Moduł mocy do wielokanałowego testera akumulatorów

W związku z tym, że projekt „naprawa” powoli dobiega końca, zaczęło mi się stopniowo robić trochę czasu na kontynuowanie innych projektów. Zacząłem od wielokanałowego testera pakietów akumulatorów litowych, o którym opowiadałem już w zeszłym roku.
Prac będzie kilka, ale zacząłem od najtrudniejszego i najbardziej rozbudowanego elementu — modułu mocy.


Przypomnę, że kolega postawił zadanie: umożliwić ładowanie i rozładowywanie pakietów akumulatorów litowych do 19S. Oczywiście 20S byłoby okrągłą liczbą, ale parametr ten ogranicza maksymalne napięcie regulowanego zasilacza, więc musiałem na tym poprzestać.
19S to 4.2×19=79,8 V, źródło może dostarczyć maksymalnie 80 V (link), 0,2 V zostaje na spadki napięcia na przewodach itp.

Myślę, że wielu (jeśli nie wszyscy), którzy używają dużych pakietów akumulatorów, jeśli nie spotkało się z tym osobiście, to na pewno słyszało o czymś takim jak balansowanie.
Mówiąc o dużych akumulatorach, mam na myśli na przykład pakiety do hoverboardów. Fabrycznie na zewnątrz mają tylko dwa przewody, ale po otwarciu akumulatora widać złącze, do którego wyprowadzono wszystkie styki pakietu, czyli 11 styków. To złącze pozwala podłączyć się bezpośrednio do ogniw, z pominięciem kontrolera.


O ile do akumulatorów 6S można jeszcze znaleźć ładowarkę z balanserem, na przykład iMax, o tyle z 10S jest już znacznie trudniej, nie mówiąc o wariantach typu 15S i więcej, gdzie napięcie końcowe ładowania przekracza 60 V!
Na przykład taki akumulator, jak ten pokazany na zdjęciu poniżej, musiałem balansować ręcznie. Widać tam moje notatki z pracy.


Czym właściwie jest balansowanie?
Akumulatory same w sobie nie są idealne, a do tego w trakcie eksploatacji starzeją się w różnym tempie, przez co zaczynają się znacznie różnić zarówno pojemnością, jak i rezystancją wewnętrzną. Samo rozbalansowanie akumulatora nie jest niebezpieczne, o ile oczywiście jest wyposażony w układ zabezpieczający, ale traci się wtedy część pojemności: odłączenie przy górnym progu nastąpi po osiągnięciu go przez najbardziej naładowany akumulator, a przy dolnym — przez najbardziej rozładowany. Z moich testów podobnych akumulatorów wynika, że rozbalansowany pakiet może oddać na przykład 1 Ah z deklarowanych 4 Ah, a po zbalansowaniu — 2,5–3 Ah.

Balansowanie to proces wyrównywania napięcia na akumulatorach. Można na przykład naładować je wszystkie do pełna albo całkowicie rozładować, czyli doprowadzić do tego samego stanu.

Można to zrobić na kilka sposobów, a najprostszy jest pasywny.
Takie rozwiązanie stosuje się w zdecydowanej większości układów zabezpieczających, bo najłatwiej je zrealizować.
Gdy akumulator osiągnie napięcie progowe, zostaje obciążony rezystorem, który przejmuje część prądu ładowania. Podczas gdy ten akumulator „walczy”, pozostałe zdążą naładować się do maksimum.
Dalej kilka ilustracji z tego artykułu.

1. Jeden z akumulatorów jest naładowany bardziej niż pozostałe albo ma nieco mniejszą pojemność.
2. Podczas zwykłego ładowania jego napięcie będzie wyższe niż napięcie pozostałych.
3. Balanser przejmuje część prądu ładowania, nie pozwalając, by napięcie przekroczyło maksimum.
4. W rezultacie wszystkie akumulatory są naładowane równomiernie.


Taki balanser może być wbudowany w płytkę zabezpieczającą; tutaj zaznaczyłem go na czerwono.


