18 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Литий ион своими руками. Литий ионный аккумулятор своими руками

Оживляем шуруповерт. Все для переделки шуруповерта на 18650 литий-ионные аккумуляторы

Аккумулятор шуруповерта рано или поздно «устанет» и его необходимо будет менять. Купить новый аккумулятор оправданно в ситуации когда инструмент стоит копейки. Но если у вас что-то более-менее приличное, или аккумулятор старый на Ni-CD, то однозначно имеет смысл поменять севшие 18650 аккумуляторы на новые или полностью перевести шуруповертс никеля на литиевые.

Безусловно, как и в любом деле, тут есть свои нюансы, но если ваши руки хотя бы минимально прямые, то самостоятельно переделать шуруповерт на литий совсем несложно. Нужно лишь знать что купить для переделки и понимать базовые нюансы процесса. А уж купить на алиэкспресс все для перевода шуруповерт на литий — элементарно.

Почему 18650 Li-ion? Преимущества литиевых аккумуляторов очевидны:

  • большая плотность энергии на единицу массы
  • низкий саморазряд
  • фактически отсутствует эффект памяти
  • доступность и цена

Кстати, если вы любите читать, то есть вариант отлично сэкономить! Книжный сервис ЛИТРЕС, крупнейший в России и странах СНГ дает четвертую книгу в подарок при покупке трех. Лично я именно там и покупаю книги уже порядка 5 лет. Ценник и без того доступный, а с таким бонусом выходит совсем небольшим. Есть удобное приложение для чтения и прослушивания книг. По ссылке выше — одна из моих подборок, в которой есть жирный обновляемый промокод.

Переделка аккумулятора шуруповерта. Что нужно знать:

1) Для шуруповерта нужны высокотоковые 18650 аккумуляторы (идеально — Sony/Murata VTC5, VTC5A, VTC6. Допустимо — Samsung 25R), либо менее высокотоковые аккумуляторы, соединенные в параллель (если позволяет место).

2) Категорически нельзя использовать старые ноутбучные аккумуляторы и просто разные аккумуляторы. Все 18650 аккумуляторы в сборке должны иметь минимальный разбег емкости и прочих характеристик. Безусловно, купить высокотоковый 18650 аккумулятор на алиэкспресс — самое простое решение. Только заранее учитывайте что название модели не будет иметь никакого отношения к ячейке внутри. 4 аккумулятора, купленные одним лотом у одного продавца могут существенно отличаться по емкости и внутреннему сопротивлению. Хотя ниже по ссылке будет неплохой вариант для тех, кто не хочет паять.

Идеальный вариант – купить 18650 у проверенного продавца на том же avito, или заказать 18650 на nkon В последнем случае придется заплатить 10 евро за доставку, но аккумуляторы будут 100% оригинальные и намного дешевле покупки на месте (что сведет оплату доставки в ноль). Лично я много лет беру аккумуляторы именно в этом магазине.

Я делал статью о том как выбрать 18650 литий-ионный аккумулятор, если интересно — читаем ее тут

3) Подключение аккумуляторов к BMS плате производится строго последовательно: вначале 0 В затем 4,2 В, 8,4 В, 12,6 В, 16,8 В. При нарушении BMS работать не будет!

4) 18650 аккумуляторы в сборке должны быть заряжены одинаково. Лучше всего зарядить каждый аккумулятор отдельно и затем собрать в сборку.

5) Как посчитать сколько нужно 18650 литиевых аккумуляторов вместо никелевых? В целом, расчет такой:
2-3 NiCd = 1 литиевый, 5-6-7 NiCd = 2 литиевых, 8-9-10 NiCd = 3 литиевых, 11-12-13 NiCd = 4 литиевых

6) Литиевые аккумуляторы очень боятся перегрева. Идеальный вариант — точечная сварка. Пайка тоже вполне работает. Как паять 18650? Самое главное — вам нужно максимально большое жало. Свести время контакта жала и 18650 аккумулятора к минимуму и не перегреть последний. В остальном процесс не отличается от любой другой пайке. Лучше всего набить руку на тех старых аккумуляторах, которые вы будете заменять.

BMS-плата

BMS (Battery Management System) – система управления батареей. BMS-плата исключительно важна при переделке шуруповерта на литий. Зачем она нужна и как она работает? Она контролирует заряд и разряд, предотвращая переразряд и перезаряд аккумулятора шуруповерта, в нее встроен «балансир», который заряжает отдельно каждый Li-Ion аккумулятор в сборке. Последнее крайне важно! Бывают BMS без балансира! 3S — 12v, 4s — 14v, 5s — 18v Чтобы выбрать BMS плату, надо учитывать что минимальный ток должен быть 30А, иначе она будет уходить в защиту.

Вариант BMS-платы по ссылке на 2-3 доллара дороже каких-то базовых версий, но вы получаете 100А вместо 30А или 40А. На мой взгляд, по функционалу это лучшая БМС-плата с алиэкспресс и заслуживает этой символической переплаты.

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.

Читать еще:  Тест выносных камер для смартфонов. Лучшие объективы для смартфона

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

↑ «С» значит Capacity

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.

↑ Основные характеристики литиевых аккумуляторов


Рис. 1. При температуре +20°C


Рис. 2. При разных температурах эксплуатации

Из 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.

↑ Схема защиты аккумулятора от сверхразряда

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!

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.

↑ Особенности процесса зарядки литиевого 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:

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%.

Читать еще:  Голосовое управление звуком и светом. Схема для голосового управления

↑ Зарядные устройства для литиевых аккумуляторов

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.

↑ Схема простого зарядного устройства на LM317

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.

↑ Схема простого зарядного устройства на LTC4054

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

↑ Индикатор разрядки литиевого аккумулятора

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.

↑ Нюанс долговечности

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.

↑ Эксплуатация и меры предосторожности

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.

↑ Где я применяю литиевые батареи

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.

↑ Где я покупаю литий и полезности по теме

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.

А 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.

↑ Файлы

В архиве даташиты на некоторые аккумуляторы и чип LTC4054.
 ▼ Файловый сервис недоступен. Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

Спасибо за внимание!

Похожие новости

Комментарии (18)

Информация
Вы не можете участвовать в комментировании. Вероятные причины:
— Администратор остановил комментирование этой статьи.
— Вы не авторизовались на сайте. Войдите с паролем.
— Вы не зарегистрированы у нас. Зарегистрируйтесь.
— Вы зарегистрированы, но имеете низкий уровень доступа. Получите полный доступ.

Читать еще:  Алексей алексеев добро пожаловать в мой уютненький бложек. Раскрываем секреты сети I2P Установка и настройка i2p

Создание литий-ионного аккумулятора

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов: