4S конденсаторный балансир и немного о его устройстве

Это уже третий обзор активного балансира и второй обзор конденсаторного, он же ёмкостной. В прошлый раз я сделал больше акцент о самой работе, но почти ничего не рассказал о механизме работы и сегодня это упущение будет исправлено.



Брал я данный балансир вместо индуктивного, так как он показался мне довольно слабым, тем более что планировалось использовать его с ёмкими аккумуляторами, впрочем не буду затягивать, перейду к обзору.

Упакован в небольшой антистатический пакет.


Из описания со страницы магазина

Сбалансированное пусковое напряжение: 3,0-4,2 В
Сбалансированное оконечное напряжение: 2,9 В (переход в спящий режим при пониженном напряжении)
Точность баланса: ≤ 5 мВ
Ток сна: ≤ 1 мА
Максимальный ток баланса: разница напряжения 0,1v1a; 0.5v3.5a; 1.0v5.5a

но к сожалению не все так красиво, об этом в конце обзора.

Внутри плата балансира и провода со штекером для подключения к плате. Длина проводов около 20см, при этом провода очень жесткие и не сказал бы что большого сечения.


С верхней стороны почти всю площадь платы занимает десяток полимерных конденсаторов емкостью 2200мкФ на 6.3 вольта.
Кроме разъема на плате также имеются отверстия для припаивания проводов и я рекомендую использовать именно их, тогда можно использовать провода большего сечения.


Если перейти по ссылке в магазин, то внимательные читатели заметят некоторое отличие фотографии на странице товара и платы в обзоре.
В магазине показана плата с девятью конденсаторами и без разъема, я получил плату с десятью и с разъемом. Фото для заголовка пришлось в итоге искать на алиэкспресс.


Обратная сторона платы занята еще больше, вверху четыре предохранителя, ниже 16 транзисторов, еще ниже драйверы и генератор импульсов.


Перед тем как перейти к более детальному описанию сравнение с предыдущей протестированной платой, она была для 6S сборок, потому деталей почти в полтора раза больше.


Но замечу что кроме количества была разница и в самих компонентах, на правой плате транзисторы явно мощнее, кроме того имеется DC-DC преобразователь, а также для защиты плата покрыта лаком.


А вот то, о чем меня спрашивали в комментариях к предыдущему обзору, схема, ну и попутно попробую пояснить как вся эта «кухня» работает.

Для начала общая схема, в реальности на плате деталей примерно на пару десятков больше, не показаны мелкие керамические конденсаторы которые стоят по питанию каждого чипа и параллельно восьми полимерных конденсаторов.

Чтобы проще было понять схему, цветом выделил цепи первого и четвертого канала. Как видно, генератором импульсов является чип от Microchip популярный таймер NE555, далее импульсы идут на четыре драйвера полевых транзисторов ну и потом на силовые ключи.


Ну а так как на полной схеме сложно разглядеть как что включено, то оставил для примера только задающий генератор, один драйвер и один комплект ключей.


Пускай вас не смущает то, что входы драйвера соединены вместе, у примененного EG2131 они инверсны относительно друг друга, т.е. при подаче логической единицы открывается верхний ключ, при подаче нуля открывается нижний. Решение простое и удобное, защитная пауза формируется судя по всему силами самого драйвера.


В качестве силовых ключей применены IRF7455 с сопротивлением открытого канала 7.5мОм.


Теперь о принципе работы.
Если убрать все лишнее со схемы и оставить только силовой узел, а его также для упрощения заменить на выключатели, то это будет выглядеть как-то так.
Верхние ключи включаются синхронно и в противофазе с нижними.


Принцип работы предельно прост и разбит на два такта. Из-за особенностей драйверов первым идет открытие нижнего ключа, но для просты понимания я покажу так, как будет нагляднее.
1. Верхние и средние конденсаторы через ключи соединены параллельно, при этом каждый канал включен последовательно. Напряжение на конденсаторах равно напряжению на ячейках.
2. Верхние ключи размыкаются и замыкаются нижние, все конденсаторы соединяются параллельно, напряжение на них выравнивается, т.е. более заряженные отдают энергию менее заряженным.
3. Нижние ключи размыкаются и замыкаются верхние, те конденсаторы которые отдали часть энергии опять заряжаются от ячеек с более высоким напряжением, а те которые получили энергию, отдают её ячейкам с меньшим напряжением.

