Большинство аккумуляторов, используемых в медицинском оборудовании, электроинструменте, электровелосипедах и даже электромобилях, используют элементы типоразмера 18650. Казалось бы, использование этого цилиндрического элемента не особо практично из-за большого занимаемого им объема, но его сильные стороны, такие как развитая и массовая технология производства, а также низкая стоимость ватт-часа утверждают обратное.
Как уже говорилось выше, цилиндрическая форма элемента не является идеальной, поскольку она приводит к образованию пустого пространства в многоэлементных системах. Но если рассматривать вопрос с точки зрения необходимости охлаждения, то этот недостаток превращается в преимущество. К примеру, элементы типоразмера 18650 используются в электромобиле Tesla S85, где их суммарное количество достигает 7000 штук. Эти 7000 элементов формируют сложную аккумуляторную систему, где используется и последовательное соединение для увеличения напряжения, и параллельное – для увеличения силы тока. В случае выхода из строя одного элемента в последовательном соединении потеря мощности будет минимальна, а в параллельном такой элемент отключится системой защиты. Соответственно, нет зависимости всего аккумулятора от единичных элементов, что позволяет более стабильную эксплуатацию.
У производителей электромобилей нет единого мнения по поводу использования типоразмеров, но существует тенденция к использованию более крупных форматов, так как это уменьшает общее количество элементов в аккумуляторе и соответственно снижает стоимость системы защиты. Экономия может достигать 20-25 процентов. Но с другой стороны, использование больших элементов приводит к удорожанию суммарной стоимости кВт*ч. По данным за 2015 год, именно Tesla S85 с элементами типоразмера 18650 имеет более низкую стоимость ватт-часа в сравнении с электромобилями, использующими большие призматические аккумуляторы. В таблице 1 сравнивается стоимость кВт*ч различных электромобилей.
Таблица 1: Сравнение стоимости ватт-часа различных моделей электромобилей. Массовое производство элементов типоразмера 18650 удешевляет использующие их аккумуляторы.
* В 2015-2016 году в Tesla S85 увеличилась мощность аккумулятора с 85 кВт*ч до 90 кВт*ч. В Nissan Leaf также произошло увеличение - с 25 кВт*ч до 30 кВт*ч.
Разрабатываемый аккумулятор должен соответствовать нормам безопасности не только при стандартной работе, но и в случае выхода из строя. Все источники энергии, и электрические батареи не исключение, в конечном итоге вырабатывают свой ресурс и приходят в негодность. Бывают и случаи преждевременного, непрогнозируемого выхода из строя. Например, после некоторых инциндентов, бортовой литий-ионный аккумулятор лайнера Боинг 787 помещен в специальный металлический контейнер с вентилированием наружу. В электромобилях Tesla аккумуляторный отсек дополнительно защищается стальной пластиной во избежание проникающих повреждений.
Большие аккумуляторные системы для высоконагруженных систем имеют принудительное охлаждение. Оно может быть реализовано в виде отвода тепла радиатором, а может включать в себя вентилятор для подачи холодного воздуха. Также существуют системы с жидкостным охлаждением, но они довольно дорогие, и используются, как правило, в электромобилях.
1. Аспекты безопасности
Уважающие себя производители электрических элементов не поставляют литий-ионные элементы несертифицированным компаниям-производителям аккумуляторов. Эта мера предосторожности вполне оправдана, так как схема защиты в конструируемом аккумуляторе может быть некорректно настроена ради завышения показателей, и элементы будут заряжаться и разряжаться не в безопасном интервале напряжений.
Стоимость сертифицированной аккумуляторной системы для воздушного транспорта или для иного коммерческого использования может составлять от $ 10000 до $ 20000. Столь высокая цена вызывает беспокойство, особенно зная о том, что производители периодически меняют используемые в таких системах электрические элементы. Аккумуляторная система с такими новыми элементами хоть и будет указана в качестве прямой замены более старой, снова будет требовать новых сертификатов.
Часто задают вопрос: ”Зачем нужна сертификация аккумулятора, если элементы, из которых он состоит, уже одобрены?”. Ответ довольно прост - конечное устройство, аккумулятор, также должно быть проверено на соответствие стандартам безопасности и правильность сборки. К примеру, неисправность той же схемы защиты может привести к возгоранию или даже взрыву, а ее тестирование возможно только в готовом аккумуляторе.
Согласно правилам, установленным ООН, аккумулятор должен пройти механические и электрические тесты, чтобы соответствовать требованиям, регламентирующим возможность воздушной транспортировки. Эти правила (UN/DOT 38.3) работают совместно с рекомендациями Федерального Управления Гражданской Авиации (FAA), Департамента Транспорта США (US DOT) и Международной Ассоциации Воздушного Транспорта (IATA)*. Сертификация распространяется на первичные и вторичные литиевые батареи.
