Плата защиты 4S 40А для LiFePo4

Недавно я выкладывал обзор LiFePo4 аккумуляторов типоразмера 32700, но как вы понимаете, эксплуатировать аккумуляторы без платы защиты нельзя, то соответственно заказал и её. Ну а раз уж она попала ко мне в руки, набросал небольшой обзор, вдруг кому-то будет полезно.


Для начала о цене, у продавца указана цена $3.95 плюс доставка $0.88 и в общем-то меня это устроило, думал заказать несколько плат, но при попытке заказать две платы, стоимость доставки поднимается до $3.79. Можно конечно сделать несколько заказов, но подумал и решил сначала попробовать, потому как у меня уже был случай когда вместо платы для LiFePo4 прислали обычную, может даже обзор набросаю.

Вообще путаница между платами LiFePo4 и LiIon встречается довольно часто, потому надо быть особенно внимательным и смотреть фотки в отзывах, потому что платы не взаимозаменяемы и переделать не получится.

В общем через некоторое время получил небольшой конверт с моей платкой.


На странице товара есть скриншот из даташита, где указано что плата имеет длительный ток в 40А, кратковременный 80А и задержку срабатывания защиты 150мс.


Продается плата в двух вариантах, с балансиром и без него, для работы в циклическом режиме (тот же электроинструмент) лучше брать версию с балансиром, для моей цели (замена кислотных в ИБП) подошла бы и обычная версия, но так как балансир мне никак не мешал, то решил что пусть будет.


Плата не имеет центрального контроллера защиты, т.е. по сути является более мощным и многоканальным аналогом обычных плат на базе DW01. Кто-то скажет что это плохо, возможно, но лично мне больше нравятся именно такие так как у них обычно нет проблем с восстановлением после аварийного отключения, когда приходится для восстановления подключать батарею к зарядному устройству.

На плате также установлено 10 штук транзисторов AOD472, имеющих сопротивление в открытом состоянии 6-9.5мОм, соответственно расчетное сопротивление силового узла 2.4-3.8мОм при максимальном токе до 275А.
Токоизмерительного шунта на плате нет, его роль выполняют силовые транзисторы, как это реализовано и у DW01. В принципе здесь нет ничего необычного, но если вы захотите уменьшить (или увеличить) ток срабатывания, то надо соответственно убрать (или установить) часть транзисторов.


Собственно узел защиты и балансировки.


Снизу только маркировка, но уже заметно что дорожки не только широкие, но и продублированы переходами между сторонами платы, также это улучшает отвод тепла.


Вообще плата изначально предназначена именно для электроинструмента, на странице продавца есть даже довольно неплохое описание, пусть и в гуглопереводе.


Для теста я взял четыре аккумулятора, выбирал по минимальному сопротивлению, емкость не измерялась, просто зарядил все одинаково.


Ширина платы как раз соответствует ширине двух аккумуляторов 32700, можно использовать как в сборках где аккумуляторы стоят в длину, так и в ширину, если так можно выразиться.


Схема подключения предельно проста, обычная сборка их четырех последовательно включенных аккумуляторов. Продавец показал сборку 4S2P, я для теста решил пока ограничиться вариантом 4S1P.


Сначала при помощи вспененного двухстороннего скотча склеил аккумуляторы между собой, потом зафиксировал все это обычным скотчем.


Лепестки завернул так, чтобы нахлест попадал на минусовой контакт, в этом случае даже если при пайке его перегреть и проплавить термоусадку, то ничего опасного не случится.


Ну а дальше вообще банально, приклеил на двухсторонний скотч кусочек картона, потом на тот же двухсторонний скотч приклеил плату с припаянными силовыми проводами. Провода лучше припаять заранее чтобы не греть плату уже установленную на аккумуляторы.
После этого распаял балансировочные провода, на этом сборку батареи можно считать почти оконченной, не хватает только общей термоусадки, но я её использовать не буду так как это просто тест.


В рабочий режим плата перешла сразу, принудительно «толкать» подключением к зарядному не пришлось. Для первых тестов использовалась нагрузка EBC-A10H, ток до 10А, мощность до 150Вт, что как раз подходит для данной сборки.


Предварительный заряд и здесь сразу вылез «нюанс», по умолчанию у нагрузки заряд в режиме LiFePo4 настроен на падение тока до 50мА, а так как здесь ток балансировки 100мА, то в таком режиме она будет заряжать вечно, потому для более корректного отключения надо выставлять ток 100мА + ток окончания.


