Введение
В данном материале будет рассмотрено усовершенствование дешевых китайских аналогов литиевых аккумуляторов типоразмера Makita, состоящих из пяти последовательных элементов 18650.
Одним из недостатков упрощённых по-китайски аккумуляторов Makita является отсутствие схемы BMS, которая отвечает за выравнивание напряжения на каждом из последовательно соединённых литиевых элементов.
Проблема в большинстве случаев заключается в том, что в базовой схеме предусмотрена только общая защита всей последовательной цепи аккумуляторов от перезаряда, переразряда и чрезмерного тока. Однако в такой схеме может возникнуть разбалансировка между различными элементами последовательной цепи аккумуляторов 18650, что может привести к их деградации. В рассматриваемом аккумуляторе базовая схема защиты оказалась ещё менее эффективной, поэтому она была полностью и без сожалений заменена.
Дисбаланс в последовательной цепи аккумуляторов может привести к тому, что одни элементы будут перезаряжены, а другие — недозаряжены; хотя в целом "средняя температура по больнице" окажется в норме!
Состояния перезаряда и переразряда - опасны жизни и здоровья литиевых аккумуляторов и могут привести к их преждевременному выходу из строя (а перезаряд в "тяжелых" случаях - к возгоранию и взрыву).
Плата защиты BMS (Battery Management System) подключается ко всем элементам последовательной цепи. Она отслеживает напряжение на каждом аккумуляторе и, если обнаруживает разницу, пытается её устранить.
Почти всегда схемы BMS одновременно являются и схемами защиты.
Система защиты в низкобюджетных аккумуляторах Makita и её недостатки
В отличие от аккумуляторов для ноутбуков, разобрать аккумуляторы Makita очень просто.
Вот их немудрёный внутренний мир:
Этот аккумулятор уже давно служил мне, поэтому уже ремонтировался, и пришло время решить проблему в корне. На фотографии видно, что три аккумулятора 18650 имеют зелёный цвет, а два — серый. Зелёные аккумуляторы — новые, а серые — оставшиеся пригодными после предыдущего цикла работы. Хотя знатоки не рекомендуют использовать аккумуляторы с разной степенью износа, иногда приходится идти на компромиссы. К счастью, старые и новые ячейки оказались примерно одинаковой ёмкости, иначе разбаланс отдельных ячеек возник бы быстро и его нельзя было бы исправить с помощью платы BMS.
Во время последнего ремонта аккумулятора я не задумывался о причинах его преждевременного износа, но это стоило сделать. Рассмотрим его "старую" схему защиты со стороны элементов:
На плате защиты отсутствуют мощные транзисторы. Как это возможно, если при нормальной эксплуатации инструмента с данным аккумулятором ток может достигать до 10 ампер, а пусковой ток — ещё выше?
Объяснение довольно простое: аккумулятор напрямую подключён к выходным контактам устройства, которые представляют собой длинные металлические пластины. В этом случае плата защиты не участвует в процессе работы на нагрузку. Её функции ограничиваются только зарядкой аккумулятора, когда ток значительно меньше.
В результате, при использовании аккумулятора на нагрузку иногда возникал глубокий переразряд. Из-за неравномерного износа ячеек некоторые из них оказались в особенно неблагоприятных условиях и, в конечном итоге, вышли из строя (три из пяти).
Анализ недорогой комбинированной платы балансировки и защиты
На популярном маркетплейсе Алиэкспресс была приобретена недорогая плата для балансировки и защиты аккумулятора. Кроме того, выбранная модель отличалась разъёмом для зарядки — цилиндрическим 5.5 мм вместо стандартного прямоугольного. Это решение было обусловлено личными предпочтениями: новый разъём позволил использовать для зарядки аккумулятора зарядное устройство от садового триммера. Важно помнить, что заряжать аккумулятор от обычного блока питания категорически нельзя!
