Надо признать — наш прошлый бесперебойник, WB-UPS v.2, мы считаем неудачным.

Не потому, что мы где-то ошиблись, или схалтурили, или сэкономили. Нет, мы использовали неплохие компоненты, и все делали согласно рекомендациям из даташитов их производителей. Но этого оказалось мало. Ощутимую часть устройств (~1.5%) нам пришлось менять по гарантии — через сколько-то месяцев непрерывной работы аккумуляторы «распухали», хоть и продолжали работать. Было понятно, что с этим надо что-то делать.

Выпуск устройств прекратили, и начали разрабатывать новую модель. Пришлось изрядно «поресерчить» и поэкспериментировать, и оно того стоило — WB-UPS v.3 стал на голову выше, причем за примерно те же деньги. И в нем даже есть наши ноу-хау. А теперь давайте подробнее.

WB-UPS — что это?

WB-UPS v.3 — это компактный источник бесперебойного питания с литий-ионными аккумуляторами «на борту».

Он устанавливается на DIN-рейку, занимает всего 2 DIN-юнита, и при отсутствии напряжения на входе обеспечивает выходное напряжение в диапазоне 9…25 В (настраивается) на нагрузке до 15 Вт (кратковременно — до 20 Вт). Причем, можно подключить параллельно несколько WB-UPS, активировать режим параллельной работы и тем самым просуммировать их Вт и Вт·ч. 

Приоритетами у команды разработчиков были компактность и доступность по цене.

Почему распухали аккумуляторы в WB-UPS v.2

В оправдание второй версии можно сказать, что по гарантии к нам вернулось менее 1.5% устройств. Остальные работают, как и задумано. А в наше оправдание можно сказать, что мы тщательно тестировали и опытные образцы, и серийные. Загоняли их в крайние режимы заряда/разряда, грели в термокамере… и в наших экспериментах аккумуляторы вели себя вполне пристойно, работали и не распухали.

Анализ тех экземпляров, которые нам вернули, показал, что с электроникой у них все было в порядке, никаких неисправностей. Мы проверяли все возможные идеи: отказ схемы заряда (нет, они работали идеально), разбаланс ячеек (напряжения были одинаковые и в норме), переразряд или перезаряд (нет), и так далее.

Кстати, сами аккумуляторы, хоть и были распухшие, работали как надо.

Может, дело в самих аккумуляторах?

Мы покупали ячейки одного и того же производителя, у одного и того же поставщика. В голову лезли сомнения: может, поставщик нам не то поставляет? Может, у производителя качество гуляет? Проверить последнюю гипотезу было несложно: мы проанализировали зависимость количества возвратов от партий используемых в них ячеек. И никакой корреляции не нашли, значит, дело не в этом.

Были у нас еще сомнения в конкретной модели ячеек. Мы долго переписывались с производителем через дистрибьютора, но в итоге те лишь разводили руками: никаких проблем в схеме, условиях заряда, разряда и т.п. они не нашли, а проблема у них не воспроизводилась. А ещё статистика самого дистрибьютора не подтверждала наши слова: ни у одного другого клиента эти же банки не вспухали.

Можно было бы просто заменить производителя аккумуляторов или выбрать другую модель, но без понимания причин это была бы лотерея. Напомню, что вспухали банки минимум через год эксплуатации!

А не в условиях ли эксплуатации проблема?

На эту мысль наталкивали недовольные клиенты, у которых после замены WB-UPS на новый снова происходило то же самое — ячейки распухали. Мы стали не только забирать бесперебойники с распухшими ячейками на исследование, но и ездить к клиентам на объекты.

А чем вообще могут отличаться условия эксплуатации? Температурой, циклами заряда-разряда, мощностью подключенной нагрузки. Представляете, каково было наше удивление, когда у “проблемных” клиентов с предполагаемыми “тяжёлыми” условиями мы увидели бесперебойники, к которым была подключена маленькая нагрузка, а сами они стояли в холодных щитах и едва ли хоть раз вообще разряжались полностью!

