4S конденсаторний балансир і трохи про його будову

Це вже третій огляд активного балансира і другий огляд конденсаторного, він же ємніснісний. Минулого разу я більше зосередився на самій роботі, але майже нічого не розповів про принцип дії, і сьогодні це упущення буде виправлено.


Я взяв цей балансир замість індуктивного, оскільки він здався мені доволі слабким, тим паче що планувалося використовувати його з ємними акумуляторами, але не буду затягувати, перейду до огляду.

Упакований у невеликий антистатичний пакет.


З опису на сторінці магазину

але, на жаль, не все так гарно — про це наприкінці огляду.

Усередині — плата балансира та дроти зі штекером для підключення до плати. Довжина дротів — близько 20см, до того ж вони дуже жорсткі, і я б не сказав, що мають великий переріз.


З верхнього боку майже всю площу плати займають десять полімерних конденсаторів ємністю 2200мкФ на 6.3 вольта.
Крім роз'єму, на платі також є отвори для припаювання дротів, і я рекомендую використовувати саме їх — тоді можна взяти дроти більшого перерізу.


Якщо перейти за посиланням на магазин, уважні читачі помітять певну відмінність між фотографією на сторінці товару та платою в огляді.
У магазині показана плата з дев'ятьма конденсаторами й без роз'єму, а я отримав плату з десятьма конденсаторами та роз'ємом. Фото для заголовка зрештою довелося шукати на AliExpress.


Зворотний бік плати ще щільніше заповнений: угорі чотири запобіжники, нижче — 16 транзисторів, ще нижче — драйвери та генератор імпульсів.


Перш ніж перейти до докладнішого опису, порівняю її з попередньою протестованою платою. Та була для збірок 6S, тому компонентів тут майже в півтора раза більше.


Але зауважу, що відрізнялася не лише кількість, а й самі компоненти: на правій платі транзистори явно потужніші, крім того, є DC-DC перетворювач, а для захисту плату покрито лаком.


А ось те, про що мене запитували в коментарях до попереднього огляду, — схема. Ну і заодно спробую пояснити, як працює вся ця «кухня».

Для початку — загальна схема. Насправді на платі приблизно на пару десятків компонентів більше: не показані дрібні керамічні конденсатори, встановлені в колах живлення кожної мікросхеми та паралельно восьми полімерним конденсаторам.

Щоб схему було простіше зрозуміти, я виділив кольором кола першого та четвертого каналів. Як видно, генератором імпульсів є популярний таймер NE555, далі імпульси надходять на чотири драйвери польових транзисторів, а потім — на силові ключі.


Оскільки на повній схемі важко розгледіти, що і як підключено, для прикладу я залишив лише задавальний генератор, один драйвер і один комплект ключів.


Нехай вас не бентежить, що входи драйвера з'єднані разом: у використаного EG2131 вони інверсні один відносно одного, тобто під час подавання логічної одиниці відкривається верхній ключ, а під час подавання нуля — нижній. Рішення просте й зручне, а захисна пауза, судячи з усього, формується самим драйвером.


Як силові ключі використано IRF7455 з опором відкритого каналу 7.5мОм.


Тепер про принцип роботи.
Якщо прибрати зі схеми все зайве й залишити лише силовий вузол, а його для спрощення замінити на вимикачі, то виглядатиме це приблизно так.
Верхні ключі вмикаються синхронно й у протифазі з нижніми.


Принцип роботи дуже простий і складається з двох тактів. Через особливості драйверів спочатку відкривається нижній ключ, але для простоти розуміння я покажу так, як буде наочніше.
1. Верхні та середні конденсатори через ключі з'єднані паралельно, водночас кожен канал увімкнений послідовно. Напруга на конденсаторах дорівнює напрузі на комірках.
2. Верхні ключі розмикаються, а нижні замикаються; усі конденсатори з'єднуються паралельно, напруга на них вирівнюється, тобто більш заряджені віддають енергію менш зарядженим.
3. Нижні ключі розмикаються, а верхні замикаються; ті конденсатори, що віддали частину енергії, знову заряджаються від комірок із вищою напругою, а ті, що отримали енергію, віддають її коміркам із нижчою напругою.

