Силовий модуль для багатоканального тестера батарей

У зв’язку з поступовим завершенням проєкту "ремонт" у мене потроху почав з’являтися час для продовження інших проєктів, і почав я з багатоканального тестера збірок літієвих акумуляторів, про який почав розповідати ще минулого року.
Етапів буде кілька, але почав я з найскладнішого й найоб’ємнішого — силового модуля.


Нагадаю, товариш поставив завдання — забезпечити можливість заряджання та розряджання збірок літієвих акумуляторів до 19S. Звісно, 20S було б круглим числом, але цей параметр обмежений максимальною напругою регульованого блока живлення, тому довелося зупинитися на цьому значенні.
19S — це 4.2х19=79.8 Вольта, джерело може видати максимум 80 Вольт (посилання), 0.2 Вольта залишається на падіння напруги на проводах тощо.

Думаю, багато хто (якщо не всі), хто експлуатує великі акумуляторні збірки, якщо й не стикався особисто, то напевно чув про таке поняття, як балансування.
Під великими акумуляторами я маю на увазі, наприклад, збірки для гіробордів. Спочатку зовні вони мають лише два дроти, але якщо розкрити акумулятор, то видно роз’єм, до якого виведені всі контакти збірки, тобто 11 контактів. Цей роз’єм дає змогу під’єднатися безпосередньо до комірок, оминаючи контролер.


І якщо для акумуляторів 6S ще можна знайти зарядний пристрій із балансуванням, наприклад той самий iMax, то з 10S усе набагато складніше, не кажучи вже про варіанти на кшталт 15S і більше, де напруга завершення заряджання перевищує 60 Вольт!
Наприклад, такий акумулятор, як на фото нижче, мені довелося балансувати вручну — там якраз видно мої записи під час роботи.


Що ж таке балансування?
Акумулятори самі по собі не ідеальні, до того ж у процесі роботи вони старіють по-різному, через що їхня ємність і внутрішній опір починають сильно відрізнятися. Саме по собі розбалансування акумулятора не є небезпечним, якщо, звісно, у вас встановлена плата захисту, але при цьому ви втрачаєте ємність: вимкнення за верхньою межею відповідатиме найбільш зарядженому акумулятору, а за нижньою — найбільш розрядженому. Мій досвід перевірки подібних акумуляторів свідчить, що розбалансований акумулятор може віддавати, наприклад, 1Ач із заявлених 4, а після балансування — 2.5-3Ач.

Балансування — це процес вирівнювання напруги на акумуляторах. Наприклад, можна або повністю зарядити їх усі, або повністю розрядити, тобто привести до однакового стану.

Зробити це можна кількома способами, найпростіший — пасивний.
Такий варіант застосовується на переважній більшості плат, оскільки його найпростіше реалізувати.
Коли акумулятор досягає порогової напруги, його починає навантажувати резистор, який бере на себе частину зарядного струму. Поки цей акумулятор «бореться», інші встигають зарядитися до свого максимуму.
Далі — кілька картинок із цієї статті.

1. Один з акумуляторів або заряджений більше за інші, або має трохи меншу ємність.
2. У разі звичайного заряджання напруга на ньому буде вищою, ніж на інших.
3. Балансир відбирає частину зарядного струму, не даючи напрузі піднятися вище максимального значення.
4. У результаті всі акумулятори заряджені рівномірно.


Такий балансир може бути безпосередньо на платі захисту, тут його виділено червоним.


Також їх продають окремо, але і ті, й інші мають суттєвий недолік: струм балансування в них обмежений приблизно 50-60мА, і за помітного розбалансування вони вже не справляються.


Крім того, існують активні балансири, подібні я робив для радіостанцій.


Такий балансир перекачує енергію від зарядженого акумулятора до розрядженого. Струм дуже малий, але оскільки схема працює цілодобово, а не лише під час заряджання, то навіть так вона допомагає.


Для прикладу наведу свій тест активного балансира: за кілька днів він вирівняв напругу на акумуляторах.