Параллельно мы пытались хоть как-то заставить эти элементы вспухнуть у себя в лаборатории. Единственный способ, которым мы смогли воспроизвести проблему, это поместить WB-UPS v.2 в термокамеру с очень высокой температурой и одновременно циклически заряжать/разряжать его предельной мощностью. Но полезного в этом эксперименте было не много — клиенты не эксплуатировали WB-UPS в таких условиях.

Конечно, во время всех исследований мы нашли несколько реальных проблем в WB-UPS v.2. Например, определили, что при большом входном напряжении бесперебойник ощутимо нагревался при заряде ячеек. Причина была в DC-DC преобразователе: в очередной ревизии во время кризиса полупроводников мы поменяли степ-даун с дефицитных AOZ на Rychip во всех наших устройствах, но только в WB-UPS v.2 он работал одновременно и на большом токе, и с большими входным и выходным напряжениями. Именно в этом режиме его КПД было сильно ниже аналога (и даташита), а мы проглядели эту комбинацию во время тестирования и чипа, и устройства.

На исследования, исправления, повторные исследования мы потратили очень много времени. Но, к сожалению, все обнаруженное никак не влияло на вспухание ячеек. 

Всё что мы знали в итоге, это то, что хорошие ячейки, несмотря на  правильную схемотехнику, в наши бесперебойниках начинают «газить», и через несколько месяцев могут стать толще в 1.5 — 2 раза. Другие их параметры не ухудшаются. Это не приводит к взрывам/пожарам, но пугает людей, да и оставлять ячейки в таком состоянии неправильно.

Что говорит теория

С теорией тяжело. Найти нормальную информацию от производителей о деградации ячеек при нахождении их в заряженном состоянии — это проблема. Весь Интернет завален лишь маркетинговыми презентациями. R&D активно занимаются автопроизводители, но информацией не делятся. Если хотите погрузиться в тему на ту же глубину, что и мы, то начать рекомендуем с книги Beard — Linden's Handbook of Batteries (McGraw Hill, 2019), ничего свежее мы не нашли. И послушать лекции господина Dr. Jeff Dahn, особенно его ответы на вопросы.

Еще мы скатались на выставку electronica в Мюнхен, и постарались вытянуть максимум информации из каждого производителя ячеек — это тоже было полезно. 

P.s. Если у вас есть более качественная информация — поделитесь ссылками, наши разработчики будут вам очень благодарны.

Стало понятно, что причина вспухания была не одна, был комплекс. Аккумуляторы в бесперебойниках «живут» в тяжелых условиях постоянного полного заряда, в состоянии «всегда готов». Часто внутри щитов бывает высокая температура. Оказалось, что выделение газа кратно ускорялось, когда напряжение на ячейке было большое. Особенно плохо ячейки переносили комбинацию из большого напряжения и большой температуры. Конкретный состав электролита отличался даже у ячеек с «одинаковой» химией, и тоже влиял на выделение газа.

Большое напряжение в этом контексте — это те самые 4.20 В отсечки при заряде. Чем позже выключаешь заряд, тем больше энергии можно закачать в элемент. Но стандартные напряжения оптимизированы под стандартный профиль использования: заряд-разряд. При разряде напряжение на элементе очень быстро и резко падает, и скорость паразитных химических реакций тоже. Получается, что аккумулятор «проскакивает» опасный участок и большую часть времени проводит при безопасных напряжениях. В бесперебойнике же аккумулятор всегда заряжен.

В общем, вывод из всего исследованного, прочитанного и услышанного мы сделали следующий: чтобы обеспечить нормальный режим эксплуатации для аккумуляторов, работающих в суровых условиях UPS, их не нужно заряжать до номинала, надо выключать зарядник раньше. Номинальные значения даются для устройств, работающих в режиме заряд/разряд, а тут другое.

Вывод сделан, надо его воплощать «в железе». Ну а раз уж взялись за переделку устройства, то сразу добавили и новые полезные фичи. Давайте заглянем внутрь WB-UPS v.3.

Что внутри WB-UPS v.3

Микроконтроллер
Мы долго пытались подобрать готовые чипы с той логикой, которую собрались реализовать  — не получилось. Придется программировать. Поэтому третья версия обзавелась микроконтроллером, который всем управляет.

