Активний балансир для літієвих акумуляторів: що це таке і навіщо він потрібен

Мене часто запитують про різні акумуляторні батареї, причому питання стосуються як захисту, так і балансування батареї. І ось для перероблення ДБЖ мені знадобилися батарея, плата захисту й балансир, але батарея ще в дорозі, плату захисту без батареї перевіряти немає сенсу, а про балансир я сьогодні розповім.

Насправді йтиметься навіть про два балансири, причому один із них представлений аж у двох екземплярах.
Маленькі замовив для LiFePO4-батарей: один для потужного ДБЖ, інший — для невеликого. Обидві плати купив в одного й того самого продавця у два заходи, але в нього є два різні лоти:
1. $3.59 + $1.31 за доставку, купив із купоном на 11.11
2. $3.50 + $4.73 за доставку. Цей лот здається надто дорогим через доставку, але в продавця вартість доставки різних товарів не підсумовується, а оскільки замовляв плату захисту, то заодно взяв і балансир.

Другу плату купив на таобао десь півтора року тому, але все не знаходив часу її протестувати, тож вирішив об’єднати огляди двох плат в одному матеріалі.


Як додаткову інформацію розповім про те, про що запитують найчастіше: що таке балансир, які вони бувають і чим відрізняються.
Думаю, немає сенсу писати, навіщо він потрібен, це зрозуміло з назви, та й я вже якось про це розповідав.

Пасивна схема балансування

Отже, технічно найпростіший балансир — пасивний. Його завдання — обмежувати напругу на тих елементах, які заряджені більше за інші. Працює він лише під час заряджання, пропускаючи частину струму (або весь струм) через себе й даючи змогу зарядитися решті комірок.
Зрозуміло, що такий балансир може працювати лише під час заряджання, а точніше — наприкінці заряджання.


Зрозуміло, що обмежувати напругу стабілітронами проблематично, оскільки є свої технічні труднощі: щонайменше невеликий вибір напруг і розкид характеристик.
Стабілітрон можна замінити регульованим, на базі TL431, але він малопотужний, тож доведеться підсилити його транзистором.


Така схема забезпечує дуже високу точність балансування й може зробити це за один цикл заряджання, але має щонайменше дві проблеми:
1. Оскільки струм у колі ніколи не зникне, а лише проходитиме або через батарею, або через балансир, зарядний пристрій може вимкнутися тільки за таймером.
2. А оскільки весь струм потім проходить через балансир, наприкінці заряджання виділяється величезна кількість тепла. Для великих акумуляторних збірок це змушує застосовувати потужні системи охолодження. Зрозуміло, що про вбудовування такого балансира в корпус батареї взагалі не йдеться.

Приклад балансира з паралельними стабілізаторами, розрахованого на струм до 2А та збірки до 20S. У режимі максимальної потужності тепловиділення сягає 170Вт.


Але ж хочеться вбудувати балансир у саму батарею, а отже, треба зменшити тепловиділення. Для цього встановлюють резистори.
Коли досягається напруга завершення заряджання, схема керування починає шунтувати акумулятор через резистор, пропускаючи частину струму через себе. У цьому випадку це резистор R1.


Такі балансири часто розміщують безпосередньо на платах захисту. Знайти їх дуже легко: зазвичай це кілька великих низькоомних резисторів, розташованих поруч, причому кількість резисторів відповідає кількості акумуляторів, які можна під’єднати до плати.


Фото плати захисту 5S: видно резистори по 150Ом, з’єднані попарно, тобто кожен балансир може навантажувати струмом приблизно 50-55мА.


Крім того, продаються окремі плати, розраховані на різну кількість каналів, зазвичай це 4 або 8. Якщо у вас збірка з 5-7 елементів, використовують плату на 8 каналів, а зайві канали просто не задіюють. У мене «про запас» якраз лежить кілька таких плат.


Але навіть це не дуже допомагає: наприкінці заряджання резистори можуть нагріватися приблизно до 80 градусів, а якщо встановити їх у корпус батареї, температура може бути ще вищою. А поруч — літієві акумулятори...

