Как собрать аккумулятор для велосипеда

Зачем собирать самому? Да затем, что аккумуляторные батареи — это та область, где готовый продукт — всегда лажа. Они всегда неоправдано дорогие. Всегда не достать нужного размера, который, разумеется, уникален для каждого устройства. Всегда нет нужной емкости, а есть только те, которые расчитаны на беготню от розетки к розетке в пределах города.

А вот сами вы можете собрать батарею, которая будет ограничена только двумя параметрами: ценой за ватт-час и энергоплотностью. Все остальные характеристики вы будете выбирать сами.

Только одно «но». Эта статья НЕ про батареи мощнее нескольких киловатт-часов.

  1. Как собрать аккумуляторную батарею
    1. Теория на пальцах
      1. Попугаи емкости и ватт-часы энергии
    2. Типы аккумуляторов
      1. NiMH — никель-металл-гидридные
      2. Li-ion — литий-ионные
      3. Li-polymer — литий-полимерные
      4. LiFePO4 — литий-железо-фосфатные
      5. LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные
      6. Lead-Acid — свинцово-кислотные
      7. Сравнение
    3. Соединение элементов в батарею
      1. Последовательное соединение
      2. Параллельное соединение
      3. О пайке литиевых элементов
      4. Защита банок от переразряда и перезаряда
      5. Широтно-импульсные модуляторы, или DC-DC-преобразователи
    4. Ремонт батареи ноутбука
    5. Автономная зарядка мобильников и всего на свете
    6. Аккумуляторная батарея для Raspberry Pi
    7. См. также
    8. Примечания

Теория на пальцах

Батарея — это уже набор из многих элементов. Несколько ячеек соединяют в батарею, когда характеристик одной ячейки мало. Если соединить последовательно — растет напряжение. Если параллельно — увеличивается емкость батареи. Может включать в себя не только банки, но и всякую там управляющую электронику.

Сила тока — чем она больше, тем больше жрет потребитель электричества. Измеряется в амперах (A).

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.

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.

Попугаи емкости и ватт-часы энергии

Вопрос: означает ли это, что в обоих аккумуляторах одинаковое количество энергии? Будет ли одно и то же устройство работать от обоих банок одинаковое время?

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.

  • 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

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.

NiMH — никель-металл-гидридные

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.

Li-ion — литий-ионные

+ Обладают самой высокой энергоплотностью.

Вы, может быть, испытывали это вредное свойство, если пользовались мобильным телефоном зимой на улице. Батарея волшебным образом разряжается, и вы остаетесь без связи.

Именно поэтому многие Li-ion-банки имеют под корпусом специальную плату, которая отключает ток при напряжении ниже 2.5V или выше 4.2V. Такие батарейки имеют слово «protected» («защищенные») в названии. Незащищенные же банки (unprotected) без специальной платы использовать в батарее нельзя. Подробнее о защите Li-ion-батарей и о их балансировке смотрите ниже.

Именно поэтому так быстро приходят в негодность батареи ноутбуков. Располагаются они близко к центральному процессору и видеокарте, которые сильно греются, да еще и с постоянным 100%-ным зарядом — все условия для того, чтобы быстро умереть. Вот такие данные приводит battery university:

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:

LiFePO4 — литий-железо-фосфатные

Дальнейшая эволюция литиевых батарей. Аккумуляторы будущего. В отличие от Li-ion, они:

Недостатки по сравнению Li-ion:

И так же, как Li-ion, требуют соблюдения своего диапазона напряжений — 2—3.65V.

Популярный типоразмер для «банок» — 26650 (26мм в ширину и 65 в длину) — был введен с подачи той же A123 Systems.

Разновидность литиевых аккумуляторов, о которой мне ничего не известно, кроме того, что добавление иттрия увеличивает число циклов заряд-разряд. Ну, поживем — увидим.

необслуживаемая свинцово-кислотная батарея

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?

Все это не отменяет того, что свинцово-кислотные аккумуляторы — отличная штука, когда нужна дешевая энергия. Смотрите, например, ForumHouse.ru, раздел «автономный дом».

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:

  • За LiFePO4 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 фирменных Li-ion-аккумуляторов. Если их придется тащить на себе, то это самый разумный выбор.
  • Иногда имеет смысл взять готовую литий-полимерную батарею и не париться.

Последовательное соединение

Последовательно соединенные элементы нуждаются в балансировке.

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 . 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:

балансировка 4S Li-ion батареи с помощью IMAX B6

Хорошее решение для балансировки батарей — это зарядники, которые используют любители радиоуправляемых моделей, или Hobby Charger’ы. Самые популярные из них — iMAX B6 и Turnigy Accucel-6. Такие зарядят вам какой угодно тип батареи, расскажут о ее реальной емкости, ну и вообще модная тема.

распайка балансировочного шлейфа для конфигурации 4S — 4 последовательно соединенных элемента

Параллельное соединение

3 параллельно соединенных аккумулятора

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

С другой стороны, для точной балансировки пайка рекомендуется, так как лишнее сопротивление может исказить получаемые зарядным устройством данные о напряжении.

Беда.

Если нет, то давайте рассмотрим альтернативные варианты.

Как я уже говорил, литиевые элементы не простят вам ни того, ни другого.

схема подключения защитной платы для li-ion-батареи

Не забывайте, что LiFePO4 не совместимы с обычными Li-ion-элементами, и для них нужны специальные защитные платы.

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.

понижающий широтно-импульсный модулятор с ограничением силы тока

Такие преобразователи делятся на повышающие напряжение и понижающие. Обычно предпочитают использовать последние. Вот хороший экземпляр с регулировкой выходного напряжения — за $1.74. Существуют также разновидности с ограничением силы тока на выходе. Такие нужны, например, чтобы заряжать другой аккумулятор, или чтобы питать светодиод. Вот пример такого за $3.08.

Ремонт батареи ноутбука

http://www.youtube.com/watch?v=BtqRvAu71Gw

  • 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.

Такая штука пригодится в поездках, походах — везде, где есть проблемы с розетками. Для этого вам понадобятся:

  1. Сначала нужно припаять провода от держалки батареек к ШИМу: черный к IN-, красный к IN+.
  2. Затем нужно будет настроить ШИМ. Если этого не сделать — этот прибор может сжечь ваш телефон!
    1. 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.
    2. 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.
    3. Потенциометр посередине обычно трогать не надо.
  3. Выньте батарейки из держалки.
  4. 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.

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.

Проверил рецепт. Не работает! Ждите дальнейших правок.

Нам нужно всего лишь подвести 5 вольт к плате и к ее USB-периферии. Потому что плата выдает только 100mA на USB-периферию. А без нее скучно. Периферией могут быть, например, wifi-адаптер и веб-камера.

  1. Сначала нужно припаять провода от держалки батареек к ШИМу: черный к IN-, красный к IN+.
  2. Затем нужно будет настроить ШИМ. Если этого не сделать — вы можете спалить и свою плату, и ее периферию! 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 потенциометр (крутилка такая) до тех пор, пока мультиметр не покажет напряжение в 5 вольт.
  3. Выньте батарейки из держалки.
  4. Обеспечьте питанием Raspberry Pi. Для этого распорите конец MicroUSB-штекера. 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.
  5. Добавьте питания периферии. Для этого возьмите какой-нибудь не очень нужный USB-кабель, которым вы собираетесь соединять устройство с платой. Аккуратно — очень аккуратно! — распорите оболочку и достаньте черную и красную жилки. Затем припаяйте их к ШИМу — черную к OUT-, красную к OUT+.

См. также

  • Форум «электротранспорт.ру». Даже если вас (как меня сейчас) не интересует сборка электромобилей, там можно узнать, например, где можно дешево взять крупную партию фирменных аккумуляторов.
  • ForumHouse.ru, раздел «автономный дом». Местные накопили много знаний по использованию свинцово-кислотных аккумуляторов.
  • Совершенно умилительная картина — человек долго разбирался в процессах в свинцово-кислотных аккумуляторах и начал выпускать собственные зарядные устройства. Есть еще его тред на электротранспорте.
  • Маленький контроллер для зарядки Li-Ion и Li-polymer аккумуляторов за 28 рублей.

1 ↑ На buyincoins.com можно получить скидку в 5%, если при регистрации указать «apsheronets» как recommender’а.

Результаты теста A123 LiFePO4 ANR26650M1A, взято из State-of-Health Estimation of Li-ion Batteries: Cycle Life Test Methods by JENS GROOT. Вертикальная шкала — емкость, горизонтальная — количество циклов заряд-разряд.

A123 LiFePO4 ANR26650M1A cycle life test — тест на количество циклов заряд-разряд

Cycle A — симуляция гибридного городского автобуса: постоянное чередование заряда и разряда.Cycle B — то же, но с другой моделью.Cycle C — полный заряд и полный разряд при постоянном токе.Cycle D — колебания заряда около 40% при постоянном токе.Cycle E — длительный разряд, симуляция потребления автобуса среднего размера.

  • при жестком обращении с полными разрядами — ~1800 циклов в случае быстрого разряда и ~2200 в случае длительного;
  • при щадящем обращении с частичными разрядами и зарядами — от 8000 циклов и выше.

4 ↑ Из описания чудо-задрядного устройства для свинцовых аккумуляторов:

5 ↑ С официального сайта:

срок хранения NiMH-батареек Sanyo Eneloop

Max Charge Rate: 5c

7 ↑ Да, я знаю, что если коротко замкнуть аккумулятор, то напряжение на клеммах упадет до нуля.

Источник

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.