Spaliłem Balance Board! A potem go naprawiłem!

Zabrałem się parę dni temu za ładowanie pakietów, co ostatnio rzadko mi się zdarza, bo pogoda skutecznie zatrzymuje mnie w ciepłym domu. Proces bardzo przyspiesza płytka ładowania równoległego, czyli z angielskiego „Balance Board”. Służy ona do podłączenia na raz wielu pakietów do ładowarki, tak jakby były jedną większą baterią. Podczas ładowania prąd płynie jednocześnie do wszystkich pakietów, a resztę robi za nas fizyka. Korzystanie z tej płytki nie jest specjalnie trudne, ale to wcale nie oznacza, że nic się nie może stać. Zapraszam do czytania o tym, co dziś mi się przydarzyło!

Balance board tak, jak zwykle, podłączyłem do ładowarki. Następnie podpiąłem pierwszy pakiet zaczynając od głównego złącza – XT-60. Dopiero później podłączam balanser. Jest to podyktowane tym, że podczas przyłączania kolejnych baterii, jeżeli była pomiędzy nimi różnica napięć, to następuje przepływ prądu – z baterii bardziej naładowanej, do tej mniej. Jest on ograniczony jedynie niewielką rezystancją wewnętrzną obu ogniw. Nie jest ona duża, a więc i prąd może być spory. Lepiej więc, żeby płynął on przez grube przewody, które są do tego przystosowane, niż miałby przechodzić przez te od balansera.

Podłączyłem drugie ogniwo. Najpierw XT-60, potem balanser i w tym momencie z płytki równoległego ładowania zaczął wydobywać się delikatny dym, a ja poczułem jakże niepożądany zapach spalenizny. Coś poszło nie tak. Stwierdziłem, iż zanim wyrzucę płytkę, zerknę wpierw, co właściwie się stało. Z zasady staram się nie ratować spalonego sprzętu, bo można zrobić więcej krzywdy niż pożytku, a pożar w domu to ostatnia rzecz, której bym chciał, ale przynajmniej wiedziałbym, co jest słabym ogniwem płytki, której używałem. Odkręcenie 4 śrubek trzymających obudowę poszło sprawnie i po chwili dostałem się do samej PCB. Spójrzmy więc, co się spaliło.

Nie potrzeba było wielkiej spostrzegawczości, żeby zorientować się, że przepaliły się ścieżki biegnące od złącza balansera do poszczególnych wtyczek. Są one relatywnie szerokie, ale też bardzo cienkie, więc ich zdolność do przenoszenia większych prądów mocno ograniczona. Co więcej, stało się to dokładnie po podłączeniu drugiej baterii (złącza balansera), podczas gdy ładowarka była podłączona do prądu, ale nie ładowała pakietów. Jednocześnie nie ucierpiał bezpiecznik, więc nie miało to związku z głównym złączem zasilania, które takowy chroni przed zbyt dużym przepływem prądu. Coś stało się na styku balanserów obu pakietów.

Wszystkie baterie trzymam w jednym etui. Żeby rozróżnić naładowane od rozładowanych lub w trybie storage, zakładam kapturki z TPU na złącza XT-60. Zielone oznaczają pakiety gotowe do lotu, czerwone zarezerwowane są dla tych już po. Pierwsza bateria, ktorą podłączałem, miała czerwoną nakładkę, druga takowej nie miała, więc założyłem, że jest także rozładowana. Najwyraźniej błędnie, ponieważ miernik pokazał 4.16V na celę. Połączyłem więc baterię naładowaną z taką, która była w storage (3.80V). No dobrze, ale czy to wystarczyło, żeby popalić ścieżki? Zobaczmy.