Здесь всё выполнено гораздо более аккуратно с точки зрения схемотехники. На плате расположены три мощных транзистора, соединённых параллельно. Также присутствуют мощные резисторы с сопротивлением 0,003 Ом, которые служат датчиками тока для схемы защиты. Для предотвращения перегрева используется термистор. Основной элемент схемы — контроллер защиты и балансировки типа CSC5115, где цифра «5» указывает на количество последовательных ячеек литиевых аккумуляторов, обслуживаемых этим контроллером.
Вид платы BMS с обратной стороны:
На изображении видны два жирных проводника, идущих к плюсу и минусу аккумуляторной цепи, а также несколько тонких голубоватых проводников, которые соединяют промежуточные точки аккумулятора. На плате эти контакты обозначены как B1...B4, что соответствует номерам ячеек аккумулятора, начиная с той, которая подключена к земле.
Теперь рассмотрим типовую схему контроллера BMS с защитой. К сожалению, даташит удалось найти только на аналог контроллера CSC5115 — чип CM1033, который предназначен для работы с тремя последовательно соединёнными ячейками; но так даже проще разобраться.
На левой части схемы размещены резисторы RVC1…RVC3. Они подключаются к ячейкам аккумуляторной цепочки для перенаправления части зарядного тока в обход тех ячеек, которые имеют более высокое напряжение, и таким образом выравнивают заряд.
Рекомендуемые номиналы этих резисторов — 1 кОм. Именно такие резисторы установлены на плате.
Теперь важно понять, какой ток могут отводить эти резисторы.
Если ячейка полностью заряжена до 4,2 В, то резисторы смогут отводить ток в 4,2 мА. Это в 100 и более раз меньше минимального зарядного тока, который обычно используется в реальных зарядных устройствах для аккумуляторов Makita (чаще всего зарядный ток составляет до 2 А).
Таким образом, эта схема способна устранить только очень незначительные разбалансы между ячейками. Поэтому добросовестные китайские продавцы настоятельно советуют перед подключением этой схемы предварительно выровнять напряжение на аккумуляторах. Также рекомендуется использовать одинаковые новые аккумуляторы или аккумуляторы с одинаковой степенью износа (в крайнем случае).
В противном случае процесс выравнивания баланса может занять очень много времени или вообще никогда не завершиться!
Зато, как выяснится дальше, эта схема практически идеально обеспечивает защиту каждой аккумуляторной ячейки в последовательной цепи.
Замена исходной платы защиты аккумулятора Makita на новую плату BMS с защитой
Замеры показали, что установочные отверстия новой платы не совпадают с отверстиями в старой плате. Пришлось просверлить новые отверстия; на следующем фото они обозначены красными рамками:
Перед механической доработкой рекомендуется сначала отпаять пластинчатые выходные контакты, а затем снова их припаять.
Далее обильно смазываем места установки силиконовым клеем и фиксируем плату в корпусе аккумулятора Макита.
Кроме того, в рамке для аккумуляторов делаем канавки, через которые протягиваем проводники для подключения к промежуточным соединениям аккумуляторной цепи.
Теперь можно закрыть крышку аккумулятора, и получим продукт, годный к употреблению. Правда, крышку аккумулятора тоже пришлось немного подпилить - цилиндрический разъём оказался на миллиметр длиннее, чем тот промежуток в крышке, где он должен был поместиться.
И, до кучи, защёлку пришлось чуть-чуть подпилить в паре мест.
Наконец, все работы завершены, вуаля:
Испытания продемонстрировали, что полностью выровнять напряжения на аккумуляторах с помощью этой платы BMS не удалось, на что, собственно, и не следовало рассчитывать, исходя из её схемотехники. После нескольких циклов работы напряжение на старых серых аккумуляторах оказалось примерно на 0.15 В ниже, чем на новых зелёных аккумуляторах.
Теперь - о решающих "плюсах" этой схемы.
