Как собрать аккумуляторную батарею
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.
Особенно громко ругать производителей начинаешь тогда, когда попадаешь в форс-мажорную ситуацию. Остаешься без связи, потому что на морозе сдох коммуникатор. Не можешь снять удачный момент, потому что кончился родной аккумулятор на камере, а запасной от фирмы стоит $50. Или сидишь и скучаешь, потому что ноутбука хватило на час.
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.
Статья написана для дилетантов и от дилетанта.
Только одно «но». Эта статья НЕ про батареи мощнее нескольких киловатт-часов.
Просто потому, что у меня не было никакого опыта использования таких батарей. Я не собирал электромобили и не делал системы автономного электроснабжения для дома. Принципы создания таких батарей совпадают с обычными, так что вам не помешает прочитать и эту статью, но оборудование используется совершенно разное. Так что за информацией обязательно идите на форум «электротранспорта.ру» или ForumHouse.ru.
- Как собрать аккумуляторную батарею
- Теория на пальцах
- Попугаи емкости и ватт-часы энергии
- NiMH — никель-металл-гидридные
- Li-ion — литий-ионные
- Li-polymer — литий-полимерные
- LiFePO4 — литий-железо-фосфатные
- LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные
- Lead-Acid — свинцово-кислотные
- Сравнение
- Последовательное соединение
- Параллельное соединение
- О пайке литиевых элементов
- Защита банок от переразряда и перезаряда
- Широтно-импульсные модуляторы, или DC-DC-преобразователи
Теория на пальцах
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 последовательно — растет напряжение. Если параллельно — 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. 7 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 ↓ LiFePO4 ↓ 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 2 200—800 срок хранения до потери 20% емкости до 2 лет 5 ~1.5 года 5—10 лет 3 время простого заряда до 16 часов 1—2 часа 45 минут 3 6-10 часов время быстрого заряда 1—2 часа 45 минут 15 минут 6 15 минут 3 1-2 часа 4 ↓ 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.
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.
− Теряют емкость со временем, даже от простого лежания на полке.
− Особенно быстро теряют емкость при высокой температуре.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:
температура при хранении с зарядом в 40% при хранении с полным (100%) зарядом 0°C теряет 2% за год теряет 6% за год 25°C теряет 4% за год теряет 20% за год 40°C теряет 15% за год теряет 35% за год 60°C теряет 25% за год теряет 40% за 3 месяца 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:
LiFePO4 — 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 2 );
+ практически не подвержены потере емкости при хранении 3 .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 LiFePO4 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.
LiFeYPO4 — 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.
Все это не отменяет того, что свинцово-кислотные аккумуляторы — отличная штука, когда нужна дешевая энергия. Смотрите, например, ForumHouse.ru, раздел «автономный дом».
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 TrustFire защищенные 18650 1900mAh с дилэкстрима 132 425 0.67 0.067 (1000 циклов) TrustFire незащищенные 18650 1750mAh с дилэкстрима 145 391 0.51 0.051 (1000 циклов) Panasonic незащищенные 18650 2200mAh с дилэкстрима 360 675 0.79 0.079 (1000 циклов) Panasonic незащищенные NCR18650 3100mAh с дилэкстрима 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) ↑ LiFePO4 безымянные 18650 LiFePO4 1350mAh с дилэкстрима 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) 2«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 ? ↑ LiFeYPO4 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 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.
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:
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.
Схема распайки шлейфа на балансировщик в случае 4-х последовательно соединенных элементов выглядит так:
Такие шлейфы называются JST-XH и различаются по количеству последовательно соединенных элементов. Например, JST-XH 4S — это для четырех, как на картинке. Набрать таких шлейфов можно на ибее.
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 редкоземельные магниты. 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. 1 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 зарядным устройством за 150 рублей. 
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 LiFePO4 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.
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.
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:
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:
3 защищенных Li-ion-батарейки $14.07 
веник зарядников $2.70 
держалка для батареек[1] $1.45 
кусок USB-удлиннителя ? понижающий широтно-импульсный модулятор с ограничением силы тока $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.
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.
Эта плата просто просится, чтобы к ней прикрутили автономное питание. Она жрет от силы 3.5 ватта, так что одной Li-ion-батарейки ей хватит часа на два. К сожалению, увидеть в природе это чудо техники почти невозможно, так что мы будем лишь теоретизировать.
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.