Для тих, кому такий режим видається заслабким, продаються потужні балансири, які працюють за тим самим принципом, але струм балансування в них становить близько 1 Ампера. У мене вдома лежить така плата, і я планую написати про неї огляд. Недолік — ціна, на жаль.


Ще один варіант — заряджати кожен акумулятор окремо; обмежень щодо кількості акумуляторів немає. Можна використати невеликі плати зарядних пристроїв, коштують вони не дуже дорого, але такий варіант має свої мінуси:
1. Блок живлення повинен мати стільки гальванічно ізольованих виходів, скільки каналів потрібно заряджати
2. Струм заряджання фіксований, і оперативно змінити його не можна.


У цьому пристрої я мав на меті швидко виконувати балансування, бажано мати гнучкий режим роботи й можливість задавати різний струм заряджання.
Тому вирішив зробити щось на кшталт гібрида — балансира-зарядного пристрою. Струм заряджання хотілося мати до 1.5-2 А.

За основу взяв принцип пасивного балансира, у якому схема намагається обмежити напругу на акумуляторі, шунтуючи його через резистор опором 50-100 Ом. Але схема з резисторами мене не влаштовувала з кількох причин:
1. Мала гнучкість
2. Незручно відводити тепло від резисторів: за струму 2 А і 19S це близько 160 Вт!
3. Як би дивно це не здавалося, але й ціна: потужні резистори з можливістю встановлення на радіатор теж коштують не копійки.

Тому вирішив зробити паралельний стабілізатор напруги на основі відомої TL431 і додаткового транзистора.
Переваги:
1. Більша гнучкість: схема однаково обмежує напругу і за 500 мА, і за 2 А, а за додаткового охолодження, думаю, струм можна ще збільшити.
2. Транзистори від початку розраховані на кріплення до радіатора, тому питання з монтажем вирішується просто.
3. Транзистор коштує дешевше, ніж потужний резистор.
4. Менші габарити плати.

Схема стабілізатора досить відома: регульований стабілітрон вимірює напругу на вході. Коли напруга піднімається вище заданого рівня, стабілітрон починає відкривати силовий транзистор, після чого схема просто працює в лінійному режимі.
По суті, це просто аналог потужного й точного стабілітрона — саме те, що потрібно.


Фактично в мене виходить багатоканальний зарядний пристрій, на вхід якого треба подати напругу, більшу за 4.2 × кількість комірок, і обмежити струм на потрібному рівні.
Для прикладу я намалював схему на 6 каналів; стабілітронами позначені вузли, схему яких я показав вище.

1. Можна підключити всі шість акумуляторів.
2. Можна підключити лише три за схемою 3S.
3. Або три акумулятори до довільних каналів.

У всіх трьох варіантах акумулятори заряджатимуться заданим струмом до напруги 4.2 В.
Недоліком такого рішення буде тепло, що розсіюється на невикористовуваних каналах або там, де акумулятори вже заряджені, адже стабілітрони почнуть забирати на себе всю зайву енергію.
4. Щоб розв’язати цю проблему, плюсовий вихід джерела струму можна буде підключати до довільної точки збірки. Наприклад, у випадку з батареєю 3S його можна підключити до плюса верхнього акумулятора. У такому разі напругу можна задати меншою, але оскільки для живлення потрібне джерело струму, можна просто залишити все як є. Формально можна взагалі виставити на виході всі 80 вольт, обмежити струм і так користуватися — просто іскритиме під час під’єднання «плаваючої» клеми.


Далі я описуватиму етапи складання та проблеми, з якими зіткнувся в процесі.

Щоб мати менше проблем і з якістю, і з однаковістю параметрів, зайшов до нашого харківського Космодрому й закупився деталями:



20 шт. стабілітронів TL431 — посилання
20 шт. транзисторів BD438 — посилання
Вийшло приблизно по 10 грн ($0.4) на канал, разом 8 доларів.
Крім того, купив по парі підлаштувальних резисторів.


