Плата захисту 4S 40А для LiFePo4 і приклад її використання в ДБЖ

Нещодавно я викладав огляд LiFePo4 акумуляторів типорозміру 32700, але, як ви розумієте, експлуатувати акумулятори без плати захисту не можна, тож я її теж замовив. А раз вона вже потрапила мені до рук, накидав невеликий огляд — раптом комусь стане в пригоді.


Спочатку про ціну: продавець указує $3.86 плюс $0.88 за доставку, і загалом мене це влаштувало. Думав замовити кілька плат, але коли спробував замовити дві, вартість доставки зросла до $3.79. Звісно, можна зробити кілька замовлень, але я подумав і вирішив спочатку спробувати, бо вже мав випадок, коли замість плати для LiFePo4 надіслали звичайну. Може, навіть накидаю огляд.

Загалом плутанина між платами LiFePo4 і LiIon трапляється досить часто, тому треба бути особливо уважним і дивитися фото у відгуках, адже плати не взаємозамінні, і переробити їх не вийде.


Зрештою, через деякий час я отримав невеликий конверт із моєю платкою.


На сторінці товару є скриншот із даташита, де вказано, що плата витримує тривалий струм 40А, короткочасний — 80А, а затримка спрацьовування захисту становить 150мс.


Плата продається у двох варіантах — із балансиром і без нього. Для роботи в циклічному режимі (той самий електроінструмент) краще брати версію з балансиром. Для моєї мети (заміни свинцево-кислотних акумуляторів в ДБЖ) підійшла б і звичайна версія, але оскільки балансир мені ніяк не заважав, вирішив, що нехай буде.


Плата не має центрального контролера захисту, тобто, по суті, є потужнішим багатоканальним аналогом звичайних плат на базі DW01. Хтось скаже, що це погано. Можливо, але особисто мені більше подобаються саме такі, бо з ними зазвичай немає проблем із відновленням після аварійного вимкнення, коли для відновлення доводиться підключати батарею до зарядного пристрою.

На платі також установлено 10 транзисторів AOD472, опір яких у відкритому стані становить 6-9.5мОм, відповідно, розрахунковий опір силового вузла — 2.4-3.8мОм за максимального струму до 275А.
На платі немає струмовимірювального шунта, його роль виконують силові транзистори, як і в DW01. Загалом тут немає нічого незвичного, але якщо ви захочете зменшити (або збільшити) струм спрацьовування, треба відповідно прибрати (або встановити) частину транзисторів.


Власне, вузол захисту та балансування.


Знизу лише маркування, але вже помітно, що доріжки не тільки широкі, а й продубльовані переходами між сторонами плати. Це також покращує відведення тепла.


Загалом плата від початку призначена саме для електроінструментів. На сторінці продавця є навіть досить непоганий опис, хай і перекладений Google Перекладачем.


Для тесту я взяв чотири акумулятори, вибирав за найменшим опором. Ємність не вимірював, просто зарядив усі однаково.


Ширина плати якраз відповідає ширині двох акумуляторів 32700. Її можна використовувати як у збірках, де акумулятори розташовані вздовж, так і в тих, де вони стоять упоперек, якщо можна так висловитися.


Схема підключення гранично проста: звичайна збірка з чотирьох послідовно з'єднаних акумуляторів. Продавець показав збірку 4S2P, а я для тесту вирішив поки обмежитися варіантом 4S1P.


Спочатку за допомогою спіненого двостороннього скотчу склеїв акумулятори між собою, а потім зафіксував усе це звичайним скотчем.


Пелюстки загнув так, щоб нахлест припадав на мінусовий контакт. У такому разі, навіть якщо під час паяння перегріти його й проплавити термоусадку, нічого небезпечного не станеться.


Далі все зовсім просто: приклеїв шматочок картону на двосторонній скотч, а потім на той самий скотч приклеїв плату з припаяними силовими проводами. Проводи краще припаяти заздалегідь, щоб не нагрівати плату, уже встановлену на акумулятори.
Після цього припаяв балансувальні проводи, і на цьому складання батареї можна вважати майже завершеним. Бракує лише загальної термоусадки, але я її використовувати не буду, бо це просто тест.


Плата одразу перейшла в робочий режим, примусово «підштовхувати» її підключенням до зарядного пристрою не довелося. Для перших тестів використовувалося електронне навантаження EBC-A10H: струм до 10А, потужність до 150Вт — саме те, що потрібно для цієї збірки.


Попереднє заряджання і тут одразу виявило «нюанс»: за замовчуванням у навантаженні заряджання в режимі LiFePo4 налаштоване на зниження струму до 50мА, а оскільки тут струм балансування становить 100мА, у такому режимі вона заряджатиме вічно. Тому для коректнішого вимкнення треба встановити струм 100мА + струм завершення заряджання.


