Самодельная Li-ion 3S батарея с платой защиты и балансировки BMS-WH3S0404LI2535

В статье будет рассмотрено, как подключить литий-ионные аккумуляторы к модулю BMS с обозначением WH-2535S3A4J, и как самостоятельно собрать и сделать трёх-секционную батарею с балансировкой отдельных секций на её основе. Такая батарея пригодится для автономного энергообеспечения различных устройств и потребителей, питающихся от напряжения 12 В:

Для сборки батареи было использовано шесть аккумуляторов типоразмера 18650 с ёмкостью каждого из них по 2600 мА*ч,:

Модуль контроля и балансировки представляет из себя плату небольших размеров с контактными площадками для подключения аккумуляторов и выходных клемм для зарядки/разрядки:

В итоге собранная батарея литий-ионных аккумуляторов имеет следующие технические характеристики:

Параметр	Значение
Тип батареи	Li-ion
Количество секций	3
Количество элементов	6
Ёмкость	5200 мА*час
Энергия батареи	58 Вт*час
Номинальное напряжение	11,1 Вольт
Мин/Макс напряжение	8,2/12,6 Вольт
Максимальный ток разрядки	4 Ампер
Максимальный ток зарядки	2 Ампер
Уровень саморазряда	8 мкА
Защита от переразряда	Есть
Защита от перезаряда	Есть
Защита от перегрузки	Есть
Система балансировки	Имеется
Рабочая температура	+5 . . . +40 °C
Габариты Д X Ш X В	78 x 60 x 40 мм
Масса	340 гр.

Все отдельные элементы были сгруппированы и комбинировано соединены параллельно-последовательно, после чего они были обмотаны бумажным скотчем:

 

Сначала они соединяются по два параллельно, а затем сдвоенные аккумуляторы соединяются последовательно в три секции по следующей схеме:

 

Все точки залуживаются в необходимых местах для дальнейшего подключения к плате BMS:

 

Плата модуля защиты и балансировки типа WH3S0404LI2535 заказывалась на Aliexpress, и на момент написания статьи стоила US $4,25:

 

Далее представлены заявленные технические характеристики модуля с сайта продавца:

Плата приходит в небольшом, герметично запаянном, антистатическом пакете:

Её длина меньше обычной спичинки, и она легко полностью умещается на ладони взрослого человека:

 

Модуль основан на контроллере S-8254A, для батарей из трёх или четырёх литий-ионных аккумуляторов, который представляет из себя микросхему в корпусе поверхностного монтажа типа TSSOP с шестнадцатью выводами:

 

Приводится стандартная схема включения контроллера S-8254A из официальной технической документации, для случая батареи, состоящей из трёх секций:

Подробные технические характеристики можно посмотреть в официальной документации на микросхему.

Микросхема управляет силовыми ключами на транзисторах, в качестве которых на плате модуля установлены p-канальные MOSFET-ы типа AO4407A в SMD-корпусе SOIC-8:

Транзистор может работать с напряжением до 25 Вольт и пропускать ток до 10 Ампер. При этом рассеиваемая на нём мощность не должна превышать 2 Ватт. На эти транзисторы так же имеется документация с техническими характеристиками.
Кроме транзисторов и управляющей микросхемы на плате имеется система балансировки на пороговых элементах, а также некоторое количество резисторов и конденсаторов. По краям удобно выведены контактные площадки для подключения батареи с соответствующей маркировкой:

Подобно маркировке на плате, на саму сборку аккумуляторов маркером были нанесены обозначения, возле соответствующих им контактов:

 

 

Далее к этим контактам припаиваются изолированные медные полоски для подсоединения к самой плате:

 

Как подключить данную батарею аккумуляторов к плате модуля контроля и балансировки WH3S0404LI2535 показано на следующем рисунке:

Перед подключением к батарее, на обратную сторону модуля был наклеен толстый двухсторонний скотч, для дальнейшей фиксации и удержания платы на аккумуляторах батареи:

 

Плата выравнивается с контактными лентами, приклеивается к самой батарее, а ленты припаиваются к соответствующим контактным площадкам:

 

 

 

Для снятия напряжения с батареи и для её зарядки можно установить площадку с контактами, или подсоединить кабель, с дальнейшей установкой разъёма на его другой конец. В данном случае был применён второй способ, и для этой цели использовался отрезок многожильного кабеля в двойной изоляции:

 

Кабель был проведён между элементами батареи в удобном месте, и был припаян к соответствующим контактным площадкам платы модуля:

 

Прежде чем установить разъём на другой конец кабеля и придать изделию окончательный вид, было произведено испытание и тестирование батареи, и соответственно применённой платы модуля.

Для этого батарея была подключена к многофункциональному измерительному прибору, обзор которого был в предыдущей статье:

Чтобы исключить лишнюю погрешность, прибор подключался к батарее по схеме с отдельным питанием. О том как это сделать, смотрите в упомянутой статье:

В качестве нагрузки был взят толстый нихромовый провод, изменяя длину которого, подбирался необходимый нагрузочный ток. При протекающем токе около 4 Ампер, который заявлен максимальным в технических характеристиках используемого модуля, батарея работает нормально и на плате ничего не греется:

 

После превышения тока нагрузки уровня 5,5 Ампер, немного начинают нагреваться силовые транзисторы на плате модуля, а при токе 7,5 Ампер нагрев транзисторов становится ощутимым, но батарея продолжает нормально работать:

 

Уменьшая длину и сопротивление подключённого к выходным клеммам нихромового провода, и тем самым соответственно увеличивая ток нагрузки до 11 Ампер, и сам провод и транзисторы нагреваются мгновенно, так как установленные ключи в таком режиме работают на пределе своих возможностей. Напряжение батареи при этом сильно проседает, но она всё равно продолжает питать нагрузку:

Установив ток нагрузки свыше 16 Ампер, нихромовый провод раскаляется докрасна, но модуль продолжает работать в штатном режиме. Это хорошо для питания таких схем, где пусковой ток превышает рабочий в три-четыре раза, но он должен быть кратковременным, так как при работе с таким током транзисторы силовых ключей не выдержат перегрева и быстро выйдут из строя.
При дальнейшем увеличении силы тока и после превышения порога 17 Ампер срабатывает защита и выходная цепь обесточивается:

 

При коротком замыкании так же довольно быстро срабатывает защита, и не даёт повредится проводникам или радиокомпонентам, не говоря уже о самих аккумуляторах:

В заключение силовым тестам можно сделать вывод, что модуль прекрасно работает при заявленном токе в 4 Ампер, и не будет ложных срабатываний защиты в момент включения устройства, когда пусковой ток в несколько раз превышает номинальный. С другой стороны транзисторы силовых ключей рассчитаны на максимальный ток 10 Ампер, а защита срабатывает при превышении силы тока уровня 17 Ампер. Это нужно помнить и учитывать, не подключая к батарее слишком мощные потребители в роли чисто активной нагрузки.

Можно немного доработать плату контроля и уменьшить ток срабатывания её защиты. В качестве токового шунта здесь выступает низкоомный резистор с маркировкой R010 (сопротивление 0,01 Ом) под обозначением "RJ1" на самой плате. Так вот, ток срабатывания защиты можно уменьшить в два раза, установив вместо штатного, резистор с обозначением R020, что будет соответствовать сопротивлению 0,02 Ом и ток срабатывания защиты составит примерно 9 А, что уже на 1 А меньше предельно допустимого тока ключей:

 

Для проверки защиты от глубокого разряда аккумуляторов, к батарее, на продолжительное время, была подключена маломощная нагрузка в виде небольшой лампы накаливания с током потребления 0,3 Ампер. Автоматическое отключение нагрузки и обесточивание цепи произошло при падении общего напряжения батареи ниже 8,2 Вольт:

При этом самое низкое напряжение на отдельном аккумуляторном элементе (секции) составило 2,83 Вольт, что является нормой для применённой платы BMS:

Чтобы не уменьшать срок службы аккумуляторов батареи, после полной их разрядки желательно как можно быстрее начать зарядку, и для этого было использовано специальное зарядное устройство литий-ионных батарей, подключённое вместе с измерительным прибором:

Весь процесс зарядки происходил в нормальном режиме, а под конец, как и положено, зарядный ток упал до 100 мА:

После определённого порога уровня напряжения на аккумуляторах, в самом конце процесса зарядки, в работу включается система балансировки отдельных ячеек, и происходит выравнивание уровня заряда всех элементов с силой тока в 50 мА:

 

При этом наблюдается небольшой нагрев балансировочных резисторов на плате модуля BMS, а самое высокое напряжение отдельной секции при этом составило 4,17 Вольт. Следует отметить, что используемый мультиметр занижает показание измеренного напряжения на 0,5% и реальное значение уровня минимального и максимального напряжения будет немного бО́льшим, по сравнению с отображаемым:

На этом батарею можно считать заряжённой и закончить её проверку и тестирование модуля защиты и балансировки. Далее на конец выходного кабеля нужно установить унифицированный разъём для удобного и быстрого подключения батареи к нагрузке и зарядному устройству. В качестве такого был выбран стандартный и надёжный для батарей разъём типа XT60. Разъём имеет удобную форму и позолоту контактов, и хорошо выдерживает большие токи:

 

Разъём с контактами типа "мама" припаивается к вводному кабелю батареи, а место пайки изолируется термо-усадочной трубкой подходящего диаметра. Сторона разъёма с отрицательным полюсом контактов немного суживается к краю, что защищает от неверного подключения и переполюсовки:

 

Батарея удобно подключается к зарядному устройству с таким же разъёмом и контактами типа "папа" и он защёлкивается обеспечивая надёжный контакт и физическую устойчивость. По краям разъёмы имеют обозначения полюсов контактов, в соответствии с которыми и производится пайка и их установка:

 

Готовую батарею было решено поместить в термо-усадочную трубу. Может это не лучшее решение, так как для уплотнения трубы её нужно нагреть до довольно высокой температуры и есть риск повредить аккумуляторы, так как при высоких температурах они обычно вздуваются, выходят из строя и даже могут взорваться и воспламениться. Каждый сам должен решить сможет он это сделать или нет, и всё это делается на собственный страх и риск. Для этой цели было взято два отрезка труб разных диаметров:

 

В трубу меньшего диаметра батарея вошла плотно, и при нагревании труба сильно натянулась и раскрылась по длине. В трубу же большего диаметра батарея поместилась с двойным запасом, но так как при нагревании она может уменьшаться до двух раз, то дальнейший выбор был остановлен на ней. Для нагревания трубы использовался технический фен с установленной температурой нагрева 400 ℃, а перед нагревом со стороны платы защиты, и противоположно ей, на двойной скотч были прикреплены пластиковые щёчки подходящего размера. Для обеспечения безопасности нагревательные работы проводились в перчатках и защитных очках:

Далее вводной кабель был укорочен и произведены физические замеры и взвешивание готовой батареи. Батарея получилась плотно стянутой и довольно устойчивой к внешним физическим воздействиям. Можно ещё было приделать кольцо или небольшой карабин в виде подвески, но при сложностях с усаживанием трубы это перешло на второй план:

 

 

Коротко рассмотрим качества сконструированной батареи. Кроме того, что это хороший вариант сделать что то полезное своими руками, изделие так же имеет положительные черты.

Достоинства:

• Самым главным достоинством можно назвать простоту и доступность изготовления. В процессе использовались подручные материалы, имеющиеся в каждой мастерской и не представляющие собой дефицита.
• После первого достоинства можно определить второе, но по важности стоящее наравне с первым - компактность, прочность и удобство конструкции, которую можно изменять в некоторых пределах, при этом сохраняя высокие показатели.
• По электронной части так же можно отметить приемлемую надёжность, связанную с высокой изолированностью, свободно выдерживающего номинальный нагрузочный ток выходного кабеля, наличия у контроллера защиты по токовой перегрузке и короткого замыкания, а так же сохранения долговечности отдельных аккумуляторов при контроле их напряжения и отключении нагрузки/зарядки при выходе этого напряжения за заданный для литий-ионных аккумуляторов предел.
• Большим плюсом является наличие на плате используемого модуля системы балансировки отдельных секций батареи, что позволяет максимально задействовать весь ресурс и потенциал используемых аккумуляторов, и при этом так же сохранить их долговечность, и долговечность батареи в целом.

При всех достоинствах хотелось бы обратить внимание на одну небольшую деталь, которая является слабым звеном в данном варианте.

Article2

Недостатки:

• Порог срабатывания системы защиты от перегрузок у используемого модуля находится в пределах 17 Ампер, а максимально допустимый ток транзисторов силовых ключей составляет 10 Ампер. При этом транзисторы будут сильно нагреваться даже на таком токе, а при частом превышении тока нагрузки предельно допустимого они могут выйти из строя. Поэтому придётся не надеяться на защиту от перегрузки по току и всегда учитывать этот фактор, или же немного доработать плату, сменив резистор токового шунта, как описывалось выше..

Ссылка на модуль в AliExpress

 

Это был один из вариантов автономного источника питания для радиолюбителя и не только. Смотрите также видео тестирования на нагрузку, зарядку и короткое замыкание. Автор использовал данную батарею для питания разнообразных потребителей в течении года до написания статьи, и за всё это время не было никаких проблем и осложнений. Собранную батарею можно с успехом использовать для питания "Мультимедийного LCD телевизора с DVB-T2 на основе платы LUA63A82".

Спасибо за внимание и потраченное Вами время. При проявлении интереса напишите отзыв или же просто оставьте свой комментарий. Смотрите так же дополнительные материалы по теме:

• Самодельная разборная Li-ion 3S батарея с платой контроля и защиты HH - P3-10.8
• Зарядное устройство батарей из трёх литий-ионных аккумуляторов
• Многофункциональный измеритель параметров заряда/разряда аккумуляторов
• Буферное зарядное устройство свинцовых аккумуляторов
• Измеритель ёмкости аккумуляторов (С линейным стабилизатором)

 

Теги:

• Литий-ионный аккумулятор
• Зарядное устройство