多通道电池测试仪的功率模块

随着“维修”项目逐渐收尾，我也慢慢有了时间继续做其他项目，于是先从多通道锂电池组测试仪开始。去年我就开始讲这个项目了。
整个项目分几个阶段，不过我先从最复杂、工作量最大的部分——功率模块入手。


提醒一下，朋友提出的要求是：能够给最高19S的锂电池组充电和放电。当然，20S是个更整齐的数字，但这个参数受可调电源的最高电压限制，所以只能做到这里。
19S就是4.2×19=79.8 V。电源最高能输出80 V（链接），剩下的0.2 V要留给导线等处的压降。

我想，很多（如果不是所有）使用大型电池组的人，即使没亲自遇到过，也肯定听说过“均衡”这个概念。
我说的大型电池组，比如平衡车用的电池组。它们出厂时外面只有两根线，但拆开电池后，就能看到一个引出电池组所有连接点的接口，也就是11个触点。通过这个接口可以绕过控制器，直接连接到各个电芯。


6S电池组还比较容易找到带均衡功能的充电器，比如iMax；但到了10S就麻烦多了，更不用说15S及以上的电池组，充电截止电压超过60 V！
比如下面照片里的这块电池，我就只能手动均衡，照片上正好能看到我操作时做的记录。


什么是均衡？
电池本身并不完美，而且使用过程中老化速度也各不相同，因此它们的容量和内阻会出现很大差异。电池组失衡本身并不危险，当然前提是装有保护板，但这会让你损失可用容量：过压保护会以电量最高的电池为准，欠压保护则会以电量最低的电池为准。根据我对这类电池的测试经验，一组失衡的电池可能只能放出1 Ah，而标称容量是4 Ah；均衡之后则能放出2.5～3 Ah。

均衡就是让各节电池的电压趋于一致。比如，可以把它们全部充满，或者全部放空，也就是让它们处于相同状态。

实现均衡有几种方法，最简单的是被动均衡。
绝大多数保护板都采用这种方案，因为它最容易实现。
当某节电池达到阈值电压后，电路就会接入一个电阻，让它承担一部分充电电流。在这节电池“奋力抵抗”的同时，其他电池就能继续充电，直到达到各自的最高电压。
下面是这篇文章里的几张图。

1. 某节电池的电量比其他电池高，或者容量稍小。
2. 如果直接充电，它的电压就会高于其他电池。
3. 均衡器分流一部分充电电流，防止电压超过上限。
4. 最终所有电池都能均匀充满。


这种均衡器可以直接集成在保护板上，图中用红色标出了它。


也有单独出售的均衡器，不过这两种方案都有一个很大的缺点：均衡电流通常只有50～60 mA左右，电池组失衡比较明显时就力不从心了。


此外还有主动均衡器，我以前也给无线电台做过类似的。


这种均衡器会把能量从电量较高的电池转移到电量较低的电池。电流很小，不过电路是全天候运行的，不只在充电时工作，所以即使这样也能起到作用。


举个例子，下面是我对主动均衡器的测试。经过几天，它就把各节电池的电压拉齐了。


如果觉得这种均衡方式太弱，也有大功率均衡器出售，原理相同，只是均衡电流约为1 A。我家里就放着这样一块电路板，打算写篇评测。缺点嘛，就是价格，唉。


还有一种办法，就是分别给每节电池充电，电池数量没有限制。可以使用小型充电模块，价格不算贵，不过这种方案也有缺点：
1. 电源必须有与充电通道数量相同的隔离输出
2. 充电电流是固定的，无法实时调整。


这个设备的设计目标是快速完成均衡，最好还能有灵活的工作模式，并且可以设置不同的充电电流。
因此我决定做一个均衡器与充电器的混合装置，充电电流希望能达到1.5-2 A。

设计以被动均衡器的原理为基础：电路通过一个阻值为50-100 Ω的电阻对电池进行分流，尽量限制电池电压。但采用电阻的方案有几个问题，我不太满意：
1. 灵活性差
2. 电阻散热不方便，电流为2 A、19S时，发热功率约为160 W！
3. 说来可能有些奇怪，但成本也是个问题。能安装在散热器上的大功率电阻也不便宜。

因此我决定采用大家熟悉的TL431和一个额外的晶体管，制作并联稳压器。
优点：
1. 灵活性高：无论电流是500 mA还是2 A，电路都能以相同方式限制电压；如果加强散热，我想电流还可以继续提高。
2. 晶体管本来就设计成可以安装在散热器上，因此固定方式很容易解决。
3. 晶体管比大功率电阻便宜。
4. 电路板尺寸更小。

这种稳压电路相当常见：可调稳压二极管检测输入电压，当电压超过设定值时，稳压二极管便开始导通功率晶体管，之后电路就在线性模式下工作。
本质上，这就是一个大功率、高精度稳压二极管，正是我需要的。


实际上，我做出来的是一台多通道充电器。输入电压需要高于4.2乘以电芯数量，并将电流限制在所需水平。
举例来说，我画了一个由6个通道组成的电路图，图中的稳压二极管符号表示上面展示的那个电路模块。

1. 可以连接全部6节电池。
2. 也可以按3S接法只连接3节。
3. 或者将3节电池连接到任意通道。

以上三种情况下，电池都会以设定的电流充电，直到电压达到4.2 V。
这种方案的缺点是，未使用的通道以及已经充满电的电池所在通道都会产生热量，因为稳压二极管会吸收所有多余的能量。
4. 为了解决这个问题，恒流源的正极输出可以连接到电池组中的任意位置。例如，对于3S电池组，可以将它接到最上面那节电池的正极。这样一来，电压可以设得更低；不过由于供电需要恒流源，直接保持原样也可以。 理论上，完全可以把输出电压设为80 V，再设定限流后直接使用，只是连接“悬空”的端子时会打火。


接下来我会介绍组装过程中的各个步骤，以及遇到的问题。

为了尽量避免质量和参数一致性方面的问题，我去了哈尔科夫的Cosmodrome，买了一些元件：



20只TL431稳压二极管——链接
20只BD438晶体管——链接
算下来每路大约10 UAH（$0.4），总共8美元。
此外，我还各买了几个微调电阻。


Texas Instruments的TL431，精度1%。
晶体管我挑了很久，需要PNP管，放大倍数合适、安装方便，而且耗散功率也要够。TO-220封装的型号大多不适合这个用途，最后买了SOT-32封装的BD438。国内无线电爱好者对这种封装应该不陌生，常见的КТ814-817就是这种封装。


我用飞线搭了个测试电路，电阻值是用这个链接里的程序算出来的。


没想到一上来效果就不错，不做任何调整，电流为0.5-1 A时，输出电压就达到了4.17 V（上面两张图）。
不过我还想做得更好，于是接上微调电阻，轻松调到了4.2 V。而且电流翻倍（从0.5 A升到1.0 A）时，电压只升高了1.6 mV！


遗憾的是，这个方案不适合用作主均衡器，因为电路自身的静态电流约为2-3 mA。


指示灯也没法接上。把LED接在稳压二极管和晶体管基极之间后，阈值电压会大幅升高，原因很简单：稳压二极管-LED-晶体管基极-发射极结这条支路的供电不够。


动作非常精准。比如，要让电流从接近0升到100 mA，只需把输入电压提高10 mV；继续升高电压，电流就会增至电源设定值，电源随即进入CC模式。
总之，这部分我很满意。


最终电路如下。分压电阻的阻值和精度都很关键。6.19 Ω这个阻值纯属偶然，店里没有更合适的型号，而且1%和5%精度的价格只差一点点。


接下来就是熟悉的流程：设计PCB、转印到覆铜板上、腐蚀、镀锡。
我忙着做电路板时，朋友买齐了其他元件，包括电阻、温控继电器等。


电阻的事折腾了很久。我想选好阻值，让微调电阻的阻值尽可能小，同时调节范围又不要太宽。
另外，我买的电阻精度都比较高，都是1%的，只有几个是5%的，不过它们的阻值并不太重要。买1 MΩ电阻是为了以备精细调整之需。


