Li ion батарея для автомобиля своими руками

Технический прогресс делает свое дело и уже выпускаются новые и лучшие АКБ. Имея аккумуляторы LiFePO4, решено было использовать их для создания батареи, которая совместима с типичными размерами 12 В 7,2 Ач (151 х 65 х 92 мм) и должна быть намного лучше по параметрам. Выбраны цилиндрические батареи LiFePO4 с размерами 32 х 70 мм, заявленная производителем емкость 7000 мА/ч и ток разряда 35 А.

Такой размер вмещает 8 штук этих батарей. Одна батарея LiFePO4 генерирует номинальное напряжение 3,2 В, что при подключении в сборке по 4 дает 12,8 В. Это напряжение аналогично напряжению свинцово-кислотного аккумулятора 12,6 В. Для создания батареи было выбрано 8 штук, которые объединены в 2 параллельных элемента по 4. Оригинальные провода были слишком тонкими, поэтому были укорочены настолько, насколько это возможно.

Конечно сборка требует использования электроники для управления зарядкой и разрядкой, обычно называемой BMS. BMS должна быть со схемой балансировки (выравнивание напряжения ячеек). Все что остаётся, это соединить правильно элементы.

Теперь испытания. Нагрузка составляет 4 галогенные лампы мощностью 50 Вт, что дало более 210 Вт. Результаты проверки на графике далее. Min — это минуты. Разрядный ток — 1,5С.

Выше представлен график напряжения и времени разряда

Даже если предположить, что заявленная долговечность составляет 2000 циклов по паспорту, аккумулятор прослужит долгие годы.

Расходы на переделку АКБ

А теперь расходы. Свинцово-кислотная батарея стоит всего 1000 рублей, а хорошая — более 2000. Использованные тут литиевые батареи составили 2000 руб. BMS 300 руб. Все остальные мелочи для сборки ещё 200, всего это 3000 рублей. То есть не особо и дороже — зато выигрыш по характеристикам очевиден.

Зарядка проводится током 1-2 А, что совсем не приводит к нагреву элементов, лишь когда они разряжаются током 15 А, то через 30 минут слегка нагреваются.

Переделанный АКБ можно использовать везде, где стояли изначально свинцово-кислотные, возможно нужно будет только изменить зарядное устройство.

Источник статьи: http://radiostroi.ru/dliaavfto/316-litievyj-akb-svoimi-rukami-12-volt.html

ЛИТИЕВЫЙ АКБ ВМЕСТО СВИНЦОВОГО 12 В

Многие используют в составе некоторых устройств популярный свинцово-кислотный аккумулятор 12 В 7,2 Ач. Эту батарею можно найти во многих устройствах, от детских электромобилей до ИБП, или системах поддержки напряжения важных устройств, в случае сбоя питания. Почему он так популярен? Цена — это его главное преимущество и, наверное, единственное.

Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1850 году. Все последующие модификации, улучшения, дополнения и изменения, как правило не меняют химический состав вырабатывающий электрическую энергию. Аккумуляторы этого типа обычно называются кислотными, AGM, гелевыми — это все те же свинцово-кислотные аккумуляторы, которые имеют больше недостатков, чем преимуществ. Такая батарея любит всегда подзаряжаться, не любит разряжаться, имеет очень плохое отношение веса к накопленной энергии, после разряда очень быстро происходит сульфатация или повреждение пластин. Её жизнь довольно коротка, около 4-7 лет, количество рабочих циклов составляет всего 200-400 (есть производители которые дают 1000, но это выдумка).

Хуже всего в такой батарее непредсказуемость, то есть вы никогда не уверены, когда она откажется держать ток. При работе с такими устройствами как ИБП, (а иногда от надежности устройства могут зависеть жизни людей — медицинское оборудование) производители требуют замены, например, каждые 4 года, на всякий случай, независимо от состояния батареи.

Технический прогресс делает свое дело и уже выпускаются новые и лучшие АКБ. Имея аккумуляторы LiFePO4, решено было использовать их для создания батареи, которая совместима с типичными размерами 12 В 7,2 Ач (151 х 65 х 92 мм) и должна быть намного лучше по параметрам. Выбраны цилиндрические батареи LiFePO4 с размерами 32 х 70 мм, заявленная производителем емкость 7000 мА/ч и ток разряда 35 А.

