Třetí část miniseriálu o nabíjení je o balancování a měření akupacků.
Mezi typické opakující se dotazy zákazníků patří: Jak mám balancovat? Máte nějaký modul, který mi to vybalancuje? Chci balancér vestavět do pouzdra k akupacku, co mi nabídnete?
Průser
Neexistuje žádný balancér za rozumnou cenu v rozumné velikosti, který by nic nežral (neměl žádnou spotřebu) a dal by se implementovat snadno k akupacku. Vemte to prosím jako skutečnost, nic takového na trhu prostě není.
Proto si řada lidí pořídí levný balancér (ve skutečnosti se jedná o omezovač) v naivní představě, že má vyřešeno. Po čase se zjistí, že pack jaksi přestává plnit úkoly, pro které byl nominován. Jó, to je taková malá levná destička se SMD tranzistory MOSFET, která se připojí k akupacku. Podle většiny prodejců řeší úplně všechno 🙂
Co je balancér a co omezovač
Balancér
Jeho úkolem je vyrovnávat napětí mezi jednotlivými články v akupacku. Tedy balancovat. Dělá to tak, že když zjistí rozdíl (při libovolném stupni nabití), začne přečerpávat energii z jednoho článku do druhého, aby ten rozdíl vyrovnal. Nejlépe aby měl co nejmenší vlastní spotřebu, byl malý a fungoval při co nejmenším rozdílu článků v packu.
A teď zpátky na zem. Když nekvalitní balancér připojíte trvale k malému bateriovému packu (řádově jednotky Ah), můžete si být jisti, že vám ho za měsíc vycucá, pokud ho nebudete během této doby aktivně používat (tedy především nabíjet). Takový modul může mít spotřebu jednotky až desítky miliampér (podle kvality modulu), hlavními žrouty jsou mikrokontrolér, který řídí logiku (měří jednotlivé články a ovládá přelévání energie) a ještě víc DC/DC měnič, který musí vyrobit napětí vyšší, tedy aby energii přenesl kam je potřeba. Může to dělat jedním ze dvou způsobů – kapacitně nebo indukčně, ale to vám může být jedno. Vás by mělo zajímat, při jakém rozdílu napětí se spustí a na kolik ty články vyrovná. Výrobci těchto malých modulů uvádějí například 30 mV, to by bylo dobré, kdyby to neplatilo jen pro sousední články, ale to už čulibrci nenapíšou. Při packu 6S může teoreticky celkový rozdíl mezi krajními články (nejlepší – nejhorší) dosáhnout 6 × 0,03 V = 0,18 V. V prvním dílu miniseriálu jsem uváděl rezervu 0,1 V. Takže když budete bezmezně věřit čínským inženýrům a nebudete akupack kontrolovat čas od času specializovanými měřáky, sem tam nějaký článek v akupacku občas zakuká 🙂
V sortimentu máme téměř ideální balancer, který má dokonce galvanicky oddělené vstupy. Jen má dvě nevýhody: je poměrně drahý a je velký. Nicméně je velmi kvalitní – jeho vlastní spotřeba je zanedbatelná, porovnává mezi sebou všechny články (ne jen ty sousední) a balancuje na jednotky milivoltů. Vzhledem ke své velikosti je předurčen spíš pro větší sestavy baterií.
Balancér nemá konec jako omezovač. Nezná koncové napětí článku, kdy má přestat. On balancuje dokud se nepřekročí napěťový limit na jeho vstupech. Pak nejspíš dojde k jeho destrukci.
Řada obchodníků nabízí ve svých internetových obchodech balancéry. To však nejsou balancéry, ale omezovače. Na první pohled je poznáte podle toho, že nemají na desce plošných spojů transformátorky nebo velké kondenzátory, pomocí nichž balancér přečerpává energii z více nabitých do méně nabitých článků (sekcí) akupacku.
Omezovač
Ten slouží k tomu, aby po nabití článku tento přemostil, tedy aby omezil jeho nabíjení. Omezovač to udělá až po plném nabití, tedy u článku Li-Ion až při napětí 4,2 V. Jenom připomínám, že pokud chcete, aby měla Li-Ionka dvojnásobnou životnost, nabíjejte ji na maximálně 4,1 V (viz 1. díl miniseriálu o nabíjení). Omezovač je taková pojistka proti přebití článku.
Takto omezovač pracuje u všech článků. Jeho nezajímá, když jste v polovině nabíjení. On se zapojí do práce až na úplném konci. To je hlavní rozdíl oproti balancéru, ten pracuje průběžně.
Omezovač tedy použijte, pokud chcete mít pokoj a nezajímá vás životnost. Aby měl komerčně vyráběný omezovač smysl, musíte akupack vždy nabíjet na maximální možné napětí.
Omezovač se zapojuje paralelně k článku (resp. k jedné k sekci akupacku). Továrně vyráběné omezovače jsou koncipovány vždy na maximální napětí článku (tj. 3,6 V pro LiFe a 4,2 V pro Li-Ion), které se bohužel nedá měnit. Jedním z požadavků na omezovač je, aby měl “koleno” pro přemostění co netvrdší. Velmi kvalitní omezovače dokážou překlenout baterii v rozdílu napětí 1 až 2 mV (např. 4,200 – 4,201 V). Při překlenutí článku mění omezovač procházející proud z nabíječky v teplo. Příklad: budete-li nevybalancovaný Li-Ion pack nabíjet proudem 1 A, jedna sekce při dosažení koncového napětí 4,2 V bude muset odvést výkonovou ztrátu 4,2 V × 1 A = 4,2 W. Ještě prosím nezapomeňte, že bude-li mít akupack například šest sekcí, tak si tu výkonovou ztrátu vynásobte počtem sekcí, které postupně budou dosahovat limitního napětí při vytrvalém dobíjení. Teplíčko, viďte.
Postavit omezovač není tak složité. Jednoduchou konstrukci navrhnul známý český vývojář Miloš Zajíc a vylepšil ji Jaroslav Belza. Pan Zajíc následně přepracoval design na verzi 2. Obě konstrukce obsahují schémata a výrobní dokumentaci spolu s praktickými poznámkami (doporučuji k prostudování):
- Miloš Zajíc: zajic.cz/omezovac/omezovac.htm
- Ing. Jaroslav Belza: Balancer pro nabíjení Li-Ion, PE ARadio 2017/12, str. 25-26
Výhoda těchto obou konstrukcí je, že si koncové napětí můžete nastavit na mez jakou potřebujete (tedy např. 4,1 V pro Li-Ion/Li-Pol). To je právě klíčová výhoda proti komerčně vyráběným omezovačům.
Omezovač s proudovou pojistkou a kontrolou podbití
Tento typ modulů je nyní v drtivé většině nabídek různých internetových shopů a je obecně vydáván za balancér (pozor na to!). V kombinaci s hlídáním maximálního proudu, který z baterií můžete čerpat – brání totálnímu zkratu na výstupu. Při překročení maximálního proudu se výstup z baterií do spotřebiče vypne. Hlídají také podbití, které funguje tak, že při poklesu napětí baterie pod 2,5 V ji odpojí od výstupu. To jsou užitečné vychytávky, které mají vliv na bezpečnost provozu baterií a akubloků vůbec.
Tento typ omezovače s ochranami se zapojuje mezi spotřebič/nabíječku a bateriový blok.
Kombinace balancér – omezovač
Bylo by to ideální, ale v praxi ztrácí smysl, protože buď budete sestavu baterií nabíjet jen částečně z důvodu delší životnosti a v tom případě použijete balancér nebo budete nabíjet nadoraz a použijete omezovač.
Já nepoužívám nic 🙂 ani balancéry, ani omezovače.
Měření akupacku prakticky
Vybalancovanost – měření napětí
Každý akupack, který začlením do svého života, vybavuji tzv. servisním konektorem. Používám bílé vícepinové konektory JST XH. Na piny vyvedu spoje všech článků, tj. je vždy o jeden pin víc než je článků. Takže například sestava 3S (tří sériově spojených článků) má servisní konektor se 4 piny, sestava 6S bude mít konektor se 7 piny.
Na tento servisní konektor pak můžete připojit balancér, speciální měřák pro akupacky nebo speciální modelářskou nabíječku. Samozřejmě na piny se můžete postupně napíchnout také multimetrem. Obsluhujete-li jen jeden pack, tak se to dá občas zvládnout, ale měřit to pravidelně tímto způsobem, to by byla otravná práce.