Одна из ключевых особенностей этой платы BMS, характерная для всех подобных устройств, заключается в том, что она прекращает зарядку аккумулятора не тогда, когда напряжение всей цепи достигает максимально допустимого значения (в данном случае 21 В), а когда напряжение хотя бы одной ячейки достигает предела в 100% заряда (4.2 В). Это предотвращает перезаряд отдельных ячеек. В результате максимальное напряжение на полностью заряженном аккумуляторе составило 20.5 В. Это ниже теоретически возможного (21 В), но зато ни одна из ячеек не попала на перезаряд.
Аналогично плата BMS работает и при разряде: она отключает нагрузку, если напряжение хотя бы на одной ячейке опускается ниже 3.2 В, что соответствует "0% заряда" для литиевых аккумуляторов.
В итоге заряд большинства аккумуляторов в цепи окажется немного недоиспользованным, но, благодаря этому, аккумуляторы будут жить долго и счастливо и умрут в один день (это не совсем преувеличение)!
Итоги и выводы
Установленная в аккумуляторе Макита новая комбинированная плата BMS с защитой оказалась буквально никакая с точки зрения выравнивания потенциала на ячейках аккумулятора, но она оказалась крайне полезной с точки зрения выполнения функций защиты: защита здесь работает именно так, как должна.
Нарушение правила, что аккумуляторы в последовательной цепи должны быть одинаковыми, в данном случае мне "сошло с рук", но в общем случае на это рассчитывать не следует, особенно с учётом того, что реальная ёмкость аккумуляторов 18650 из Китая может сильно отличаться от той, что на них указана. То есть, нужно брать не просто одинаковые аккумуляторы, а одинаковые аккумуляторы у одного продавца - тогда есть шанс, что они окажутся из одной партии и расхождения между ними будут минимальными. Либо сразу брать готовый спаянный комплект аккумуляторов из пяти штук (это лучший вариант - и аккумуляторы будут почти одинаковыми, и возиться с пайкой/сваркой не придётся; правда, ёмкость всё равно может оказаться меньше заявленной).
Вывод из вышеизложенного: после покупки недорогого аккумулятора формата Макита крайне полезно его разобрать и посмотреть, как там соединены выходные контакты (больших знаний электроники для этого не требуется). Если они соединены напрямую с собственно аккумулятором, то это - крайне неблагоприятный случай, аналогичный описанному выше. В этом случае защита от переразряда не будет работать, ибо её там просто нет. Пользоваться инструментом с этим аккумулятором можно, но крайне осторожно: не следует заряд вычерпывать "до дна", а при первых признаках замедления работы инструмента отправлять аккумулятор на дозарядку. И зарядку лучше не доводить до 100%, а остановиться примерно на 90%. Но это - полумеры, правильнее всё-таки установить плату BMS.
Плата BMS с защитой с цилиндрическим разъёмом для зарядки, применённая автором, была куплена у этого продавца на Алиэкспресс. Цена - около $1.3 (может меняться, проверяйте!).
Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
Если же нет необходимости в переходе на цилиндрический разъём, то можно порекомендовать, например, такую плату BMS с защитой:
Эта плата лучше применённой выше платы с цилиндрическим разъёмом тем, что здесь разрядные резисторы имеют номинал 75 Ом, т.е. разрядный ток здесь в 13.3 раза выше, и плата сможет выровнять уже не микроскопический, а достаточно серьёзный дисбаланс между отдельными ячейками аккумулятора.
Но, это, разумеется, в теории - плата не тестировалась!
Кроме того, перед покупкой платы необходимо прикинуть, насколько хорошо её крепёжные отверстия подойдут для корпуса Вашего аккумулятора Макита (с установкой могут быть проблемы и в смысле механики).
Купить её можно на Алиэкспресс, например, у этого продавца. Цена - около $5.5 (может меняться, проверяйте!).
Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
Более подробно с теорией защиты и балансировки аккумуляторов можно ознакомиться в этой статье на Хабре.
Всем спасибо за внимание!
Подписывайтесь на этот Дзен-канал: будет ещё много интересного!