Загалом, переваги — простота й дешевизна, а недоліки — малий струм балансування. Відповідно, якщо розбаланс дуже великий, зарядний пристрій усе одно «перетягне ковдру на себе». Щоб цього не сталося, треба заряджати малими струмами. Крім того, слід пам’ятати, що балансир відбирає частину струму на себе, і якщо зарядний пристрій має відсічення за падінням струму, це треба враховувати.
Наприклад, струм заряджання — 1А, відсічення при падінні до 50мА, а струм балансира — 60мА. У такому разі зарядний пристрій ніколи не вимкнеться. Тоді встановлюємо відсічення за струмом на рівні 50+60мА=110мА, і зарядний пристрій вимкнеться, коли струм через акумулятори впаде нижче 50мА.




Активні балансири

Щоб обійти зазначені вище проблеми, придумали використовувати схему перенесення енергії від однієї комірки до іншої. Відносно простим є конденсаторний балансир, принцип гранично простий: спочатку заряджаємо конденсатор від акумулятора з більшою напругою, а потім перемикаємо його на акумулятор із меншою напругою.
У результаті заряджений акумулятор поступово віддає частину заряду менш зарядженому, фактично таким чином елементи «віртуально» з’єднуються паралельно.

Зрештою завдання схеми — зрівняти потенціали на клемах комірок. І тут я відповім ще на одне поширене запитання, а точніше — на два:
1. Такий балансир може перезарядити батарею? — Ні, він зрівнює потенціали, так само як при паралельному з’єднанні комірок. Грубо кажучи, якщо є два елементи з напругою 3.5 і 3.7 вольта, після балансування буде 3.6 і 3.6.
2. Для різних акумуляторів потрібні різні балансири? Ні, оскільки він просто зрівнює напругу, йому байдуже, яка вона, головне, щоб сам контролер міг працювати. Тому зазвичай ці балансири універсальні — як для LTO, LiFePO4, так і для «звичайних» Li-Ion.


У попередній схемі акумулятори можна просто з’єднати паралельно, але якщо потрібно балансувати послідовно з’єднані комірки, схему просто доповнюють ще одним перемикачем, а сама суть залишається незмінною.


Кілька років тому я публікував огляд, у якому робив плату заряджання батареї 2S і розміщував на тій самій платі активний балансир на базі чипа 7660.


По суті, ця мікросхема не є балансиром, це просто формувач від’ємної напруги, але в цьому випадку її можна використати й у такому, дещо нестандартному застосуванні.


Балансир малопотужний, працює повільно, але має перевагу: працює постійно, цілодобово, місяцями.
Певною мірою це є недоліком, оскільки схема постійно споживає енергію, хоч і небагато. У моєму випадку це було некритично, адже акумулятори мали індивідуальний захист і перерозряд їм не загрожував.

Зрештою таблиця балансування за дві доби мала такий вигляд.


Закономірне запитання: а як виконувати балансування, якщо елементів більше двох? Так само, просто в цьому випадку встановлюють більше балансирів, причому їхня кількість завжди на один менша за кількість комірок.

Перший балансир зрівнює напругу на комірках 1 і 2
Другий — на 2 і 3
Третій — на 3 і 4
Четвертий — на 4 і 5.

Як можна зрозуміти зі схем, зрештою, хоч би як розподілялася напруга між комірками, балансири все одно приведуть її до якогось середнього значення. Найбільше труднощів буде, якщо максимальна різниця — між елементами 1 і 5, але навіть у цьому випадку напруга зрівняється.


Сучасні конденсаторні балансири, звісно, набагато крутіші: спеціальні контролери, що переводять схему в режим сну, полімерні конденсатори, струм балансування до 5А. Але й ціни вражають: балансир 8S запросто може коштувати близько 25 доларів, а про ціну монстра, показаного нижче, я навіть боюся думати.

З переваг — постійна робота та великий струм балансування, але є й недолік — ціна.


Другий різновид активного балансира — індуктивний. По суті, те саме, що й ємнісний, але передавання енергії реалізовано трохи інакше: як проміжний накопичувач використовуються індуктивності.

Переваги майже ті самі, що й у ємнісного, але струм зазвичай менший — близько 1-1.5А, зате ціна помітно нижча.


І, звісно, виникає запитання: то що ж усе-таки краще? На мій погляд, природно, активний.
Річ у тім, що при використанні активного балансира ви фактично отримуєте загальну ємність батареї без урахування різниці між елементами, а при пасивному навіть після балансування матимете лише ємність найслабшого елемента. Щоправда, є застереження: результат безпосередньо залежить від потужності балансира та струму розряджання.