Правила ООН 38.3 включают в себя такие тесты:
Т1 - Имитация работы на высоте (первичные и вторичные батареи)
Т2 - Температурные испытания (первичные и вторичные батареи)
Т3 - Вибрация (первичные и вторичные батареи)
Т4 - Удар (первичные и вторичные батареи)
Т5 - Внешнее короткое замыкание (первичные и вторичные батареи)
Т6 - Механическое воздействие (первичные и вторичные батареи)
Т7 - Перезарядка (вторичные батареи)
Т8 - Принудительный разряд (первичные и вторичные батареи)
Испытуемые электрические батареи должны пройти испытания, не причинив вреда окружающему пространству, сохранение ими работоспособности после тестов не играет никакой роли. Эти испытания предназначены исключительно для тестирования безопасности, а не потребительских качеств. Уполномоченная лаборатория, проводящая эти тесты, нуждается в 24 образцах батарей, 12 новых и 12 прошедших 50 циклов заряда/разряда. Присутствие уже используемых аккумуляторов гарантирует более реалистичное качество выборки.
Высокая стоимость сертификации является неподъемной для небольших производителей литий-ионных батарей, поэтому конечная цена сертифицированных моделей довольно высока. Но у потребителей есть выбор - вместо сертифицированного литий-ионного вполне можно приобрести аккумулятор на основе никеля, транспортировка которого не регламентируется так строго. (Смотрите BU-704: Транспортировка электрических батарей .)
Соблюдайте осторожность при работе и тестировании аккумуляторов.
Не допускайте короткого замыкания, перезарядки, сдавливания, падения, проникновения посторонних предметов, применения обратной полярности, воздействия высокой температуры на аккумулятор.
Не разбирайте аккумулятор.
Используйте только оригинальные литий-ионные аккумуляторы и зарядные устройства.
То, что будет рассказано в данной статье, поможет многим разобраться с питанием самодельных устройств автономного типа. В ней приведена методика, по указаниям которой можно получить литий-ионные аккумуляторы любых размеров. Из учебников физики нам известно, что простым аккумулятором является устройство, состоящее из медно-цинковых пластин, между которыми присутствует электролитический раствор. Такое устройство было создано Вольтом, (хотя вопрос спорный, Луиджи Гальвани открыл эффект первым, только не смог дать этому явлению логическое объяснение).
С тех пор прошло более 200 лет, сейчас мы живем в век цифровых технологий, но аккумулятор по-прежнему остается незаменимым источником энергии, без которого не может работать не одно автономное устройство. Современные литиевые аккумуляторы нашли широкое применение в современной технике, причин на то много - легкий вес, долгий срок службы, большая емкость и многие другие параметры делают аккумуляторы незаменимыми в портативных устройствах.
Но со временем и литий-ионный аккумулятор приходит в негодность. На днях тоже самое случилось и с аккумулятором моего телефона. Аккумулятор от лицензионного производителя, поэтому прослужил очень долго и мог бы еще послужить верой и правдой, еслиб не моя дурная идея его проколоть. Дело в том, что со временем аккумулятор распух, но продолжал работать на ура, вот и было решено его проколоть. После небольшой операции аккумулятор уже стал не тем, что был раньше, резкое снижение емкости всего за неделю.
Ему на смену пришел другой аккумулятор, а тот выбросить жалко (и не нужно, вред экологии!), так что же делать с ним? Было решено создать новый аккумулятор на базе старого. Перед работой хочу предупредить - некоторые соединения лития токсичны, поэтому желательно использовать перчатки, а работу делать на свежем воздухе. Ну я как всегда нарушаю все правила по безопасности, без всяких перчаток аккумулятор был разобран прямо в гостиной комнате. Как всегда - своеобразный запах литиевых источников питания, ни с чем не спутаешь. Для резки алюминиевого корпуса был использован обычный монтажный нож и плоскогубцы.
Спустя пару минут алюминиевый капсоль был удален, пора идти дальше.
Тут начинается самая грязная работа, нужно разобрать аккумулятор. Литиевые элементы питания, как и любой другой источник напряжения, состоит из положительно и отрицательно заряженных пластин, между ними проложен слой изоляции. Теперь берем пасту от гелиевой ручки и как бы "наматываем" на пасту.
Нужно соблюдать предельную осторожность, чтобы не закоротить пластины. В процессе наматывания пластин, можно наблюдать тепловыделение, не пугайтесь так и должно быть. Далее следует обмотать заготовку скотчем, но заранее нужно очистить пластины.
На очищенные места припаиваем провода контактов. Можно просто взять два медных провода (многожильных) и просто приклеиваем к контактам при помощи того же скотча.
Один из контактов был припаян к корпусу, другой выведен наружу. Корпус следует загерметизировать, для этого я использовал универсальный клей "момент". Сразу после создания такого аккумулятора измеряем напряжение, оно лежит в пределах 2,2-2,8 вольт, в корпусе уже 2,8-3,3 вольт. На следующее утро напряжение уже в районе 3,6-3,65 вольт.
