Сказание о балансире

Разных балансиров много. Здесь речь пойдет о балансире, необходимом для выравнивания заряда в ячейках аккумуляторной батареи. Для меня это началось 6 лет назад. Потребовалось питать от аккумуляторов ШИМ-процессор — ядро цифрового усилителя. Дабы радикально уменьшить шумы по питанию. Питание ШИМ-процессора 5 В, значит одной ячейкой аккумулятора не обойдешься, нужно две. Путем несложных вычислений рассчитал необходимую емкость батареи, чтобы хватило не менее чем на 24 часа работы. Получилось 8 Ач. Далее была выбрана самая прогрессивная химия для самой ячейки, а именно LiFePO4, говоря словами литийферрофосфатная. Химия выбиралась по критерию минимума внутреннего сопротивления. Более того, сами ячейки были куплены на заводе в Китае с отбором по этому параметру, производитель сопроводил товар соответствующей распечаткой. 

Задумка была такая: пока усилитель работает, ШИМ-процессор питается от аккумуляторов. Как только усилитель выключается, начинается заряд батареи. Время заряда было выбрано 8 часов. Типа чтобы за ночь успеть полностью зарядить опустевшую батарею. Был выбран соответствующий контроллер зарядного устройства (ЗУ). Это был чип MP2623 от фирмы MPS (Monolithic Power Systems), который был специально заточен под LiFePO4 и способен заряжать одну или две ячейки. Вот тут-то и появляется на сцене балансир. Ячеек то две и заряд в них надо выравнивать. Выравнивание происходит очень просто; сначала к одной ячейке подключается конденсатор, а потом этот же конденсатор отключается от первой ячейки и подключается ко второй. И так попеременно. Токи выравнивания небольшие — десятки, много сотни миллиампер. Я применил микросхему типового конвертера напряжения на переключаемых конденсаторах ICL7660 (1168ЕП1), которая содержит все необходимое внутри, остается только навесить конденсатор. Но вот беда, переключаемые токи слишком малы всего несколько миллиампер. После недолгих поисков в интернете нашелся умощненный вариант конвертера MAX665, способный коммутировать до 100 мА. Правда это уже давно винтаж, но на вторичном рынке он присутствует. Купил, спаял схему ЗУ с балансиром. Балансирует замечательно с частотой несколько килогерц. 

Где-то через несколько месяцев в один прекрасный день включаю стенд с цифровым усилителем, где применялось ЗУ. Бац! А аккумуляторного питания нет. Сдохла одна из ячеек. Что-то больно быстро. Бросился читать интернет, но в этот раз не заметки на форумах от таких же невежд, как и я, а серьезные статьи и монографии по LiFePO4 аккумуляторам. И нашлась нужная информация. Оказалось, что, хотя токи балансировки и небольшие, но аккумулятор принимает их за почти нормальный цикл зарядки/разрядки, а количество таких циклов у аккумулятора невелико — не более нескольких тысяч. А у меня такие циклы идут с частотой в килогерцы, так что еще удивительно, как аккумуляторы продержались несколько месяцев. Балансировку рекомендуется проводить не постоянно, а весьма редко, чуть ли не раз в месяц. Я это учел и немного доработал схему, дополнив ее таймером и уменьшив до предела частоту коммутации ячеек. Но уже на соплях над старой платой ЗУ. После эксплуатации ЗУ обнаружилась еще одна неприятная особенность. Для коммутации режимов работа/зарядка я применил автомобильные реле японской культовой фирмы Omron типа G4F-112T-US-24VDC. Очень их хвалили японские и китайские DIY за малое контактное сопротивление (>30 миллиОм) и ножевые контакты фастоны вместо выводов под пайку. Всем эти реле хороши, но во время работы довольно сильно греются, да и 30 миллиОм мне сейчас представляется слишком большой величиной. 