Интерфейс RS-485
Раз уж микроконтроллер есть, грех было не дать устройству интерфейс для настройки, управления и мониторинга. Мы и дали — Modbus RTU.

Теперь WB-UPS легко интегрировать в системы автоматизации и диспетчеризации.

Надежные аккумуляторы
В WB-UPS v.3 мы используем цилиндрические ячейки в формфакторе 18650. Те же, что уже много лет используются в наших модулях WBMZ-BATTERY. На сегодняшний день десятки тысяч таких ячеек в составе наших устройств по несколько лет отработали на реальных объектах, и статистика отказов минимальна. Мы применяем NMC-ячейки известного производителя. Их емкость составляет 2600 мА·ч. На рынке есть модели и на 4000+, но мы сознательно используем только то, что проверено временем.

Немаловажно то, что цилиндрические ячейки сами по себе жесткие, с металлическим корпусом. При образовании газов и росте давления они сбрасывают их через встроенный предохранительный клапан. И никаких деформаций не происходит.

Ну и производить ячейки 18650 технологически сложнее и дороже, что отсекает кустарных производителей, и снижает риск нарваться на их продукцию.

Умный зарядник
Теперь ячейки мы заряжаем не до 4.2 В, а примерно до 4.05 В на элемент (~8.1 В на батарею). Да, это снижает используемую емкость на ~15%, но серьезно увеличивает срок службы ячеек.  

Готовых контроллеров заряда, которым можно задать произвольное выходное напряжение, практически нет, поэтому эту функцию мы сразу возложили на микроконтроллер устройства. Но контроллер заряда с фиксированными порогами (4.1 В, 4.2 В, 4.25 В на элемент) мы тоже используем. Если микроконтроллер (по любой причине) вовремя не выключит зарядник — это сделает аппаратный контроллер заряда при 4.1 В на ячейке. Если и тут что-то пойдет не так, и напряжение продолжит расти — есть еще две аппаратные защиты. Одна отключит отдельными транзисторами батарею от схемы при напряжении 4.25 В. А вторая, при превышении 4.3 В, сожжет харакири-предохранитель, тем самым физически разорвав связь ячейки и остальной схемы.

Ток заряда настраивается, по дефолту он равен 600 мА. Если ток превысит значение уставки, зарядник будет отключен программно. Не отключится программно — сработает аппаратная защита. А при токе короткого замыкания сгорит предохранитель.

Конечно, есть схема балансировки напряжения ячеек. Она обеспечивает их одинаковый заряд, исключая перезаряд одной, если другая разряжена.

А вот функцию trickle charge, хотя она есть на контроллере заряда, мы отключили.

Помимо напряжения и тока, постоянно контролируется температура ячеек при помощи термистора, установленного между ними. Если температура будет выше +50°C, или ниже +5°C (для исключения роста дендритов), микроконтроллер зарядник не включит. Или выключит, если включен. Здесь тоже есть вторая ступень защиты — аппаратная, которая заблокирует зарядник при недопустимой температуре. После возврата температуры в норму процесс заряда возобновится.

Где правильно разместить термистор?

В WB-UPS v.2 термистор был установлен просто на плате. Подразумевалось, что температура ячеек не должна сильно отличаться от температуры внутри корпуса, в котором они находятся. Смоделировать процессы теплопереноса в такой системе очень трудоемко.
В WB-UPS v.3 мы решили этот вопрос изучить. Поэкспериментировали на макете, и убедились, что термистор нагревается от компонентов преобразователя, и показывает завышенные значения. Мы зажали датчик непосредственно между ячейками, провели еще тесты — температура вновь была завышена на пару градусов. Оказалось, что ножки термистора хорошо воспринимают тепло от окружающих компонентов и подогревают термистор. Вроде мелочь — пара градусов, но когда температура близка к температуре блокировки, эти градусы важны.
Проблема решилась применением специального герметика с высокой теплопроводностью, который кардинально увеличивает площадь теплообмена сенсора с ячейками. Этот герметик хорошо виден на фото. Теперь температура ячеек измеряется точно.