Литиевые элементы питания боятся минусовых температур, при температурах ниже нуле литий-ионный аккумулятор не заряжается вообще.
Элемент , ячейка , «банка» , «батарейка» - то, что накапливает и отдает энергию. От аккумуляторных элементов зависят все характеристики батареи.
Батарея - это уже набор из многих элементов. Несколько ячеек соединяют в батарею, когда характеристик одной ячейки мало. Если соединить - растет напряжение. Если - увеличивается емкость батареи. Может включать в себя не только банки, но и всякую там управляющую электронику.
Напряжение - это то, с какой силой батарея может ударить током в потребителя. Является лишь характеристикой аккумулятора, от потребителя не зависит. Измеряется в вольтах (V).
Сила тока - чем она больше, тем больше жрет потребитель электричества. Измеряется в амперах (A).
Емкость - характеристика аккумулятора, измеряется в ампер-часах (Ah). К примеру, емкость в 2Ah означает, что аккумулятор может отдавать ток в 1A два часа и в 2A - один час.
Емкость аккумулятора также зависит от разрядного тока. Обычно чем он больше, тем емкость меньше. Производители аккумуляторов обычно указывают емкость, полученную при разряде каким-нибудь мизерным током в 100mA.
Справа показаны характеристики Li-ion-аккумулятора, который разряжают при разной силе тока. Чем ток выше, тем кривая разряда ниже.
C - буква латинского алфавита, которой измеряют отношение силы тока к емкости аккумулятора, то есть во сколько раз ток превышает емкость. Если аккумулятор имеет емкость 2Ah и разряжается при токе в 4A, то можно сказать, что он разряжается при токе в 2C. Все дело в том, что чем больше емкость аккумулятора, тем проще ему отдавать ток, и поэтому такой характеристикой пользоваться удобнее, чем просто амперами.
Энергия - та характеристика, которая позволяет сравнивать аккумуляторы с разным напряжением. Измеряется в ватт-часах и грубо вычисляется путем умножения напряжения на аккумуляторе на его емкость. Численно равна площади фигуры под кривой разряда.
Попугаи емкости и ватт-часы энергии
Предположим, у нас есть две батарейки одинаковой емкости - 2200mAh. Но одна из них - литий-ионная, а другая - никель-металлгидридная.
Вопрос: означает ли это, что в обоих аккумуляторах одинаковое количество энергии? Будет ли одно и то же устройство работать от обоих банок одинаковое время?
vs
На самом деле, глядя лишь на характеристику емкости, нельзя сравнивать энергию , которую может накопить и отдать аккумулятор. Для этого нужно знать номинальное напряжение на нем.
Грубо прикинуть количество энергии в ватт-часах можно, умножив номинальное напряжение аккумулятора на его емкость. И у нас получится:
- Для NiMH: 1.2 вольт * 2.2 ампер-часа = 2.64 ватт-часа
- Для Li-ion: 3.7 вольт * 2.2 ампер-часа = 8.14 ватт-часа
Что энергия Li-ion-аккумулятора той же емкости - в 3 раза больше, чем NiMH.
Но это всего лишь грубая «прикидка». Так, напряжение в 1.2 вольта на NiMH-элементе - это максимальное напряжение, соответствующее полному заряду аккумулятора. При разряде оно будет только падать, и реальная энергия будет немного меньше 2.64 ватт-часов. Тем не менее, именно такой способ расчета энергии аккумулятора мы будем использовать для сравнения их характеристик.
Типы аккумуляторов
| тип | NiMH | Li-ion | Li-polymer | LiFePO 4 | Lead-Acid |
| номинальное напряжение на 1 ячейку | 1.2V | 3.7V | 3.3V | 2.105V | |
| диапазон напряжений | 0-1.2V | 2.5-4.2V | 2.0-3.65V | 1.75-2.1V | |
| число циклов заряд/разряд до потери 20% емкости | 500-1500 | 1000 | 2000-8000 | 200-800 | |
| срок хранения до потери 20% емкости | до 2 лет | ~1.5 года | 5-10 лет | ||
| время простого заряда | до 16 часов | 1-2 часа | 45 минут | 6-10 часов | |
| время быстрого заряда | 1-2 часа | 45 минут | 15 минут | 15 минут | 1-2 часа |
| энергоплотность, ватт-часов на кг | 80 | 200 | 150 | 100 | 40 |
| цена за ватт-час | $0.5-$1.3 | $0.5-$0.7 | от $0.3 | $0.5-$2.2 | $0.1-$0.3 |
NiMH - никель-металл-гидридные
Аккумуляторы этого типа морально устарели и добавлены для сравнения. Но иногда есть смысл подумать об их покупке - например, когда нужно сделать замену для сдохшей NiCd- или NiMH-батареи. Именно такие ставят в дешевые радиоуправляемые модели.
