Активный емкостной балансир для 6S аккумуляторных батарей

В обзоре индуктивного балансира я рассказывал о том, что также существуют и емкостные, где энергия от ячейки к ячейке передается за счет заряда/разряда конденсаторов. Стоит такой обычно дороже, но благодаря одному из моих читателей ко мне в руки попал такой балансир.



После обзора индуктивного балансира ко мне обратился один из читателей и предложил сделать обзор балансира, который он как раз планирует заказать для своей литиевой батареи. Договорились, заказ сделан, получен и в итоге он попал ко мне на стол, причем помимо самого балансира человек дал мне еще батарею, с которой этому балансиру и придется работать, за что ему отдельное спасибо.

Также кроме балансира и батареи дополнительно положил кабель для подключения к зарядному и разъем для балансира.


Начну с батареи.
Литиевая 6S сборка с заявленной емкостью 12Ач, причем даже с ремешком, я как-то таких раньше не встречал, все чаще обычные, цилиндрические.
Сборка рассчитана на максимальный ток нагрузки 25С, параметры заряда — 4.2 вольта на ячейку и ток до 2С, выпускается в вариантах от 3S до 12S.


Вести 1.6кг, размеры без учета проводов 177х71х63мм, но в районе заделки ремешка есть утолщение из-за которого создается ощущение что батарею немного раздуло.


Для подключения к балансиру используется обычный разъем с шагом 2.5мм на 7 контактов. Запасная ответная часть не пригодилась, но все равно приятно что человек подумал что возможно она может понадобиться.
Для силовой цепи использован разъем XT90
Силовые провода имеют сечение 10AWG, очень мягкие и здесь я сделаю небольшое отступление. разъем с проводами подключены к батарее через клемник, я настоятельно не рекомендую применять подобные клемники из-за их низкой надежности и рекомендую использовать пайку.


Батарею показал и вот теперь можно перейти собственно к плате балансира. Она бывает и других фирм, в частности Heltec.


Из всей полезной информации на странице продавца только краткая информация (гуглоперевод)

Режим равновесия: конденсатор (Полная группа), эквалайзер
Рабочее напряжение 2,0-4,2 в
Пониженного напряжения сна значение: сна напряжение может быть выбран из 2,0 V 3,0 V 3,7 V, поддерживая трехкомпонентная литиевая, литий-железо-фосфатных аккумуляторов, титанат лития
Точность балансировки: менее 5 мВ
Текущее равновесное: 0,1 V 1A 0.2V2A, тем больше разница напряжения, тем больше ток
Максимальный ток выравнивания 6A
Сбалансированная статическая мощность: 12 мА
Подходит для аккумулятора: 30Ah-300Ah

Платка небольшая, размеры 80х50х16мм, провода очень мягкие, длина около 45см, при этом черный провод немного короче.


Сверху типичный внешний признак емкостного балансира, толпа полимерных конденсаторов, в данном случае емкостью 2200мкФ 6.3В. Балансир 6S и сверху видно 6 пар конденсаторов + еще пара, судя по всему общие для всего балансира.


Снизу также вся плата забита компонентами и основное поле занято полевыми транзисторами, в сумме их 24 штуки, по 4 на каждый канал. Также видны 6 чипов в корпусе SO-8 предположительно драйверы транзисторов, мелкий чип в корпусе SOT23-6, судя по рядом стоящему дросселя почти наверняка DC-DC и еще один чип в SOT23-5, возможно генератор.
Также вверху видно шесть предохранителей, маркированных буквой U, ток срабатывания я не определил, в таблицах он почему-то не попадается, но нашел их на Али, пишут что 72 вольта и ток 6.3-8А.

Плата покрыта защитным лаком, что повышает надежность.


Человек, приславший плату, уже сам интересовался что на ней стоит и потому снял лак с пары компонентов.
Транзисторы — MDU1518, 30 вольт, 94А, 4.2/6.2мОм
Восьминогий чип рядом предположительно драйвер EG2131
Чип DC-DC не определил.
Задающий генератор скорее всего что-то аналогичное банальному 555 таймеру.