Połączenie pojedynczej naładowanej celi z rozładowaną daje przepływ prądu wynikający z różnicy napięć pomiędzy ogniwami oraz sumie ich oporu wewnętrznego. Zastanówmy się, jak to działa. Aby doszło do przepływu prądu, musi istnieć różnica potencjałów, czyli zwyczajowo napięcie. Określenie „różnica” jest nieprzypadkowe, ponieważ pomiędzy dwoma ogniwami (dla uproszczenia 1S), każdym posiadającym napięcie 3.9V prąd nie popłynie, ponieważ obie wartości są jednakowe. Jeśli jednak weźmiemy baterię, która ma 3.8V, a druga już 4.1V, to różnica potencjałów wyniesie 4.1V – 3.8V = 0.3V. Im wyższe napięcie, tym większy prąd popłynie. Ogranicza go jeszcze opór elektryczny – im niższy, tym łatwiejszy będzie ruch elektronów. W przypadku baterii jest to tzw. opór wewnętrzny (chemiczny), który stanowi górną granicę tego, ile prądu jesteśmy w stanie pobrać z danego ogniwa. To, że pakiety li-po pozwalają pobrać tak gigantyczne prądy (w porównaniu do ich rozmiaru) wynika z niezwykle niskiego oporu wewnętrznego liczonego w dziesiątkach miliomów (mΩ). Jest to co najmniej o rząd wielkości mniej, niż np. dla paluszków AA, czy AAA (cela lipo ok. 8-10mΩ, zaś bateria AA – ok. 150-200mΩ). Należy również pamiętać, że opór wewnętrzny zmienia się pod obciążeniem (rośnie), więc syntetyczny pomiar spoczynkowy przez ładowarkę nie da nam jednoznacznej odpowiedzi, ale pozwoli zrozumieć rząd wielkości.

Obliczenie natężenia prądu zapewnia nam Prawo Ohma, które wyraża się wzorem:

I = U / R

gdzie:
I = natężenie prądu (A – Ampery)
U = napięcie (różnica potencjałów) (V – Wolty)
R = opór elektryczny (Ohmy)

Wracając do naszej popalonej płytki. Prąd popłynął pomiędzy pojedynczymi celami, ponieważ uszkodzone zostały ścieżki właśnie od balansera. Wiemy już, że napięcia na celach różniły się tak o ok. 0.3V, ponieważ na jednej baterii było to 3.8V, a na drugiej 4.1V. Aby policzyć prąd, potrzebujemy jeszcze oporu wewnętrznego poszczególnych cel. Na szczęście ładowarki mają pomiar rezystancji wewnętrznej – „Batt Resistance”. Posiada to zarówno sprzęt od Turnigy, jak i SkyRC. Zobaczmy na wynik pomiaru dla obu ogniw:

Opór wewnętrzny wyraża się w miliomach, czyli mΩ. Oznacza to, że są to tysięczne części omów (Ω). Podstawmy do wzoru wartości dla pierwszych cel w obu bateriach, czyli 8 mΩ i 6 mΩ. Natężenie prądu będzie zależało od sumy tych oporów, ponieważ w przypadku tego połączenia baterii, jedna z nich „broni się” przed pobraniem ładunku (ta o wyższym napięciu), zaś druga blokuje jego napływ (ta o niższym napięciu).

No dobrze, to podstawmy całość do wzoru:

Dla przypomnienia – różnica napięć pomiędzy celami wynosiła około 4.1V – 3.80V, czyli 0.3V.

I = (4.1V – 3.80V) / (6 mΩ + 8 mΩ) = 0.3V / 14mΩ = 0.3V / 0.014Ω = 21.4A (!)

Nim rozdziawimy usta z wrażenia, zwróćmy uwagę na to, że jest to wyliczenie z użyciem spoczynkowego oporu wewnętrznego, nieuwzględniającego obciążenia ogniwa. Wykorzystujemy wartość oporu wewnętrznego pomierzoną przez ładowarkę, więc nie da się jednoznacznie ocenić, czy dla tego wyliczenia tyle on powinien wynosić, ale daje nam pojęcie o rzędach wielkości. Chodzi zarówno o spadek napięcia na celi, z której pobieramy prąd, jak i jednoczesny wzrost jej oporu pod obciążeniem. Nie chodzi nam tu jednak o dokładne zmierzenie, jaki prąd popalił ścieżkę, ponieważ byłoby to nieco trudne, szczególnie w domowych warunkach, ale o pokazanie, że faktycznie mógł to zrobić. Spójrzmy na zgrubne wyliczenie, jaki prąd jest ona w stanie przenieść. Ponownie, dość syntetyczne, ale uświadamiające nam proporcje.

W wyliczeniu założyłem, że ścieżka ma około 3mm szerokości i 1mm grubości. W sieci można znaleźć informację, że na typowej płytce drukowanej ścieżka ma raptem 35um (0.035mm) grubości. Na oko, szerokość oscyluje w granicach 1.5-2mm. Niestety nie rozbierałem Balance Board po raz kolejny, więc użyłem przybliżeń. Obiecuję, że jeśli popalę ją jeszcze raz – zmierzę to dokładnie.
Przy takiej konfiguracji ograniczenie prądowe wynosi 4.38A. Oczywiście bardzo zgrubnie. Po zmianie wymiarów na 2mm szerokości i grubości na 0.1mm, przy zakładanym wzroście temperatury o 20 stopni Celsjusza, uzyskałem 11.6A.