Спрощено візьмемо збірку з трьох елементів ємністю 1, 2 і 3А·год, з’єднаних послідовно.
У разі пасивного балансування ви отримаєте 1А·год, оскільки навіть після зрівнювання під час розряджання комірка на 1А·год розрядиться першою, і плата захисту вимкне навантаження.
При активному балансуванні заряд постійно забиратиметься у більш зарядженого елемента й передаватиметься найслабшому, тож теоретично можна отримати усереднену ємність — у цьому прикладі 2А·год, але ККД балансира, звісно, зменшить цей результат.

Як це виглядає на практиці? Працюєте інструментом, потім робите паузу, а поки батарея «відпочиває», балансир перекачує енергію в найслабший елемент — і можна працювати далі.
Є й недоліки: за великого споживання (наприклад, в ДБЖ) допомога буде незначною. Крім того, батарея в такому режимі зношується більше, оскільки фактично відбуваються цикли заряджання/розряджання. Але тут уже вам вирішувати, чим простіше пожертвувати.


Альтернативні схеми балансування
1. Варіант із вимкненням заряджених комірок і виведенням їх зі схеми зустрічався в описах, але, мабуть, складність реалізації та невеликий сенс звели цю ідею нанівець, тим паче через комутаційні кола проходить і робочий струм.
2. Заряджання кожної комірки окремим зарядним пристроєм — по суті, результат такий самий, як під час роботи з транзисторним пасивним балансиром: хороший ККД, але ті самі недоліки — менша ємність і потреба в багатоканальному блоці живлення. Як приклад — зарядний пристрій ImaxRC B3 PRO.
3. Балансування за допомогою DC-DC з гальванічною розв’язкою — аналог активного балансира, але технічно складніший, тож сенсу в ньому немає. Такий балансир ще називають дворівневим, оскільки він часто працює в парі з пасивним балансиром.



Як ви, мабуть, уже здогадалися, йтиметься про індуктивний балансир: дві плати для збірок 2-4S і одна — до 10S.

Кількість комірок, на яку розрахований балансир, — це максимальне значення. Під’єднати можна й менше, працюватиме так само, просто плати з більшою кількістю каналів коштують дорожче.


У комплекті є дроти для під’єднання: до маленьких плат — двох кольорів, загальний чорний, до комірок — червоні; у великої плати дроти різнокольорові, що трохи зручніше.


Маленькі плати повністю однакові, що й не дивно. Велика плата знизу матова, навіть трохи незвично, а маленькі — глянцеві.


На маленькій платі видно три балансири, досить габаритні дроселі, заявлений струм балансування — 1.2А. Максимальну напругу каналів обмежено на рівні 4.3 вольта за допомогою маленьких стабілітронів, тож краще її не перевищувати.


Велика плата має такий самий заявлений струм — 1.2А, але контролери мають інший корпус, та й дроселі явно менші. Плата універсальна, до 11S, одне місце порожнє. Також на цій платі є дев’ять світлодіодів, що показують процес балансування відповідних пар комірок.
Крім того, ця плата вкрита пристойним шаром захисного лаку.


Обидві плати побудовані на базі спеціалізованого контролера ETA3000.


У даташиті є типова схема під’єднання, там же зазначено, що чип випускається у двох варіантах корпусу; власне, це видно й на показаних платах. Перший тип, із квадратним чипом, я й так знав, а на маленькій платі навіть написана назва контролера.


І в цьому випадку це справді чип, спочатку розроблений для схем балансування: він уміє визначати різницю напруг на елементах, переходити в режим сну для зменшення споживання і навіть показувати, що триває процес балансування.


Також є приклад під’єднання кількох контролерів для великих збірок, але суть та сама, що я показував вище: кожен контролер обслуговує батареї попарно: 1-2, 2-3, 3-4 тощо.


Струм балансування можна задавати в діапазоні 0.1-2А, для цього є таблиця номіналів елементів.


Переходимо до тестів.
Для перевірки взяв збірку з чотирьох комірок LiFePO4 ємністю 5700мАч з цього огляду. Щоб плата захисту з пасивним балансиром не заважала, довелося її від’єднати. Звісно, так робити не можна, але все було під постійним контролем.

