Li-Ion аккумулятор для модели танка

[aak177]

Делаем «правильный» Li-Ion аккумулятор повышенной емкости для модели танка (часть 3)

Наконец-то выдалось время написать долгожданную статью про «правильный» самодельный аккумулятор для моделей танков.
В предыдущих частях я рассказал как сделать своими руками недорогие Li-Ion аккумуляторные батареи, рассчитанные на питание моделей в диапазоне 7-8 вольт при токах до 15 ампер. Это, в целом, неплохой вариант, не хуже заводского, но не лишенный недостатков (впрочем, как и аналогичные заводские аккумуляторы). Проблема заключается в том, что  исходно батарея подключается к модели напрямую, без защитных устройств, что может привести к переразряду батареи, коротким замыканиям и даже возгораниям. Также батарея требует «умную» зарядку с балансиром, умеющую обеспечивать режим «CC-CV» (постоянный ток – постоянное напряжение), необходимый для правильной зарядки Li-Ion элементов.
Выходом из этой ситуации может служить использование вместе с аккумулятором платы BMS (система мониторинга батареи). Схемотехнически плата BMS включается между батареей и нагрузкой и выполняет следующие функции:
- защиту от короткого замыкания;
- защиту от перегрузки по току потребления;
- защиту от переразряда;
- защиту от перезаряда;
- балансировку элементов батареи при заряде и разряде (опционально, зависит от исполнения платы).
Платы BMS бывают в разных исполнениях, при выборе следует учитывать следующие основные параметры:
- количество элементов (банок) в батарее (то есть, количеcтво «S»);
- тип элементов (по типу применяемой химии);
- конечные напряжения заряда/разряда;
- максимальный допустимый ток нагрузки;
- ток и время срабатывания защиты;
- наличие/отсутствие схем балансировки при заряде/разряде;
- габариты и удобство монтажа в составе батареи;
- цена (с учетом отзывов пользователей – иногда лучше взять плату чуть дороже, но гораздо надежнее дешевой).
Для наших целей я выбрал следующую плату, обладающую всеми необходимыми характеристиками: https://ru.aliexpress.com/item/4000073778212.html?spm=a2g0o.detail.1000013.1.7ed95675WZi8k4&gps-id=pcDetailBottomMoreThisSeller&scm=1007.13339.146401.0&scm_id=1007.13339.146401.0&scm-url=1007.13339.146401.0&pvid=e5ccd1bd-4e5f-4375-878b-ae5b48783212
При заказе по указанной ссылке платы пришли через две недели обычной почтой.



Для экономии времени и чтобы не раздувать статью по объему, не буду повторять как сделать саму батарею – это подробно изложено в первых двух частях. Сегодня я расскажу как встроить в готовую батарею плату BMS.

Последовательность действий такая (все пункты нужно строго соблюдать!).
Все достаточно просто: готовим плату, распаковываем, проверяем на отсутствие дефектов визуально, облуживаем с канифолью контактные площадки, которые будем использовать, промываем места паек спиртом (ацетоном), сушим.



Готовим аккумулятор: полностью разряжаем (до напряжения не выше 6 вольт), разбираем  (вскрываем и удаляем внешнюю оболочку), примеряем место расположения платы BMS, прикидываем как пойдут провода от платы, отпаиваем силовые и балансировочные разъемы, при этом откусываем средний провод (на фото зеленый) балансировочного разъема с учетом его распайки на плате.



Припаиваем к плате провода силового выходного разъема к контактам, обозначенным «+» и «-» в кружках (соблюдаем полярность и не забываем продеть провода через отверстие в передней заглушке!), также не забываем оставить между ними место под провод центральной точки.



Согласно отмеренному размещению места платы, припаиваем центральный провод к  контакту на плате, обозначенному «4,2 V» (между силовыми проводами).



Прикладываем плату на место, отмеряем длину минусового (нижнего, синего) провода, зачищаем его и облуживаем конец.
Отмеряем, зачищаем и залуживаем концы плюсового (красного) провода. Припаиваем его к + верхних банок.
Припаиваем к плате СНАЧАЛА МИНУСОВОЙ провод к контакту на плате, обозначенному «0 V», потом плюсовой к контакту на плате, обозначенному «8,4 V». Соблюдать порядок пайки контактов очень важно, в противном случае, плата может выйти из строя!