3 защищенных Li-ion-батарейки $14.07 
кусок MircoUSB-кабеля ? держалка для батареек[1] $1.45 
простой широтно-импульсный модулятор $1.88 
пара не очень нужных USB-кабелей для соединения платы с периферией, желательно коротких, тонких и без экрана ? 
сама плата, достать которую невозможно $25—35 Также понадобится мультиметр.
- Сначала нужно припаять провода от держалки батареек к ШИМу: черный к IN- , красный к IN+ .
- 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.
- Выньте батарейки из держалки.
- 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.
- 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+ .
Вот и все. Затем вставляйте батарейки и в путь. По моим прикидкам, все должно работать и сгореть ничего не должно.
См. также
- Старая статья — об аккумуляторных батарейках.
- Каталог батареек на дилэкстриме.
- Как правильно тренировать и калибровать батарею смартфона.
- 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.
Примечания
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.
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.Таким образом, ресурс этой «банки» до потери 20% емкости:
- 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.
3 ↑ Спецификация на A123 ANR26650M1.
В частности, показывает потерю емкости всего в 23% при хранении в течение 15 лет в полностью заряженном состоянии при температуре 60°C: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)
5 ↑ С официального сайта:
7 ↑ Да, я знаю, что если коротко замкнуть аккумулятор, то напряжение на клеммах упадет до нуля.
Как сделать аккумулятор на 12В из аккумуляторов 18650?
Аккумуляторные батареи номинальным напряжением 12 вольт используют в подводных камерах, шуруповертах, радиоуправляемых моделях, медицинских приборах и других устройствах. Как и другие АКБ, такие источники питания можно купить в готовом виде или собрать своими руками из отдельных элементов.
Принцип сборки Li-ion батареи на 12 В
Единичный аккумулятор Li-ion типа имеет номинальное напряжение 3,6 или 3,7 В, а модели с типом химии LiFePO4 – 3,2 В. Для получения большего вольтажа ячейки соединяются последовательно. Например, для сборки аккумуляторной батареи на 12 В нужно соединить последовательно 3–4 литиевых элемента. Чтобы получить увеличенный запас емкости, нужно вначале соединить «банки » параллельно. Аккумуляторы используются незащищенные, а для защиты от перенапряжения, глубокого разряда и других вредных факторов батарея оснащается БМС платой.
Схемы сборки
Для сборки литиевых батарей номинальным напряжением 12 В из аккумуляторов 18650 и других типоразмеров используют схемы:
- 3S1P, 3S2P, 3S3P, 3S4P, …, 3S15P, 3S16P;
- 4S1P, 4S2P, 4S3P, 4S4P, …, 4S15P, 4S16P и т.д.
Количество последовательных соединений указывается коэффициентов при букве S, а параллельных – коэффициентом при букве P. Схема сборки выбирается в зависимости от параметров соединяемых элементов питания и характеристик, которые нужно получить в итоге.
Характеристики аккумуляторов 18650
В таблице приведены технические параметры популярных аккумуляторов форм-фактора 18650:
Аккумулятор
Емкость, мАч
Максимальная токоотдача, А
Номинальное напряжение, В
Диапазон рабочих напряжений, В
Samsung 33G
LG HE4
Panasonic 18650PF
Samsung 30Q
Samsung 25R
Macroson
BAK N18650CNP
Panasonic 18650BD
LG MH1
SONY VTC6
Zhihang
EVE INR18650 25P
LiFePO4 Exell Battery
Чтобы собрать батарею напряжением ≈12 вольт, нужно последовательно соединить 3 или 4 литий-ионных аккумулятора. Количество параллелей выбирается в зависимости от необходимой емкости и допустимых размеров АКБ. Например, по схеме 3S3P из Li-ion ячеек типоразмера 18650 получим батарею с размерами 70х75х75 мм. Ее номинальное напряжение составит 11,1 В, а емкость – от 7500 до 9900 мАч, в зависимости от параметров выбранных ячеек.
Из таблицы видно, что у одних элементов питания выше емкость, а у других – допустимые токовые нагрузки. Это связано с различиями в химическом составе. Для питания устройств с интенсивным потреблением энергии (например , для шуруповертов и других видов портативного электроинструмента) нужны высокотоковые элементы. Хоть запас емкости у них и ниже, такие ячейки обеспечат стабильно высокую токоотдачу и не будут ощутимо нагреваться при работе.
Как сделать АКБ?Аккумуляторные батареи собираем по заранее выбранной схеме из идентичных ячеек 18650 – одного бренда и серии. В таком случае легче отобрать элементы с полностью совпадающими значениями емкости и внутреннего сопротивления. Перед сборкой напряжение на «банках » выравниваем зарядкой. Ячейки соединяем параллельно, а затем последовательно.
Для этого применяем аппарат контактной сварки и никелевую ленту. Ее нарезаем на отрезки с запасом длины 1 см, накладываем на контакты и привариваем с соблюдением используемой схемы. К полученной батарее припаиваем BMS плату и силиконовые AWG провода с разъемами ХТ60. Они будут использоваться для зарядки батареи и подключения к ней нагрузки. Дополнительно можно установить на АКБ индикатор заряда и его выключатель.
Готовую батарею проверяем в цикличном режиме – поочередно разряжаем под нагрузкой и заряжаем током 0,5С. Например, для батареи емкостью 7800 мАч и используем зарядный ток 3,9 А. Если АКБ работает хорошо (нормально питает нагрузку и принимает заряд, не греется), ее можно упаковывать в стеклотекстолит и термоусадочную трубку подходящих размеров. После нагрева феном она плотно покроет поверхность АКБ и обеспечит ей необходимую изоляцию.
О самодельном свинцово кислотном аккумуляторе
Первый свинцово кислотный аккумулятор изобрел и опробовал как известно французский физик Гастон Планте. Он скрутил две свинцовые пластины в рулон, предварительно проложив между ними разделительное сукно. Рулон поместил в сосуд и залил его соленой водой. В итоге если подать напряжение на пластины, то он заряжался. И после, если к нему подключить лампочку, или что-то другое, то он мог некоторое время отдавать запасенную энергию на горение этой лампочки. Так же после заряда энергия в таком аккумуляторе могла хранится без потерь продолжительное время. Это и положило начало эры свинцово кислотных аккумуляторов.
>
Но самый главный недостаток такого рулонного аккумулятора, это маленькая емкость. В последствии было выяснено что если такой аккумулятор несколько раз зарядить и разрядить меняя полярность (+-), то емкость увеличивалась. Это объясняется тем, что на пластинах образовывался слой оксида свинца, и пластины размегчаоись, становились как губка. Кислота теперь могла проникать глубже в пластины, тем самым больше свинца участвовало в химическом процессе.
Эти циклы заряда разряда меняя плюс на минус и обратно назвали формовкой пластин. Чтобы нарастить толстый слой оксида свинца, приходилось затрачивать много энергии и времени. Но позже один молодой человек, работавший помощником у Планте решил сделать по другому. Он решил сразу наносить на пластины оксид свинца, тем самым он сразу получил более емкий аккумулятор. В последствии эту технологию немного улучшили. Стали делать свинцовые решетки, которые замазывали аксидом свинца в виде пасты. Пасту готовили из оксида свинца, в которую добавляли немного воды, или электролита и перемешивали до густой консистенции.
>
Спустя уже более 100 лет технология изготовления аккумуляторов в принципе не изменилась. На производствах так же методом литья, или штамповки делают свинцовые решетки, и намазывают пастой, состоящей из оксида свинца, плюс дополнительные добавки, которые не дают пасте распадаться и придают другие нужные свойства. Так же разделительные прокладки между пластинами делают из современных материалов, что исключает выпадение намазки из решеток и препятствует замыканию пластин между собой. На каждом заводе, и для различных типов аккумуляторов ( тяговых, стартерных, и т.п.) есть свои тонкости, но в целом технология одна и та же.
>
Теперь можно подумать о том, можно ли сделать свинцово кислотный аккумулятор в домашних условиях, чтобы это было выгодно и эффективно. Во первых дело в свинце, где его брать?. В негодных аккумуляторах, но если переплавить один авто-аккумулятор, то на выходе будет всего примерно 1,5кг свинца, и станет понятно что добывать свинец таким образом не выгодно. Чтобы переплавить весь свинец содержащийся в аккумуляторе, часть которого в виде оксида, сульфата и прочие элементы, которые содержатся в намазке решеток, то тут нужна плавильная печь и дополнительная химия и условия, по-этому дома на костре получится консервная банка свинца и целая куча шлака.
Тогда можно купить свинец, есть листовой, и в чушках, стоит не дорого. Если делать из листового свинца, то можно примерно прикинуть затраты на один аккумулятор. Если покопаться в литературе, то можно узнать что с одного квадратного метра площади пластин можно получить емкость примерно 5-10Ач. Тогда для одной банки емкостью 50-100Ач нужно 10кв.м свинца. Так как для 12-ти вольт нужно 6 банок, то соответственно нужно около 60 кв.м свинца. Самые тонкие листы в продаже 0,5мм, вес одного кв.м такого листа свинца состовляет 5,7 кг. Так как площадь листа работает с обоих сторон, значит нам нужно на АКБ уже не 60кв.м, а 30кв.м. Тогда получается на аккумулятор емкостью 50-100Ач нужно 30*5,7=171кг свинца, стоимость за 1кг около 150 рублей, и цена только на свинец составит около 25 000 рублей, что в 5-6раз дороже чем заводской аккумулятор емкостью 100Ач.
Можно увеличить емкость пластин формовкой, с помощью зарядки и разрядки меняя местами плюс и минус, но не известно сколько циклов нужно сделать чтобы значительно увеличить емкость. Планте формовал пластины электричеством три месяца. За это время уйдет очень много энергии на формовку, и в итоге аккумулятор только подорожает. Из всего этого понятно что экономически не выгодно делать аккумулятор из листового свинца.
Да, кстати на счет долговечности аккумулятора с пластинами из листового свинца. Служить такой аккумулятор будет значительно дольше, так-как пластины цельные и от глубоких разрядов, больших разрядных токов, не будет отходить намазка, которой просто нет, но сульфатация пластин будет точно такая же как и у обычного аккумулятора, по этому по сути дольше обычных этот аккумулятор не прослужит. Правда его можно разобрать и почистить от белого налета (сульфата) и он дальше сможет работать.
Проблема в том что у листового свинца нет слоя оксида, точнее есть, из-за него свинец становится темно серого цвета, но этот слой слишком тонкий. Оксид, это окисленный кислородом свинец, на производствах его по разному получают. Но в домашних условиях эту пыль получить затруднительно. Можно конечно попробовать пластины увлажнять водой, чтобы они окислялись на свежем воздухе, но какой слой окиси удастся нарастить таким образом и сколько времени на это уйдет не известно, поэтому про рулонный аккумулятор из листового свинца можно забыть.
Хороший аккумулятор получится если использовать вместо пластин свинцовую фольгу. Так можно в несколько раз увеличить площадь при том же весе, но дома фольгу не сделаешь, а в продаже чистой свинцовой фольги нет, да и стоила бы она в несколько раз дороже листового свинца того же веса. Поэтому хороший вариант с фольгой отпадает. Или дома ставить прокаточный станок и самому делать фольгу.
Можно попробовать делать пластины как делают на заводе, решетки отлить не сложно. Они толстые, и форму для отливки сделать просто. Но проблема в намазке, она ведь состоит из оксида свинца, а как его делать дома. К примеру чем нибудь стирать свинец в пыль, или мелкую стружку, потом поливать водой или электролитом и в какой нибудь емкости его постоянно перемешивать чтобы окислялся на кислороде, но это дома трудно и бессмысленно делать, так как готовый аккумулятор гораздо дешевле выйдет.
Вот наверно вкратце все что я хотел сказать. Для себя я сделал вывод что свинцовый аккумулятор своими руками возможен, но трудоемок и не выгоден, поэтому на этом деле можно смело ставить большую и жирную точку. Так же читая множество информации и о других типах аккумуляторов я пришел к выводу что ничего нормального в домашних условиях и с применением доступных и дешевых материалов не выйдет. Если есть вопросы или какие-то выводы то оставляйте комментарии.
- Аккумуляторы MNB-battery (AGM, GEL)
- Инверторы CyberPower (ИБП)
- Солнечные батареи SOLMEA
- tdvolt.ru — источники бесперебойного питания
- ИБП CyberPower
>
>
Самодельные домашние батареи на 30-100 кВтч делают из аккумуляторов выброшенных ноутбуков
В мае 2015 года Илон Маск представил красивые домашние блоки Powerwall, чтобы хранить энергию от солнечных батарей с крыши — и снабжать бесплатным электричеством весь дом днём и ночью. Даже при отсутствии солнечных батарей такое резервное питание для дома особенно ценно, если в квартале отключили электричество. Компьютер и вся техника продолжат спокойно работать.
Вторая версия Powerwall хранит до 13,5 кВтч, чего должно хватить на несколько часов (стандартная мощность 5 кВт, а в пике 7 кВт). Проблема лишь в том, что оригинальная версия от Tesla стоит аж $5500 (плюс $700 за сопутствующее оборудование, итого $6200, плюс работы по установке стоят от $800 до $2000) — очень дорого. DIY-мейкеры решили эту проблему с помощью бэушных батареек, которые лежат бесплатно в выброшенных ноутбуках.
Своими руками можно собрать блок с лучшими характеристиками, чем у Tesla (например, на 30-100 кВтч) — и намного дешевле.
Энтузиасты DIY-сборки делятся опытом на специализированных форумах DIY Powerwalls, в группе на Facebook и на YouTube. Специальный раздел на форумах посвящён безопасности — это важный аспект, когда собираешь такую мощную штуку, которая может ещё и загореться на улице (их обычно устанавливают за пределами дома, чтобы не нарушать закон и из безопасности).
Для мейкеров сборка и подключение такого блока питания — не только интересное занятие и экономия денег, но ещё и возможность разобраться, как работает электрика в доме.
Практически все энтузиасты в комментарии Motherboard отметили, что их собственные системы получаются гораздо большей ёмкости, чем у Tesla. Вероятно, компания пожертвовала ёмкостью ради красивого тонкого дизайна блока питания и ради большей эффективности охлаждения и безопасности. Один из французских мейкеров с форума под ником Glubux собрал блок на 28 кВтч. Он говорит, что этого хватает для всего дома, и пришлось даже купить электрическую духовку и индукционную плиту, чтобы куда-то расходовать излишки энергии.
Австралийский мейкер Питер Мэтьюс собрал блок на 40 кВтч, который питается от 40 солнечных панелей на крыше, благо в Австралии нет недостатка солнечных дней.
Самый большой самодельный блок, который удалось найти Motherboard, собран из 22 500 ячеек от ноутбуков и имеет ёмкость более 100 кВтч. От такого блока маленький дом может работать несколько месяцев — например, всю зиму — даже если солнечные панели полностью вышли из строя или неактивны.
А калифорнийский блогер Джеху Гарсия намерен собрать из батареек ноутбука систему на 1 мегаватт, крупнейшую подобную систему частного хранения энергии в США.
Большинство энтузиастов использует при сборке литий-ионные аккумуляторы модели 18650. Они обычно упакованы в цветные пластиковые корпуса и устанавливаются в ноутбуки и другую электронику. Новые аккумуляторы 18650 стоят около $5 за штуку, так что система выйдет немногим дешевле модели от Tesla. Поэтому сборщики обычно скупают бэушные аккумуляторы и вынимают аккумуляторы из выкинутых сломанных ноутбуков. К сожалению, многие люди просто выкидывают аккумуляторы вместе со сломанным ноутбуком, хотя они ещё вполне рабочие. По словам директора крупнейшей в США компании по переработке батарей Call2Recycle, около 95% аккумуляторов не используются повторно, а заканчивают свой путь на свалке, хотя почти все типы батарей могут быть использованы повторно в том или ином виде.
Найти достаточное количество выброшенной техники не так просто, а в последнее время стало ещё труднее, потому что многие люди начали собирать из них собственные энергетические системы вроде Powerwall, а производители ноутбуков вообще не поощряют повторное использование их аккумуляторов в самодельной технике не их фирмы.
После находки батарей их тестируют, затем «обновляют» через cycling с полным разрядом. Потом батареи объединяет в «упаковки». Такие коробки для сотни батарей можно купить на рынке или собрать самостоятельно. Наверх прикрепляют электропроводящие медные «шины» (busbars), а к ним припаивают контакты батарей.
Вся структура прикрепляются к инвертору и монтируется в стойке, которая устанавливается обычно на улице. Можно установить там систему мониторинга для контроля температуры с автоматическим отключением банков энергии, которые слишком сильно разогрелись.
Сейчас уже сформировалось целое сообщество мейкеров со всего мира, которые конструируют такие «аккумуляторные домашние фермы» из старых батарей ноутбуков, чтобы хранить электричество от солнечных батарей. Сообщество объединяет энтузиастов со всего мира, они делятся опытом и советами по безопасности, инженерным системам, совместимости разных типов батарей и т. д. Успех и безопасность Powerwall доказала, что это действительно безопасные системы, пригодные для постоянного долговременного использования (у Powerwall гарантия 10 лет).
- Powerwall
- старые аккумуляторы
- 18650
- Энергия и элементы питания
- Ноутбуки
- DIY или Сделай сам
- Теория на пальцах