На схемах показан первый и второй такт, далее они просто чередуются. Схема работает постоянно пока есть питание и в отличие от индуктивного балансира не передает заряд от 1 к 2 ячейке, потом от 2 к 3, от 3 к 4 и т.д, а выравнивает сразу всю батарею.


Частота работы около 7кГц и кстати в работе плата тихо, но неприятно пищит.
Поднять эффективность работы можно увеличением частоты, но в таком случае придется поставить и транзисторы с меньшим Rdson. Кроме того вырастет нагрузка на конденсаторы.
Но в любом случае как можно было видеть, подобный балансир можно сделать и самому, так как он не содержит никаких специализированных чипов, а только задающий генератор и комплекты драйвер + 4 транзистора + конденсаторы. Количество комплектов равно количеству подключаемых ячеек батареи.

Возможно будет закономерный вопрос, а можно сделать такую схему на 100500 ячеек? Нет, на 100500 вряд ли, но вот на 100-120 относительно легко, а ограничивает количество максимальное напряжение изоляции драйвера транзисторов, у которых оно чаще имеет максимум в 600 вольт. Кроме того, при напряжении более 15-17 вольт надо применять стабилизатор или преобразователь напряжения для питания драйверов и генератора.


Тестировал балансир также как и индуктивный, для чего он был подключен к 4S сборке LiFePO4 аккумуляторов, при этом плата защиты была отключена.
При подключении ничего не сгорело, а на плате засветился светодиод индикации работы. Причем настолько яркий что им вполне можно было освещать комнату, а с тем что он очень мелкий, то реально выедал глаза.


Как и ранее батарея была сначала полностью заряжена, а затем разряжена так, чтобы получился большой разбаланс. Как и ранее первая ячейка разряжалась 38 минут током 5.5А, третья 19 минут и четвертая 57 минут. В конце подготовки заряд по ячейкам выглядел следующим образом:
1. 35%
2. 100%
3. 70%
4. 5%


Так как у LiFePO4 аккумуляторов напряжение не очень сильно зависит от степени заряда, то даже между полностью заряженным (2) и почти полностью разряженным (4) разница составляла всего 0.5 вольта.


Я не проводил подробный тест с малыми интервалами, так как по сути такая проверка была в предыдущих обзорах, но периодически измерял, что происходит.
Результаты примерно через 2, 3 и 7 часов от начала, видно что напряжение быстро пришло к чему-то среднему, больше всего изменения конечно у самого разряженного аккумулятора (4). Хотя сложно назвать увеличение напряжения на 20мВ большим изменением.


В процессе посмотрел что с нагревом и оказалось, что больше всего температура была не в районе транзисторов, а около светодиода…
Температура почти сразу после начала теста и через пару часов.


После разбирательств выяснилось, что греется резистор светодиода (схема чертилась потом), который имеет номинал 220 Ом, что при напряжении на нем около 10 вольт и заполнении 50% дает усредненный ток порядка 22мА и мощность 0.22Вт.

Конечно резистор был заменен, сначала поставил 1.5кОм, потом 3кОм, но думаю что реально увеличить и до 10кОм. Резистор поставил размера 0805, который отлично стал на место родного.


1. Нагрев в этом месте практически пропал и самым горячим чипом оказался NE555.
2. Причем что интересно, во время всех измерений, что в самом начале, что в конце (после цикла заряда), больше всех грелись транзисторы отвечающие за минусовую цепь третьей и четвертой ячеек


Примерно через 15 часов заметил, что напряжение на ячейках падает, причем падало оно даже на четвертой (самой разряженной) ячейке.
Результаты через 14, 26 и 36 часов от начала теста.


