Силовой модуль для многоканального тестера батарей

Небольшое описание многоканального модуля балансировки сборок литиевых аккумуляторов, совмещенного с электронной нагрузкой для их разряда.



Напомню, товарищ поставил задачу — возможность заряда и разряда сборок литиевых батарей до 19S, конечно 20S было бы круглым числом, но этот параметр ограничен максимальным напряжением регулируемого блока питания, потому пришлось остановиться на этом.
19S это 4.2х19=79.8 вольта, источник может выдать максимум 80 Вольт, 0.2 Вольта остается на падения на проводах и пр.

Думаю многие (если не все) кто эксплуатирует большие аккумуляторные сборки, если не сталкивался лично, то наверняка слышал о таком понятии как балансировка.
Под большими батареями я имею в виду например сборки для гиробордов. Изначально они имеют снаружи только два провода, но если вскрыть батарею, то виден разъем, на который выведены все контакты сборки, т.е. 11 контактов. Этот разъем позволяет подключиться напрямую к ячейкам минуя контроллер.


И если для батарей 6S еще можно найти зарядное устройство с балансировкой, например тот же iMax, то с 10S все куда сложнее, не говоря о вариантах типа 15S и более, где напряжение окончания заряда более 60 вольт!
Например такую батарею как показана ниже на фото мне пришлось балансировать вручную, там как раз видны мои записи в процессе работы.


Что же такое балансировка.
Аккумуляторы сами по себе не идеальны, кроме того в процессе работы стареют по разному, из-за чего у них начинается сильно отличаться как емкость, так и внутреннее сопротивление. Сама по себе разбалансировка батареи не опасна, если конечно у вас стоит плата защиты, но при этом вы теряете емкость, так отключение по верхнему пределу будет соответствовать самой заряженной батареи, а по нижнему — самой разряженной. Моя практика проверки подобных батарей говорит о том, что разбалансировання батарея может отдавать к примеру 1Ач из заявленных 4, а после балансировки 2.5-3Ач.

Балансировка это процесс выравнивания напряжения на аккумуляторах, например можно либо их все полностью зарядить, либо полностью разрядить, т.е. привести к одному состоянию.

Сделать все это можно несколькими способами, самый простой — пассивный.
Такой вариант применяется на подавляющем большинстве плат как самый простой в реализации.
По мере достижения аккумулятором порогового напряжения он начинает нагружаться на резистор, который берет на себя часть зарядного тока. Пока этот аккумулятор «борется», другие успевают зарядиться до своего максимума.
Дальше несколько картинок с этой статьи.

1. Один из аккумуляторов либо заряжен больше других, либо имеет немного меньшую емкость.
2. В случае простого заряда на нем будет напряжение выше, чем на остальных
3. Балансир отбирает на себя часть тока заряда, не давая напряжению подняться выше максимального.
4. В итоге все аккумуляторы заряжены равномерно.


Подобный балансир может быть прямо на плате защиты, здесь он выделен красным.


Также они продаются отдельно, но и те и другие имеют большой недостаток, ток балансировки у них ограничен на уровне порядка 50-60мА и в случае заметной разбалансировки он уже не справляется.


Кроме того существуют активные балансиры, я подобные делал для радиостанций.


Такой балансир занимается перекачкой энергии от заряженного аккумулятора к разряженному. Ток очень маленький, но так как схема работает круглосуточно, а не только в процессе заряда, то помогает даже так.


Для примера приведу мой тест активного балансира, где за несколько дней он выравнял напряжения на аккумуляторах.


Для тех кому такой режим слабоват, продаются мощные балансиры, работающие по тому же принципу, только ток балансировки у них около 1 Ампера. У меня лежит дома такая плата и я планирую написать обзор о ней. Из недостатков — цена, увы.


Еще вариант, это заряжать каждый аккумулятор независимо, ограничений по количеству аккумуляторов нет. Применить можно мелкие платки зарядных устройств, стоят они не очень дорого, но подобный вариант имеет свои минусы:
1. Блок питания должен иметь столько гальванически развязанных выходов, сколько каналов надо заряжать
2. Ток заряда фиксирован и изменить оперативно его нельзя.


В данном устройстве у меня стояла задача проводить балансировку быстро, желательно иметь гибкий режим работы и возможность выставлять различный ток заряда.
Потому было решено делать некий гибрид, балансира-зарядного. Ток заряда хотелось до 1.5-2 Ампера.

За основу был взят принцип пассивного балансира, где схема старается ограничить напряжение на батарее путем шунтирования ее через резистор с сопротивлением 50-100 Ом, но схема с резисторами меня не устраивала по нескольким причинам:
1. Малая гибкость
2. Неудобство отвода тепла от резисторов, при токе 2А и 19S это около 160Вт!
3. Как бы не показалось странным, но цена, мощные резисторы с возможностью установки на радиатор также стоят не 5 копеек.