Такой размер вмещает 8 штук этих батарей. Одна батарея LiFePO4 генерирует номинальное напряжение 3,2 В, что при подключении в сборке по 4 дает 12,8 В. Это напряжение аналогично напряжению свинцово-кислотного аккумулятора 12,6 В. Для создания батареи было выбрано 8 штук, которые объединены в 2 параллельных элемента по 4. Оригинальные провода были слишком тонкими, поэтому были укорочены настолько, насколько это возможно.

Конечно сборка требует использования электроники для управления зарядкой и разрядкой, обычно называемой BMS. BMS должна быть со схемой балансировки (выравнивание напряжения ячеек). Все что остаётся, это соединить правильно элементы.

Испытания нового аккумулятора

Теперь испытания. Нагрузка составляет 4 галогенные лампы мощностью 50 Вт, что дало более 210 Вт. Результаты проверки на графике далее. Min — это минуты. Разрядный ток — 1,5С.

График напряжение / время

Даже если предположить, что заявленная долговечность составляет 2000 циклов по паспорту, аккумулятор прослужит долгие годы.

Расходы на переделку АКБ

А теперь расходы. Свинцово-кислотная батарея стоит всего 1000 рублей, а хорошая — более 2000. Использованные тут литиевые батареи составили 2000 руб. BMS 300 руб. Все остальные мелочи для сборки ещё 200, всего это 3000 рублей. То есть не особо и дороже — зато выигрыш по характеристикам очевиден.

Зарядка проводится током 1-2 А, что совсем не приводит к нагреву элементов, лишь когда они разряжаются током 15 А, то через 30 минут слегка нагреваются.

Переделанный АКБ можно использовать везде, где стояли изначально свинцово-кислотные, возможно нужно будет только изменить зарядное устройство.

Форум по обсуждению материала ЛИТИЕВЫЙ АКБ ВМЕСТО СВИНЦОВОГО 12 В

Источник статьи: http://radioskot.ru/publ/bp/litievyj_akb_vmesto_svincovogo_12_v/7-1-0-1479

Мощная li-ion батарея своими руками

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.

Далее нужно решать вопрос корпуса аккумулятора, в моем случае использована металлическая гильза от карманного фонарика, именно туда был помещен аккумулятор.

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.

Если хранить аккумулятор в холодильнике в полностью заряженном состоянии, то вы этим увеличиваете его срок службы, но при температурах выше нуля!

Такой самодельный литий-ионный аккумулятор может еще долго прослужить в самодельных радиоэлектронных игрушках. При КЗ ток аккумулятора достигает до 3-х Ампер. Таким образом, разобрав один литий-ионный аккумулятор от мобильного телефона, можно собрать из него несколько более компактных аккумуляторов, которых так не хватает в нашей практике.

Как правильно заряжать литий ионный аккумулятор: как собрать литиевую батарею своими руками

Изначально литий ионные батарейки предназначались для мобильных устройств будь-то телефоны, фотоаппараты, видеокамеры, ноутбуки, но в последнее десятилетие выпуск литиевых аккумуляторов налажен и большинством автопроизводителей.

Тогда зачем собирать самому, если можно купить готовый аккумулятор? Есть достаточно причин:

• собранные на заводе литиевые аккумуляторные батареи — неоправданно дорогие;
• очень трудно найти подходящий по габаритам аккумулятор для мотоцикла, автомобиля;
• если собранная батарея влезет с запасом в установочное место, то у неё будет ниже емкость.

Своими руками можно собрать батарею из отдельных элементов, которая будет ограничена лишь энергоплотностью и ценой за ватт-час, в зависимости от типа выбранных элементов:

1. NiMH — никель металогидридные;
2. Li-ion — литий ионные;
3. Li-pol — литий полимерные;
4. LiFePO4 — литий железо-фосфатные;
5. Lead-Acid — свинцово-кислотные.

Опасность перезаряда литиевых элементов

С литиевыми элементами нужно обращаться осторожно, поскольку в них сосредоточена большая энергия на малую площадь при полном заряде. Поэтому уже давно в продаже имеются защищенные Li-ion и Li-pol батарейки.