Понятно, что все время выполнения работ следует избегать коротких замыканий, так как аккумулятор хоть и разряжен, но находится под напряжением и способен выдать весьма серьезный ток.
Прокладываем провода в выемках между банками, ставим плату на место.  Предварительно прихватываем батарею с платой несколькими витками скотча или изоленты.



Проверяем правильность сборки – подключаем батарею к зарядному устройству, выбираем режим Li-ion, 2S, и пробуем заряжать батарею током 0,5-1,0 А. Если все нормально, можно зарядить батарею до 6,5-7,0 В. Далее следует попробовать разрядить батарею током 1А до напряжения 6 В. Если все получилось, то примите поздравления и переходите к внешнему оформлению. Я по традиции затягиваю в толстую термоусадку и использую переднюю и заднюю заглушки, вырезанные из старых никелиевых аккумуляторов.



В итоге, заплатив дополнительно около 80 рублей, мы получили отличную «правильную» защищенную батарею, с одним силовым разъемом (зарядка с балансировкой теперь не нужна, так как эту функцию выполняет плата BMS).

Все, что теперь осталось, это обеспечить нашей батарее правильный режим зарядки. Это тоже возможно, не покупая дорогую профессиональную зарядку, а переделав любой источник постоянного напряжения с  выходными параметрами 12-15 вольт при токе 1,0 - 1,5 ампера с использованием недорогих (100-200 рублей) модулей с того же АлиЭкспрес.
Но это уже совсем другая история!



Продолжение следует...


Искренне Ваш, Андрей.] 

[Deny]

Андрей, Спасибо. Очень информативно и познавательно. А главное  вопрос цены. 

[aak177]

Спасибо за отзыв. В последний раз я брал на АлиЭкспресс банки (аналог Самсунга INR 18650 - 30Q)  по 110 рублей за штуку (заказывал сразу 15 штук) https://ru.aliexpress.com/item/33026111182.html?spm=a2g0v.12010612.8148356.12.261632abqOdogz, платы BMS с балансирами https://ru.aliexpress.com/item/4000073778212.html?spm=a2g0o.detail.1000013.1.7ed95675WZi8k4&gps-id=pcDetailBottomMoreThisSeller&scm=1007.13339.146401.0&scm_id=1007.13339.146401.0&scm-url=1007.13339.146401.0&pvid=e5ccd1bd-4e5f-4375-878b-ae5b48783212 были по 73 рубля.  Таким образом, "правильный" аккумулятор обошелся бы примерно в 600 рублей. Недурно за 6000 mAh с BMS, не правда ли? Хоть в серию запускать да барыжить!

Я тут подумал, может сделать в системах управления раздел "Источники питания", куда перенести эту и похожие статьи? По-моему, ориентироваться было бы легче.

[Deny]

Привет. Да, хорошее предложение. Сделаю и перенесём все что связано с питанием. 

[aak177]

Зарядное устройство (Часть 4).