−
Капризны в зарядке, требуют для быстрого заряда сложных устройств.
−
Теряют заряд со временем. LSD-аккумуляторы (Long Self Discharge) этого недостатка лишены.
−
Обладают «эффектом памяти», то есть временно теряют часть емкости при частичных разрядах. Любят только полные разряды. LSD-аккумуляторы также лишены этого недостатка.
−
Имеют низкую энергоплотность.
+
Недо- и перезаряд им вреден, но не опасен, так что из этих банок можно составлять батарею просто так, без защитной электроники.
Наиболее популярный типоразмер для этих «банок» - обычный AA, то есть с пальчиковую батарейку.
Li-ion - литий-ионные
+ Обладают самой высокой энергоплотностью.
− Быстро разряжаются при использовании на морозе.
Вы, может быть, испытывали это вредное свойство, если пользовались мобильным телефоном зимой на улице. Батарея волшебным образом разряжается, и вы остаетесь без связи.
−
Портятся при разряде ниже 2.5V.
−
Взрывоопасны при перезаряде выше 4.2V.
Популярный типоразмер для литий-ионных «банок» - 18650 (18мм в ширину и 65 в длину). Именно такие используются в батареях ноутбуков. Возможно, вы их никогда не видели за пластмассовым корпусом батареи, но иногда их можно там нащупать. Такие же используются в спортивном электромобиле Tesla Roadster .
Li-polymer - литий-полимерные
+
Полностью совместимы с Li-ion.
+
В отличие от Li-ion, могут отдавать сильные токи - 10-40С.
+
Могут быть какой угодно толщины и формы. Подходят для питания совсем миниатюрных устройств, вроде шпионских штучек .
+
Продаются, как правило, в уже собранной батарее, с защитными платами и шлейфами для балансировки - удобно!
−
Еще более взрыво- и пожароопасны.
−
Еще хуже работают на морозе. Посмотрите, например, на такой график разряда:
LiFePO 4 - литий-железо-фосфатные
Дальнейшая эволюция литиевых батарей. Аккумуляторы будущего. В отличие от Li-ion, они:
+
не боятся мороза;
+
не пожароопасны;
+
отдают токи до 50C;
+
могут быть заряжены сильным током за 15 минут;
+
имеют огромное число циклов заряд-разряд (2000-8000 до потери 20% емкости );
+
практически не подвержены потере емкости при хранении .
Недостатки по сравнению Li-ion:
−
стоят дороже и имеют меньшую емкость;
−
имеют меньшую энергоемкость;
−
не совместимы с привычными Li-ion-элементами из-за другого диапазона напряжений - 2-3.65V.
− И так же, как Li-ion, требуют соблюдения своего диапазона напряжений - 2-3.65V.
Наиболее уважаемая компания на рынке LiFePO 4 батареек - A123 Systems . Она же и разработала эту технологию.
Популярный типоразмер для «банок» - 26650 (26мм в ширину и 65 в длину) - был введен с подачи той же A123 Systems.
LiFeYPO 4 - литий-железо-иттрий-фосфатные
Разновидность литиевых аккумуляторов, о которой мне ничего не известно, кроме того, что добавление иттрия увеличивает число циклов заряд-разряд. Ну, поживем - увидим.
Lead-Acid - свинцово-кислотные
−
Обладают самой низкой энергоплотностью.
−
Медленно заряжаются - до нескольких часов!
−
На высоких токах (по их меркам - это то, что выше 0.1C) могут не отдать и половины емкости батареи.
−
Очень чувствительны к температурам.
−
Имеют малое число циклов заряд-разряд - от 200 при жестком обращении до 800 при щадящем.
−
В случае обслуживаемого аккумулятора - требует ухода.
+
Чертовски дешевы!
Хотелось бы упомянуть здесь старые-добрые свинцово-кислотные аккумуляторы. Потому что у каждого читателя наверняка возникнет вопрос - а на кой черт все это надо, когда в любом магазине автозапчастей можно купить ящик на 12 вольт? Почему мы не будем их здесь рассматривать?
- Во-первых потому, что свинцово-кислотные аккумуляторы продаются уже собранными в батарею на 6-12V, что никак не сходится с названием этой статьи.
- Во-вторых, свинцово-кислотные батареи - настолько обширная тема, что достойна еще парочки статей.
- В-третьих, я считаю их слишком тяжелыми для разных интересных вещей.
Сравнение
В интернете много таблиц, сравнивающих характеристики разных типов аккумуляторов. И у всех таких таблиц один и тот же недостаток - там сравниваются сферические кони в вакууме. Поэтому я составил свою, с конкретными примерами:
| тип | пример | ватт-часов на: | $ за ватт-час емкости | центов за ватт-час энергии | |
|---|---|---|---|---|---|
| кг | литр | ||||
| NiMH | Turnigy AA LSD 2550mAh с хоббикинга, по цене без доставки | 99 | 370 | 0.77 | 0.148 (500 циклов) |
| Eneloop AA LSD 2000mAh с ебея | 89 | 309 | 1.24 | 0.076 (1500 циклов) | |
| Li-ion | 132 | 425 | 0.67 | 0.067 (1000 циклов) | |
| 145 | 391 | 0.51 | 0.051 (1000 циклов) | ||
| 360 | 675 | 0.79 | 0.079 (1000 циклов) | ||
| 251 | 479 | 0.84 | 0.084 (1000 циклов) | ||
| LiPo | батарея с хоббикинга на 14.8V 5Ah, по цене без доставки | 140 | 269 | 0.30 | 0.030 (1000 циклов) |
| LiFePO 4 | 111 | 269 | 1.11 | 0.045 (2000 циклов) | |
| A123 18650 с хоббикинга, по цене без доставки | 66 | 219 | 2.22 | 0.111 (2000 циклов) 0.027 (8000 циклов) |
|
| A123 ANR26650M1A с ебея | 104 | 220 | 1.30 | 0.065 (2000 циклов) 0.016 (8000 циклов) |
|
| «банка» на 8Ah c ev-power.eu, с 20% VAT | 98 | 209 | 0.65 | 0.032 (2000 циклов) | |
| большая «банка» на 20Ah, оттуда же, с 20% VAT | 70 | 141 | 0.52 | 0.026 (2000 циклов) | |
| китайский «аккумулятор» на 36 мегаватт-часов | - | - | 0.07 | ? | |
| LiFeYPO 4 | Winston (Thunder Sky) на 100Ah с ебея | 91 | ? | 0.42 | 0.014 (3000 циклов) |
| Lead-Acid | случайная необслуживаемая батарея на 12V/17Ah | 40 | 88 | 0.23 | 0.046 (500 циклов) |
| случайный автомобильный аккумулятор на 12V/50Ah | 46 | 91 | 0.13 | 0.026 (500 циклов) | |
Я, например, сделал такие выводы:
- За LiFePO 4 будущее. В долгосрочной перспективе они выигрывают даже у свинцово-кислотных аккумуляторов по цене. Ну а с плюсами железо-фосфата и минусами свинца - тем более. Это единственное, из чего можно собирать электротранспорт. И единственное, что можно выволочь на мороз.
- Самая высокая энергоплотность - у . Если их придется тащить на себе, то это самый разумный выбор.
- Иногда имеет смысл взять готовую литий-полимерную батарею и не париться.
Соединение элементов в батарею
Последовательное соединение
Это когда положительный (+) полюс каждого элемента соединяется с отрицательным (−) полюсом следующего:
Напряжения элементов в этом случае складываются, а емкость остается той же.
Последовательно соединенные элементы нуждаются в балансировке .
Дело в том, что даже банки из одной партии имеют немного разные характеристики. И заряжаются они с разной скоростью.
Возьмем батарею из трех последовательно соединенных элементов. Напряжение на полностью заряженном элементе - 4.2V. Значит, полностью заряженная батарея должна иметь напряжение в 12.6 вольт. Какой-то из элементов - например, посередине - может зарядиться быстрее, и к напряжению в 12.2V у нас будет такая картина:
Если продолжить зарядку, то к напряжению в 12.6V аккумулятор посередине перезарядится:
В итоге - возгорание элемента и мучительная смерть от удушья. Дабы такого не происходило - применяют балансиры, которые берут часть тока на себя, если напряжение на отдельном элементе подходит к критическому:
И в итоге все элементы будут заряжены полностью:
Параллельное соединение
Это когда положительные (+) полюсы соединяются с положительными, а отрицательные (−) - с отрицательными:
Когда элементы соединяются параллельно, то их напряжение остается прежним, а емкости - складываются. Получается одна большая батарейка.
Балансировка в случае чистого параллельного соединения не требуется. Однако если в батарее есть и последовательные соединения - как в этой схеме 4S2P - то было бы неплохо припаять балансировочный шлейф:
О пайке литиевых элементов
Паять литиевые аккумуляторы нельзя. От нагрева паяльником они испортятся.
С другой стороны, для точной балансировки пайка рекомендуется , так как лишнее сопротивление может исказить получаемые зарядным устройством данные о напряжении.
Так что если очень хочется, то можно. Но в этом случае брать лучше «банки» с клеммами, и прикасаться паяльником не дольше пары секунд.
Если вы все же нашли в себе смелость спаять банки в батарею, то прочитайте неофициальное руководство на английском от Hyperion HK Ltd. по пайке батареек от A123 . Там подробно, с иллюстрациями, описывается этот процесс.