先组装一路，接通电源看看效果。我是在1 A电流下校准的。
1. 0.5 A
2. 1.0 A
3. 1.5 A

最大允许值是2.45 V，我觉得这个结果相当不错。


前面可以看到，我还买了4.99 kΩ电阻。当时想过不用微调电阻：用4.99 kΩ替换5.1 kΩ，再把微调电阻的引脚短接。下面以第二路为例。


这样工作起来也不错，电流为0.5 A时，电压正好是4.2 V。下面是电流为1 A和1.5 A时的结果。


电流随电压变化的特性非常好：左边电路中的电流几乎为0，右边已经达到约40-50 mA，而电压只差6 mV。

不过想了想，我还是放弃了这个方案，因为我最终还是想保留调节功能。



充电电流为2 A时，这个单元的耗散功率最高可达85 W，所以当然需要良好的散热。我就在同一家Cosmodrome买了一块大散热器和一个防护网罩。 风扇是从家里找出来的。


散热器有六片散热鳍片，鳍片表面还做了细密的刻纹，以改善散热效果。


这根300 mm长的散热器重将近1 kg。这种东西在国内买反而比从中国买更划算，我这根散热器花了8.5美元。


1. 长度比标称的300 mm略短
2. 高度接近35 mm
3、4. 中间部分厚7 mm，靠近边缘处厚4.5 mm。
散热器表面平整，没有凹坑。


宽度约83 mm，我特意单独拍了这张照片，好让大家看清鳍片之间的间距。


接下来嘛，俗话说得好——锯吧，舒拉，锯吧。费时又费劲，用普通钢锯慢慢锯。可惜店里所有规格中只有这个合适；还有一根100 mm的，但对我来说太短了，而150 mm的又没有。


换上电钻、钻头和丝锥，继续制造铝屑。
总共打了大约60个孔，其中大部分都攻了螺纹：
20个用于均衡器的晶体管
6个用于固定均衡器电路板
4个用于负载晶体管
4个用于固定负载电路板
8个用于风扇和护网
8个用于连接两块散热器
4个用于温控开关
8个用于连接温控开关的导线（多打了4个）

另外还要打4个孔来固定散热器本身，不过要等安装时再打。

结构很简单明了，我之前在另一台电子负载上成功验证过，只不过那台的散热器差一些，而且短了三分之一。
顺便试装了一下电子负载电路板和风扇。两块散热器之间留有5 mm间隙，80 mm风扇则固定在散热器底座上的孔位中。


负载用的是IRF640晶体管——链接，以及55度常开温控开关。


我通常主张让散热器与机壳绝缘，而不是让晶体管与散热器绝缘，但这次没法这么做。把散热器切成20块再逐一绝缘，肯定行不通。
最后我取了一条云母片，把它剥薄，涂上导热膏，再把晶体管先固定在一块电路板上。


保险起见，检查一下晶体管和散热器之间有没有导通。


把电路板装到晶体管引脚上。这是最麻烦的一步，我始终没想出更巧妙的办法，唉……


之后我在电路板和散热器之间留出5 mm间隙，把每个晶体管的一只引脚先焊上，然后小心地把电路板连同晶体管一起取下来。接着再把其余引脚焊好。


拧上、拧下螺丝，中间还试着钻了固定孔之后，我才意识到自己做错了。更方便的做法是：先不放云母片、不涂导热膏，直接把晶体管拧上，再焊好晶体管，钻出电路板的固定孔，最后才装云母片、涂导热膏。所以第二块电路板我就按这个顺序做了。


第一次通电，没有冒烟，也没有短路。电源输出电压接近42 V时，我测得电流为140 mA。


继续升高电压，电源进入CC模式，10个通道上的电压为42.057 V，也就是每个通道4.2057 V。
接下来我试着校准，但把电路板下方的触点（地）作为基准点，然后逐个调整通道，使电压分别达到4.2、8.4、12.6、16.8等。校准后测得42.015 V。总电压其实和实际情况并没有太大关系：有些通道调高了，另一些则调低了。 这显然只是“全院平均体温”。