Rozdíl jednotlivých článků v packu by měl být co nejmenší, řekněme maximálně 0,03 V = 30 mV. Rozhodně ne 0,1 V, to by v nebalancovaném packu bez omezovače hrozilo přebití jedné sekce.
Pro rychlé měření akupacků existuje vcelku levný měřák Cellmeter-7 pro 7 článků (případně Cellmeter-8 pro 8 článků). Na akupack se s nimi připojíte vícežilovým kablíkem přes servisní konektor a hned vidíte jak na tom akupack je. Cellmeter okamžitě zobrazí na jaké napětí je nabit (orientačně zobrazí procento nabití), jedním kliknutím se dostanete na podstatnou informaci, a to jaký je rozdíl mezi nejlepším a nejhorším článkem (MIN-MAX), a jiným tlačítkem můžete postupně listovat mezi články.
My jsme Cellmetr-7 také měli v sortimentu, ale kvůli konkurenci jsme museli stopnout jeho prodej (nebyli jsme schopni je nakoupit za nižší cenu a konkurence byla výrazně levnější). Cellmetr-8 jsme také opustili, protože měl nějaký problém v konstrukci a spolehlivě zobrazoval packy jen do 6S (ačkoliv měl zvládat až 8S). Asi fejková výroba. Nechtělo se mi investovat čas do hledání pravého výrobce a do tvorby návodů (asi jste si všimli, že je dělám jinak), tak jsme s prodejem přestali.
Cellmetry nejsou úplně přesné, měl jsem tu možnost mezi sebou porovnávat více kusů, každý měřil mírně jinak. Vzhledem k jejich ceně 200 až 300 Kč nečekejte žádný zázrak, ale myslím, že poměr cena/přínos je na velmi dobré úrovni. Jenže jak jsem v seriálu o nabíjení už předtím zmínil, jsem cvok, takže si stavím téměř dokonale přesný čtyřmístný měřák, který bude schopen měřit packy až do 10S (komerční Cellmetr měří jen do 7S), a k tomu samozřejmě sadu adaptérů pro snadné připojování servisních konektorů.
Vnitřní odpor baterií
Impedance článků je jedním z ukazatelů jejich jakosti. Každý článek (sekci) proměřuji miliohmetrem YR1035+. Pokud bych u jakékoliv sekce naměřil zcela odlišnou hodnotu, ukazuje to na problém a pack bych asi pak už nepoužil, protože bych byl líný ho hlídat.
Co když zjistím problém
Když je akupack nevybalancovaný, dobiju (vyrovnám) problémovou sekci (případně více sekcí) drobným dobitím. Za tím účelem jsem začlenil do sortimentu magnetické kontakty, takže je velmi snadné se na danou sekci rychle napíchnout, právě bez nutnosti něco pájet nebo se nějak divoce chytat.
- Magnetické kontakty se silikonovými kabely
Tyto magnetické kontakty můžete využít také pro konstrukci adaptéru se servisním konektorem JST XH pro pack, který je v takovém hrubém stavu.
Jak to dělám já
Zde předkládám pro inspiraci svůj postup, když se mi do ruky dostane akupack neznámých vlastností.
- Pokud je akupack v pouzdru, otevřu ho, abych zjistil, co je v něm za baterie.
- Proměřím jednotlivé baterie miliohmetrem YR1035+.
- Akupack dobiju a dobalancuju.
- Znovu ho celý proměřím.
- Pokud projde mými testy, doplním ho o servisní konektor, abych pouzdro pokaždé nemusel rozdělávat.
- Dám ho do provozu – začnu ho používat.
- Po dalším dobití (případně dalších dvou) ho už jen zkontroluji přes servisní konektor.
- Po každých 3–6 měsících provozu (vybíjení/nabíjení) ho pravidelně kontroluji přes servisní konektor. Tedy nepotřebuji balancér ani omezovač.
Pokud prodávám akupacky 5S/6S/7S/9S (z důvodu obživy) s kvalitními bateriemi Tenpower, můžete si být jisti, že u všech aplikuji první čtyři body. S čistým svědomím můžu říct, že jsem udělal vše pro to, abyste byli spokojeni a pack vám dlouho vydržel.
Ve 4. dílu mého miniseriálu o nabíjení zveřejním pro inspiraci obrázek upraveného akupacku spolu s doprovodným popisem.