Умный «разрядник»
«Разрядником» мы называем сам повышающий преобразователь напряжения и все схемные решения, которые обеспечивают переключение UPS на работу от аккумуляторов и защитные функции.

Если в WB-UPS v.2 было два фиксированных значения выходного напряжения, выбираемых переключателем, то теперь выходное напряжение можно задать в диапазоне 9…25 В, просто записав соответствующее значение в Modbus-регистр.

Повышающий преобразователь работает всегда, если не выключен кнопкой. Вход WB-UPS с выходом преобразователя связаны через встречно включенные «идеальные диоды».

Если напряжение на входе WB-UPS выше, чем на выходе преобразователя — диод преобразователя заперт, ток течет только от входа. Стало ниже — моментально запрется диод входа, откроется диод преобразователя, и ток потечет от него. На нагрузке провалов не будет.

Тут важна правильная настройка напряжения преобразователя — оно должно быть немного ниже входного. Если настроить неправильно, или если «гуляет» входное напряжение, можно «высадить» батарею. Чтобы облегчить жизнь пользователям, мы предусмотрели автоматический режим: если напряжение на входе выше 11 В, и оно не меняется более 10 с, то микроконтроллер измеряет входное напряжение и устанавливает напряжение преобразователя на 0.7 В ниже. Если такое вам удобно — используйте, нет — фиксируйте выходное напряжение. Тут важно запомнить, что входное напряжение никак сверху не ограничивается, и не отключается.

При отсутствии входного напряжения разрядник можно выключить, командой по Modbus или кнопкой на корпусе. И обратно включить. Это позволяет реализовать, например, такой сценарий: запитать датчики от отдельного WB-UPS и, при отсутствии электропитания объекта, периодически включать их питание, проводить измерения, и обратно выключать. Подобный режим позволяет в разы увеличить время автономной работы системы.

Но есть одна тонкость, про которую нужно знать: при включении WB-UPS от батареи (при отсутствии внешнего электропитания), его выходное напряжение будет 11.5 В.

Выходной ток разрядника ограничивается.

При достижении значения в 4 А преобразователь переходит в режим стабилизации тока — снижает напряжение до того значения, при котором ток будет равен 4 А. Вплоть до 0 В, чем заодно решаются задачи перегрузки и защиты от КЗ. Если по какой-либо причине ток превысит 4А — аппаратная защита отключит преобразователь. А при превышении значения в 5 А — сгорит предохранитель.  

Как и в заряднике, в разряднике контролируется температура ячеек.  При нагреве их выше 60°C преобразователь будет отключен, пока температура не придет в норму.  Чтобы еще больше не греть ячейки.

Транспортная кнопка
В WB-UPS v.3 появилась скрытая кнопка, включающая «транспортный режим». Этот режим нужен и нам, и нашим клиентам.

Мы не можем поставлять аккумуляторы отдельно от устройства, они у нас припаяны. И те 210 мкА, которые потребляет устройство в выключенном состоянии, может (примерно за год) высадить их «в ноль», пока устройства лежат на складе или едут к клиенту. 

У наших клиентов технологическая цепочка обычно состоит из двух этапов: сборка/наладка щита и монтаж его на объекте. Между этапами может пройти много месяцев. И опять аккумуляторы хорошо бы отключить.

Транспортная кнопка это и делает. Не физически отключает, конечно, но кратно снижает ток потребления — до 70 мкА. И в транспортном режиме невозможно включить WB-UPS кнопкой, для включения нужно подать на него внешнее питание. Все это позволяет аккумуляторам оставаться живыми и здоровыми многие месяцы, пока они добираются до постоянного места работы.

Кнопка — индикатор

Это уже мелочи, конечно, но полезные мелочи. Устройство оснащено кнопкой со встроенным световым индикатором.

Помимо того, что она выключает преобразователь напряжения, микроконтроллер различает 4 вида нажатий на нее (короткое, длинное, двойное, короткое+длинное). А еще считает количество таких нажатий, и генерирует соответствующие события быстрого Modbus. Все это позволяет использовать кнопку в сценариях автоматизации: отключать несколько WB-UPS при нажатии одной кнопки, например. Или использовать разные виды нажатий для отключения разных WB-UPS. Часть наших инженеров считает это ерундой, но команда разработчиков уверена, что это полезная функция. Тем более, что реализовать ее было легко.