Jednocześnie dla przewodów balansera ładowarki nie przekraczają wartości prądu 300mA (0.3A), zaś ograniczenie samych przewodów od balansera (AWG22) wynosi około 0.9A (https://www.powerstream.com/Wire_Size.htm), choć w praktyce pewnie na tak krótkim przewodze można puścić ze 2A i też będzie dobrze. Wciąż, jest to mniej, niż to, co wyszło z naszego syntetycznego wyliczenia. Jeżeli przepaliła się ścieżka to oznaczało, że jednak to ona była najsłabszym ogniwem – w przeciwnym wypadku stopiłyby się styki wewnątrz złącza balansera, albo przewody.

Wnioski

Podłączenie naładowanej i rozładowanej baterii do balance board spowodowało gwałtowny przepływ dużego prądu pomiędzy obydwoma pakietami. W tej konfiguracji poddało się najsłabsze ogniwo, czyli ścieżki na płytce PCB od balance board. Gdyby były one grubsze, prawdopodobnie stopiłyby się styki od złącz bateryjnych, a potem ewentualnie popaliły same przewody. W każdej z tych konfiguracji skończyłoby się to źle. Ścieżki na płytce zadziałały jak bezpiecznik – przepaliły się blokując dalszy przepływ prądu. Uratowało to baterie i uchroniło przez ewentualnym pożarem. Tak, czy inaczej, mówimy tu o szczęściu. Nauka na przyszłość? Sprawdzać 2 razy wszystkie pakiety przed podłączeniem do balance board. To również uświadamia nam, jakie konsekwencje może mieć nieostrożne korzystanie z tej płytki. Kolejny dowód na to, że z bateriami LiPo nie ma żartów!

Może da się to naprawić?

Czarny lakier z popalonych ścieżek zaczął się odrywać odkrywając bezpośrednio miedź biegnącą pod spodem. Gdyby mocno rozgrzać te ścieżki – powinno się udać połączyć je cyną, co zagwarantuje przywrócenie im ciągłości. Hmmm, w sumie nie zaszkodzi spróbować.

Rozgrzałem lutownicę i połączyłem obie części ścieżek cyną. Nie za bardzo chciała ona co prawda chwycić, ale rozpuściwszy warstwę izolującą, udało się zmostkować oba uszkodzone końce. Zerwałem nieco więcej lakieru wzdłuż i na wszelki wypadek położyłem cynę także dalej, aby nie tworzyć jednego punktu połączenia, ale umożliwić swobodniejszy przepływ prądu przez utworzoną przeze mnie „ścieżkę” z cyny. Naprawiłem tak oba uszkodzone miejsca. Z racji tego, że utworzyłem miejsce nieizolowane na płytce, pokryłem całość paroma warstwami lakieru PVB60. Chodziło o to, żeby uniemożliwić utlenianie miejsca lutowania, ale przede wszystkim dodać kolejną warstwę fizycznie izolującą miejsce, przez które płynie prąd. Oczywiście płytka znajduje się w plastikowej obudowie, ale nie chciałem mimo wszystko pozwolić, aby była to jedyna bariera. Całość z bliska wygląda następująco.

Co najważniejsze, po zamknięciu obudowy, z lekką dozą niepokoju podłączyłem dwie, bardzo podobnie rozładowane baterie (!) i uruchomiłem ładowarkę. Nic nie wybuchło, nie zapaliło się, a oba ogniwa bardzo spokojnie się naładowały. Wcześniej sprawdziłem oczywiście, czy działa samo złącze balansera w balance boardzie wyświetlając opór wewnętrzny każdej z cel. Na ładowarce pokazały się wartości dla wszystkich 4 (moje pakiety to 4S), więc wiedziałem, że moje połączenia faktycznie przewodzą. W taki sposób mój Balance Board znowu działa!

Jeżeli ktoś znający temat lepiej ode mnie ma jakieś istotne informacje odnośnie takiej naprawy, bądź całego artykułu – zachęcam do dzielenia się wiedzą w komentarzach. Z mojej skromnej wiedzy wynika, że wszystko powinno być ok, ale jeśli coś przeoczyłem to poprawcie mnie proszę.

Życzę Wam udanego, bezpiecznego ładowania pakietów i oczywiście długich lotów! Do następnego!

%d bloggers like this: