Активний ємнісний балансир для 6S акумуляторних батарей

В огляді індуктивного балансира я розповідав, що існують також ємнісні балансири, у яких енергія від комірки до комірки передається завдяки заряджанню/розряджанню конденсаторів. Такий балансир зазвичай коштує дорожче, але завдяки одному з моїх читачів до мене потрапив саме такий балансир.


Після огляду індуктивного балансира зі мною зв’язався один із читачів і запропонував зробити огляд балансира, який він саме планував замовити для своєї літієвої батареї. Домовилися, замовлення зробили, отримали, і зрештою балансир опинився в мене на столі. До того ж, окрім самого балансира, чоловік дав мені ще й батарею, з якою йому доведеться працювати, за що йому окрема подяка.

Окрім балансира й батареї, він також поклав кабель для підключення до зарядного пристрою та роз’єм для балансира.


Почну з батареї.
Літієва збірка 6S із заявленою ємністю 12 А·год, та ще й із ремінцем. Раніше я таких не зустрічав, частіше трапляються звичайні циліндричні.
Збірка розрахована на максимальний струм навантаження 25C, параметри заряджання — 4.2 вольта на комірку і струм до 2C. Випускається у варіантах від 3S до 12S.


Важить 1.6 кг, розміри без урахування проводів — 177х71х63мм, але біля місця кріплення ремінця є потовщення, через яке здається, ніби батарея трохи роздулася.


Для підключення до балансира використовується звичайний роз’єм із кроком 2.5мм на 7 контактів. Запасна відповідна частина не знадобилася, але все одно приємно, що людина подумала про те, що вона може знадобитися.
Для силового кола використано роз’єм XT90
Силові проводи мають переріз 10AWG, дуже м’які, і тут я зроблю невеликий відступ. Роз’єм із проводами підключені до батареї через клемник. Я наполегливо не рекомендую використовувати такі клемники через їхню низьку надійність і раджу застосовувати паяння.


Батарею показав, тож тепер можна перейти власне до плати балансира. Вона буває й інших виробників, зокрема Heltec.


З усієї корисної інформації на сторінці продавця є лише короткий опис (машинний переклад Google)

Режим балансування: конденсатор (повна група), еквалайзер
Робоча напруга 2,0–4,2 В
Значення напруги переходу в режим сну: напругу переходу в режим сну можна вибрати з-поміж 2,0 В, 3,0 В і 3,7 В; підтримуються потрійні літієві акумулятори, літій-залізо-фосфатні акумулятори, літій-титанатні акумулятори
Точність балансування: менше 5 мВ
Струм балансування: 0,1 В — 1 А, 0.2 В — 2 А; що більша різниця напруги, то більший струм
Максимальний струм балансування 6 А
Статична потужність балансування: 12 мА
Підходить для акумуляторів: 30 А·год–300 А·год

Плата невелика, розміри 80х50х16мм, проводи дуже м’які, довжина близько 45см, причому чорний провід трохи коротший.


Зверху — типова зовнішня ознака ємнісного балансира: ціла купа полімерних конденсаторів, у цьому випадку ємністю 2200мкФ 6.3В. Балансир 6S, і зверху видно 6 пар конденсаторів плюс ще одна пара, очевидно, спільна для всього балансира.

Тут також видно, що балансир випускається у двох варіантах: один для акумуляторів LiIon/LiFePO4, другий — для LTO. Коли я шукав фото для заголовка, то натрапив на варіант для трьох типів: там вони розподілені на «звичайні», LiFePO4 і LTO, хоча, наскільки я знаю, розділяти перші два типи немає сенсу.


Знизу плата також уся заставлена компонентами, а основну площу займають польові транзистори. Загалом їх 24 штуки, по 4 на кожен канал. Також видно 6 мікросхем у корпусі SO-8, імовірно, драйверів транзисторів, маленьку мікросхему в корпусі SOT23-6, яка, судячи з розташованого поруч дроселя, майже напевно є DC-DC перетворювачем, і ще одну мікросхему в SOT23-5, можливо, генератор.
Також угорі видно шість запобіжників із маркуванням літерою U. Струм спрацьовування я не визначив: чомусь у таблицях він не трапляється, але знайшов їх на AliExpress, пишуть, що це 72 вольти й струм 6.3–8А.

Плата вкрита захисним лаком, що підвищує надійність.


Чоловік, який надіслав плату, вже сам цікавився, що на ній встановлено, тому зняв лак із кількох компонентів.
Транзистори — MDU1518, 30 вольт, 94А, 4.2/6.2мОм
Восьмиконтактна мікросхема поруч — імовірно, драйвер EG2131
Мікросхему DC-DC не визначив.
Задавальний генератор, найімовірніше, щось на кшталт звичайного таймера 555.