TL431 від Texas Instruments, точність 1%.
Транзистори вибирав довго: потрібен був PNP із нормальним коефіцієнтом підсилення, зручним кріпленням і потужністю розсіювання. До того ж варіанти в корпусі TO-220 здебільшого не підходили для цього завдання. Зрештою купив BD438 у корпусі SOT-32, знайомішому нашим радіоаматорам за відомими КТ814-817


Навісним монтажем накидав конструкцію для тестування, резистори розрахував у програмі за цим посиланням.


Власне, навіть одразу вийшло непогано: без жодного підлаштування я отримав 4.17 Вольта за струму 0.5-1А (два верхні фото).
Але хотілося краще, тому під’єднав підлаштувальний резистор і без проблем виставив 4.2. Причому збільшення струму вдвічі (з 0.5 до 1.0А) підвищує напругу лише на 1.6мВ!


На жаль, такий варіант не підходить для роботи як основний балансир, оскільки власний струм споживання схеми становить близько 2-3мА


Не вдалося також під’єднати й індикацію: після встановлення світлодіода між стабілітроном і базою транзистора порогова напруга сильно зростала — схемі просто не вистачало живлення в колі «стабілітрон — світлодіод — перехід Б-Е транзистора».


Спрацьовування дуже точне: наприклад, щоб перейти від майже нульового споживання до 100мА, достатньо збільшити вхідну напругу на 10мВ. Подальше збільшення напруги підвищує струм до встановленого на БЖ, і він переходить у режим CC.
Загалом тут мені все сподобалося.


У підсумку вийшла така схема. Резистори подільника критичні і до номіналу, і до точності. Резистор на 6.19 Ома вийшов випадково: у магазині не знайшлося відповіднішого, а різниця в ціні між 1% і 5% була копійчана.


Ну а далі — знайомий процес: трасую друковану плату, переношу на текстоліт, травлю, луджу.
Поки займався платою, товариш купив решту деталей: резистори, термореле тощо.


З резисторами все затягнулося надовго: хотів підібрати номінали так, щоб підлаштувальний резистор мав якомога менший опір і водночас забезпечував не надто широкий діапазон регулювання.
Крім того, купував точні резистори — 1%, кілька штук на 5%, але їхній опір узагалі не має великого значення. Резистори номіналом 1МОм купив про запас для точного підлаштування.


Збираємо один канал, подаємо живлення й дивимося, що виходить. Я калібрував за струму 1А.
1. 0.5А
2. 1.0А
3. 1.5А

З огляду на те, що максимум допускається до 2.45 Вольта, на мій погляд, вийшло непогано.


Вище було видно, що я також купив резистори на 4.99кОм. Була ідея обійтися без підлаштувального резистора: у такому разі 4.99кОм ставиться замість 5.1кОм, а контакти підлаштувального резистора замикаються. Нижче це показано на прикладі другого каналу.


Власне, і так працює непогано: за струму 0.5А вийшло рівно 4.2 Вольта, далі — результати для струму 1 і 1.5А.


Залежність струму від напруги просто чудова: ліворуч струм у колі майже нульовий, праворуч — уже близько 40-50мА, а різниця напруги становить лише 6мВ.

Але, подумавши, я вирішив відмовитися від такого варіанта, бо все-таки хотів залишити можливість регулювання.



Оскільки потужність, що виділяється на цьому вузлі за струму заряджання 2 Ампера, може сягати 85 Ватт, звісно, потрібне нормальне охолодження. Для цього в тому ж Космодромі купив великий радіатор і захисну решітку. Вентилятор знайшов удома.


Радіатор має шість ребер, причому самі ребра мають дрібні насічки для поліпшення тепловідведення.


Радіатор завдовжки 300мм важить майже кілограм. Той випадок, коли в нас купувати такі речі вигідніше, ніж у Китаї: радіатор обійшовся мені в 8.5 долара.


1. Довжина трохи менша за заявлені 300мм
2. Висота майже 35мм
3, 4. Товщина тіла посередині — 7мм, ближче до краю — 4.5мм.
Поверхня радіатора рівна, пласка, без вибоїн.


Ширина близько 83мм. Я спеціально зробив це фото окремо, щоб було видно відстань між ребрами.


Далі, як то кажуть, — Пиляйте, Шуро, пиляйте. Довго, нудно, звичайною ножівкою по металу. На жаль, у магазині з усіх варіантів підійшов саме цей. Був ще 100мм, але він був закороткий, а 150мм не було.


Міняємо ножівку на шуруповерт, свердла й мітчики та продовжуємо генерувати алюмінієву стружку.
Загалом у мене вийшло близько 60 отворів, більшість — із різьбою:
20 штук під транзистори балансира
6 — кріплення плати балансира
4 — транзистори навантаження
4 — кріплення плати навантаження
8 — вентилятор і решітка
8 — з'єднання радіаторів між собою
4 — термовимикач
8 — дроти до термовимикача (4 виявилися зайвими)

Ще залишилося 4 отвори для кріплення самого радіатора, але їх зроблю вже на місці встановлення.

Конструкція зрозуміла й проста, я успішно випробував її на попередньому навантаженні, але там радіатор був гірший і в півтора раза коротший.
Заодно приміряв плату електронного навантаження та вентилятор. Зазор між радіаторами — 5мм, при цьому вентилятор 80мм кріпиться в отвори в основі радіатора.


Для навантаження купив транзистори IRF640 — посилання, термовимикачі на 55 градусів, нормально розімкнуті.


Зазвичай я виступаю за ізоляцію радіатора від корпусу, а не транзисторів від радіатора, але в цьому випадку так не виходило: розрізати радіатор на 20 частин і потім ізолювати їх точно не вдасться.
Зрештою взяв смужку слюди, розшарував її до тонкого стану, наніс пасту й наживив транзистори для однієї плати.


Про всяк випадок перевіряємо, чи немає контакту транзисторів із радіатором.


Установив плату на виводи транзисторів — найнеприємніший момент, і я так і не придумав, як зробити це елегантніше, на жаль...


Після цього виставив зазор 5мм між платою та радіатором, припаяв по одному виводу кожного транзистора й обережно зняв плату разом із ними. Потім припаяв решту виводів.


Коли прикручував, відкручував і в проміжках свердлив отвори під кріплення, то зрозумів, що робив неправильно. Зручніше спочатку просто прикрутити транзистори без слюди й пасти, потім припаяти їх, просвердлити отвори для кріплення плати й лише тоді встановити слюду та нанести пасту. Тому з другою платою я зробив саме так.


Перше ввімкнення: нічого не задимілося, не закоротило, і за майже 42 Вольта на виході БЖ я отримав струм 140мА.


Підвищуємо напругу, БЖ перейшов у режим СС, напруга на 10 каналах — 42.057 Вольта, або 4.2057 на канал.
Далі спробував відкалібрувати, але за точку відліку взяв нижній контакт плати (землю), а потім підлаштовував канали так, щоб було 4.2, 8.4, 12.6, 16.8 тощо. Після калібрування вийшло 42.015 Вольта. Загальна напруга насправді не дуже залежала від реального стану справ: на одних каналах підвищував, на інших знижував. наочно «середня температура по лікарні».


Заодно вилізла проблема: один канал не вдавалося відкалібрувати, мінімум, який виходило виставити, становив 4.2086 Вольта.
Спробував замінити обидва резистори подільника — безуспішно. Зрештою припаяв паралельно до верхнього резистора ще один, номіналом 1 МОм, про них я згадував раніше.


З другим каналом усе пройшло чудово: ліворуч напруга до калібрування, праворуч — після. Зрештою всі калібрування виконувалися поканально, а не відносно мінусового дроту, як я робив уперше.


Поки калібрував, радіатор встиг добряче нагрітися, вентилятор був вимкнений.


Але й тут не обійшлося без «нюансів». Ще під час калібрування я звернув увагу, що на одному каналі завищена напруга, але без проблем повернув її до норми. Пізніше з'ясувалося, що один із підлаштувальних резисторів виявився на 500 Ом, а не на 100, як решта.