Первые три части статьи были посвящены самостоятельному изготовлению литиевой батареи для модели танка. Пришло время обеспечить нашу замечательную «правильную» батарею соответствующим зарядным устройством.
Как уже отмечалось ранее, Li-Ion элементы имеют ряд неоспоримых достоинств, таких как небольшой удельный вес на единицу емкости, большая токоотдача, незначительное снижение напряжения в процессе разряда, отсутствие в необходимости полного разряда и заряда (т.е. батарею можно «дозаряжать»), небольшой саморазряд и большой срок службы.
К негативным моментам стоит отнести малую емкость на элемент (безусловно, речь сейчас идет о форм-факторе 18650) – в настоящее время максимально около 3000 - 4000 мА/час, серьезную потерю емкости на морозе, необходимость в специальном зарядном устройстве.
Кроме того, положительные качества реализуются только при условии обеспечения заданных разрядно – зарядных характеристик, обусловленных конструкцией элемента и типом используемой «химии».
Важнейшими параметрами являются:
- допустимый постоянный ток разряда (для хороших элементов до 15-20 и более Ампер);
- допустимый кратковременный ток разряда  (для хороших элементов до 60-80 Ампер);
- допустимое конечное напряжение разряда (определяется даташитом на конкретный элемент, типовое значение 3,0 Вольта для большинства элементов, и 2,5 Вольта для сильнотоковых);
- допустимое конечное напряжение заряда (тоже нормируется изготовителем, типовое значение – 4,2 Вольта);
- ток заряда – обычно, рекомендуется постоянный ток заряда на уровне 30-50% от емкости, т.е. для элемента емкостью 3000 мА/час рекомендуемый зарядный ток составит 1,0 – 1,5 Ампера. Ток быстрой зарядки, обычно, считается равным емкости, т.е. 3 Ампера для той же емкости элемента. При этом, не рекомендуется постоянно пользоваться быстрой зарядкой, так как это может негативно сказаться на долговечности (ресурсе) элемента.
Как показала многолетняя практика эксплуатации Li-Ion батарей, соблюдение вышеперечисленных параметров крайне важно, как в смысле обеспечения заявленного ресурса, так и с точки зрения безопасности использования. Наиболее опасными (вплоть до возгорания и взрыва элементов) являются превышение допустимого разрядного и зарядного токов, а также конечного напряжения зарядки. Глубокий разряд батареи (ниже допустимого напряжения) приводит к резкому сокращению срока службы.
От большинства описанных проблем вполне успешно защищает плата BMS (применение которой подробно описано в 3 части статьи).
Правильный процесс заряда Li-Ion элементов и собранных из них батарей должен обеспечивать особый режим, который условно обозначается как «CC-CV», что означает «постоянный ток - постоянное напряжение». Физически это выглядит так: при подсоединении элемента или батареи к зарядному устройству, он начинает заряжаться постоянным током (величина которого определяется типом зарядки – обычная или быстрая), при этом зарядное напряжение ниже конечного и постоянно растет по мере заряда батареи. При достижении конечного напряжения (т.е. величины в 4,2 Вольта на элемент) напряжение остается постоянным, а зарядный ток начинает постепенно снижаться. Батарея считается заряженной, когда зарядный ток снизится до 1/10 от первоначальной величины зарядного тока.
Однако, большинство зарядных устройств промышленного изготовления (особенно дешевых) имеют только функцию индикации окончания зарядки (общеприятое обозначение: зарядка идет – горит красный светодиод, зарядка окончена – горит зеленый светодиод) при этом физического отключения батареи от зарядного устройства не происходит! Да, зарядный ток при этом минимальный, но оставлять надолго (более нескольких часов) заряженную батарею подключенной к зарядному устройству не имеющего функции полного отключения (как, например у IMAX B6-AC и ему подобных) я бы не советовал.
Стандартные зарядные устройства на разные конечные напряжения и токи производятся и свободно продаются на АлиЭкспресс, но это, я бы сказал, «не спортивно» после всей ранее проделанной работы. Поэтому сегодня я расскажу как сделать достаточно неплохое зарядное устройство для литиевых батарей самостоятельно. И по сложившейся традиции, а также для экономии времени, обратимся к классической ситуации перевода питания шуруповерта с никеля на литий.
После изготовления нового аккумулятора у Вас на руках остается зарядное устройство, которым этот аккумулятор заряжать нельзя, так как не обеспечивается требуемый режим, описанный мною выше.
Отсюда возникает необходимость либо переделки имеющегося зарядника, либо изготовление нового. Переделка, обычно, более целесообразна, так как у Вас уже есть источник постоянного напряжения (ну, или, как минимум, трансформатор), корпус и контакты к которым подключается аккумулятор для зарядки (ФОТО).
Структурно зарядное устройство состоит из источника постоянного напряжения, способного длительное время обеспечивать требуемый зарядный ток и напряжение, и преобразователя, реализующего режим «CC-CV».
Источник постоянного напряжения может быть как простейший, на основе трансформатора, диодного моста и сглаживающего конденсатора, так и более сложный, импульсный, со стабилизацией выходного напряжения и тока (например, блок питания от ноутбука).
Преобразователи (или модули) выпускаются, как правило, на базе специализированной микросхемы и реализуют импульсное преобразование постоянного напряжения с высоким (до 95%) КПД в необходимые выходные параметры. Для наших целей я рекомендую следующий преобразователь, неплохо показавший себя в разных конструкциях https://aliexpress.ru/item/32711173698.html?spm=a2g0o.detail.1000060.3.7e7f76850L92a6&gps-id=pcDetailBottomMoreThisSeller&scm=1007.13339.146401.0&scm_id=1007.13339.146401.0&scm-url=1007.13339.146401.0&pvid=05239954-825c-445f-989a-f602bca1663c . Он выпускается в нескольких исполнениях, на базе разных микросхем, и я строго рекомендую именно такие, как указаны по ссылке, на другие исполнения много нареканий в плане надежности. Также я рекомендую одновременно с платой сразу заказать 1-2 микросхемы, стоят они не дорого      https://aliexpress.ru/item/32711173698.html?spm=a2g0o.detail.1000060.3.7e7f76850L92a6&gps-id=pcDetailBottomMoreThisSeller&scm=1007.13339.146401.0&scm_id=1007.13339.146401.0&scm-url=1007.13339.146401.0&pvid=05239954-825c-445f-989a-f602bca1663c , что очень ускорит и облегчит ремонт в случае необходимости.
Также, стоит подумать о варианте исполнения модуля – они бывают разные https://aliexpress.ru/item/32833398924.html?spm=a2g0o.detail.1000014.1.464c7b01ZzL2ax&gps-id=pcDetailBottomMoreOtherSeller&scm=1007.13338.128125.0&scm_id=1007.13338.128125.0&scm-url=1007.13338.128125.0&pvid=9ab6a9fe-6485-48f6-b464-2df4a22f7baa . Внимательные уже поняли, что отличаются они только наличием или отсутствием платы индикации (верхняя шкала напряжение, нижняя – ток). А самые внимательные заметили, что еще отличается расположение винтов на регулировочных резисторах, что очевидно, так как при наличии сверху платы индикации, крутить отверткой винты, выведенные вверх,  нереально.
У меня есть оба типа модулей, но основная масса простых, так как в большинстве случаев требуется однократная регулировка для использования потом в составе зарядного устройства. Поэтому, я снимаю плату индикации с «большого» модуля, присоединяю ее временно проводами к модулю, который необходимо настроить, а по окончании регулировок убираю ее на место. Это намного удобнее, чем использовать два отдельных прибора (вольтметр и амперметр), кроме того, можно сразу точно регулировать два параметра.
При желании (и возможности) можно встроить «большой» модуль в корпус зарядного устройства и наблюдать процесс зарядки, так сказать, «в подробностях», но это дело вкуса – меня вполне устраивают два светодиода...
Еще следует сказать, что не нужно слепо доверять китайцам, которые заявляют, что эти модули работают чуть ли не от 0 вольт и обеспечивают ток до 5 Ампер. Модуль уверенно работает начиная с напряжения на входе не ниже 3 вольт и обеспечивает выходной ток без специальных мер по охлаждению микросхемы (радиатор, вентилятор) до 1,5, максимум 2,0 Ампер в кратковременном режиме. В противном случае, сгорает микросхема, плавится дроссель и другие детали преобразователя.
Но хватит теории, давайте, наконец, займемся зарядкой! Прежде всего стоит убедиться, что имеющийся у Вас источник питания способен выдавать требуемые токи и напряжения (разумеется, речь идет о простейшем источнике на трансформаторе). Для чего отпаиваем трансформатор от платы, включаем его в сеть и меряем выходное ПЕРЕМЕННОЕ напряжение, снимаемое со вторичной (силовой) обмотки. В идеале, оно должно на 15-20% превышать требуемое (т.е. 4,2 вольта х на количество банок = для танка это примерно 10-12 вольт). Не забываем, что после выпрямления диодным мостом и установки конденсатора на выходе выпрямителя напряжение под нагрузкой увеличится в 1,41 раза. Проверить ток сложнее – нужно иметь сопротивление, способное выдержать нагрузку (подойдет кусок спирали от электроплитки или нихромовая проволока). При токе на нагрузке 1,0-1,5 ампера трансформатор не должен сильно (можно держать рукой) нагреваться как минимум, час, а лучше три часа.
Еще один способ – собрать навесным монтажом прямо на трансформаторе выпрямитель, подсоединить «большой» модуль, отрегулировать напряжение и ток, и попробовать заряжать аккумулятор (предварительно разряженный не менее, чем на половину).
Критерии те же – никакие компоненты схемы не должны длительное время нагреваться сильнее, чем «терпит рука».
В самом крайнем случае (если трансформатор не способен длительное время держать большую нагрузку) можно пойти другим путем - уменьшить зарядный ток до 0,5 или даже 0,3 Ампера с соответствующим увеличением времени зарядки (при этом аккумулятор емкостью 3000 мА/час будет заряжаться 6-10 часов, прямо как никелиевый!), но это в крайнем, я бы даже сказал, безысходном случае...
Если все соответствует требованиям, можно приступать к сборке зарядки. Тут несколько вариантов: использовать старую плату, убрав с нее все лишнее (оставить только диодный мост и конденсатор) или изготовить новую плату (мой случай – фото).
При изготовлении нового выпрямителя следует использовать детали с запасом по параметрам (т.е. выпрямитель на напряжение не менее 50 Вольт и ток не менее 5 Ампер, а конденсатор емкостью не менее 1000 mF на напряжение не менее 35, а лучше 50 Вольт).
Присоединяем модуль к выпрямителю, а к модулю – плату индикации или два отдельных прибора для измерения выходных напряжения и тока. Припаиваем контакты для присоединения аккумулятора. Включаем схему в сеть БЕЗ АККУМУЛЯТОРА и выставляем требуемое выходное напряжение преобразователя (для танка 8,4 Вольта, в моем случае, для шуруповерта, 21 Вольт - ФОТО).
Присоединяем разряженный аккумулятор и выставляем зарядный ток (в моем случае 1 Ампер – ФОТО). Пробуем заряжать аккумулятор и проверяем температуру элементов схемы. Если все нормально, то заряжаем аккумулятор полностью, отслеживая параметры. Ток должен упасть практически до 0, а напряжение должно быть равно первоначально установленному без аккумулятора. Если не так, то можно немного подрегулировать (разумеется, не превышая предельно допустимых 4,2 Вольта на банку!).
Осталось только рассказать про светодиоды на плате преобразователя. Их три: два установлены рядом (красный и синий) около выходных разъемов, и один красный, по диагонали в другом углу платы, около входных разъемов. Так вот, отдельно стоящий красный светодиод отображает режим стабилизации тока (тот самый «СС»), и горит он когда аккумулятор заряжается постоянным током (гаснет по мере зарядки) а два соседних – режим стабилизации напряжения «CV» (синий – горит, когда не подключен аккумулятор и когда идет заряд, гаснет по мере зарядки батареи) и «зарядка окончена» (красный – загорается только при полной зарядке батареи, когда погасли оба других).
Это, конечно, очень хорошо, но какой толк от них ВНУТРИ зарядного устройства, где увидеть их состояние практически невозможно! Можно, конечно, приколхозить какие - нибудь световоды, выпиленные из оргстекла и покрашенные черной краской из баллончика, но я поступил проще: выпаял два соседних светодиода, а к их контактным площадкам припаял провода от красного и зеленого светодиодов, уже имевшихся на корпусе зарядки (мне так как-то привычнее и удобнее!).
Все, можно собирать, аккуратно размещать в корпусе платы, провода и пользоваться. Подобным образом можно сделать зарядку практически на любое стандартное (1 – 6S) количество элементов в батарее (выходное напряжение от 4,2 до 25,2 Вольт включительно).
А если заменить подстроечные резисторы в «большом» модуле на переменные аналогичного сопротивления, то можно сделать миниатюрный лабораторный блок питания на 0-25 Вольт выходного напряжения и 0-5 Ампер тока (с принудительным охлаждением, конечно).

Искренне Ваш, Андрей

[aak177]

?

[Deny]

Доброго дня. Андрей, фотографии вставляются так же как было.  Нажмите изменить и вложения, вы увидите кнопку вставить.

[aak177]

ОЧЕНЬ неудобно размещать и редактировать материалы.  Пожалуй, больше не буду трепать свои нервы...

[aak177]

Если тема актуальна, могу давать пояснения с учетом опыта изготовления и эксплуатации аккумуляторов и зарядных устройств.

[Deny]

Если тема актуальна, могу давать пояснения с учетом опыта изготовления и эксплуатации аккумуляторов и зарядных устройств.

Добрый день! Конечно актуальна