej. Największa zmiana dotyczyła oczywiście najbardziej rozładowanego akumulatora (4). Trudno jednak nazwać wzrost napięcia o 20 mV dużą zmianą.


W trakcie testu sprawdziłem temperaturę i okazało się, że najwyższa była nie w okolicy tranzystorów, lecz przy diodzie LED...
Temperatura niemal od razu po rozpoczęciu testu i po kilku godzinach.


Po sprawdzeniu okazało się, że grzeje się rezystor diody LED (schemat narysowałem później). Ma wartość 220 Ω, co przy napięciu około 10 V i wypełnieniu 50% daje średni prąd rzędu 22 mA i moc 0,22 W.

Oczywiście wymieniłem rezystor. Najpierw wstawiłem 1,5 kΩ, potem 3 kΩ, ale myślę, że można zwiększyć jego wartość nawet do 10 kΩ. Zamontowałem rezystor w rozmiarze 0805, który idealnie pasował w miejsce oryginalnego.


1. W tym miejscu praktycznie przestało się grzać, a najgorętszym układem okazał się NE555.
2. Co ciekawe, podczas wszystkich pomiarów — zarówno na samym początku, jak i pod koniec, po cyklu ładowania — najbardziej grzały się tranzystory obsługujące ujemną gałąź trzeciego i czwartego ogniwa.


Po około 15 godzinach zauważyłem, że napięcie na ogniwach spada. Spadało nawet na czwartym, najbardziej rozładowanym ogniwie.
Wyniki po 14, 26 i 36 godzinach od rozpoczęcia testu.


Tak jak poprzednio, po około 34–36 godzinach balansowania akumulator został naładowany do momentu, gdy napięcie na najbardziej naładowanym ogniwie (2) osiągnęło 3,65 V. Wtedy „wpompowało się” 1309 mAh, a tym razem 3932 mAh, co mówi o dwóch rzeczach:
1. Bardziej aktywnym balansowaniu
2. Większym poborze prądu przez samą płytkę, a także braku trybu „czuwania”.


Po doładowaniu odłączyłem balancer i zmierzyłem napięcia na ogniwach. Maksymalna różnica wyniosła 5 mV między drugim a czwartym ogniwem. Warto zauważyć, że na początku testu drugie ogniwo miało najwyższy poziom naładowania, a czwarte najniższy, natomiast teraz zamieniły się miejscami.


Jak już wspomniałem, nie trzymałem się żadnych dokładnych odstępów czasu, ale postanowiłem mimo wszystko naszkicować mały wykres. Poniżej dane z około 50 godzin: początkowe, sprzed podłączenia balancera, a bliżej końca widać cykl doładowania pośredniego.


Wielu pewnie zastanawia się, ile to wszystko pobiera. Pomiar przeprowadziłem już po wymianie rezystora diody LED, więc do wyników można dodać około 20 mA.
1, 2. Najpierw sprawdziłem to pośrednio: akumulator był podłączony do ładowarki, a także do płytki zabezpieczającej z pasywnym balanserem. Akumulator był całkowicie naładowany, ale prąd był mniejszy od ustawionego prądu odcięcia (50 mA), więc ładowanie trwałoby bez końca. Całość pobiera 160 mA, a po odłączeniu aktywnego balancera prąd spada do 90 mA, czyli jego pobór wynosi 70 mA.
3, 4. Podłączyłem płytkę do zasilacza bez akumulatora i okazało się, że pobór prądu mocno zależy od napięcia zasilania: przy 12 V wynosił 33 mA, a po zwiększeniu napięcia do 15 V wzrósł do 65 mA.

W opisie podano:

Jak jednak widać, w rzeczywistości jest zupełnie inaczej — prąd jest 4 razy większy. Nie wspominając już o tym, że podano tam również:


To właściwie wyjaśnia też, dlaczego późniejsze ładowanie trwało tak długo. Akumulator o pojemności 5700 mAh był naładowany mniej więcej w 50% (5+33+66+100%), czyli do około 2800–2900 mAh. W ciągu 36 godzin testu, przy poborze prądu wynoszącym, powiedzmy, 40 mA, zużył około 1500 mAh. Obliczenie jest oczywiście przybliżone, ale mimo to wyjaśnia, dlaczego po pewnym czasie napięcie na czwartym ogniwie zaczęło spadać, choć wcześniej rosło.


Cóż, wnioski są właściwie takie same jak w poprzednim teście, ale mimo wszystko dorzucę kilka słów od siebie.
Balancer działa, choć nieco gorzej niż testowany przeze mnie wcześniej model 6S. Różni się też jakością wykonania — przynajmniej ta płytka nie jest pokryta lakierem.
Zaskoczyła mnie logika projektantów, którzy postanowili zasilać diodę LED prądem 20–25 mA, mimo że płytka działa bez przerwy i jest zasilana z akumulatora.
Okazało się też, że balancer nie spełnia deklarowanych parametrów pod względem własnego poboru prądu.

Jeśli porównać go z balanserem pasywnym, również widać zalety i wady.
Testowany balancer wyrównuje napięcia szybciej i dokładniej, ponieważ działa bez przerwy.
Balancer indukcyjny ustępuje mu pod względem dokładności i szybkości, ale dzięki dedykowanemu kontrolerowi po zakończeniu balansowania przechodzi w „tryb uśpienia” i pobiera bardzo mało prądu. Jest też wyraźnie tańszy.

Wybór zależy również od rodzaju akumulatora. W przypadku „zwykłego” akumulatora litowo-jonowego można zastosować balancer indukcyjny — wiele się na tym nie straci. W przypadku LiFePO4 zdecydowanie lepszy będzie jednak balancer pojemnościowy. Wynika to ze specyfiki akumulatorów LiFePO4, a konkretnie z ich charakterystyki ładowania i rozładowania.

Uzupełnienie
W trakcie dyskusji okazało się, że sterowniki i tranzystory w praktyce mocno ograniczają maksymalne napięcie akumulatora. Prawdopodobnie to między innymi dlatego pobór prądu tak mocno zależy od napięcia zasilania. Na podstawie testów mogę powiedzieć, że tej płytki nie należy używać ze „zwykłymi” akumulatorami litowo-jonowymi — ewentualnie z LTO, a w ostateczności z LiFePO4, choć tylko dlatego, że testowałem ją już w takim trybie.
Rozwiązaniem może być zastosowanie stabilizatora obniżającego napięcie zasilające sterowniki i NE555 do bezpiecznego poziomu.