Оскільки планується відводити на радіатор тепло не лише від балансирів, а й від навантаження, вирішив трохи доопрацювати і його.
Про навантаження я розповідав раніше в іншому огляді.


Внесені зміни:
1. Шунти 0.22 Ома замінено на 0.5 Ома (1+1 паралельно).
2. Конденсатори корекції номіналом 1нФ замінено на 22нФ. З конденсаторами малої ємності за певних умов і з деякими блоками живлення виникає паразитна генерація, що проявляється як підвищені пульсації. Можна встановити конденсатори приблизно на 22-100нФ.
3. Послідовно в коло живлення вентилятора ввімкнув резистор 120 Ом (240+240 паралельно), щоб він постійно обертався на малих обертах. Річ у тім, що навіть коли радіатор холодний, усередині корпусу є чому нагріватися, і це тепло треба виводити з корпусу.
Думав поставити паралельно резисторам конденсатор, щоб полегшити запуск вентилятора, але поки передумав, оскільки це збільшує навантаження на термовимикачі. Треба додати ще резистори приблизно на 1-2 Ома.

Ліворуч до доопрацювання, праворуч — після.



Ось, власне, і готовий модуль. Таку схему відведення тепла обрано тому, що одночасно працює лише щось одне: навантаження або балансир. При цьому потужність, що відводиться, в обох випадках приблизно однакова — 150-170 Ватт.


Термореле ввімкнені паралельно. Два встановлено лише через балансири, оскільки, на відміну від навантаження, вони можуть нагріватися незалежно одне від одного.
Транзистори навантаження встановлені під нахилом через мій прорахунок із місцем свердління отвору для дротів до термореле.


Вигляд згори.
До речі, багатообертовий резистор теж треба буде замінити, адже висока точність налаштування не потрібна, і, по суті, вистачило б ступінчастого регулювання з кроком 0.5А за струмом.


Трохи тестів.
Спочатку під'єднуємо навантаження. Зміна номіналів шунтів виявилася дуже вдалою: з найпоширенішими батареями 10S потужність розсіювання якраз становить близько 150 Ватт. Тобто навіть випадково спалити навантаження не вийде.


А от із температурою не все гаразд. Згодом деякі транзистори нагріваються вище сотні градусів, що з огляду на роботу в лінійному режимі зовсім погано.
Цікаво, що на термознімку плати навантаження шунти праворуч мають нижчу температуру, ніж решта, хоча напруга на них однакова.


Але, давши їй ще трохи попрацювати й придивившись уважніше, з'ясував, що реальна температура ближча до 115-125 градусів.
Поки що звинувачую в цьому малий корпус ТО-220, який через слюдяну прокладку не встигає відводити все тепло. Крім того, у моєму навантаженні встановлено два вентилятори, один із яких має високу продуктивність. Тут же використано звичайний корпусний комп'ютерний вентилятор.
Поки що напрошуються два рішення проблеми:
1. Замінити транзистори на щось у корпусі ТО-247, наприклад IRFP460
2. Встановити продуктивніший вентилятор.

Є й інші варіанти розв'язання проблеми, але я їх не розглядаю через складність/низьку ефективність.



Тепер під'єднаємо одну половину балансира. Для тесту я подав струм 2 Ампери — максимальний, який планується використовувати; насправді струм буде радше в діапазоні 0.5-1.5А. На модулі розсіюється майже 85 Вт.


Ну, тут усе набагато краще: на момент увімкнення термореле температура на транзисторах становить 72 градуси, потім піднімається до 77 і далі майже не зростає. А оскільки в цьому випадку транзистори біполярні, для них це цілком нормальна робоча температура, ще й із запасом.


Отже, найскладніший вузол майже готовий. Є дрібні недоробки, але висновки зроблено, і найближчим часом проблему буде усунуто, про що я постараюся відзвітувати найближчим часом.
Поки що найскладніший момент — нагрівання, а в усьому іншому все працює просто чудово. Особливо сподобалася робота балансира, або багатоканального зарядного пристрою — кому як більше до вподоби.

Як завжди, буду радий запитанням і побажанням.