Потому было решено сделать параллельный стабилизатор напряжения на базе известной TL431 и дополнительного транзистора.
Преимущества:
1. Большая гибкость, схема одинаково ограничивает напряжение как при 500мА, так и при 2А, а при дополнительном охлаждении думаю ток можно еще поднимать.
2. Транзисторы изначально задуманы на крепление к радиатору, потому вопрос с крепежом решается просто.
3. Цена транзистора меньше, чем цена мощного резистора.
4. Меньше габарит платы.

Схема стабилизатора довольно известна, регулируемый стабилитрон измеряет напряжение на входе, когда напряжение поднимается выше установленного уровня стабилитрон начинает открывать силовой транзистор, дальше схема работает просто в линейном режиме.
По сути это просто аналог мощного и точного стабилитрона, что и надо.


Фактически у меня получается многоканальное зарядное устройство, на вход которого надо подать напряжение больше чем 4.2 х количество ячеек и ограничить ток на необходимом уровне.
Для примера я нарисовал схему из 6 каналов, стабилитронами обозначены те узлы, схему которого я показал выше.

1. Можно подключить все шесть аккумуляторов.
2. Можно только три по схеме 3S.
3. Либо три аккумулятора к произвольным каналам.

Во всех трех вариантах аккумуляторы будут заряжаться установленным током до напряжения 4.2 Вольта.
Минусом такого решения будет тепло, рассеиваемое на неиспользуемых каналах, либо там, где аккумуляторы уже заряжены так как стабилитроны начнут отбирать на себя все излишки энергии.
4. Для решения этой проблемы плюсовой выход источника тока будет иметь возможность подключения к произвольному месту сборки, например в случае с батареей 3S можно подключить его к плюсу верхнего аккумулятора. В таком случае напряжение можно выставить меньше, но так как для питания нужен источник тока, то можно просто оставить как есть. Формально можно вообще выставить на выходе все 80 вольт, ограничение тока и так и пользоваться, просто будет искрить при подключении «плавающей» клеммы.


Дальше я буду описывать этапы сборки и проблемы с которыми столкнулся в процессе.

Чтобы иметь меньше проблем как с качеством, так и с идентичностью параметров, зашел в наш харьковский Космодром и закупился детальками:



20шт стабилитронов TL431 — ссылка
20шт транзисторов BD438 — ссылка
Вышло примерно по 10 грн ($0.4) на канал, итого 8 долларов.
Плюс к этому купил по паре подстроечных резисторов.


TL431 от Texas Instruments, точность 1%.
Транзисторы выбирал долго, надо было PNP, с нормальным усилением, удобным креплением и рассеиваемой мощностью, причем варианты в корпусе ТО-220 чаще не подходили под эту задачу, в итоге купил BD438 в корпусе SOT-32, более знакомому нашим радиолюбителям по известным КТ814-817


Объемным монтажом набросал конструкцию для теста, резисторы рассчитал в программе по этой ссылке.


Собственно даже сходу получилось неплохо, без какой либо подстройки я получил 4.17 вольта при токе 0.5-1А (два верхних фото).
Но хотелось получше, потому прицепил подстроечный резистор и без проблем выставил 4.2, причем поднятие тока в два раза (с 0.5 до 1.0А) поднимает напряжение всего на 1.6мВ!


К сожалению такой вариант не подходит для работы в качестве основного балансира так как собственный ток потребления у схемы около 2-3мА


Не получилось также прицепить и индикацию, после установки светодиода между стабилитроном и базой транзистора сильно поднималось пороговое напряжение, схеме банально не хватало питания по цепи — стабилитрон-светодиод-БЭ переход транзистора.


Срабатывание очень точное, например между почти нулевым потреблением и 100мА достаточно увеличить входное напряжение на 10мВ, дальнейшее увеличение напряжения поднимает ток до установленного на БП и он переходит в режим СС.
В общем здесь мне все понравилось.


По итогам получилась такая схема, резисторы делителя критичны как к номиналу, так и к точности, резистор 6.19 Ома получился случайно, в магазине не нашлось более подходящего, а между 1% и 5% была копеечная разница в цене.


Ну дальше известный процесс, трассирую печатную плату, переношу на текстолит, травлю, лужу.
Пока занимался платой, товарищ купил остальные детальки, резисторы, термореле и пр.


С резисторами было все очень долго, хотел подобрать номиналы так, чтобы подстроечный резистор был минимально возможного сопротивления и при этом давал не слишком широкий диапазон регулировки.
Ну и кроме того резисторы покупал точные, 1%, пара штук на 5%, но их сопротивление вообще не имеет большого значения. Резисторы номиналом 1МОм были куплены на случай тонкой подстройки.