Ещё в 1991 году компания Sony обратила внимание на взрывоопасность Li-ion элементов. В настоящее время все без исключения аккумуляторы наматываются с двухслойным сепаратором между пластинами, чтобы исключить риск внутреннего короткого замыкания. Все фирменные батарейки снабжены платой защиты на полевом транзисторе, которая отключает их в следующих случаях:

1. Аккумулятор чрезмерно разряжен — ниже 2,5 В.
2. Перезаряжен — свыше 4,2 В.
3. Подан слишком большой ток заряда — более 1С (С является ёмкостью аккумулятора в Ач).
4. Короткое замыкание.
5. Превышен ток нагрузки — более 5С.
6. Неправильная полярность при заряде.

• 
• Для дополнительной подстраховки служит термопредохранитель, размыкающий цепь при перегреве литиевого элемента свыше 90 °C.

Как найти батарею с защитой?

Литиевые аккумуляторы выпускаются в бытовом и технологическом исполнении. Батарейки для бытового использования имеют прочный пластмассовый корпус и встроенную электронную защиту. Технологические элементы, предназначенные для промышленного использования, чаще всего выпускаются в бескорпусном виде и не имеют встроенной защиты.

1. Защищенные аккумуляторы имеют слово «protected» в названии, незащищенные — «unprotected».
2. Батарейки с защитой длиннее обычных на 2–3 мм из-за платы, которая устанавливается на торце возле минусового полюса.
3. Цена на батарейки с защитой при одинаковой ёмкости всегда выше, ведь плата с электронными компонентами тоже стоит денег.

1. 
2. Плюсовой полюс батарейки обязательно соединяется с защитной платой тонкой пластинкой, иначе защита работать не будет.

О балансировке элементов литиевого аккумулятора

При последовательном соединении отдельных элементов их напряжения суммируются, а ёмкость остаётся той же. Даже из одной серии батарейки имеют различные характеристики, поэтому заряжаются они с разной скоростью. Например, при заряжании до суммарного напряжения 12,6 В элемент посередине может перезарядиться до 4,4 В, что опасно его перегревом.

• 
• Дабы не происходило чрезмерного перезаряда незащищенных элементов, применяются балансировочные шлейфы, подключаемые к специальным зарядным устройствам, например: iMAX B6 и Turnigy Accucel-6.
• 
• Каждая Li-ion и Li-pol аккумуляторная батарейка бытового назначения имеет самую совершенную защиту от перенапряжений, в виде схемы контроля напряжения, ключа на полевом транзисторе и термопредохранителя.
• 
• Балансировка защищённых элементов не требуется, поскольку при возрастании напряжения на каком-то из них до 4,2 В, зарядка гарантированно прервётся.
• При сборке батареи из элементов без защиты есть выход из положения — поставить одну плату контроля напряжения на все батарейки, к примеру, соединив их по схеме 4S2P — 4 последовательно, 2 параллельно.
• 
• Также не нужна балансировка параллельно соединённых элементов.
• 
• При параллельном соединении батареек их напряжение остаётся прежним, а ёмкости суммируются.

О ёмкости литиевых аккумуляторов

Ёмкость — способность аккумулятора отдавать ток, измеряемая в миллиампер час (мАч) или ампер час (Ач). К примеру, батарейка ёмкостью в 2 Ач сможет отдавать ток в 2 A один час, или в 1 A два часа.

Но эта зависимость тока от времени подключения нагрузки не линейна — в определённой точке графика при увеличении тока вдвое время работы батареи снижается вчетверо.

Поэтому производители всегда указывают ёмкость, высчитанную при разряде аккумулятора чрезмерно малым током в 100 мА.

Количество энергии зависит от напряжения аккумулятора, поэтому никель металогидридные элементы при одинаковой ёмкости имеют в 3 раза меньшую энергоёмкость, чем литий ионные:

• NiMH — 1,2 В * 2,2 Ач = 2,64 ватт-часа;
• Li-ion — 3,7 В * 2,2 Ач = 8,14 ватт-часа.

При поиске и покупке аккумуляторных батареек отдавайте предпочтение известным фирмам, таким как Samsung, Sony, Sanyo, Panasonic. Батарейки этих производителей имеют ёмкость наиболее соответствующую той, что указана на их корпусе.

Надпись 2600 мА на элементах Sanyo не сильно отличается от их настоящей ёмкости в 2500–2550 мА.

Подделки китайских производителей с хвалёной ёмкостью в 4200 мА недотягивают и до 1000 мА, зато цена на них в два раза ниже японских оригиналов.

Как соединить литиевые батарейки?

Для сборки аккумулятора из литиевых батареек можно применять:

1. пайку;
2. соединительные коробки;
3. неодимовые магниты;
4. точечную сварку.