Судячи з кількості каналів, тут використовується інший принцип балансування, ніж в індуктивному балансирі. Спочатку конденсатори кожного каналу заряджаються від відповідних акумуляторів. Напруга на конденсаторах така сама, як на акумуляторах.
Потім за допомогою транзисторів їх від’єднують від акумуляторів і з’єднують паралельно, заряд вирівнюється
Після цього конденсатори каналів знову під’єднують до акумуляторів, але тепер напруга на них однакова, тож зарядженіший акумулятор знову заряджає конденсатор, а менш заряджений підзаряджається від конденсатора.

Така схема дає змогу точніше вирівнювати напругу на комірках батареї.


Батарея надійшла повністю розрядженою. Напругу на комірках тут і далі показуватиму від першої до шостої, причому першою вважається та, що під’єднана до мінусового (спільного) проводу схеми, позначеного чорним кольором.
Також помітний невеликий дисбаланс: загальна напруга батареї становила 18.467 вольта.

Тут і далі всі значення напруги наведено за вимкненого балансира; окремо зазначатиму випадки, коли вимірювання проводилися з балансиром.


Експеримент проводитиму в режимі максимальної складності, для чого заряджу лише одну комірку — першу за схемою.
Для повного заряджання знадобилося 12.25А·год, що відповідає зазначеній на батареї ємності.
Після заряджання на першій комірці було 4.1819 вольта, загальна напруга — 19.574. Далі зведу все в одну таблицю, а поки показуватиму на фото ключові моменти в хронологічному порядку.


Звісно, під час експерименту мені було цікаво виміряти струм у колі акумуляторів, але не хотілося вносити додаткову похибку, тому я пішов трохи іншим шляхом і виміряв опір проводів: за падінням напруги на них можна визначити струм.
У мене вийшло 13.37мОм на довжині 44см, провід має маркування 18AWG. За таблицею опір відрізка проводу такої довжини й такого перерізу має становити 9.2мОм, що близько до виміряного значення, але припускаю, що сам провід має занижений переріз.


Для зручності вимірювання я припаяв до першої та другої комірок відрізки дроту, до яких під’єднував один щуп мультиметра; другий під’єднував до контакту роз’єму, не розриваючи кола.
У результаті отримав такі значення (інтервал між вимірюваннями — 20 хвилин).
1. одразу після під’єднання, 1S — 4.78А, 2S — 287мА
2. 20 хвилин — 1S — 3.17А, 2S — 127мА
3. 40 хвилин — 1S — 2.33А, 2S — 40мА
4. 60 хвилин — 1S — 1.93А, 2S — 27мА

Для балансира було заявлено струм балансування до 5-6А. На самому початку я отримав схожі результати; думаю, вони могли б бути вищими, якби проводи були коротшими.


Нагрівання плати було зосереджене в районі балансира першої комірки. Вимірювання через 20, 60 і 100 хвилин після початку.


Через 1 годину 20 хвилин від початку тесту я з цікавості виміряв струм у колі останньої комірки й отримав такі значення:
1S 1.66А
2S 11мА
6S -264мА

У всіх випадках до плати під’єднував мінусовий щуп мультиметра, а до роз’єму — плюсовий. При цьому видно, що струм в останньому акумуляторі тече у зворотному напрямку.

Насправді таке вимірювання не зовсім коректне, оскільки струм має імпульсний характер, але сподіваюся, що мультиметр зміг правильно виміряти середній струм.


Приблизно через 10 годин від початку тесту струм уже помітно зменшився й становив:
1S 322мА
2S 2,5мА
6S -51мА



Після цього я під’єднав першу комірку до зарядного пристрою й вирішив перевірити, скільки ємності вона витратила.
Теоретично, за ємності 12А·год і повного балансування має вийти 2+2+2+2+2+2А·год замість початкових 12+0+0+0+0+0А·год, відповідно, на заряджання першої комірки має піти близько 10А·год. Але, звісно, це за ідеальних умов і ККД 100%. Під час заряджання було витрачено 8.231А·год, що загалом також свідчить про те, що перша комірка віддала більшу частину заряду на заряджання решти п’яти.


Після цього я знову поставив її на балансування, а приблизно через 6 годин виміряв струми. Вийшло:
1S 266мА
2S -37мА
6S -36,8мА

Загалом ці вимірювання я проводив для себе, але навів їх лише тому, що, на відміну від попередніх, тепер струм був від’ємним не лише в шостому каналі, а й у другому.