Перед від’єднанням плати спочатку повністю зарядив батарею.
Після цього від’єднав плату й відпаяв від неї дроти.
Щоб імітувати розбалансування, частково розрядив комірки. Оскільки я знав їхню ємність, усе зробив просто: увімкнув розряд струмом 5.5А з обмеженням за часом. Першу комірку розряджав 38 хвилин, другу не розряджав, третю — 19 хвилин, а четверту — 57 хвилин. Відповідно, отримав приблизний відсоток заряду комірок:
1. 35%
2. 100%
3. 70%
4. 5%

На двох останніх фото — час розряду та «знята» ємність.


Напруга на комірках із першої по четверту; тут і далі порядок на фото буде однаковим.


Балансир під’єднував штатними дротами, хоча для швидшої роботи краще або вкоротити їх, або замінити на дроти з більшим перерізом.


Плата під час роботи нагрівається, але не сказав би, що сильно. Нижче — три термознімки: приблизно через 5-10 хвилин після запуску, потім через годину і ще через годину. Максимальна температура становила 47 градусів. При цьому нагрівалися компоненти, що відповідають за комірки 4-3 і 2-3: очевидно, відбувалося активне «перекачування» із другої комірки (повністю зарядженої) до третьої, а потім до четвертої (майже повністю розрядженої).
Стежити перестав о 4-й ночі, а о пів на десяту ранку плата була холодною.


Тест тривав довго, хоча, як з’ясувалося згодом, особливої потреби в цьому не було, та й за графіком ви це також зрозумієте.
Через 34 години після початку тесту напруга на комірках була такою.


Далі було два експерименти: спочатку під’єднав другу маленьку плату, за годину жодних змін не було, від’єднав її та під’єднав уже велику.


Оскільки відпаяв дроти, то заодно перевірив власний струм споживання плати: по мінусовій шині було 1.77мкА з рідкісними піками до 6мкА — так працює автоматика плати. По шині В4 струм був трохи більший — 2.14мкА, з такими самими сплесками до 6мкА.


Поганяв ще півтори години — також жодних змін. Загалом, тут дуже допоміг мультиметр, який дає змогу відстежувати зміни з роздільною здатністю до 0.1мВ.


Наступний тест: під’єднав конструкцію до зарядного пристрою, але плату захисту залишив від’єднаною. Заради безпеки контролював напругу на другому елементі, оскільки він був найменш розрядженим.
Коли напруга на акумуляторі наприкінці заряджання почала різко зростати, на платі балансира засвітився перший світлодіод — вона почала «перекачувати» заряд у першу комірку.
За короткий час уже світилися три світлодіоди, енергія почала відбиратися і для заряджання двох інших комірок — третьої та четвертої. Це зумовлено тим, що в LiFePO4 дуже пологі криві розряджання та заряджання з різким спадом або підйомом наприкінці. Відповідно, акумулятор зарядився, напруга почала різко зростати, але на інших комірках вона відставала, і плата почала їх «підживлювати».
На повне заряджання другої комірки пішло 1309мАч. Нагадаю, на початку тесту вона була повністю заряджена, тож це та ємність, яку плата «перекачала» до інших елементів. Але слід пам’ятати, що середній рівень заряду був ще нижчим: частина енергії відбиралася і від третього елемента, зарядженого на 70%.


Від’єднав зарядний пристрій. Деякий час світилися всі три світлодіоди, за кілька хвилин згасли два, а ще за пару хвилин вимкнувся й останній.


А тепер усе у вигляді графіка.
Червона стрілка — дві години від початку тесту, інтервали по 30 хв.
Зелена стрілка — 9 годин від початку тесту, далі інтервали по годині; через сім годин інтервали робив по дві години.
Синя стрілка — додаткове заряджання батареї до повного заряду другої комірки, а після цього ще 16 годин: спочатку інтервали по пів години, потім по годині-дві, а останній — 6 годин.

Як бачите, довго стежити немає сенсу: буквально за кілька годин навіть за значного розбалансування напруги «устаканюються», а далі зміни дуже незначні.


Приблизно те саме показано в даташиті, причому наведено два графіки: в автономному режимі та під час заряджання.
Зазначено, що балансування триває 3 години, але, як ви розумієте, це залежить від струму балансира та ємності батареї.


