Плата захисту, тримач акумуляторів і перероблення батареї для машинки

У минулий раз я показав свинцево-кислотну батарею, яка «не змогла», але тоді написав, що буде друга частина. І ось сьогодні розповім, що зрештою довелося зробити, щоб отримати те, що працює.

Нагадую: щоб постійно бути в курсі нових тем у блозі, рекомендую підписатися на мій інстаграм, де я публікуватиму сповіщення про всі нові теми й, можливо, писатиму просто про щось цікаве — посилання на акаунт

Також підписатися на оновлення та нові статті можна в телеграм-каналі — https://t.me/KirichBlog

Оскільки ситуація зі свинцево-кислотною батареєю мене зовсім не влаштовувала, було вирішено переробити машинку на літієву батарею.
Спочатку хотів використати пару 32700, потім подумав, що, по-перше, такої ємності там і не потрібно, а по-друге, захотілося трохи «розігнати» цей механізм. Зрештою вирішив використати два акумулятори Samsung INR21700-33J 3270mAh. До того ж їх спочатку розробляли для «Тесли», то чому б їм не послужити за прямим призначенням, тобто в електротранспорті, хай і маленькому :)

Ємності акумуляторів вистачало, напруга виходила трохи вищою, але це було навіть добре. Єдине, що заважало, — алюмінієвий плюсовий контакт, тому я купив тримач для пари 21700. Узагалі в машинці є місце для двох батарей на 6 вольт і 4 А·год. Сусід навіть думав поставити туди батарею на 12 вольт, але я його відмовив, бо навряд чи машинка (а точніше, її редуктор) таке витримала б.


Тримач купили в офлайн-магазині. Нагадаю: алюмінієві контакти акумуляторів — це головний біль, приварити їх звичайним зварювальним апаратом дуже проблематично. Якщо ви не поспішаєте, такий тримач можна купити на AliExpress — посилання.


Загалом тримач сподобався. Звісно, як це часто буває, виводи тоненькі, але сподобалися пружини: вони не надто жорсткі й не настільки м’які, щоб акумулятор випадав.


Була лише одна проблема: за маркуванням і задумом акумулятори тут встановлюються паралельно, тобто плюс з одного боку, мінус — з іншого. А мені треба було встановити акумулятори «валетом»: контакти однакові, але заважало маркування. Якщо віддати такий виріб комусь, імовірність, що акумулятори встановлять неправильно, наближається до 100%.
Зрештою я роздрукував невеликі папірці й приклеїв їх скотчем поверх паперу.


Далі треба було вибрати плату захисту. Спочатку замовив на AliExpress пару плат: одну звичайну, другу — для LiFePO4, бо ще не знав, які акумулятори використаю. Обидві плати доступні за одним посиланням
Але чекати було ліньки, тож порився у своїх запасах і знайшов аж три типи плат:
1. Для «звичайних» акумуляторів, але без балансира — посилання
2. Для «звичайних» акумуляторів, із балансиром — посилання
3. Для LiFePO4 із балансиром — посилання.

Друге й третє посилання ведуть саме до магазинів, де я купував, а перше довелося просто замінити на схоже, але, на мою думку, це якраз найцікавіший лот — посилання.



Загалом платки пролежали приблизно 5 років, і ось одній із них знайшлося застосування. Я вибрав варіант із балансиром для «звичайних» літієвих акумуляторів. Балансир можна було встановити окремо, але це зайва плата, дроти тощо — словом, зовсім не варіант.


Заявлено, що плата розрахована на 10 А, 7.4 В, імпульсний струм — до 20 А.
Model: HX - 2S - JH20 overcharging range: 4.25-4.35 v plus or minus 0.05 v
Size: 46.7 * 23 * 3.15mm over voltage range: 2.5-3.0 v plus or minus 0.05 v
Maximum working current: 10 a working temperature: - 40 - + 50 °
Maximum instantaneous current: 20 a storage conditions: - 40 - + 80 °
Static current: less than 10uA effective life: more than 50,000 hours
Resistance: less than 300 m Ω short circuit protection: to protect and restore must charge
Charging voltage: 8.4 v-9v
The protection board size and device description;
The protective plate size is 46.7 * 23 * 3.15mm



Компоненти ближче. Транзистори встановлені AOD514 за схемою 2S2P, 30 вольт, 46 ампер, 5.9мОм при 10 вольтах на затворі та 11.9мОм при 4.5 вольта.


Контролер із маркуванням 20CB, відповідно, можна дізнатися параметри, але, чесно кажучи, мені здається, тут краще виглядав би останній варіант: там і нижній поріг 2.8, і верхній 4.25, і, втім, про третє «і» я напишу пізніше.


Далі — етапи складання.
Спочатку свердлимо пару отворів у дні тримача й пару у внутрішніх пластинках.
Для розмітки одного з отворів доведеться прикласти плату захисту, як саме — зрозумієте в ході огляду.


Далі припаюють тонкий провід до центрального контакту (балансувального), знежирюю поверхні й приклеюю пару смужок двостороннього скотчу.


Вставляю припаяний провід у просвердлений отвір і приклеюю плату. Власне, цей отвір і свердлився за прикладеною платою.
Згинаю контакти тримача й припаюю їх до плати. Думаю, не треба пояснювати, що вони мають бути тієї самої полярності, як позначено зі зворотного боку тримача?


Потім балансувальний провід протягується крізь підготовлені отвори й виводиться в отвір з іншого боку тримача.
Тут є нюанс: якщо уважно придивитися до фото, то видно, що провід іде не просто до точки з'єднання акумуляторів, а з того боку, де стоїть акумулятор, у якого мінус спрямований у той бік. Це зроблено для безпеки: якщо якимось випадковим чином пошкодиться ізоляція проводу й акумулятора, то він просто з'єднається з однойменним полюсом і нічого не станеться.




Балансувальний провід, який тепер виходить біля протилежних контактів, використовується для з'єднання акумуляторів.
Я провід не обрізав, а просто зсував ізоляцію за потреби й намотував оголену частину проводу на виводи, потім припаяв і відкусив зайву довжину виводів.


Ну от, власне, і все, залишається тільки припаяти вихідні проводи. На мій погляд, вийшло цілком акуратно.


Велика перевага плати в тому, що в неї є автозапуск. Насправді це не завжди корисно: бувають випадки, коли, навпаки, автозапуску немає, але в цій ситуації зручніше, коли він є, адже в разі її спрацьовування не доведеться тягти машинку додому на руках — спрацьовування бувають і хибними.


З цікавості перевірив падіння напруги за струму 10А.
1, 2. падіння на транзисторах, за повного заряду акумулятора близько 0.06 вольта й зростає
3. Загальне падіння разом із резисторами шунта — близько 0.09 вольта
4. У міру прогрівання й падіння напруги на батареї падіння на транзисторах зростає, і вже за деякий час маємо 0.0626 вольта, далі чекати просто не став.


Пробую навантажити, пам'ятаючи, що заявлений максимальний струм — 10А, виставляю верхній поріг у 15А, але струм доходить до цієї величини, а плата не вимикається.


У даташиті є типова схема ввімкнення, але на платі є шунт, відповідно, перша думка — зменшити номінал шунта.


Випаюю один резистор, тим самим струм спрацьовування захисту має зменшитися вдвічі.


Під'єднав до навантаження, довів струм до 16А — і нічого не сталося, плата не вимкнулася.


Гаразд, ідемо далі. Я ввімкнув два резистори шунта послідовно, тобто тепер струм спрацьовування захисту має зменшитися в 4 рази порівняно з початковим. У мене навіть з'явилася думка, що шунт і транзистори ввімкнені послідовно, тому зміна шунта впливає на струм не пропорційно.


15 ампер, а вимкнення немає, жесть...


І тут я починаю уважніше вивчати даташит і бачу третє «і», про яке писав на самому початку.
Річ у тім, що заявлений поріг спрацьовування захисту від струму становить 200мВ, що за номіналу шунта 2.5мОм (два по 5мОм паралельно) дає струм спрацьовування в... 80 А!
Мало того, навіть змінивши номінал так, що він став 10 мОм (два по 5 мОм послідовно), я отримав струм спрацьовування 20 А, що для мене теж забагато, адже акумулятори зовсім не високострумові.
Саме тому було третє «і»: у останнього чипа поріг спрацьовування вдвічі нижчий, що було б краще.


Спочатку схема була такою: падіння напруги вимірювалося лише на шунті.


Розуміючи, що це взагалі повна нісенітниця, вирішую змінити схему. Так, номінал шунта не змінюється від температури й напруги живлення, на відміну від транзисторів, але втрачати напругу і на шунті, і на транзисторах — таке собі рішення.
Власне, тому змінюємо схему, як показано нижче. У цьому разі отримаємо сумарний опір R шунта + R транзисторів, тобто в цьому випадку близько 10+6=16 мОм, а розрахунковий струм спрацьовування захисту становитиме 0.2/0.016=12.5 А


Спочатку хотів просто переставити штатний резистор і додати перемичку, але зрештою випадково зламав його, тому поставив вивідний резистор — суть від цього не змінюється.


Запускаю тест під навантаженням і отримую струм спрацьовування захисту близько 12 А. Загалом усе правильно: у формулі не враховано паразитні опори.


Поки займався тестами, звернув увагу на підвищене нагрівання контактів, тож додатково їх підсилив.
Ті, що просто з'єднані між собою, так і з'єднав перемичкою, а там, де контакти йдуть на плату, додав виводи від якихось діодів, просунувши їх у вже наявні отвори. Звісно, таких навантажень тут не буде, струм споживання машинки явно менший, але є пускові струми, є втрати, то навіщо розкидатися енергією.


1. Поки я займався експериментами, сусід розкрив старий акумулятор і вийняв із нього начиння — не зовсім акуратно, але як є.
2. Оскільки акумулятори в холдері, вони трохи виступили за межі корпусу, але насправді це не принципово: кришка все одно нормально закривалася.
3. Дроти від плати припаюємо до вихідних клем: усередині там свинцеві контакти, але паяються нормально.
4. Просто з цікавості подивився, скільки там місця всередині, і можу сказати, що 6 штук 21700 стають туди просто чудово, і ще залишається купа місця для плати захисту.
Так, тобто в такому об'ємі можна запросто зібрати батарею ємністю близько 120 Вт·год, особливо якщо використати 21700 5600мАч.
При цьому така батарея легко порве на шматки навіть звичні 7 А·год 12-вольтові акумулятори, які в ідеалі мають до 85 Вт·год, а насправді ближче до 60. Фактично з літієвими акумуляторами розміром 6 вольт 4 А·год можна отримати енергоємність двох батарей на 12 вольт 7 А·год. Саме тому я й писав раніше, що свинцево-кислотні акумулятори поступово відходять у минуле.


Поки що не став склеювати корпус, просто обмотав скотчем, зарядив, перевірив, що напруга в нормі, і віддав для експериментів.


Наступного дня сусід приніс акумулятор і сказав, що його вистачило на дві години катання, а потім він почав іноді вимикатися, коли натискали на педаль машинки, тобто, по суті, почав спрацьовувати захист. Заодно попросив виміряти, скільки ємності витратилося за ці дві години.
Під'єднав до тестера акумуляторів, розрядив і з'ясувалося, що було витрачено близько 50% ємності. Виходить, машинка в робочому режимі споживає лише близько 6-7 Вт, або менше одного ампера.

Також сказав, що машинка їде помітно бадьоріше, а за часом роботи такий варіант його цілком влаштовує.

Під час розряджання подивився, за якої напруги спрацював захист від надмірного розряджання: вийшло якраз близько 2.9 вольта на комірку. Але, зважаючи на те, що батарея не була розряджена, виникла думка, що спрацьовував захист від надмірного струму.



Після тесту зарядив батарею й помітив, що наприкінці струм заряджання впав до 80 мА і далі не знижувався. Схоже, почав працювати балансир, ну і добре.


Про всяк випадок прибрав один шунт, залишивши 5 мОм + транзистори, тож максимальний струм мав становити близько 17 А, але я не вимірював.
А чому ж спрацьовував захист? Тут усе просто: якщо повернутися до опису транзисторів, то можна побачити, що їхній опір залежить від напруги на затворі, відповідно, у міру розряджання акумуляторів знижується і поріг спрацьовування захисту від надмірного струму. Так, шунти, звісно, від цього не страждають, але, як я писав, в початковій схемі виникають додаткові втрати. Тепер струм спрацьовування захисту буде, найімовірніше, близько 12-17 А.
Можна було додати конденсатор у коло захисту, це допомогло б під час пікових стрибків струму, але в разі КЗ могло б спалити плату, тому залишив як є.

Загалом змінив номінал шунта, а також укомплектував усе це зарядним пристроєм. Зарядний пристрій найпростіший, струм указано 2 А, насправді там, найімовірніше, близько 1 А. Звісно, дешевий, але практика показала, що вони цілком надійні — посилання.

Єдине — вихідна напруга вища, ніж потрібно. Уже потім подумав, що треба було просто додати діод Шотткі послідовно з виходом, щоб не розкривати блок. Але подивлюся, може, ще перероблю.
Штекер підключення до машинки й полярність однакові, тож навіть якщо підключити старий зарядний пристрій, нічого поганого не станеться — просто акумулятор буде недозаряджений, бо на його виході 7.8 вольта замість 8.4, як у нового.


Висновки.
У самої переробки акумулятора лише переваги: машинка їде швидше й довше, акумулятор легший, заряджається швидко, та й просто служитиме довше. Ба більше, якщо використати звичайні 21700, які можна зварювати/паяти, то можна зробити акумулятор дуже великої ємності.
Щодо плати можу сказати, що загалом вона непогана, але як і навіщо вони втулили туди шунт на 80 А — для мене загадка. Причому цю плату я купував у 2018 році, і зараз її так і продають із тими самими резисторами. Загалом, отримаю ту, що замовив, подивлюся, що там за мікросхема і за якого струму спрацьовує захист.

Якщо коротко, то якщо чиясь дитина користується машинкою з подібним живленням, рекомендую замінити свинцевий акумулятор на літієві. Свинцевий акумулятор коштує приблизно стільки ж, а служить гірше й менше.

На цьому в мене все, сподіваюся, було корисно.