Пайку при заводской сборке применяют крайне редко, так как литиевый элемент разрушается от нагрева, теряя при этом часть своей ёмкости.

С другой стороны, в домашних условиях пайка будет оптимальным способом соединения батареек, поскольку даже мизерное сопротивление на контактах значительно снизит суммарное напряжение на общих клеммах.

Пользоваться нужно мощным паяльником на 100 Вт, и прикасаться им к литиевым батареям не более чем на две секунды.

Мощные редкоземельные магниты покрываются слоем никеля или цинка, поэтому их поверхность не окисляется. Эти магниты обеспечивают прекрасный контакт между батарейками. Если захотите припаять проводок к магниту, не забывайте о температуре Кюри, свыше которой любой магнит становится камушком. Ориентировочно допустимая температура для магнитов составляет 300°С.

1. Если пользоваться коробком для соединения аккумуляторов, то становиться очевидным большой плюс, поскольку так легче будет подобрать батарейки по напряжению или поменять испорченный элемент.
2. 
3. Точечная сварка — наилучший способ соединения литиевых элементов, используемый при сборке батарей для ноутбуков.

Покупать готовый литиевый аккумулятор для машины или мотоцикла невыгодно, когда его можно собрать самому за более низкую цену. Можно сэкономить до 70 долларов, если не покупать новую батарею ноутбука, а самостоятельно заменить в ней элементы.

Об экономии при сборке мощных литиевых батарей для питания электроавтомобилей или систем автономного электроснабжения дома судить тяжело, так как в этих случаях присутствуют дополнительные затраты на оборудование управления и контроля.

Автор: Виталий Петрович. Украина, Лисичанск.

Литиевые аккумуляторы для шуруповертов своими руками

Владельцам качественных ручных инструментов на никель-кадмиевых аккумуляторах после выработки ресурса советуем перевести прибор на литий-ионные элементы.

Если есть навыки по чтению схем, пайке тонких проводов, своими руками можно сделать новую литиевую батарею из высокотоковых аккумуляторов, .

Необходимо четко следовать пошаговой инструкции, как при монтаже, так и в подборе комплектующих.

Какой Li-ion аккумулятор принять за основу

Большинство из литий-ионных батарей используют аккумуляторы форм-фактор 18650. Это значит, гирлянду никель-кадмиевых элементов заменяют сборкой литий-ионных высокотоковых.

• В чем различия?
• — В количестве используемых банок.
• -В емкости АКБ, увеличенной более чем в 2 раза.
• — В уменьшенном весе батареи.
• Литий-ионные аккумуляторы можно заряжать не полным циклом, при этом емкость не становится меньше.

Сложности : стоимость нового аккумулятора для шуруповерта своими руками может потянуть на 2 тысячи. Система Ли-ион 18650 работает в узком диапазоне, как правило, 4,2 – 3,0 В.

Необходимо выбрать элементы, рассчитанные на ток 20-30 ампер. Потребуется ЗУ другого типа или доработанное. Необходимо использовать защитную плату для сборки, балансир, и контроллер в ЗУ.

Устройство на литиевых аккумуляторах 18620 может работать до -10 0 С, при этом сильно потеряв емкость.

Есть другие высокотоковые батарейки А123 форм-фактор 26650 серия М, активная часть состоит из литий-железо-фосфатных компонентов. Аккумуляторы выдают напряжение 3,3 В, емкость каждого 2 500 А/ч.

Эти высокотоковые устройства способны обеспечить ток до 60С, работают до -30 0 С. Используется ЗУ с другими параметрами. Немаловажно, что заряжаются батареи в течение 15 минут используя ток до 10 А, безопасны, не взрываются.

Рабочий диапазон 3,3 – 2,5 В.

Создавая литиевый аккумулятор для инструмента своими руками, рационально использовать элементы 18650 в АКБ шуруповертов мощностью 12 – 14,4 В для работы внутри помещения. Для техники с входным напряжением 18 вольт составить аккумулятор из элементов Nanophosphate А123 Systems, но только тайваньской сборки или от компании PowerLabs. Продаются на AliExpress, доставка бесплатная.

Рассчитать, сколько потребуется аккумуляторов для составления источника энергии нужного параметра несложно. Для этого нужно знать паспортную мощность прибора, напряжение.