Температура резисторов через примерно 20 минут составила около 80 градусов, как по мне, то многовато, думаю не помешал бы дополнительный слой картона между платой и аккумулятором.


Для более правильной балансировки надо бы выдержать некоторое время, но мне ждать не хотелось, потому я перешел к тесту измерения емкости.
При разряде током 10А я получил 5685мАч или 68Втч из которых 65Втч пришлись на диапазон 10-14В. Отключила разряд плата защиты, а не нагрузка.


Суммарное падение напряжения на плате защиты составило около 50мВ при токе 10А, при этом напряжение имеет тенденцию к росту, за примерно 3 минуты разряда оно поднялось на 1мВ.


В процессе тестов я контролировал напряжение на аккумуляторах, после отключения разряда самое высокое было на третьем элементе, самое низкое на четвертом, потому для более корректного измерения напряжения отключения я буду проверять именно на нем.


Был запущен разряд током 5А с контролем напряжения, тестер показал что плата отключилась при 2.09В, что практически соответствует параметрам из описания.


После этого аккумулятор был полностью заряжен для проверки напряжения отключения по перезаряду.


Поначалу самое высокое напряжение было на четвертом аккумуляторе, но потом я заметил что сначала оно поднялось примерно до 3.71В, а затем начало снижаться и за небольшое время снизилось до 3.70В. Т.е. здесь можно наблюдать процесс балансировки, от превышения напряжения данный канал удерживает балансир, а в этом время малым током заряжаются остальные аккумуляторы.


Но на самом деле для того чтобы напряжение на аккумуляторах уравнялось надо выставлять не очень большой ток заряда и выдерживать сборку при напряжении окончания некоторое время. Кроме того, при неотбалансированной батарее это может вызывать срабатывание защиты.
В моем случае ток заряда был 4А, потому к «финишу» сборка все равно пришла несбалансированной, напряжения на аккумуляторах 1-2-3-4.


1. На момент когда я отключил заряд, т.е. когда ток заряда упал до 110мА и фактически вся энергия рассеивалась на балансирах, на первом аккумуляторе было 3.73В.
2. После этого я спровоцировал срабатывание защиты установив напряжение окончания заряда на уровне 15В вместо требуемых 14.6. Плата отключилась при 3.76В вместо заявленных 3.75, что вписывается в заявленные характеристики.


Следующим этапом была попытка определить ток срабатывания защиты от перегрузки, для чего я подключил сборку к нагрузке с максимальным током в 30А.
Первые секунд 20 все шло нормально, но потом услышал небольшой щелчок и у нагрузка отключилась по падению напряжения ниже установленного ограничения.


Оказалось что пайка сработала как термопредохранитель. Припой расплавился и один лепесток за счет пружинящих свойств отошел.


Ладно, пропаял повторно, попутно добавив припоя и запустил тест еще раз. Теперь 30А сборка отдавала нормально, правда лепестки ощутимо грелись.
Но я посчитал что 30А как-то маловато и подключил вторую нагрузку, выставил на ней ток 10А, потом запустил первую с током 30А, получив суммарно около 40А. После этого начал на второй нагрузке поднимать ток (первая уже была на максимуме).
Через совсем небольшое время первая нагрузка отключилась опять так как напряжение упало ниже установленного минимума, а от одного из лепестков пошел дым. Тест пришлось остановить, на момент отключения суммарный ток был около 50-55А.


1. После аварийного отключения и осмотра выяснилось что лепестки грелись до такой температуры, что появились цвета побежалости, т.е. в месте нагрева металл потемнел.
2. Немного поближе. Четко видно место где нагрев был максимальным.
3. Что интересно, с другой стороны сборки такого нет, т.е. перегрелись два соединения из трех.
4. Нагрев был настолько большим, что проплавило и специальный скотч и часть термоусадки аккумулятора.


И вот здесь я немного напрягся, потому как такой нагрев уж точно ненормален. Соответственно решил проверить сопротивление соединений и получил интересные данные:
1, 2, 3. Сопротивление стыков 1-2, 2-3, 3-4, видно что у стыка 2-3 сопротивление меньше и выше я как раз писал что он и грелся меньше двух других, так что это явно не случайность.
4. Общее сопротивление батареи без учета платы защиты. Сами аккумуляторы имеют около 7мОм и еще около 12 добавили соединения между ячейками.
5. Сопротивление платы защиты без учета подводящих проводов, т.е. силовые транзисторы + дорожки на плате. При тесте с током 10А я примерно такое и получил (51мВ \ 10А = 5.1мОм).
6. Общее сопротивление батареи с учетом самих ячеек, соединений, проводов и платы защиты.