Można je też kupić osobno, ale oba rozwiązania mają poważną wadę: prąd balansowania jest ograniczony do około 50–60 mA i przy większym rozbalansowaniu balanser sobie nie radzi.


Istnieją też aktywne balansery. Podobne robiłem do radiostacji.


Taki balanser przenosi energię z naładowanego akumulatora do rozładowanego. Prąd jest bardzo mały, ale ponieważ układ działa przez całą dobę, a nie tylko podczas ładowania, nawet w ten sposób pomaga.


Dla przykładu pokażę mój test aktywnego balansera, który w ciągu kilku dni wyrównał napięcia na akumulatorach.


Dla tych, którym taki tryb nie wystarcza, sprzedawane są mocne balansery, działające na tej samej zasadzie, ale z prądem balansowania wynoszącym około 1 A. Mam w domu taką płytkę i planuję napisać jej recenzję. Niestety, wadą jest cena.


Jest jeszcze jedna możliwość: ładować każdy akumulator osobno. Nie ma wtedy ograniczeń co do liczby akumulatorów. Można użyć małych płytek ładowarek. Nie są zbyt drogie, ale takie rozwiązanie ma swoje wady:
1. Zasilacz musi mieć tyle galwanicznie odseparowanych wyjść, ile kanałów ma być ładowanych
2. Prąd ładowania jest stały i nie można go szybko zmienić.


W tym urządzeniu zależało mi na szybkim balansowaniu, najlepiej z elastycznym trybem pracy i możliwością ustawiania różnego prądu ładowania.
Dlatego postanowiłem zrobić coś w rodzaju hybrydy: balansera i ładowarki. Chciałem uzyskać prąd ładowania do 1,5–2 A.

Za podstawę posłużyła zasada działania balansera pasywnego, w którym układ stara się ograniczyć napięcie na akumulatorze, bocznikując go przez rezystor o rezystancji 50–100 Ω. Układ z rezystorami mi jednak nie odpowiadał z kilku powodów:
1. Mała elastyczność
2. Trudno odprowadzić ciepło z rezystorów — przy prądzie 2 A i 19S to około 160 W!
3. Może to zabrzmieć dziwnie, ale również cena: mocne rezystory, które można zamontować na radiatorze, też nie kosztują groszy.

Dlatego postanowiłem zbudować równoległy stabilizator napięcia na bazie znanego układu TL431 i dodatkowego tranzystora.
Zalety:
1. Duża elastyczność: układ ogranicza napięcie tak samo przy 500 mA, jak i przy 2 A, a przy dodatkowym chłodzeniu można, jak sądzę, jeszcze zwiększyć prąd.
2. Tranzystory są fabrycznie przystosowane do montażu na radiatorze, więc mocowanie nie stanowi problemu.
3. Tranzystor kosztuje mniej niż mocny rezystor.
4. Mniejsza płytka.

Układ stabilizatora jest dość dobrze znany. Regulowana dioda Zenera mierzy napięcie na wejściu. Gdy napięcie przekroczy ustawiony poziom, dioda zaczyna otwierać tranzystor mocy, a dalej układ pracuje po prostu w trybie liniowym.
W gruncie rzeczy to po prostu odpowiednik mocnej i precyzyjnej diody Zenera — właśnie tego potrzebuję.


W praktyce otrzymuję wielokanałową ładowarkę, na której wejście trzeba podać napięcie większe niż 4,2 × liczba ogniw i ograniczyć prąd do wymaganego poziomu.
Dla przykładu narysowałem układ z 6 kanałami; diody Zenera oznaczają węzły, których schemat pokazałem wyżej.

1. Można podłączyć wszystkie sześć akumulatorów.
2. Można podłączyć tylko trzy, w konfiguracji 3S.
3. Można też podłączyć trzy akumulatory do dowolnych kanałów.