Напруга на комірках через 35 годин від початку тесту й одного повторного заряджання першої комірки була такою.
Зауважу, що комірки 2–6 заряджалися лише від першої. Найбільша різниця була між першою та другою комірками — 16мВ. Загальна напруга збірки — 22.626 вольта.


Далі я під’єднав до зарядного пристрою вже всю батарею, але про всяк випадок контролював напругу на найзарядженішій комірці, оскільки батарея не має плати захисту.
1, 2. Ближче до кінця заряджання напруга на першій комірці піднялася до критичного значення — 4.25 вольта, але оскільки далі вона не зростала, заряджання не переривав
3, 4. У підсумку на заряджання пішло 9.296А·год, максимальна напруга на першій комірці становила 4.2517, вимірював безпосередньо на платі балансира, тому є похибка.

Думаю, тут дуже допомогло б зменшення довжини проводів: на каналі з вищою напругою балансир міг би краще перерозподіляти енергію.


Насправді напруга на першій комірці була трохи вищою і майже відразу після від'єднання від зарядного пристрою становила 4.256 вольта, загальна напруга батареї — 25.194 вольта. Максимальний розбаланс був між першою та другою комірками й становив 79мВ.


А ось результати через 12 годин: максимальний розкид становив лише 1мВ, знову між першою та другою комірками. Як на мене, чудово.


І, звісно, результати в числовому та графічному вигляді.
Ліворуч у стовпці — час у хвилинах. Перші три години перевіряв кожні 20 хвилин, а потім уже більш спонтанно, оскільки основний етап балансування завершився.
Жовтим виділено результат через 6 і 18 годин після проміжного заряджання першої комірки.


Те саме у вигляді графіка; нумерація на горизонтальній осі відповідає рядкам таблиці.


Також паралельно я вимірював напругу й із підключеним балансиром. Тут нумерація трохи інша, тож простіше орієнтуватися за часом від початку тестування. Також додано результати після повного заряджання батареї, їх виділено помаранчевим.
Зауважу, що з підключеним балансиром розбаланс наприкінці становив лише 0.6мВ!


На графіку видно етапи проміжного заряджання: точка 7 — із заряджанням першої комірки, а точка 11 — із повним заряджанням.



Загальна напруга батареї становила 25.1 вольта, потім я знову під'єднав її до зарядного пристрою, і на заряджання пішло лише 178мА·год.
До речі, на сторінці продавця було вказано власне споживання плати — 25мА, у мене вийшло менше: 178/12=15мА, і це з урахуванням того, що батарея продовжувала балансуватися.



І, звісно, висновки.
На мій погляд, балансир чудовий. Є кращі варіанти, але точно не за таку ціну, тому я їх навіть не розглядаю: там ціну треба множити в кілька разів.
Перевага порівняно з індуктивним у тому, що він не перекачує енергію послідовно від першої комірки до другої, потім від другої до третьої тощо, а балансує всю батарею одразу, розподіляючи енергію від найзарядженішого елемента до решти, менш заряджених.
Власне, саме цей принцип роботи дав змогу довести точність балансування до 0.6-1мВ; далі я вже просто не стежив за процесом.

Є й недоліки: за великого розбалансу процес не швидкий, до того ж балансир явно споживає більше, ніж індуктивний, де всім керує спеціальний чип, здатний переходити в режим сну. Думаю, частково саме через останній чинник його рекомендують використовувати з батареями великої ємності.
Ну і ціна: все-таки він помітно дорожчий за індуктивний.

Але навіть з огляду на ці недоліки можу його рекомендувати. Особисто мені сподобалося, що він зміг непогано збалансувати батарею, хоча в збірці була заряджена лише одна з шести комірок.

Крім того, є рекомендації щодо поліпшення роботи як безпосередньо того комплекту, який я оглядав, так і загалом.
1. Не використовуйте поліетиленові клемники в силових колах: краще взяти щось якісніше або спаяти проводи.
Залужені проводи можуть спричинити ефект, коли після нагрівання притиск слабшає, а далі клемник просто починає плавитися.
2. Роз'єм балансування, на мій погляд, заслабкий для струмів порядку 4-6А, оскільки спочатку призначений радше для контролю; його теж краще замінити на потужніший.
3. Проводи до балансира краще вкоротити: тоді він працюватиме динамічніше й зможе забезпечити більший струм за менших перепадів. За балансування малими струмами це не допоможе, але наприкінці заряджання/розряджання може стати в пригоді.
4. Плата захисту — вона потрібна. Коли під'єднував/від'єднував проводи та й узагалі порався з платою, весь час боявся, що щось закоротить: спецефекти були б неабиякі :)

На цьому поки все, сподіваюся, було корисно.