На схемах показано перший і другий такти, далі вони просто чергуються. Схема працює постійно, поки є живлення, і, на відміну від індуктивного балансира, не передає заряд від 1-ї до 2-ї комірки, потім від 2-ї до 3-ї, від 3-ї до 4-ї тощо, а вирівнює всю батарею одразу.


Робоча частота — близько 7кГц, і, до речі, під час роботи плата тихо, але неприємно пищить.
Підвищити ефективність роботи можна збільшенням частоти, але тоді доведеться встановити й транзистори з меншим Rdson. Крім того, зросте навантаження на конденсатори.
Але в будь-якому разі, як можна було бачити, такий балансир можна зробити й самому, адже він не містить жодних спеціалізованих мікросхем — лише задавальний генератор і комплекти «драйвер + 4 транзистори + конденсатори». Кількість комплектів дорівнює кількості підключених комірок батареї.

Можливо, виникне цілком закономірне запитання: а чи можна зробити таку схему на 100500 комірок? Ні, до 100500 навряд чи, але до 100–120 — цілком легко. Обмежує максимальна напруга ізоляції драйвера транзисторів, яка найчастіше становить 600 вольт. Крім того, за напруги понад 15–17 вольт для живлення драйверів і генератора треба застосовувати стабілізатор або перетворювач напруги.


Балансир тестував так само, як і індуктивний: підключив його до збірки з 4S акумуляторів LiFePO4, при цьому плату захисту було від’єднано.
Під час підключення нічого не згоріло, а на платі засвітився світлодіод індикації роботи. Причому світив він настільки яскраво, що ним цілком можна було освітлювати кімнату, а з огляду на те, який він маленький, то буквально виїдав очі.


Як і раніше, батарею спочатку повністю зарядив, а потім розрядив так, щоб отримати значний розбаланс. Як і раніше, перша комірка розряджалася 38 хвилин струмом 5.5А, третя — 19 хвилин, а четверта — 57 хвилин. Наприкінці підготовки заряд комірок був таким:
1. 35%
2. 100%
3. 70%
4. 5%


Оскільки напруга акумуляторів LiFePO4 не дуже сильно залежить від ступеня заряду, то навіть між повністю зарядженим (2) і майже повністю розрядженим (4) різниця становила лише 0.5 вольта.


Детального тесту з малими інтервалами я не проводив, оскільки, по суті, така перевірка вже була в попередніх оглядах, але час від часу вимірював, що відбувається.
Результати приблизно через 2, 3 і 7 годин від початку: видно, що напруга швидко наблизилася до середнього значення. Найбільше змінилася, звісно, напруга найбільш розрядженого акумулятора (4). Хоча збільшення напруги на 20мВ важко назвати значною зміною.


Під час тесту перевірив нагрівання й з’ясував, що найбільше нагрівається не ділянка біля транзисторів, а місце біля світлодіода...
Температура майже відразу після початку тесту та через кілька годин.


Після розбирання з’ясувалося, що нагрівається резистор світлодіода (схему накреслив пізніше). Його номінал — 220 Ом, що за напруги на ньому близько 10 вольт і заповнення 50% дає середній струм близько 22мА та потужність 0.22Вт.

Звісно, резистор замінив: спочатку поставив 1.5кОм, потім 3кОм, але думаю, що номінал можна збільшити й до 10кОм. Поставив резистор типорозміру 0805 — він чудово став на місце штатного.


1. Нагрівання в цьому місці майже зникло, а найгарячішою мікросхемою виявилася NE555.
2. Цікаво, що під час усіх вимірювань — і на самому початку, і наприкінці (після циклу заряджання) — найбільше нагрівалися транзистори мінусового кола третьої та четвертої комірок.


Приблизно через 15 годин помітив, що напруга на комірках падає. Причому вона падала навіть на четвертій, найбільш розрядженій комірці.
Результати через 14, 26 і 36 годин від початку тесту.