We wszystkich trzech wariantach akumulatory będą ładowane ustawionym prądem do napięcia 4,2 V.
Wadą takiego rozwiązania jest ciepło rozpraszane w nieużywanych kanałach lub w tych, do których akumulatory są już naładowane, ponieważ diody Zenera zaczną przejmować cały nadmiar energii.
4. Aby rozwiązać ten problem, dodatnie wyjście źródła prądowego będzie można podłączyć w dowolnym miejscu pakietu. Na przykład w przypadku akumulatora 3S można podłączyć je do dodatniego bieguna górnego akumulatora. Wtedy napięcie można ustawić niżej, ale ponieważ do zasilania potrzebne jest źródło prądowe, można po prostu zostawić je tak, jak jest. Formalnie można po prostu ustawić na wyjściu pełne 80 V i ograniczenie prądu, a potem tak używać — przy podłączaniu „pływającego” zacisku będzie tylko iskrzyć.


Dalej opiszę kolejne etapy montażu i problemy, na które natknąłem się po drodze.

Żeby uniknąć problemów zarówno z jakością, jak i powtarzalnością parametrów, zajrzałem do naszego charkowskiego Kosmodromu i kupiłem trochę drobiazgów:



20 szt. stabilizatorów TL431 — link
20 szt. tranzystorów BD438 — link
Wyszło około 10 UAH (0,4 USD) na kanał, czyli łącznie 8 USD.
Do tego kupiłem po dwa potencjometry montażowe.


TL431 firmy Texas Instruments, dokładność 1%.
Długo wybierałem tranzystory. Potrzebowałem PNP o przyzwoitym wzmocnieniu, wygodnym sposobie montażu i odpowiedniej mocy rozpraszanej. Warianty w obudowie TO-220 najczęściej nie nadawały się do tego zastosowania, więc ostatecznie kupiłem BD438 w obudowie SOT-32, znanej naszym radioamatorom z popularnych KT814-817.


Zmontowałem prowizoryczny układ do testów. Rezystory obliczyłem w programie dostępnym pod tym linkiem.


Właściwie od razu wyszło całkiem nieźle: bez żadnej regulacji uzyskałem 4,17 V przy prądzie 0,5–1 A (dwa górne zdjęcia).
Chciałem jednak uzyskać lepszy wynik, więc podłączyłem potencjometr montażowy i bez problemu ustawiłem 4,2 V. Co więcej, dwukrotne zwiększenie prądu (z 0,5 do 1,0 A) podnosi napięcie zaledwie o 1,6 mV!


Niestety ten wariant nie nadaje się do pracy jako główny balanser, ponieważ sam układ pobiera około 2–3 mA.


Nie udało się też dodać sygnalizacji. Po wstawieniu diody LED między stabilizator a bazę tranzystora napięcie progowe mocno wzrastało — układowi po prostu brakowało napięcia w obwodzie stabilizator–LED–złącze baza-emiter tranzystora.


Układ reaguje bardzo precyzyjnie. Na przykład, żeby przejść od niemal zerowego poboru prądu do 100 mA, wystarczy zwiększyć napięcie wejściowe o 10 mV. Dalsze zwiększanie napięcia podnosi prąd aż do wartości ustawionej na zasilaczu, który przechodzi wtedy w tryb CC.
Ogólnie jestem z tego zadowolony.


Ostatecznie powstał taki układ. Rezystory dzielnika są krytyczne zarówno pod względem wartości, jak i dokładności. Rezystor 6,19 Ω trafił się przypadkiem — w sklepie nie było nic bardziej odpowiedniego, a różnica w cenie między wersją 1% a 5% była groszowa.


Dalej standardowo: projektuję ścieżki na płytce, przenoszę wzór na laminat, trawię i cynuję.
Kiedy zajmowałem się płytką, kolega kupił pozostałe elementy: rezystory, przekaźnik termiczny itp.


Dobór rezystorów zajął sporo czasu. Chciałem dobrać ich wartości tak, żeby potencjometr montażowy miał możliwie małą rezystancję, a jednocześnie zapewniał niezbyt szeroki zakres regulacji.
Poza tym kupowałem precyzyjne rezystory 1%; kilka sztuk miało tolerancję 5%, ale ich rezystancja nie ma większego znaczenia. Rezystory 1 MΩ kupiłem na wypadek, gdyby potrzebna była precyzyjna regulacja.