Судя по количеству каналов здесь используется другой принцип балансировки чем в индуктивном балансире. Сначала конденсаторы каждого канала заряжаются от соответствующих аккумуляторов. Напряжение на конденсаторах такое же как на аккумуляторах.
Потом при помощи транзисторов отключаются от аккумуляторов и соединяются параллельно, заряд выравнивается
После этого конденсаторы каналов опять подключаются к аккумуляторам, но теперь у них одинаковое напряжение, соответственно более заряженный аккумулятор опять заряжает конденсатор, а менее заряженный подзаряжается от конденсатора.

Такая схема позволяет более точно выравнивать напряжение на ячейках батареи.

Батарея пришла полностью разряженной, напряжение на ячейках здесь и далее будет показываться начиная от первой до шестой, при этом первой считается та, что подключена к минусовому (общему) проводу схемы, он помечен черным цветом.
Также заметен небольшой дисбаланс, общее напряжение батареи было 18.467 вольта.

Здесь и далее все напряжения приводятся при отключенном балансире, тем где измерения проводились с балансиром я отмечу отдельно.


Эксперимент будет проводится в режиме максимальной сложности, для чего я заряжу только одну ячейку, первую по схеме.
На полный заряд ушло 12.25Ач, что соответствует указанной на батарее емкости.
После заряда на первой ячейке было 4.1819 вольта, общее 19.574. Дальше я сведу все в одну табличку, но пока буду показывать на фото ключевые моменты в хронологическом порядке.


Естественно в процессе мне было интересно измерить ток в цепи аккумуляторов, но вносить дополнительную погрешность не хотелось, потому я пошел немного другим путем и измерил сопротивление проводов, по падению напряжения на которых можно определить ток.
У меня получилось 13.37мОм на длине 44см, провод маркирован как 18AWG. по таблице сопротивление куска провода такой длины и такого сечения должно быть 9.2мОм, что близко к измеренному, но допускаю что сам провод имеет заниженное сечение.


Для удобства измерения я припаял к первой и второй ячейкам куски проволочных выводов, к которым подключал один щуп мультиметра, второй подключался к контакту разъема не разрывая цепи.
В итоге получил следующие значения (интервал измерения 20 минут).
1. сразу после подключения, 1S — 4.78А, 2S — 287мА
2. 20 минут — 1S — 3.17А, 2S — 127мА
3. 40 минут — 1S — 2.33А, 2S — 40мА
4. 60 минут — 1S — 1.93А, 2S — 27мА

Для балансира был заявлен ток балансировки до 5-6А, в самом начале у меня были сходные результаты, думаю они могли бы быть выше если бы провода были более короткими.


Нагрев платы был сосредоточен в районе балансира первой ячейки, измерения через 20, 60 и 100 минут после старта.


Через 1 час 20 минут от начала теста я ради интереса измерил ток в цепи последней ячейки, в итоге получил:
1S 1.66А
2S 11мА
6S -264мА

Везде к плате подключался минусовой щуп мультиметра, а к разъему плюсовой, при это видно, что у последнего аккумулятора ток течет в обратную сторону.

На самом деле такое измерение не совсем корректно, так как он имеет импульсный характер, но надеюсь что мультиметр смог измерить средний ток корректно.


Примерно через 10 часов от начала теста ток упал уже довольно заметно и составил:
1S 322мА
2S 2,5мА
6S -51мА



После этого я подключил первую ячейку к зарядному и решил проверить, сколько емкости она израсходовала.
Теоретически, при емкости 12Ач и полной балансировке должно получиться 2+2+2+2+2+2Ач вместо исходных 12+0+0+0+0+0Ач, соответственно на заряд первой ячейки должно уйти около 10Ач, но конечно это в идеальных условиях и со 100%КПД. В ходе заряда потратилось 8.231Ач, что в принципе также говорит о том, что первая ячейка отдала большую часть на заряд остальных пяти.


После этого я опять поставил её на балансировку, а примерно через 6 часов измерил токи, получилось:
1S 266мА
2S -37мА
6S -36,8мА

В принципе эти измерения я проводил для себя, но привел их только потому, что в отличие от предыдущих теперь ток был отрицательный не только по шестому каналу, а и по второму.


Напряжение на ячейках через 35 часов после начала теста и одного повторного заряда первой ячейки выглядели следующим образом.
Замечу, что ячейки 2-6 заряжались только от первой. Максимальная разница была между первой и второй ячейками, 16мВ. Общее напряжение на сборке 22.626 вольта.