Индикатор мы тоже «нагрузили». По его миганию теперь можно определить пять статусов:

• есть питание, аккумуляторы заряжены;

• есть питание, идет зарядка;

• нет питания, холостой ход;

• нет питания, нагрузка запитана от батареи;

• есть проблемы.

Пожалуй, это все, что мы можем найти внутри устройства.

Новые фичи

С появлением микроконтроллера у WB-UPS v.3 появились и новые удобные фичи.

Суперфича — параллельная работа
Мы об этом уже упоминали — несколько устройств можно подключать параллельно, получая при этом суммарные мощность и емкость батарей. Обычно при таком подключении возникает проблема разбаланса: погрешности (измерений, уставок …)  приводят к перегрузке UPS, имеющего большее выходное напряжение, его отключению и дальнейшему каскадному отключению остальных устройств. Нужно как-то балансировать. 

А у нас для этого все необходимое есть: ток измеряем, параметры ячеек знаем. Наши разработчики поэкспериментировали, разработали и внедрили алгоритм балансировки. Подробности рассказывать не станем — ноу-хау. Скажем лишь, что проблему балансировки мы решили. В тестах подключали 10 устройств, и гоняли их во всех режимах. На нагрузке в 150 Вт (200 Вт кратковременно). Вряд ли кому-то понадобится соединять больше UPS-ов, там уже разумнее делить нагрузку на группы и питать их отдельно.  

Добиться идеального баланса мешают погрешности измерения. И сопротивления проводов, если они разные у разных UPS-ов. Поэтому мы рекомендуем в этом режиме подключение нагрузки звездой (не шлейфом), проводами одинаковой длины, не экономить на их сечении и иметь небольшой запас по мощности у самих устройств.

Не надо думать, что устройства как-то общаются между собой. Алгоритм позволяет каждому устройству обходиться только собственными данными: напряжения, токи, внутреннее сопротивление ячеек.

Modbus RTU
Выше уже говорилось, что можно управлять выходным напряжением WB-UPS, записывая значение уставки в Modbus-регистр. И включать/выключать повышающий преобразователь устройства записью в другой регистр. Но это далеко не все.

Конечно, в регистрах есть информация по всем измеряемым параметрам:

• уровень заряда батареи;

• напряжения на входе и выходе;

• температура батареи;

• ток батареи;

• входной ток;

• часть входного тока, идущая на заряд батареи;

• выходной ток при работе от батареи.

Можно посмотреть текущий режим работы, статус батареи, состояние кнопки на лицевой панели и счетчики ее нажатий (коротких, длинных, двойных коротких, коротких + длинных).

Можно задать уставки для устройства:

• выходное напряжение;

• максимальные токи заряда и разряда батареи.

Специалисты могут заглянуть «на кухню» зарядника и разрядника, посмотреть и изменить калибровочные коэффициенты, «сырые» и обработанные значения, т.е. поэкспериментировать тоже можно. Главное — осознавать, что делаешь.

Всего в WB-UPS v.3 168 регистров и перечислять их все здесь не будем, они подробно описаны в документации.

Как и для всех наших Modbus-устройств, в веб-интерфейсе контроллера Wiren Board есть возможность настроить WB-UPS и посмотреть карточку устройства. В MQTT-брокере создаются соответствующие топики, с которыми можно работать при помощи wb-rules, или сторонних систем автоматизации, работающих на контроллере, либо связанных с ним по сети.

Скриншоты

То есть для интеграции WB-UPS v.3 в системы автоматизации и диспетчеризации есть все необходимое, и даже больше.

Что в итоге?

В итоге мы выпустили устройство, которым довольны. Да, его можно сделать лучше. Да, на рынке есть устройства круче. Но по соотношению цена/качество WB-UPS v.3 очень хорош. Просто попробуйте.

Ну и вот вам сводная таблица отличий версий 2 и 3.

И таблица технических характеристик.