Далі планував розширити експеримент. Для цього в мене лежала батарея від гіроборда. Батарею зібрано за схемою 10S2P, її ємність — 4Ач. Але вона потрапила до мене вже добряче зношеною, і тест, який я проводив приблизно рік тому, показав ємність 2.2Ач — саме її й зазначено на батареї.
Під’єднав батарею до зарядного пристрою, але вона заряджалася недовго й сама вимкнулася — спрацював захист.



Ідея експерименту була така:
1. Повністю заряджаємо батарею
2. Повністю розряджаємо, вимірюємо ємність
3. Знову повністю заряджаємо.
4. Під’єднуємо балансир, чекаємо кілька годин.
5. Ставимо на заряджання
6. Розряджаємо й порівнюємо ємність із п. 2.

Батарея також розрядилася досить швидко, віддавши за струму 4.4А лише 724мАч. Ну та гаразд, може, так навіть цікавіше.
Зарядив знову до спрацювання плати захисту — пішло майже 800мАч.


Цю батарею вибрав не просто так: по-перше, вона 10S, що якраз підходить для балансира; по-друге, усередині є плата захисту, а самі комірки під’єднані через роз’єм. Щоправда, є нюанс: розташування контактів у батареї та балансира дзеркальне, хоча розміри роз’єму однакові. До речі, знайомий, який займається такими батареями, сказав, що в них усіх так, але в батарей для сігвея порядок контактів протилежний, тобто саме як у балансира.

Через мене пройшло чимало таких батарей, і всередині вони були приблизно однакові.


Але, мабуть, сьогодні був не мій день, адже ця батарея має зовсім іншу плату захисту: роз’єм узагалі не встановлений, а виводи від комірок припаяні безпосередньо до плати.


Ну гаразд, подумав я і вирішив, що, можливо, так навіть краще: припаяю дроти прямо до з’єднувальної стрічки акумуляторів. Але спочатку треба було з’ясувати порядок підключення і куди паятися, а заразом виміряти напругу на акумуляторах. І тут на мене чекала друга невдача: одна з гілок виявилася в жорсткому КЗ. Я вирішив не здаватися і спробував «продавити» його великим зарядним струмом, хоча так категорично не можна робити. На жаль, навіть за струму 18А нічого не змінилося — пара так і залишилася закороченою.

На цьому експеримент довелося завершити: батарея в мене була лише одна.


Перш ніж перейти до висновків, спробую трохи пояснити, що саме я отримав під час експериментів і які особливості має застосування цього типу балансирів.
Плати, як і заявлено, забезпечують різницю в межах однієї пари близько 30мВ, але, як завжди, «є один нюанс».
Річ у тім, що різниця в 30мВ для «звичайних» літієвих акумуляторів — це одне, а для LiFePO4 — зовсім інше. Нижче наведено порівняльний графік тестування двох типів батарей однакової ємності та в однакових режимах.

Як видно, у LiFePO4 графік майже горизонтальний, тому для них 30мВ — це велика різниця в ємності, на око легко близько 10-20% залежно від ділянки кривої.
Водночас у звичайних літій-іонних акумуляторів напруга падає майже лінійно, тож ті самі 30мВ дадуть меншу різницю у відсотку заряду.

Якщо спростити, то балансир набагато краще працюватиме зі звичайними батареями, а не з LiFePO4, адже мала різниця напруги не завжди свідчить про малу різницю в ємності для цього типу батарей. Думаю, те саме стосується і LTO.


А тепер висновки.
Можу сказати, що для «звичайних» літій-іонних акумуляторів балансир підійде чудово — це видно навіть без тестів, просто з алгоритму роботи. Працює швидко, мало нагрівається, а також має дуже малий струм споживання в режимі очікування. Але з LiFePO4 усе помітно гірше, і причина не стільки в якості роботи, скільки в особливостях самих акумуляторів. Щоправда, тест був дуже «жорсткий», у реальності такий розкид (5-100%) трапляється вкрай рідко.
Найімовірніше, я ще продовжу тести й точно перевірю балансир із LiFePO4, які поки що в дорозі до мене.

Балансир також добре працюватиме в парі з пасивним, розміщеним на платі захисту. До речі, мені поки що жодного разу не траплялися плати захисту з вбудованим активним балансиром.
А тепер мені дуже хочеться погратися з конденсаторним балансиром, тільки ціна засмучує: чотириканальна версія коштує близько 15 доларів.


На цьому все, сподіваюся, було корисно.