Приблизно через 20 хвилин температура резисторів становила близько 80 градусів. Як на мене, це забагато; думаю, не завадив би додатковий шар картону між платою й акумулятором.


Для правильнішого балансування варто було б витримати деякий час, але чекати мені не хотілося, тож я перейшов до тесту вимірювання ємності.
Під час розряджання струмом 10А я отримав 5685мА·год, або 68Вт·год, з яких 65Вт·год припали на діапазон 10-14В. Розряджання вимкнула плата захисту, а не навантаження.


Сумарне падіння напруги на платі захисту становило близько 50мВ за струму 10А. При цьому напруга має тенденцію до зростання: приблизно за 3 хвилини розряджання вона піднялася на 10мВ.


Під час тестів я контролював напругу на акумуляторах. Після вимкнення розряджання найвища напруга була на третьому елементі, найнижча — на четвертому, тож для коректнішого вимірювання напруги вимкнення перевірятиму саме його.


Було запущено розряджання струмом 5А з контролем напруги. Тестер показав, що плата вимкнулася за напруги 2.09В, що практично відповідає параметрам в описі.


Після цього акумулятор повністю зарядили, щоб перевірити напругу вимкнення через перезаряджання.


Спочатку найвища напруга була на четвертому акумуляторі, але потім я помітив, що спершу вона піднялася приблизно до 3.71В, а тоді почала знижуватися й за короткий час упала до 3.70В. Тобто тут можна спостерігати процес балансування: від перевищення напруги цей канал утримує балансир, а тим часом решта акумуляторів заряджаються малим струмом.


Але насправді, щоб напруга на акумуляторах вирівнялася, треба встановити не надто великий струм заряджання й витримати збірку за кінцевої напруги деякий час. Крім того, у незбалансованій батареї це може спричинити спрацювання захисту.
У моєму випадку струм заряджання становив 4А, тому до «фінішу» збірка все одно дійшла незбалансованою; напруги на акумуляторах 1-2-3-4.


1. На момент, коли я вимкнув заряджання, тобто коли струм заряджання впав до 110мА й фактично вся енергія розсіювалася на балансирах, на першому акумуляторі було 3.73В.
2. Після цього я спровокував спрацювання захисту, встановивши кінцеву напругу заряджання на рівні 15В замість потрібних 14.6. Плата вимкнулася за напруги 3.76В замість заявлених 3.75 — це вкладається в заявлені характеристики.


Наступним етапом була спроба визначити струм спрацювання захисту від перевантаження. Для цього я під’єднав збірку до навантаження з максимальним струмом 30А.
Перші секунд 20 усе йшло нормально, але потім я почув тихе клацання, і навантаження вимкнулося через падіння напруги нижче встановленого обмеження.


Виявилося, що паяння спрацювало як термозапобіжник. Припій розплавився, і один пелюсток відійшов завдяки своїм пружним властивостям.


Гаразд, перепаяв, заодно додавши припою, і запустив тест ще раз. Тепер збірка нормально віддавала 30А, щоправда, пелюстки відчутно нагрівалися.
Але я вирішив, що 30А якось замало, і під’єднав друге навантаження, встановив на ньому струм 10А, а потім запустив перше зі струмом 30А — разом вийшло близько 40А. Після цього почав збільшувати струм на другому навантаженні (перше вже працювало на максимумі).
За зовсім короткий час перше навантаження знову вимкнулося, бо напруга впала нижче встановленого мінімуму, а з одного з пелюстків пішов дим. Тест довелося зупинити; на момент вимкнення сумарний струм становив близько 50-55А.


1. Після аварійного вимкнення й огляду з’ясувалося, що пелюстки нагрілися настільки, що з’явилися кольори мінливості, тобто в місці нагрівання метал потемнів.
2. Трохи ближче. Чітко видно місце, де нагрівання було найбільшим.
3. Цікаво, що з іншого боку збірки такого немає, тобто перегрілися два з трьох з’єднань.
4. Нагрів був настільки сильним, що розплавився і спеціальний скотч, і частина термоусадки акумулятора.