Чтобы разместить элементы в контейнере, возможно, потребуется убрать некоторые перегородки.

Из старой гирлянды нужно аккуратно отсоединить клеммы, внедрить их в новую сборку, чтобы в последующем обеспечить контакт сборки с платформой прибора.

Комплектация Li-ion аккумулятора своими руками

Используя последовательное соединение, мы суммируем напряжения всех батареек, емкость считается по самой слабой. В параллельном соединении суммируются емкости банок, ток, а напряжение остается как на одном элементе. Чтобы удвоить емкость и получить большую разность потенциалов, нужно пары соединить параллельно, и включить их в связках в общую цепь последовательно.

Выполняя своими руками сборку Li-ion аккумуляторов, необходимо учесть, корпус банок нельзя разогревать. Нужно пользоваться точечной сваркой или очень мощным паяльником со специальным флюсом.

Перемычки выполняют из толстого изолированного провода, уменьшая сопротивление, исключая нагрев. Можно воспользоваться специальной токопроводящей лентой.

Соединять аккумуляторы нужно с помощью термоклея и клейкой термоленты.

Последовательное соединение работает правильно, если банки имеют равные параметры, и каждая поглощает равный заряд. Задачу решают с помощью балансиров, которые являются неотъемлемой частью схемы.

Для того, чтобы каждый элемент не получил излишний заряд и не разрядился ниже нормы, используют защитные платы на каждом элементе или общую защитную плату, рассчитанную на конкретное количество банок – 3S, 4S, 6S. Зачастую в MBS включен балансир.

Уровень заряда аккумулятора необходимо контролировать, для этого используют индикатор. Актуально знать, сколько энергии в батарее, чтобы своевременно подзарядить прибор.

Контроллер заряда Li-ion аккумулятора своими руками

Контроллер — электронная плата которая по характеристикам поддерживает рабочее напряжение и ток разряда. То есть напряжение контроллера должно отвечать характеристике прибора. Токовая нагрузка подбирается в 2 раза ниже предельной. Значит, для 18650 ток должен быть 12-15 А, для 26650 – 30-40 А.

Под контроллером заряда-разряда понимают схему защиты от слишком глубокого разряда, он же препятствует перезаряду банок выше 4,2 В. Но это только защита.

Настоящий контроллер установлен в ЗУ, рассчитан на зарядку в 2 этапа с последующим отключением аккумулятора. Зарядное устройство это не блок питания.

Назначение этого инструмента стабилизировать ток на первом этапе процесса, при этом выходное напряжение зависит от тока нагрузки.

В конструкции предусмотрены резисторы для регулирования выходного напряжения, индикации окончания заряда, порога ограничения выходного тока. Микросхема LM2596 выступает в виде контроллера ШИМ, компаратор LM358 поддерживает параметры тока, управляет индикацией. Стабилизатор 78L05 питает компаратор и поддерживает напряжение.

Для того, чтобы отключить аккумулятор именно в момент полного набора заряда, необходимо доработать схему. Такая доработка обусловит отключение зарядки при достижении полного заряда.

Защитная плата MBS отключит аккумулятор при достижении полного заряда. Но она срабатывает с некоторым опозданием. Поэтому батарея может получить небольшой перезаряд, сокращающий срок службы дорогого прибора.

Балансир для Li-ion аккумуляторов своими руками

При последовательном включении банок в аккумуляторе, равная энергия поступает в каждый элемент при зарядке. В идеале, напряжение на каждой банке должно быть равным. Но небольшая разница в приеме заряда есть. Самая слабая банка получит свою порцию энергии, и будет перезаряжаться, пока другие питаются. Чтобы такого не случилось, предусмотрен балансир. Чаще он встраивается в MBS, используется в комплекте. Но можно собрать своими руками микросхему балансира для литиевых аккумуляторов отдельно.

Разработаны принципиальные схемы для Li-ion и LiFePO4 аккумуляторов на основе микросхемы TL431. Особенность доработки в том, что TL431 стал выполнять функции триггера Шмитта и получился балансир, без свойственных прежним схемам недостатков.

Балансир подключается к зарядному на время операции, но собран отдельной платой.

Индикатор разряда Li-ion аккумулятора своими руками

Для удобства работы с инструментом, сигнал об уровне заряда на аккумуляторе будет нелишним. Выполнить небольшую схему создать индикатор заряда своими руками для Li-ionаккумулятора несложно. Для начала возьмите простейшую схему.