Как и в прошлый раз после примерно 34-36 часов балансировки батарея была заряжена до достижения напряжения 3.65 вольта на самом заряженном аккумуляторе (2). Но вот если тогда «залилось» 1309мАч, то теперь 3932мАч, что говорит о двух вещах:
1. Более активной балансировке
2. Большем потреблении самой платы, а также отсутствии «дежурного» режима.


После промежуточного заряда отключил балансир и измерил напряжения на ячейках, максимальный разброс составил 5мВ между второй и четвертой ячейками. При этом отмечу, что если в начале теста вторая ячейка имела самый большой заряд, а четвертая самый малый, то теперь они поменялись местами.


Как уже было написано выше, я не придерживался каких либо точных временных интервалов, но небольшой график все таки решил набросать. Ниже данные за примерно 50 часов, начальные до подключения балансира, ближе к концу виден цикл промежуточного заряда.


Думаю многих волнует вопрос, а сколько потребляет всё это. Измерение проходило уже после замены резистора светодиода, потому к результатам можно добавить около 20мА.
1, 2. Сначала проверил косвенно, батарея была подключена к зарядному устройству, также была подключена и плата защиты с пассивным балансиром. Батарея полностью заряжена, но ток меньше установленного тока отсечки (50мА), потому заряжать она так будет бесконечно. Все вместе потребляет 160мА, при отключении активного балансира ток падает до 90мА, соответственно получается потребление 70мА.
3, 4. Подключил плату к блоку питания без батареи и выяснилась приличная зависимость от напряжения питания, при 12 вольт ток был 33мА, если поднять до 15 вольт, то уже 65мА.

В описании было заявлено —

4S статический ток в полном состоянии (4,2 В * 4 элемента) 16,5 В 15 мА

Но как мы видим, это совсем не так, реально в 4 раза больше, не говоря о том, что там же указано

Ток сна: ≤ 1 мА

Собственно это по сути есть ответ и на вопрос, почему так много ушло на последующий заряд. Батарея с емкостью 5700мАч была заряжена примерно на 50% (5+33+66+100%) или около 2800-2900мАч. Через 36 часов теста при токе потребления пусть 40мА получается от неё забрали около 1500мАч. Расчет конечно грубый, но тем не менее, это объясняет, почему через время напряжение стало падать на четвертом элементе, хотя перед этим росло.


Ну что здесь сказать, выводы собственно те же что и в предыдущем обзоре, но все таки немного выскажусь.
Балансир работает, правда немного хуже чем 6S, который я тестировал ранее. Кроме того есть разница и в качестве изготовления, по крайней мере здесь плата не покрыта лаком.
Удивила логика разработчиков, придумавших питать светодиод током в 20-25мА при том что плата работает всегда и питается от батареи.
Кроме того, оказалось что балансир не соответствует заявленным характеристикам в плане собственного потребления.

Если же сравнивать его с пассивным, то здесь также будут свои преимущества и недостатки.
У обозреваемого быстрее балансировка, выше её точность, так как балансир работает всегда.
Индуктивный проигрывает в точности и скорости, но за счет специализированного контроллера после балансировки переходит в «спящий режим», потребляя совсем немного, да и стоит заметно дешевле.

Какой применять, также зависит от типа батареи, в случае «обычной» литий-ионной можно и индуктивный, сильно не проиграете, но в случае LiFePO4 однозначно лучше конденсаторный. Обусловлено это особенностью LiFePO4 аккумуляторов, а собственно их зарядно/разрядной кривой.

Дополнение
В процессе обсуждения выяснилось, что драйверы и транзисторы в реальности сильно ограничивают максимальное напряжение батареи, отчасти скорее всего из-за этого есть такая большая зависимость потребляемого тока от напряжения питания. По результатам тестов могу сказать, что использовать эту плату с «обычными» литий-ионными нельзя, разве что с LTO, ну или на крайний случай с LiFePO4, да и то потому, что я в таком режиме её уже тестировал.
Как решение, поставить стабилизатор, снижающий напряжение питания драйверов и NE555 до безопасной величины.

Магазин подкинул промокод BGc4fbd1, с которым цена будет $19.24-$60.04 (4S версия — $20.94), до 31-го мая.

Ну и под конец хочу поздравить всех с 7 мая, Днем Радио!!!