Montujemy jeden kanał, podłączamy zasilanie i sprawdzamy, co wyszło. Kalibrowałem przy prądzie 1 A.
1. 0,5 A
2. 1,0 A
3. 1,5 A

Biorąc pod uwagę, że dopuszczalne napięcie wynosi maksymalnie 2,45 V, wynik jest całkiem niezły.


Wcześniej było widać, że kupiłem też rezystory 4,99 kΩ. Chciałem obejść się bez potencjometru montażowego: w takim przypadku rezystor 4,99 kΩ zastępuje 5,1 kΩ, a wyprowadzenia potencjometru montażowego zwiera się ze sobą. Poniżej pokazuję to na przykładzie drugiego kanału.


Tak też działa całkiem dobrze. Przy prądzie 0,5 A uzyskałem dokładnie 4,2 V. Poniżej wyniki dla prądu 1 i 1,5 A.


Zależność prądu od napięcia jest wręcz doskonała: po lewej prąd w obwodzie jest niemal zerowy, po prawej wynosi już około 40–50 mA, a różnica napięcia to zaledwie 6 mV.

Po namyśle zrezygnowałem jednak z tego wariantu, bo chciałem zachować możliwość regulacji.



Ponieważ moc wydzielana w tym stopniu przy prądzie ładowania 2 A może sięgać 85 W, oczywiście potrzebne jest porządne chłodzenie. W tym celu kupiłem w tym samym Kosmodromie duży radiator i osłonę ochronną. Wentylator znalazłem w domu.


Radiator ma sześć żeber, a same żebra są drobno ponacinane, żeby poprawić odprowadzanie ciepła.


Radiator o długości 300 mm waży prawie kilogram. To jeden z tych przypadków, kiedy bardziej opłaca się kupić takie rzeczy u nas niż w Chinach. Mój radiator kosztował 8.5 dolara.


1. Długość jest nieco mniejsza niż deklarowane 300 mm
2. Wysokość to prawie 35 mm
3, 4. Grubość korpusu wynosi 7 mm pośrodku i 4.5 mm bliżej krawędzi.
Powierzchnia radiatora jest równa i płaska, bez wgłębień.


Szerokość wynosi około 83 mm. Specjalnie zrobiłem osobne zdjęcie, żeby było widać odstęp między żebrami.


Dalej, jak to mówią: „Tnij, Szura, tnij”. Długo i mozolnie, zwykłą piłką do metalu. Niestety w sklepie pasował tylko taki wariant. Był jeszcze 100 mm, ale dla mnie za krótki, a 150 mm nie było.


Zamieniamy piłkę na wkrętarkę, wiertła i gwintowniki i dalej produkujemy aluminiowe wióry.
W sumie zrobiłem około 60 otworów, większość z gwintem:
20 pod tranzystory balansera
6 — do mocowania płytki balansera
4 — tranzystory obciążenia
4 — do mocowania płytki obciążenia
8 — wentylator i kratka
8 — połączenie radiatorów ze sobą
4 — wyłącznik termiczny
8 — przewody do wyłącznika termicznego (4 okazały się zbędne)

Zostały jeszcze 4 otwory do mocowania samego radiatora, ale zrobię je już na miejscu montażu.

Konstrukcja jest prosta i zrozumiała. Sprawdziła się już w moim poprzednim obciążeniu, ale tam radiator był gorszy i półtora raza krótszy.
Przy okazji przymierzyłem płytkę obciążenia elektronicznego i wentylator. Odstęp między radiatorami wynosi 5 mm, a wentylator 80 mm mocuje się w otworach w podstawie radiatora.


Do obciążenia kupiłem tranzystory IRF640 — link, a także wyłączniki termiczne na 55 stopni, normalnie otwarte.


Zwykle jestem zwolennikiem izolowania radiatora od obudowy, a nie tranzystorów od radiatora, ale w tym przypadku nie dało się tego zrobić. Cięcie radiatora na 20 części i izolowanie ich na pewno nie wchodziło w grę.
W końcu wziąłem pasek miki, rozwarstwiłem go, żeby był cienki, nałożyłem pastę i wstępnie przykręciłem tranzystory do jednej płytki.


Na wszelki wypadek sprawdzamy, czy tranzystory nie mają kontaktu z radiatorem.


Założyłem płytkę na wyprowadzenia tranzystorów. To najtrudniejszy moment i nie wymyśliłem, jak zrobić to zgrabniej, niestety...


Potem ustawiłem odstęp 5 mm między płytką a radiatorem, przylutowałem po jednym wyprowadzeniu każdego tranzystora i ostrożnie zdjąłem płytkę razem z nimi. Następnie przylutowałem pozostałe wyprowadzenia.


Kiedy przykręcałem i odkręcałem, a w międzyczasie wierciłem otwory pod mocowanie, zrozumiałem, że robię to nie tak. Wygodniej najpierw przykręcić tranzystory bez miki i pasty, potem je przylutować, wywiercić otwory do mocowania płytki i dopiero wtedy założyć mikę i nałożyć pastę. Dlatego z drugą płytką postąpiłem właśnie tak.


Pierwsze uruchomienie: nic się nie zadymiło ani nie zrobiło zwarcia. Przy napięciu na wyjściu zasilacza wynoszącym prawie 42 V uzyskałem prąd 140 mA.


Podnosimy napięcie, zasilacz przechodzi w tryb CC. Napięcie na 10 kanałach wynosi 42.057 V, czyli 4.2057 V na kanał.
Potem próbowałem skalibrować układ, ale jako punkt odniesienia przyjąłem dolny styk płytki (masę), a następnie regulowałem kanały tak, żeby uzyskać 4.2, 8.4, 12.6, 16.8 itd. Po kalibracji wyszło 42.015 V. Napięcie całkowite tak naprawdę niewiele miało wspólnego z rzeczywistym stanem rzeczy: na jednych kanałach je podnosiłem, na innych obniżałem. widać „średnią temperaturę w szpitalu”.


Przy okazji wyszedł problem: nie dało się skalibrować jednego kanału, najniższa możliwa nastawa wynosiła 4,2086 V.
Spróbowałem wymienić oba rezystory dzielnika, ale bez skutku. Ostatecznie przylutowałem równolegle do górnego rezystora jeszcze jeden, o wartości 1 MΩ, o którym wspominałem wcześniej.


Z drugim kanałem wszystko poszło świetnie. Po lewej napięcie przed kalibracją, po prawej po niej. Ostatecznie wszystkie kalibracje wykonywałem osobno dla każdego kanału, a nie względem przewodu ujemnego, jak za pierwszym razem.


Podczas kalibracji radiator zdążył się porządnie nagrzać, a wentylator był wyłączony.


Ale i tutaj nie obyło się bez „niuansów”. Już podczas kalibracji zauważyłem, że napięcie na jednym kanale jest zawyżone, ale bez problemu udało mi się przywrócić je do normy. Później okazało się, że jeden z potencjometrów montażowych ma wartość 500 Ω, a nie 100 Ω jak pozostałe.


Ponieważ planuję odprowadzać do radiatora ciepło nie tylko z balanserów, ale też z obciążenia, postanowiłem nieco je zmodyfikować.
O obciążeniu pisałem wcześniej w innej recenzji.


Wprowadzone zmiany:
1. Boczniki 0,22 Ω zastąpiłem bocznikami 0,5 Ω (1+1 równolegle).
2. Kondensatory kompensacyjne o pojemności 1 nF zastąpiłem kondensatorami 22 nF. Przy kondensatorach o małej pojemności w określonych warunkach i z niektórymi zasilaczami pojawiają się pasożytnicze oscylacje, objawiające się zwiększonymi tętnieniami. Można zastosować kondensatory o pojemności rzędu 22–100 nF.
3. W szereg z zasilaniem wentylatora włączyłem rezystor 120 Ω (240+240 równolegle), żeby wentylator cały czas obracał się na niskich obrotach. Chodzi o to, że nawet gdy radiator jest zimny, wewnątrz obudowy coś się nagrzewa i to ciepło trzeba z niej wyciągać.
Myślałem o podłączeniu równolegle do rezystorów kondensatora, który ułatwiłby rozruch wentylatora, ale na razie zmieniłem zdanie, bo zwiększa to obciążenie wyłączników termicznych. Trzeba by dodać jeszcze rezystory o wartości rzędu 1–2 Ω.