Если нет, то давайте рассмотрим альтернативные варианты.
 | Можно использовать в качестве контактов . Они очень сильные - друг от друга не отдерешь. Снаружи покрыты никелем или цинком, которые не окисляются. Контакт с банкой обеспечивают прекрасный. Для полного счастья к ним можно припаять провода, но делать это очень осторожно: температура Кюри для них - при которой магниты превращаются в тыкву - около 300 градусов. Использовать можно только легкоплавкий припой и паяльник с термостабилизацией - вроде такого . |
 | Или купить специальную держалку , как для обычных AA/AAA-батареек. Большой плюс такого решения в том, что батарейки не будут припаяны намертво, и на место дохлых банок можно вставлять запасные заряженные. И не надо покупать дорогие зарядники с балансировщиками - можно заряжать батарейки по 2 штуки . |
| На ебее можно найти вот такую готовую чудо-держалку батареек со встроенной защитой Li-ion-элементов . И не надо ничего паять - просто вставил незащищенные Li-ion-батарейки и поехал. |
Защита банок от переразряда и перезаряда
Как я уже говорил, литиевые элементы не простят вам ни того, ни другого.
Самый простой способ уйти от этой проблемы - использовать защищенные (protected) батарейки. Именно такие покупают для всяких светодиодных фонарей. Защищенные батарейки имеют внутри корпуса вот такую маленькую платку:
Другой вариант - поставить одну большую плату на всю батарею. Например, такую. Вот ее схема подключения в конфигурации 4S2P - 4 последовательно соединенные батареи по 2 аккумулятора параллели:
Где P+ и P- - клеммы к заряднику или потребителю.
Не забывайте, что LiFePO 4 не совместимы с обычными Li-ion-элементами, и для них нужны специальные защитные платы.
Широтно-импульсные модуляторы, или DC-DC-преобразователи
Это такие устройства, которые будут из того напряжения, что выдает вам аккумулятор, делать то, что вам нужно. Потому что часто от того напряжения, что выдает батарея, устройство либо сгорит, либо не заработает, либо первое при полностью заряженной батарее и последнее при разряженной.
Спаять такое нехитрое устройство можно и самому. Вот инструкция для новичков от DI HALT’а. Если вам лень, то добро пожаловать на ebay.
Как и любое устройство, DC-DC-преобразователи имеют свой допустимый диапазон напряжений и силы тока. Заранее рассчитайте, сколько потребуется для вашего потребителя. В случае слишком больших токов на преобразователь нужно поставить охлаждение, а то и вовсе заменить на вариант помощнее.
Ремонт батареи ноутбука
Нет смысла покупать новую батарею для ноутбука, когда можно вдвое-втрое дешевле купить литий-ионных «банок» и заменить ими старые. Вот процесс ремонта на известном видео:
http://www.youtube.com/watch?v=BtqRvAu71Gw
Остается только выделить несколько вещей.
- Li-ion-аккумуляторы боятся высоких температур, а особенно - паяльника. Рекомендуется для пайки выбирать только «банки» с клеммами и не держать паяльник дольше пары секунд. Если вы будете неаккуратны, то вы можете испортить аккумулятор!
- Li-ion-аккумуляторы взрыво- и пожароопасны в случае перезаряда. Дважды проверьте правильность подключения ваших «банок».
- Некоторые производители ноутбуков вставляют в свои батареи хитрую электронику, которая по сути является защитой от ремонта. Сначала прочитайте в интернете об опыте ремонта батарей для ноутбуков из вашей серии. Возможно, что ничего не выйдет. Все претензии в этом случае - к производителю.
Автономная зарядка мобильников и всего на свете
Такая штука пригодится в поездках, походах - везде, где есть проблемы с розетками. Для этого вам понадобятся:
 | $14.07 | $2.70 | |||
 | держалка для батареек | $1.45 |  | кусок USB-удлиннителя | ? |
 | $3.08 | ||||
Также вам будет нужен мультиметр (тестер), который выдерживает ток до 10A.
- Сначала нужно припаять провода от держалки батареек к ШИМу: черный к IN- , красный к IN+ .
- Затем нужно будет настроить ШИМ. Если этого не сделать - этот прибор может сжечь ваш телефон!
- Переключите мультиметр в режим измерения постоянного напряжения и дотроньтесь щупами до контактов OUT+ и OUT- . Мультиметр покажет напряжение холостого хода . Возьмите мелкую отвертку и покрутите первый потенциометр (крутилка такая, на фотографии он слева) до тех пор, пока мультиметр не покажет напряжение в 5 вольт.
- Затем переключите мультиметр в режим измерения постоянного тока. Так же дотроньтесь щупами до OUT+ и OUT- . Отрегулируйте силу тока короткого замыкания потенциометром справа до 1 ампера.
- Потенциометр посередине обычно трогать не надо.
- Выньте батарейки из держалки.