顺便还发现一个问题：有一路无法校准，最低只能设到4.2086 V。
我试着更换了分压器的两个电阻，但没有效果。最后在上面的电阻两端并联焊接了一个1 MΩ电阻，就是之前提到过的那种。


另一路校准得很顺利，左边是校准前的电压，右边是校准后的。最后所有校准都是逐路进行的，而不是像我第一次那样以负极线为基准。


校准期间，散热器已经热得相当厉害了，风扇当时是关着的。


不过这里也少不了“意外”。校准时我就注意到有一路电压偏高，但很容易就调回了正常值。后来才发现，其中一个微调电阻是500Ω，而不是其他电阻的100Ω。


考虑到散热器不仅要给均衡器散热，还要给负载散热，我决定也对负载稍作改进。
我之前在另一篇评测里介绍过这个负载。


改动如下：
1. 将0.22Ω分流电阻换成0.5Ω（两个1Ω并联）。
2. 将1 nF补偿电容换成22 nF。小容量电容在某些条件下、搭配某些电源时会产生寄生振荡，表现为纹波增大。可以使用22–100 nF左右的电容。
3. 在风扇电源回路中串联一个120Ω电阻（两个240Ω并联），让风扇始终以低转速运转。原因是即使散热器是冷的，机箱内部仍有其他部件会发热，这些热量也需要排出机箱。
我原本想在电阻两端并联一个电容，帮助风扇启动，但暂时打消了这个念头，因为这样会增加热开关的负担，还得再加上1–2Ω左右的电阻。

左边是改进前，右边是改进后。



这就是最终做好的模块。选择这种散热方案，是因为负载和均衡器不会同时工作，一次只会用其中一个。两种情况下需要散掉的功率都差不多，大约为150–170 W。


热继电器并联连接。装两个只是因为有两路均衡器，它们不像负载那样，可能各自独立发热。
负载的晶体管是倾斜安装的，这是因为我没算准热继电器导线孔的位置。


俯视图。
对了，多圈电位器也得换掉，因为这里不需要很高的设定精度，严格来说，按0.5 A的电流步进调节就足够了。


简单测试一下。
先接上负载。更换分流电阻的阻值效果很好，搭配最常见的10S电池组时，耗散功率正好在150 W左右。也就是说，即使纯属误操作，也不会把负载烧坏。


不过温度方面不太理想。运行一段时间后，有些晶体管的温度会超过100℃，考虑到它们工作在线性模式，这就很糟糕了。
有意思的是，在负载板的热成像图中，右侧的分流电阻温度比其他电阻低，尽管它们两端的电压相同。


不过继续加热了一会儿并仔细观察后发现，实际温度更接近115–125℃。
我暂时认为问题出在TO-220封装太小，加上云母垫片后，散热跟不上。此外，我的负载装了两个风扇，其中一个风量很大，而这里用的只是普通的机箱风扇。
目前看来有两个解决办法：
1. 把晶体管换成TO-247封装的型号，例如IRFP460。
2. 换一个风量更大的风扇。

还有其他解决办法，不过考虑到实现复杂或效果有限，我就不考虑了。



现在接上均衡器的一半进行测试。我给它通了2 A电流，这是计划使用的最大值；实际电流大概会在0.5–1.5 A之间。 模块上的功耗接近85 W。


这里的情况要好得多。热继电器动作时，晶体管温度为72度，随后升至77度，之后几乎不再上升。由于这里使用的是双极型晶体管，这个工作温度完全正常，而且还有余量。


这样一来，最复杂的部分基本完成了。还有一些小问题，不过已经找到原因，很快就能解决，我会尽量在近期汇报进展。
目前最棘手的问题是发热，其他方面都运行得非常好，尤其是均衡器的表现让我很满意——也可以叫多通道充电器，随你怎么称呼。

和往常一样，欢迎提问和提出建议。