Як і минулого разу, приблизно через 34–36 годин балансування батарею зарядив, доки напруга на найбільш зарядженому акумуляторі (2) не досягла 3.65 вольта. Але якщо тоді «залилося» 1309мАч, то тепер — 3932мАч, що свідчить про дві речі:
1. Активніше балансування
2. Більше споживання самої плати, а також відсутність режиму очікування.


Після проміжного заряджання від’єднав балансир і виміряв напругу на комірках. Максимальний розкид становив 5мВ між другою та четвертою комірками. Зазначу, що на початку тесту друга комірка мала найбільший заряд, а четверта — найменший, а тепер вони помінялися місцями.


Як уже писав вище, я не дотримувався якихось точних часових інтервалів, але все-таки вирішив накидати невеликий графік. Нижче наведено дані приблизно за 50 годин: початкові — до підключення балансира, а ближче до кінця видно цикл проміжного заряджання.


Думаю, багатьох цікавить, скільки все це споживає. Вимірювання проводив уже після заміни резистора світлодіода, тому до результатів можна додати близько 20мА.
1, 2. Спочатку перевірив непрямим способом: батарея була підключена до зарядного пристрою, а також була підключена плата захисту з пасивним балансиром. Батарея повністю заряджена, але струм менший за встановлений струм відсічення (50мА), тому заряджання триватиме нескінченно. Усе разом споживає 160мА, а після від’єднання активного балансира струм падає до 90мА. Отже, споживання становить 70мА.
3, 4. Під’єднав плату до блока живлення без акумулятора й виявив чималу залежність від напруги живлення: за 12 вольт струм становив 33 мА, а якщо підняти напругу до 15 вольт, то вже 65 мА.

В описі було заявлено —

Але, як бачимо, це зовсім не так: насправді струм у 4 рази більший, не кажучи вже про те, що там же вказано


Власне, це і є відповідь на запитання, чому на подальше заряджання пішло так багато. Акумулятор ємністю 5700 мА·год був заряджений приблизно на 50% (5+33+66+100%) або десь на 2800–2900 мА·год. За 36 годин тестування за струму споживання, скажімо, 40 мА з нього забрали близько 1500 мА·год. Розрахунок, звісно, грубий, але все ж він пояснює, чому згодом напруга на четвертому елементі почала падати, хоча до цього зростала.


Ну що тут сказати: висновки, власне, ті самі, що й у попередньому огляді, але все-таки трохи висловлюся.
Балансир працює, щоправда, трохи гірше, ніж 6S, який я тестував раніше. Крім того, є різниця і в якості виготовлення: принаймні тут плата не покрита лаком.
Здивувала логіка розробників, які додумалися живити світлодіод струмом 20–25 мА, хоча плата працює постійно й живиться від акумулятора.
Крім того, виявилося, що балансир не відповідає заявленим характеристикам щодо власного споживання.

Якщо ж порівнювати його з пасивним, то тут також є свої переваги й недоліки.
У того, що розглядаємо, балансування відбувається швидше й точніше, оскільки балансир працює постійно.
Індуктивний поступається точністю та швидкістю, але завдяки спеціалізованому контролеру після балансування переходить у «сплячий режим», споживаючи зовсім мало, та й коштує помітно дешевше.

Який застосовувати, також залежить від типу акумулятора. Для «звичайного» літій-іонного підійде й індуктивний — багато не втратите, але для LiFePO4 однозначно краще конденсаторний. Це зумовлено особливістю акумуляторів LiFePO4, а саме їхньою кривою заряджання/розряджання.

Доповнення
Під час обговорення з’ясувалося, що драйвери й транзистори насправді сильно обмежують максимальну напругу акумулятора. Імовірно, частково саме через це споживаний струм так сильно залежить від напруги живлення. За результатами тестів можу сказати, що використовувати цю плату зі «звичайними» літій-іонними акумуляторами не можна — хіба що з LTO або, у крайньому разі, з LiFePO4, та й то лише тому, що я вже тестував її в такому режимі.
Як варіант — встановити стабілізатор, який знижуватиме напругу живлення драйверів і NE555 до безпечного рівня.