Po lewej przed modyfikacją, po prawej — po niej.



Oto gotowy moduł. Taki sposób odprowadzania ciepła wybrałem dlatego, że jednocześnie pracuje tylko jedno urządzenie: obciążenie albo balanser. W obu przypadkach odprowadzana moc jest mniej więcej taka sama i wynosi 150–170 W.


Przekaźniki termiczne są połączone równolegle. Zastosowałem dwa wyłącznie ze względu na balansery, ponieważ w przeciwieństwie do obciążenia mogą nagrzewać się niezależnie od siebie.
Tranzystory obciążenia są zamontowane pod kątem z powodu mojego błędu przy wyznaczaniu miejsca wiercenia otworu na przewody do przekaźnika termicznego.


Widok z góry.
Przy okazji, potencjometr wieloobrotowy też trzeba będzie wymienić, bo nie jest potrzebna tak duża dokładność nastawy. W zasadzie wystarczyłaby regulacja skokowa co 0,5 A.


Kilka testów.
Najpierw podłączamy obciążenie. Zmiana wartości boczników okazała się bardzo trafiona: przy najpopularniejszych akumulatorach 10S moc rozpraszana wynosi około 150 W. Czyli nawet przez przypadek nie da się spalić obciążenia.


Z temperaturą nie jest jednak tak dobrze. Po pewnym czasie temperatura niektórych tranzystorów przekracza 100 stopni, co przy pracy w trybie liniowym jest bardzo niekorzystne.
Co ciekawe, na termogramie płytki obciążenia boczniki po prawej stronie mają niższą temperaturę niż pozostałe, mimo że napięcie na nich jest takie samo.


Po dalszym nagrzewaniu i dokładniejszym przyjrzeniu się okazało się jednak, że rzeczywista temperatura jest bliższa 115–125 stopniom.
Na razie winę przypisuję małej obudowie TO-220, która przez przekładkę mikową nie nadąża z odprowadzaniem całego ciepła. Poza tym moje obciążenie ma dwa wentylatory, z których jeden ma dużą wydajność. Tutaj zastosowano zwykły wentylator komputerowy do obudowy.
Na razie widzę dwa możliwe rozwiązania problemu:
1. Wymienić tranzystory na modele w obudowie TO-247, na przykład IRFP460
2. Zastosować wydajniejszy wentylator.

Są jeszcze inne sposoby rozwiązania problemu, ale ich nie rozważam ze względu na złożoność lub małą skuteczność.



Teraz podłączmy jedną połówkę balansera. Do testu ustawiłem prąd 2 A — maksymalny, jaki planuję wykorzystywać. W praktyce prąd będzie raczej w zakresie 0,5–1,5 A. Moduł rozprasza prawie 85 W.


Tutaj jest już znacznie lepiej: w chwili załączenia termostatu temperatura tranzystorów wynosi 72 stopnie, potem rośnie do 77 i dalej prawie się nie zmienia. A ponieważ w tym przypadku są to tranzystory bipolarne, jest to dla nich całkowicie normalna temperatura pracy, i to z zapasem.


A więc najtrudniejszy moduł jest prawie gotowy. Zostały drobne niedociągnięcia, ale wnioski już wyciągnąłem i wkrótce problem zostanie rozwiązany. Postaram się wkrótce zdać z tego relację.
Na razie najtrudniejsza jest kwestia nagrzewania. Poza tym wszystko działa po prostu świetnie. Szczególnie spodobała mi się praca balansera, czyli ładowarki wielokanałowej — jak kto woli.

Jak zwykle, chętnie odpowiem na pytania i przyjmę sugestie.