Далее я подключил к зарядному уже всю батарею, но на всякий случай контролировал напряжение на самой заряженной ячейке, так как платы защиты у батареи нет.
1, 2. Ближе к концу заряда напряжение на первой ячейке поднялось до критического значения в 4.25 вольта, но так как далее оно не росло, то заряд прерывать не стал
3, 4. В итоге на заряд ушло 9.296Ач, максимальное напряжение на первой ячейке составило 4.2517, измерялось прямо на плате балансира, потому есть погрешность.

Думаю здесь сильно помогло бы уменьшение длины проводов, на канале с большим напряжением балансир лучше мог бы перераспределять энергию.


В реальности напряжение на первой ячейке было немного выше и почти сразу после отключения от зарядного составило 4.256 вольта, общее напряжение батареи 25.194 вольта. Максимальный разбаланс был между первой и второй ячейками и составил 79мВ.


А это результаты через 12 часов, максимальный разброс составил всего 1мВ и опять между первой и второй ячейками. По моему отлично.


И конечно результаты в числовом и графическом виде.
Слева в графе время в минутах, первые три часа проверял каждые 20 минут, потом уже больше спонтанно так как основная фаза балансировки была завершена.
Желтым выделен результат через 6 и 18 часов после промежуточного заряда первой ячейки.


То же самое в виде графика, нумерация по горизонтальной оси соответствует строкам таблицы.


Также попутно я измерял напряжения и при подключенном балансире, здесь нумерация немного другая, проще ориентироваться на время от начала тестирования. Также здесь добавлены результаты после полного заряда батареи, выделены оранжевым.
Замечу что при подключенном балансире разбаланс в конце составил всего 0.6мВ!


На графике видны этапы промежуточного заряда, точка 7 с зарядом первой ячейки и точка 11 с полным зарядом.


Общее напряжение батареи было 25.1 вольта, затем я её опять подключил к зарядному и на заряд ушло всего 178мАч.
Кстати, на странице продавца было указано собственное потребление платы в 25мА, у меня получилось меньше, 178/12=15мА и это с учетом того что батарея продолжала балансироваться.


И конечно выводы.
На мой взгляд балансир отличный. Есть варианты лучше, но точно не за этот ценник, потому я их даже не рассматриваю, потому как там цену надо умножить в несколько раз.
Преимущество в сравнении с индуктивным в том, что он не перекачивает энергию по пути от первой ячейки ко второй, потом от второй к третьей и т.д. а балансирует всю батарею сразу, распределяя энергию от самого заряженного элемента остальным менее заряженным.
Собственно принцип этот принцип работы позволил довести точность балансировки до 0.6-1мВ, дальше я просто уже не следил за процессом.

Есть и недостатки, при большом разбалансе процесс не быстрый, а кроме того балансир явно потребляет больше, чем это делает индуктивный, где всем управляет специальный чип умеющий переходить в спящий режим. Думаю, что отчасти из-за последнего фактора его рекомендуют применять с емкими батареями.

Но даже с указанными недостатками могу рекомендовать. Лично мне понравилось то, что он смог неплохо отбалансировать батарею даже при том что в сборке был заряжен всего один элемент из шести.

Кроме того есть рекомендации по улучшению работы как непосредственно того комплекта, что я обозревал, так и в общем.
1. Не использовать полиэтиленовые клемники в силовых цепях, лучше либо взять что-то более качественное, либо спаять провода.
Вообще с залуженными проводами может проявляться эффект, когда после нагрева их прижим ослабляется и дальше просто начинает плавиться клемник. Позже человек, который прислал плату, сказал что это временное решение только для проверки.
2. Разъем балансировки, на мой взгляд он слабоват для токов порядка 4-6А, так как изначально предназначен скорее для контроля, также лучше заменить на более мощный.
3. Длину проводов к балансиру лучше укоротить, тогда он начнет работать более динамично и сможет обеспечить больший ток при меньших перепадах. При балансировке малыми токами это не поможет, но вот в конце заряда/разряда может выручить.
4. Плата защиты, она нужна. Когда подключал/отключал провода, да и вообще ковырялся с платой, то все боялся что что-то коротнет, спецэффекты были бы знатные :)

На этом у меня пока все, надеюсь что было полезно.