Собираем один канал, подаем питание и смотрим что получается, я калибровал при токе 1А.
1. 0.5А
2. 1.0А
3. 1.5А

При том что допускается до 2.45 вольта максимум, на мой взгляд получилось неплохо.


Выше было видно что я также купил резисторы 4.99кОм, была идея обойтись без подстроечного резистора, в этом случае 4.99кОм ставится вместо 5.1кОм, а контакты подстроечного резистора закорачиваются, ниже это показано на примере второго канала.


Собственно неплохо работает и так, при токе 0.5А получилось точно 4.2 вольта, дальше результаты для тока 1 и 1.5А.


Зависимость тока от напряжения просто отличная, слева ток в цепи почти нулевой, справа уже около 40-50мА, разница в напряжении всего 6мВ.

Но подумав, я решил отказаться от такого варианта так как хотел все таки оставить возможность регулировки.



Так как выделяемая на этом узле мощность при токе заряда 2А может достигать 85Вт. то конечно нужно нормальное охлаждение, для чего в том же Космодроме купил большой радиатор и защитную решетку. Вентилятор нашел дома.


Радиатор имеет шесть ребер, при этом сами ребра имеют мелкую насечку для улучшения теплоотвода.


Вес радиатора длиной 300мм почти килограмм, тот случай когда у нас покупать такие вещи выгоднее чем в Китае, мне радиатор обошелся в 8.5 доллара.


1. Длина чуть меньше заявленных 300мм
2. Высота почти 35мм
3, 4. Толщина тела посередине 7мм, ближе к краю 4.5мм.
Поверхность радиатора ровная, плоская, без выбоин.


Ширина около 83мм, я специально сделал это фото отдельным чтобы было видно расстояние между ребрами.


Дальше как говорится — Пилите Шура, пилите. Долго, нудно, обычной ножовкой по металлу. К сожалению в магазине из всех вариантов подошел именно такой, был еще 100мм, но мне он был короткий, а 150мм не было.


Меняем ножовку на шуруповерт, сверла и метчики и продолжаем генерировать алюминиевую стружку.
В сумме у меня получилось около 60 отверстий, большая часть с резьбой:
20 штук под транзисторы балансира
6 — крепеж платы балансира
4 — транзисторы нагрузки
4 — крепеж платы нагрузки
8 — вентилятор и решетка
8 — соединение радиаторов между собой
4 — термовыключатель
8 — провода к термовыключателю (4 получились лишними)

Еще осталось 4 под крепеж самого радиатора, но они будут делаться по месту установки.

Конструкция понятна и проста, я ее успешно обкатал в предыдущей нагрузке, но там радиатор был похуже и в полтора раза короче.
Попутно примерил плату электронной нагрузки и вентилятор. Зазор между радиаторами 5мм, при этом вентилятор 80мм крепится в отверстия в подошве радиатора.


Для нагрузки были куплены транзисторы IRF640 — ссылка, термовыключатели на 55 градусов, нормально разомкнутые.


Обычно я ратую за изоляцию радиатора от корпуса, а не транзисторов от радиатора, но в данном случае так нет получалось, резать радиатор на 20 частей и потом изолировать уж точно не получится.
В итоге взял полоску слюды, расслоил ее до тонкого состояния, нанес пасту и наживил транзисторы для одной платы.


На всякий случай проверяем, нет ли контакта транзисторов с радиатором.


Установил плату на выводы транзисторов, самый неудобный момент и я так и не придумал как его сделать более изящно, увы…


После этого я выставил между платой и радиатором 5мм, припаял по одному выводу каждого транзистора и аккуратно снял плату вместе с ними. Соответственно потом припаял остальные выводы.


Когда привинчивал, отвинчивал, в промежутке сверил под крепеж, то понял что делал неправильно. Более удобно сначала просто привинтить транзисторы без слюды и пасты, потом припаять их, просверлить отверстия под крепеж платы и только потом ставить слюду и мазать пасту, потому на второй плате поступил именно так.


Первое включение, ничего не задымилось, не коротнуло и при почти 42 вольта на выходе БП я получил ток 140мА.


Поднимаем напряжение, БП ушел в режим СС, напряжение на 10 каналах 42.057 Вольта или 4.2057 на канал.
Дальше попытался откалибровать, но за точку отсчета брал нижний контакт платы (землю), а дальше подстраивал каналы так чтобы было 4.2, 8.4, 12.6, 16.8 и т.д. После калибровки получилось 42.015 Вольта, общее напряжение на самом деле было не сильно связано с реальным положением вещей, на одних каналах поднимал, на других опускал. налицо «средняя температура по больнице».


Попутно вылезла проблема, один канал не получалось откалибровать, минимум получалось выставить 4.2086 Вольта.
Попытался заменить оба резистора делителя, безуспешно, в итоге параллельно верхнему резистору припаял еще один, номиналом 1 МОм, я говорил о них ранее.


Со вторым каналом все прошло отлично, слева напряжение до калибровки, справа после, все калибровки в итоге выполнялись поканально, а не относительно минусового провода, как я делал в первый раз.


Пока калибровал, радиатор успел прилично прогреться, вентилятор был выключен.


Но и здесь не обошлось без «нюансов». Еще когда калибровал, то обратил внимание, что у одного канала завышено напряжение, но без проблем вернул его в норму. Позже выяснилось, что один из подстроечных резисторов попался на 500Ом. а не на 100 как остальные.


Так как планируется отводить на радиатор тепло не только от балансиров, а и от нагрузки, то решил немного доработать и ее.
Про нагрузку я рассказывал ранее в другом обзоре.


Внесенные изменения:
1. Шунты 0.22 Ома заменены на 0.5 Ома (1+1 параллельно).
2. Конденсаторы коррекции номиналом 1нФ заменены на 22нФ. С конденсаторами малой емкости возникает паразитная генерация в определенных условиях и с некоторыми блоками питания, проявляется как повышенные пульсации. Можно поставить конденсаторы порядка 22-100нФ.
3. Последовательно по цепи питания вентилятора включил резистор 120Ом (240+240 параллельно) чтобы он постоянно вращался на малых оборотах. Дело в том, что даже когда радиатор холодный, внутри корпуса есть чему греться и это тепло надо вытягивать из корпуса.
Думал параллельно резисторам поставить конденсатор для облегчения запуска вентилятора, но пока передумал, так как это увеличивает нагрузку на термовыключатели, надо добавить еще резисторы порядка 1-2 Ома.

Слева до доработки, справа — после.


Вот собственно и получившийся модуль. Такая схема отвода тепла выбрана потому, что одновременно работает только что-то одно, нагрузка или балансир. При этом отводимая мощность в обоих случаях примерно одинакова, 150-170Вт.


Термореле включены параллельно, два установлено только из-за балансиров, так как в отличие от нагрузки они могут греться независимо друг от друга.
Транзисторы нагрузки стоят с наклоном из-за моего просчета с местом сверления отверстия под провода к термореле.


Вид сверху.
Кстати, многооборотный резистор надо будет также заменить, потому как высокая точность установки не требуется и по большому счету хватило бы и ступенчатой регулировки кратно току 0.5А.


Чуть чуть тестов.
Сначала подключаем нагрузку. Изменение номиналов шунтов получилось очень удачно, с наиболее распространенными батареями 10S мощность рассеивания как раз около 150Вт. Т.е. даже чисто случайно не выйдет спалить нагрузку.


А вот с температурой не все гладко. Через время некоторые транзисторы нагреваются выше сотни градусов, что с учетом линейного режима работы совсем плохо.
Интересно что на термофото платы нагрузки шунты справа имеют температуру меньше чем остальные, хотя напряжение на них одинаковое.


Но погрев еще какое-то время и посмотрев более внимательно, выяснилось что реальная температура ближе к 115-125 градусов.
Я пока виню мелкий корпус ТО-220, который из-за прокладки из слюды не успевает отводить все тепло. Кроме того у моей нагрузки стоит два вентилятора, один из которых имеет высокую производительность. Здесь же применен обычный, корпусной компьютерный вентилятор.
Пока напрашивается два решения проблемы-
1. Заменить транзисторы на что-то в корпусе ТО-247, например IRFP460
2. Поставить более производительный вентилятор.

Есть еще варианты решения, но я их не рассматриваю в виду сложности/малой эффективности.


Теперь подключим одну половинку балансира. Для теста я подал ток 2 ампера, максимальный который планируется использовать, реально ток будет скорее в диапазоне 0.5-1.5А. На модуле рассеивается почти 85 Вт.


Ну здесь все гораздо лучше, на момент включения термореле температура на транзисторах 72 градуса, потом поднимается до 77 и дальше почти не растет, а так как в данном случае транзисторы биполярные, то для них это вполне нормальная рабочая температура, даже с запасом.


Вообще устройство собственно уже собрано и эксплуатируется, но подумал что возможно кому-то будет полезна данная информация, транзисторы в электронной нагрузке заменил на более подходящие в корпусе TO-247, все пришло в норму.
На данный момент устройство выглядит так, но это уже «совсем другая история» и возможно я как-то её расскажу.


Сложный момент — нагрев, в остальном работает все просто отлично, особенно понравилась работа балансира, ну или многоканального зарядного, кому как.
Возможно некоторые вещи получились не так красиво как хотелось бы, также сильно влияет длина проводов к аккумуляторам, в общем проблем хватает, да и само решение было что называется — в лоб. Собственно простительно это всё только потому, что собиралось оно в одном экземпляре.

Как обычно буду рад вопросам и пожеланиям.