 Стенд с усилителем я разобрал, а модули ЗУ использую, как малошумящее питание +5 В для различных экспериментов, например шумовых измерений. Модулей было изготовлено два, но через пару лет чип MP2623 на одном вдруг взорвался, корпус его треснул, не выдержав нагрева от встроенного силового ключа. Второй модуль работает по сей день. Полученный опыт я учел в следующем ЗУ, правда уже на одну ячейку и балансир там был не нужен. Но чип сменил на чисто китайский TP5000 от компании Top Power ASIC. Чип очень понравился. Совершенно не греется при работе в отличие от предыдущего. 

Но вот подоспела новая задача — аккумуляторный БП для медиакомпьтера. Здесь стало все намного серьезнее. Батарея из 4 ячеек на 100 Ач каждая. Не буду вдаваться в особые подробности, отмечу только главное отличие от того же БП для ноута. В ноуте энергия от батареи идет на DC-DC и уже после него раздается согласно стандарту ATX, т.е. все рабочие напряжения имеют неустранимые пульсации (риппл), сильно загрязняющие звук и изображение. Что весьма заметно на телевизоре 4k. В нашей схеме, каждое рабочее напряжение получается прямо с аккумулятора без импульсного преобразования. Это, кстати, великолепно работает, результат выдающийся. Так вот, для батареи из 4-х ячеек нужен соответствующий балансир. Казалось бы, какая тут проблема. Рынок завален китайскими платками балансиров с нужными параметрами. После тщательного подбора я остановился на платке без названия, которую чаще всего называют по её функции и параметрам: BMS 5S 100A. Платка универсальная и может применяться со всеми типами литиевых аккумуляторов и с количеством ячеек от 3-х до 5-и. И если количество ячеек устанавливается с помощью перемычек на платке, то тип аккумулятора определяется конкретным вариантом китайского контроллера BM3451, а согласно даташиту таких вариантов ровно 9! Я заказал платку на Озоне, где, как наивный чукотский юноша, честно поставил галочку против LiFePO4. Озон быстро сработал и буквально на следующий день я получил свою платку, где с помощью микроскопа разглядел маркировку чипа и понял, что он мне не подходит, а подходит для литий полимеров. Таковые у меня тоже есть, поэтому платку я оставил и заказал другую уже от другого поставщика, но тоже через Озон. Другой поставщик подошел к делу более ответственно и закрасил маркировку чипа. Покрытие удалось снять, и я убедился, что новый чип тоже не подходит, хотя он и не такой же как в первый раз. Только тогда я догадался почитать отзывы, из которых стало ясно, что китайцы такими мелочами, как версии чипа не заморачиваются, потому как платка худо-бедно работает с любыми видами литиевых аккумуляторов. Чего ж вам боле! Работает же, а сколько проработает это уже ваши проблемы. Так что единственный путь к успеху — это заказать нужный чип и перепаять его самому. Я не шибко огорчился, т.к. все равно собирался интегрировать схему балансира на общую плату БП, которая и без балансира довольно сложная. А чтобы сделать качественную общую плату мне не помешала бы готовая схема коммерческого балансира, т.е. китайской платки BMS 5S 100A. Думаю, дай поищу в сети, чем черт не шутит. И нашел, но не полную схему, а рекламный листок, где часть схемы закрыта рекламными текстами и плашками. Примерно 50% площади. Работу по восстановлению схемы я воспринял, как интересную загадку типа кроссворда и всего за три часа полностью схему восстановил, что гораздо проще и быстрее, чем рисовать схему по плате. Схема оказалась не родная, ее сгенерил некто Mozg, но пожидился выложить для людей в полном виде. Восстановив полную схему, я попутно обнаружил большую системную ошибку у Мозга — перепутаны левый и правый ключи схемы защиты. Ну и есть небольшие отличия с моими вариантами плат BMS, под которые я восстановленную схему и подогнал. Кстати, задачей балансировки занимается примерно 5-я часть платы, а в основном это схема защиты аккумуляторов для чего служат все 15 мощных MOSFETключей установленных на плате. Сравнение этой схемы с даташитом, выявило отличия коммерческой схемы от абстрактной теоретической, что в моем случае бесценно, т.к. позволит избавиться от детских болезней и подводных камней.