Здесь применяются: стабилитрон, транзистор и 2 светодиода, зеленый и красный. При использовании двухцветного светодиода, с падением напряжения переход от зеленого к красному будет плавным, и это поможет определить степень заряженности батареи.

Видео

Предлагаем посмотреть на видео, как сделать аккумулятор для шуруповерта своими руками.

Создание литий-ионного аккумулятора

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям Опубликовано 15.04.2016 19:45
Abramova Olesya

• 1. Аспекты безопасности
• 2. Рекомендации по работе с литий-ионными батареями

Первым этапом создания литий-ионного аккумулятора является определение требований к значению напряжения и необходимому времени работы. Затем уточняются характеристики нагрузки, окружающей среды, габаритные размеры и вес.

У современных портативных устройств будут повышенные требования к толщине аккумулятора, поэтому предпочтительным будет выбор призматического или даже бескорпусного форматов.

Если же толщина не будет определяющим фактором, то выбор цилиндрических элементов типоразмера 18650 в качестве структурных частей позволит обеспечить более низкую стоимость и лучшую производительность (с точки зрения удельной энергоемкости, безопасности и долговечности). (Смотрите также BU-301a: Разнообразие форм электрических батарей).

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.

Аккумуляторы EverExceed

OPzS	NI-CD	OPzV
20 лет / 1500 циклов	25 лет / 2000 циклов	20 лет / 1500 циклов
для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д.

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.)

2. Рекомендации по работе с литий-ионными батареями

• 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.
• Следует прекратить эксплуатацию аккумулятора и/или зарядного устройства при чрезмерном нагреве.
• Следует помнить, что вещество электролита легковоспламеняемое и взрыв или возгорание аккумулятора может привести к травмам.

* Международная ассоциация воздушного транспорта работает с авиакомпаниями и воздушной транспортной отраслью для обеспечения безопасности, надежности и экономичности авиаперевозок.

Li-ion и Li-polymer аккумуляторы в наших конструкциях

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) всё чаще приходят литиевые аккумуляторы. При сравнимом весе одного элемента, литий имеет большую ёмкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше — 3,6 V на элемент, вместо 1,2 V.Стоимость литиевых аккумуляторов стала приближаться к обычным щелочным батареям, вес и размер намного меньше, да к тому же их можно и нужно заряжать. Производитель говорит, 300-600 циклов выдерживают.Размеры есть разные и подобрать нужный не составляет труда.Саморазряд настолько низкий, что лежат годами и остаются заряженными, т.е. устройство остается рабочим когда оно нужно.

Рассмотрим далее характеристики, зарядные устройства и схемы защиты для литиевых аккумуляторов.

Содержание / Contents

Часто встречается обозначение вида «xC». Это просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора с долях его ёмкости. Образовано от английского слова «Capacity» (вместимость, ёмкость).Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.

1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2 × емкость аккумулятора)/h или (0.1 × емкость аккумулятора)/h соответственно.

Например, аккумулятор емкостью 720 mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.

5 × 720mAh/h = 360 мА, это относится и к разряду.

Есть два основных типа литиевых аккумуляторов: Li-ion и Li-polymer.Li-ion — литий-ионная батарея, Li-polymer — литий-полимерная батарея.Отличие их в технологии изготовления. Li-ion имеют жидкий или гелевый электролит, а Li-polymer — твердый. Это отличие повлияло на диапазон рабочих температур, немного на напряжение и на форму корпуса, которую можно придать готовому изделию. Ещё — на внутреннее сопротивление, но тут много зависит от качества изготовления.Li-ion: -20 … +60°C; 3,6 VLI-polymer: 0 .. +50°С; 3,7 VДля начала надо разобраться, что это за вольты такие.Производитель пишет нам 3,6 V, но это среднее напряжение. Обычно в даташитах пишут диапазон рабочих напряжений 2,5 V … 4,2 V. Когда я первый раз столкнулся с литиевыми аккумуляторами, то долго изучал даташиты.Ниже представлены их графики разряда при разных условиях.Рис. 1. При температуре +20°C

Рис. 2. При разных температурах эксплуатацииИз графиков становится понятно, что рабочее напряжение при разряде 0,2С и температуре +20°C составляет 3,7 V … 4,2 V. Безусловно, батареи можно соединить последовательно и получить нужное нам напряжение.