Интересно что на странице товара была даже табличка что делать если что-то не работает, сохранил на всякий случай.


Позже я подержал сборку при токе 100мА примерно с час и получил такие результаты, слева результаты полученные ранее, справа через час «выдержки»
3.709 — 3.682
3.614 — 3.636
3.595 — 3.654
3.678 — 3.639

Думаю заметно, что напряжение понемногу выравнивается.

Ну а теперь можно перейти к более наглядному эксперименту, для этого берем старенький бесперебойник.


Вообще у меня их два и вполне возможно вы узнали эти довольно популярные УПСы. У обоих довольно давно умерли батареи, причем у одной даже треснул корпус.


Если вам показалось что на фото две одинаковые модели, то вы ошибаетесь, слева на 400ВА, справа на 600ВА.


Фактическое отличие у них только в емкости аккумулятора, у 400ВА модели он был 4Ач, а у 600ВА соответственно 7Ач. Да, есть еще небольшие отличия в платах, но по большому счету они ничем особо не отличаются, а трансформаторы имеют одинаковый габарит. Менее мощная модель попала ко мне случайно, кто-то подарил. Когда открыл и сравнил, то понял что вполне можно и в неё поставить 7Ач аккумулятор, практика эксплуатации показала что работает он там отлично.


Отключаем штатный аккумулятор и подключаем вместо него сборку LiFePo4. Нажимаем на волшебную кнопочку и после звукового сигнала и щелчка реле ИБП переходит на питание от батареи.


Для проверки подключаю к нему лампу 150Вт, хотя реально она по моему 125Вт, но для эксперимента это уже не так важно. Важно что все работает, хотя может быть и проблема, если аккумулятор разрядится так что сработает защита по переразряду у платы защиты, а не самого ИБП, то в случае с «умной» платой возможно придется вскрывать ИБП потому как он вполне может не включиться. «Глупая» плата скорее всего восстановит питание и будет ждать появления зарядного тока, но это все зависит от ИБП и надо проверять с каждым индивидуально.

В таком виде погонял немного, так как греется лампа весьма ощутимо. Кроме того ощутимо грелись и перемычки на батарее так как ток был около 15А.


Подключаем ИБП к сети и соответственно запускаем процесс заряда. Стартовое напряжение было около 13.27В, через какое-то время оно поднялось до 13.63 и дальше не менялось. Ток заряда в самом начале был порядка 250-300мА, но думаю это из-за того что напряжение на батарее было близко к напряжению окончания заряда.


Получается что в данной модели ИБП напряжение окончания заряда из расчета на одну ячейку выходит 3.40В, маловато, но посмотрим график, где я сравнивал емкость при разных напряжениях окончания заряда, там же был и такой тест.
Из графика видно что при разряде я получу около 5700мАч, единственный минус, заряд будет очень долгим, отчасти затянутым еще и из-за того что в ИБП не четырехпроводное подключение аккумулятора.


Выводы.
В общем-то к плате замечаний у меня нет, единственно не смог проверить ток срабатывания защиты, жаль. В остальном все работает, причем измеренные значения соответствуют указанным в описании.

А вот к аккумуляторам, а точнее к их лепесткам, замечания есть. Да, на самом деле моя сборка не рассчитана на такие токи и по хорошему надо применить хотя бы вариант 4S2P, а еще лучше 4S3P, но как-то я даже не ожидал что лепестки имеют такое высокое сопротивление. Фактически при сопротивлении самого аккумулятора в 7мОм сопротивление лепестков 4-4.5мОм выглядит просто гигантским и это однозначно надо исправлять либо заменой лепестков, либо дублированием и при помощи пропайки проводом.

Эксперимент с ИБП был отчасти условным, так как батарея планировалась для совсем другого бесперебойника, а кроме того при использовании такой сборки в классических типах возможна проблема. Дело в том, что если у обычного ИБП отключить батарею, то скорее всего он даже не будет стартовать, а так как плата защиты вполне может это сделать штатно, то вполне можно получить такую ситуацию. С другой стороны, если ИБП будет отключаться раньше чем срабатывает плата защиты, то подобное маловероятно и произойдет лишь в случае когда будет большой разбаланс ячеек.

На этом у меня все, надеюсь что было полезно :)