І ось тут я трохи занепокоївся, адже такий нагрів точно ненормальний. Тож вирішив перевірити опір з’єднань і отримав цікаві дані:
1, 2, 3. Опір стиків 1-2, 2-3, 3-4. Видно, що в стику 2-3 опір менший, а вище я якраз писав, що він і нагрівався менше за два інші, тож це явно не випадковість.
4. Загальний опір батареї без урахування плати захисту. Самі акумулятори мають близько 7мОм, а ще приблизно 12 додали з’єднання між комірками.
5. Опір плати захисту без урахування підвідних проводів, тобто силові транзистори + доріжки на платі. Під час тесту зі струмом 10А я отримав приблизно таке значення (51мВ 10А = 5.1мОм).
6. Загальний опір батареї з урахуванням самих комірок, з’єднань, проводів і плати захисту.


Цікаво, що на сторінці товару навіть була табличка з порадами, що робити, якщо щось не працює. Зберіг про всяк випадок.


Пізніше я залишив збірку приблизно на годину зі струмом 100мА й отримав такі результати: ліворуч результати, отримані раніше, праворуч — після години «витримки»
3.709 - 3.682
3.614 - 3.636
3.595 - 3.654
3.678 - 3.639

Думаю, помітно, що напруга потроху вирівнюється.

Ну а тепер можна перейти до наочнішого експерименту. Для цього беремо старенький ДБЖ.


Узагалі в мене їх два, і цілком можливо, ви впізнали ці доволі популярні ДБЖ. В обох уже досить давно вийшли з ладу акумулятори, причому в одного навіть тріснув корпус.


Якщо вам здалося, що на фото дві однакові моделі, то ви помиляєтеся: ліворуч — на 400ВА, праворуч — на 600ВА.


Фактично вони відрізняються лише ємністю акумулятора: у моделі на 400ВА він був 4Ач, а в моделі на 600ВА — відповідно 7Ач. Так, є ще невеликі відмінності в платах, але загалом вони нічим особливо не відрізняються, а трансформатори мають однакові габарити. Менш потужна модель потрапила до мене випадково — хтось подарував. Коли я відкрив її та порівняв, то зрозумів, що цілком можна встановити й акумулятор на 7Ач. Практика показала, що він там чудово працює.


Від’єднуємо штатний акумулятор і підключаємо замість нього збірку LiFePo4. Натискаємо чарівну кнопку, і після звукового сигналу та клацання реле ДБЖ переходить на живлення від батареї.


Для перевірки підключаю до нього лампу на 150Вт, хоча насправді вона, здається, на 125Вт, але для експерименту це вже не так важливо. Важливо, що все працює, хоча може виникнути проблема: якщо акумулятор розрядиться настільки, що спрацює захист від надмірного розряджання на платі захисту, а не самого ДБЖ, то у випадку з «розумною» платою, можливо, доведеться розбирати ДБЖ, бо він цілком може не ввімкнутися. «Дурна» плата, найімовірніше, відновить живлення й чекатиме появи зарядного струму, але все залежить від ДБЖ, тож треба перевіряти кожен окремо.

У такому режимі трохи поганяв його, бо лампа відчутно нагрівається. Крім того, помітно нагрівалися й перемички на батареї, адже струм був близько 15А.


Підключаємо ДБЖ до мережі й, відповідно, запускаємо процес заряджання. Початкова напруга була близько 13.27В, через деякий час вона піднялася до 13.63 і далі не змінювалася. На самому початку зарядний струм становив приблизно 250-300мА, але думаю, це через те, що напруга на батареї була близькою до напруги завершення заряджання.


Виходить, що в цій моделі ДБЖ напруга завершення заряджання в перерахунку на одну комірку становить 3.40В — замало, але погляньмо на графік, де я порівнював ємність за різної напруги завершення заряджання. Там був і такий тест.
З графіка видно, що під час розряджання я отримаю близько 5700мАч. Єдиний мінус — заряджання буде дуже довгим, частково ще й через те, що в ДБЖ акумулятор підключений не за чотирипровідною схемою.


Висновки.
Загалом до плати зауважень у мене немає, єдине — не зміг перевірити струм спрацьовування захисту, шкода. В іншому все працює, причому виміряні значення відповідають зазначеним в описі.

А от до акумуляторів, точніше до їхніх пелюсток, зауваження є. Так, насправді моя збірка не розрахована на такі струми, і як слід було б застосувати хоча б варіант 4S2P, а ще краще — 4S3P, але я якось навіть не очікував, що пелюстки мають такий високий опір. Фактично за опору самого акумулятора 7 мОм опір пелюсток 4–4,5 мОм здається просто величезним, і це однозначно треба виправляти — або заміною пелюсток, або їх дублюванням і припаюванням дроту.

Але експерименти тривають, і наразі в мене чекають на відправлення ще 10 таких акумуляторів, тільки від Літокали. Крім того, вдома лежить маленька платка 2S LiFePo4. Хочу заодно протестувати й її.

На цьому в мене все, сподіваюся, було корисно :)