- Присоедините USB-гнездо к ШИМу. Для этого отрежьте его от USB-удлиннителя и распорите отрезанный конец. Черную жилку вам необходимо припаять к контакту OUT- , красную - к OUT+ , а зеленую, белую и экран трогать не нужно. Можно обрезать их к черту, если мешают. Лишь бы не контачили ни с чем.
Все. Теперь можно вставлять батарейки в держалку, веник со штекерами - в USB-гнездо и заряжать что угодно где угодно. Большой плюс этой схемы в том, что батарейки не прикручены намертво, и их можно заменять на запасные, когда они сдохнут.
Зарядить мобильник такой ерундой можно раз пять. Если вам требуется просто продолжительная работа мобильника, то можно вытащить из него аккумулятор - энергия в этом случае будет расходоваться эффективнее.
Аккумуляторная батарея для Raspberry Pi
Проверил рецепт. Не работает! Ждите дальнейших правок.
Процесс зарядки в «нормальном» (классическом) режиме выглядит примерно так: первые 4-6 часов идут основные циклы зарядки АКБ, а потом с разной частотой и периодичностью идет «адаптивная добивка» емкости АКБ, еще примерно 2-4 часа. При постановке «на ночь» в зарядку, как правило, к утру АКБ полностью заряжается до своей номинальной емкости.
В «адаптивном» (AUTO) режиме ЗУ может заряжать АКБ до 100% емкости от 50 минут до 2 часов. (сильно зависит от возможностей самой АКБ, и токов заряда, которые может принимать АКБ. Для быстрой зарядки АКБ токи могут достигать 0.8-1.5С)
7 Да, я знаю, что если коротко замкнуть аккумулятор, то напряжение на клеммах упадет до нуля.
У многих, наверное, возникает проблема с зарядкой Li-Ion аккумулятора без контроллера, у меня возникла такая ситуация. Достался убитый ноутбук, в аккумуляторе 4 банки SANYO UR18650A оказались живые.
Решил заменить в светодиодном фонарике, вместо трех батареек ААА. Встал вопрос об их зарядке.
Покопавшись в инете нашел кучу схемок, но с деталями у нас в городе туговато.
Пробовал заряжать от зарядки сотового, проблема в контроле заряда, нужно постоянно следить за нагревом, чуть начинает нагреваться нужно отключать от зарядки иначе аккумулятору каюк в лучшем случае, а то и можно устроить пожар.
Решил сделать самостоятельно. Купил в магазине постельку под аккумулятор. На барахолке купил зарядку. Для удобства отслеживания окончания заряда желательно найти с двухцветным светодиодом который сигнализирует о конце заряда. Он переключается с красного на зеленый при окончании зарядки.
Но можно и обычную. Зарядку можно заменить на шнур USB, и заряжать от компьютера или зарядки с USB выходом.
Моя зарядка только для аккумуляторов без контроллера. Контроллер я взял от старого аккумулятора сотового телефона. Она следит за тем, чтобы аккумулятор не был перезаряжен выше напряжения 4.2 В, либо разряжен меньше 2…3 В. Также схема защиты спасает от коротких замыканий, отключая саму банку от потребителя в момент короткого замыкания.
На нем стоят микросхема DW01 и сборка двух MOSFET-транзисторов (M1,M2) SM8502A. Есть и с другими маркировками, но схемы подобны этой, и работает аналогично.
Контроллер заряда от аккумулятора сотового телефона.
Схема контроллера.
Ещё одна схема контроллера.
Главное не перепутать полярность припайки контроллера с постелькой и контроллера с зарядкой. На платке контроллера указаны контакты «+» и «-» .
В постельке возле плюсового контакта желательно сделать явно заметный указатель, красной краской или самоклеющейся пленкой, во избежание переполюсовки.
Собрал всё воедино и вот что получилось.
Заряжает замечательно. При достижении напряжения 4,2 вольта контроллер отключает аккумулятор от зарядки, и переключается светодиод с красного на зелёный. Зарядка закончена. Заряжать можно и другие Li-Ion аккумуляторы, только применить другую постельку. Всем удачи.
Сейчас всё большую популярность набирают литиевые аккумуляторы. Особенно пальчиковые, типа 18650 , на 3,7 В 3000 мА. Ни сколько не сомневаюсь, что ещё 3-5 лет, и они полностью вытеснят никель-кадмиевые. Правда остаётся открытым вопрос про их зарядку. Если со старыми АКБ всё понятно - собирай в батарею и через резистор к любому подходящему блоку питания, то тут такой фокус не проходит. Но как же тогда зарядить сразу несколько штук, не используя дорогие фирменные балансировочные ЗУ?
Теория
Для последовательного соединения аккумуляторов, обычно к плюсу электрической схемы подключают положительную клемму первого последовательное соединение аккумуляторов аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к минусу блока. Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Значит если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.
Энергия, накопленная в АКБ, равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы - параллельно или последовательно.
Литий-ионные батареи просто подключить к БП нельзя - нужно выравнивание зарядных токов на каждом элементе (банке). Балансировку проводят при зарядке аккумулятора, когда энергии много и её можно сильно не экономить и поэтому без особых потерь можно воспользоваться пассивным рассеиванием "лишнего" электричества.
Никель-кадмиевые АКБ не требуют дополнительных систем, поскольку каждое звено при достижении его максимального напряжения заряда перестает принимать энергию. Признаки полного заряда Ni-Cd - это увеличение напряжения до определенного значения, а затем его падение на несколько десятков милливольт, и повышение температуры - так что лишняя энергия сразу превращается в тепло.
У литиевых аккумуляторов наоборот. Разрядка до низких напряжений вызывает деградацию химии и необратимое повреждение элемнта, с ростом внутреннего сопротивления. В общем они не защищены от перезаряда, и можно потратить много лишней энергии, резко сокращая тем самым время их службы.
Если соединить несколько литиевых элементов в ряд и запитать через зажимы на обоих концах блока, то мы не можем контролировать заряд отдельных элементов. Достаточно того, что одно из них будет иметь несколько более высокое сопротивление или чуть меньшую емкость, и это звено гораздо быстрее достигнет напряжения заряда 4,2 В, в то время как остальные будут еще иметь 4,1 В. И когда напряжение всего пакета достигнет напряжение заряда, может оказаться, что эти слабые звенья заряжены до 4,3 Вольт или даже больше. С каждым таким циклом будет происходить ухудшение параметров. К тому же Li-Ion является неустойчивым и при перегрузке может достичь высокой температуры, а, следовательно, взорваться.
Чаще всего на выходе источника зарядного напряжения ставится устройство, называемое "балансиром". Простейший тип балансира - это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке Li-Ion с пороговым значением 4,20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно элементу, пропускающий через себя большую часть тока заряда и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.
Упрощённая схема балансира для АКБ
Вот упрощённая схема балансира тока на базе TL431. Резисторы R1 и R2 устанавливают напряжение 4,20 Вольт, или можно выбрать другие, в зависимости от типа батареи. Эталонное напряжение для регулятора снимается с транзистора, и уже на границе 4,20 В система начнет приоткрывать транзистор, чтобы не допустить превышения заданного напряжения. Минимальное увеличение напряжения вызовет очень быстрый рост тока транзистора. Во время тестов, уже при 4,22 В (превышение на 20 мВ), ток составил более 1 А.
Сюда подходит в принципе любой транзистор PNP, работающий в диапазоне напряжений и токов, которые нас интересуют. Если батареи должны быть заряжены током 500 мА. Расчет его мощности прост: 4,20 В х 0,5 А = 2,1 В, и столько должен потерять транзистор, что вероятно, потребует небольшого охлаждения. Для зарядного тока 1 А или больше мощность потерь, соответственно, растет, и все труднее будет избавиться от тепла. Во время теста были проверены несколько разных транзисторов, в частности BD244C, 2N6491 и A1535A - все они ведут себя одинаково.
Делитель напряжения R1 и R2 следует подобрать так, чтобы получить нужное напряжение ограничения. Для удобства вот несколько значений после применения которых, мы получим следующие результаты:
- R1 + R2 = Vo
- 22K + 33K = 4,166 В
- 15К + 22K = 4,204 В
- 47K + 68K = 4,227 В
- 27K + 39K = 4,230 В
- 39K + 56K = 4,241 В
- 33K + 47K = 4,255 В
Это аналог мощного стабилитрона, нагруженного на низкоомную нагрузку, роль которой здесь выполняют диоды D2...D5. Микросхема D1 измеряет напряжение на плюсе и минусе аккумулятора и если оно поднимается выше порога, открывает мощный транзистор, пропуская через себя весь ток от ЗУ. Как соединяется всё это вместе и к блоку питания - смотрите далее.
Блоки получаются действительно маленькие, и вы можете смело устанавливать их сразу на элементе. Следует только иметь в виду, что на корпусе транзистора возникает потенциал отрицательного полюса батареи, и вы должны быть осторожны при установке систем общего радиатора - надо использовать изоляцию корпусов транзисторов друг от друга.
Испытания
Сразу 6 штук балансировочных блоков понадобились для одновременной зарядки 6 аккумуляторов 18650. Элементы видны на фото ниже.
Все элементы зарядились ровно до 4,20 вольта (напряжение были выставлены потенциометрами), а транзисторы стали горячие, хотя и обошлось без дополнительного охлаждения - зарядка током 500 мА. Таким образом, можно смело рекомендовать данный метод для одновременного заряда нескольких литиевых аккумуляторов от общего источника напряжения.
Обсудить статью ОДНОВРЕМЕННАЯ ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