На мой взгляд очень удобный диапазон напряжений, который подходит под многие конструкции, где используется 4,5V — они прекрасно работают. Да и соединив их 2 шт. получим 8,4 V, а это почти 9 V. Я их ставлю во все конструкции, где идёт батарейное питание и уже забыл, когда последний раз покупал батарейки.

Есть у литиевых аккумуляторов нюанс: их нельзя заряжать выше 4,2 V и разряжать ниже 2,5 V. Если разрядить ниже 2,5 V, восстановить не всегда удается, а выкидывать жалко. Значит, нужна защита от сверхразряда. Во многих батареях она уже встроена в виде мелкой платы, и её просто не видно в корпусе.

Бывает, попадаются аккумуляторы без защиты, тогда приходится собирать самому. Сложности это не представляет. Во-первых есть ассортимент специализированных микросхем. Во-вторых, кажется есть собранные модули у китайцев.

А в-третьих, мы рассмотрим, что можно собрать по теме из подножных материалов.

Ведь не у всех есть в наличии современные чипы или привычка отовариваться на АлиЭкспресс.

Я пользуюсь вот такой суперпростой схемой многие годы и ни разу аккумулятор не вышел из строя! Рис. 3. Конденсатор можно не ставить, если нагрузка не импульсная и стабильно потребляющая. Диоды любые маломощные, их количество надо подобрать по напряжению отключения транзистора.Транзисторы я применяю разные, в зависимости от наличия и тока потребления устройства, главное чтоб напряжение отсечки было ниже 2,5 V, т.е. чтоб он открылся от напряжения аккумулятора.Настраивать схему лучше на монтажке. Берём транзистор и подавая на затвор напряжение через резистор сопротивлением 100 Ом … 10 К, проверяем напряжение отсечки. Если оно не более 2,5 V, то экземпляр годен, далее подбираем диоды (количество и иногда тип), чтобы транзистор начинал закрываться при напряжении примерно 3 V.Теперь подаем напряжение от БП и проверяем чтобы схема срабатывала при напряжении примерно 2,8 — 3 V. Иными словами, если напряжение на аккумуляторе опустится ниже порогового, которые мы установили, то транзистор закроется и отключит нагрузку от питания, предотвратив тем самым вредный глубокий разряд.Что ж, наш аккумулятор разрядился, теперь пора его безопасно зарядить.

Как и с разрядкой, с зарядкой тоже не всё так просто. Максимальное напряжение на банке должно быть не более 4,2 V ±0.05 V! При превышении этого значения литий переходит в металлическое состояние и может произойти перегрев, возгорание и даже взрыв аккумулятора.

Заряд аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму: заряд от источника постоянного напряжения 4.20 Вольт на элемент, с ограничением тока в 1С.Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0.1-0.2С. После перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1С, аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости.

Для полной зарядки необходимо время около 2-х часов. К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда, не хуже ±0.01 Вольт на банку.Обычно схема ЗУ имеет обратную связь — автоматически подбирается такое напряжение, чтобы ток, проходящий через аккумулятор, был равен необходимому.

Как только это напряжение становится равно 4.2 Вольтам (для описываемого аккумулятора), больше поддерживать ток в 1С нельзя — далее напряжение на аккумуляторе возрастёт слишком быстро и сильно.В этот момент аккумулятор заряжен обычно на 60%-80%, и для зарядки остальных 40%-20% без взрывов ток требуется снизить.

Проще всего это сделать, поддерживая постоянное напряжение на аккумуляторе, и он сам возьмет такой ток, который ему необходим. При снижении этого тока до 30-10 мА аккумулятор считается заряженным.Для иллюстрации всего вышеописанного привожу график заряда, снятый с подопытного аккумулятора: Рис. 4. В левой части графика, подсвеченной синим, мы видим постоянный ток 0.7 А, в то время как напряжение постепенно поднимается с 3.8 В до 4.2 В. Также видно, что за первую половину заряда аккумулятор достигает 70% своей емкости, в то время как за оставшееся время — всего 30%.

У китайцев можно заказать по почте с бесплатной доставкой модули зарядных устройств. Модули контроллера зарядки TP4056 с гнездом мини-USB и защитой можно взять очень недорого.

А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.Рис. 5. Схема с применением LM317 обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения, которое устанавливается потенциометром R2. Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно стабилизировать ток с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN-транзистора (VT1).Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx.

Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax.

Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.

LM317 надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжения.

Входное напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.Рис. 6. Можно выпаять контролер заряда LTC4054 из старого сотового телефона, к примеру, Samsung (C100, С110, Х100, E700, E800, E820, P100, P510).Рис. 7. У этого мелкого 5-ногого чипа маркировка «LTH7» или «LTADY»Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности. Ток заряда до 800 мА. Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 Вольт. Индикация заряда. Защита от КЗ на выходе. Защита от перегрева (снижение тока заряда при температуре больше 120°). Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.Ток заряда задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле

I=1000/R,где I — ток заряда в Амперах, R — сопротивление резистора в Омах.

Вот простая схема, которая зажигает светодиод, когда батарея разряжена и её остаточное напряжение близко к критическому.Рис. 8. Транзисторы любые маломощные. Напряжение зажигания светодиода подбирается делителем из резисторов R2 и R3. Схему лучше подключать после блока защиты, чтоб светодиод не разрядил аккумулятор совсем.Производитель обычно заявляет 300 циклов, но если заряжать литий всего на 0,1 Вольта меньше, до 4.10 В, то количество циклов возрастает до 600 и даже более. Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случаются неприятности. 1. Не доспускается заряд до напряжения, превышающего 4.20 Вольт на банку. 2. Не доспускается короткое замыкание аккумулятора. 3. Не доспускается разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С. 4. Вреден разряд ниже напряжения 3.00 Вольта на банку. 5. Вреден нагрев аккумулятора выше 60°С. 6. Вредна разгерметизация аккумулятора. 7. Вредно хранение в разряженном состоянии.

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, остальных — к полной или частичной потере ёмкости.

Из практики многолетнего использования могу сказать, что ёмкость аккумуляторов изменяется мало, но увеличивается внутреннее сопротивление и аккумулятор начинает работать меньше по времени при больших токах потребления — создаётся впечатление, что ёмкость упала.

По этому я обычно ставлю ёмкость побольше, какую позволяют габариты устройства, и даже старые банки, которым лет по десять, работают вполне прилично.Для не очень больших токов подходят старые аккумуляторы от сотовых. Из старой ноутбучной батареи можно вытащить много вполне рабочих аккумуляторов формата 18650.Давно переделал шуруповерт и электроотвертку на литий. Пользуюсь этими инструментами нерегулярно. Теперь даже через год неиспользования они работают без подзарядки! Маленькие батареи ставлю в детские игрушки, часы и т.д., где с завода стояли 2-3 «таблеточных» элемента. Там где нужно ровно 3V добавляю один диод последовательно и получается как раз.Ставлю в светодиодные фонарики.В тестер вместо дорогой и малоёмкой «Кроны 9V» установил 2 банки и забыл все проблемы и лишние затраты.Вообще ставлю везде, где получается, вместо батареек.

Продаются батареи всех видов, ёмкостей и форм-факторов в Китае. По этой же ссылке найдёте модули зарядок и пр. полезности для самодельщиков.

На счёт ёмкости китайцы обычно врут и она меньше написанной. Честные Sanyo 18650А вот аккумуляторы Sanyo 18650 подороже, зато и ёмкость честная и качество на высоте — менял в ноутбуке.

Контроллеры заряда на TP4056 с USB-разъёмом настолько малы, что можно встраивать их непосредственно в устройство и заряжать от USB ПК или от USB-зарядки для телефона.А есть отдельно чипы-контроллеры TP4056 SO-8 для встраивания на свою плату.Малогабаритные литий-полимерные аккумуляторы, разной ёмкости и размеров.

Выводы сделаны проводами, что для нас очень удобно. Обычно есть защита. В архиве даташиты на некоторые аккумуляторы и чип LTC4054.

▼ li-akkumulyatory.zip . 09/10/15 ⚖️ 1,25 Mb ⇣ 51

Спасибо за внимание!

МО, г. Долгопрудный

Инженер-электроник, практика в электронике c 1986г.Предпочитаю аналоговую технику, цифровую не люблю, но работаю с ней, ибо сейчас везде цифра.Рисую платы только вручную в графических редакторах потому что не всегда использую стандартные компоненты и их стандартную установку.

Предпочитаю рок музыку, а также классическую.

Источник статьи: http://xn--d1aspaq3c.xn--p1ai/mebel/moshhnaya-li-ion-batareya-svoimi-rukami.html