Плата перезаряда литиевых аккумуляторов
Введение. Литиевые аккумуляторы, характеристики, особенности.
Литиевые аккумулятор (Li-Io, Li-Po) являются самыми популярными на данный момент перезаряжаемыми источниками электрической энергии. Литиевый аккумулятор имеет номинальное напряжение 3.7 Вольт, именно оно указывается на корпусе. Однако, заряженный на 100% аккумулятор имеет напряжение 4.2 В, а разряженный “в ноль” – 2.5 В, вообще нет смысла разряжать аккумулятор ниже 3 В, во-первых, он от этого портится, во-вторых, в промежутке от 3 до 2.5 В аккумулятор отдаёт всего пару процентов энергии. Таким образом, рабочий диапазон напряжений принимаем 3 – 4.2 Вольта. Мою подборку советов по эксплуатации и хранению литиевых аккумуляторов вы можете посмотреть вот в этом видео
Есть два варианта соединения аккумуляторов, последовательное и параллельное.
При последовательном соединении суммируется напряжение на всех аккумуляторах, при подключении нагрузки с каждого аккумулятора идет ток, равный общему току в цепи, в общем сопротивление нагрузки задает ток разряда. Это вы должны помнить со школы. Теперь самое интересное, емкость. Емкость сборки при таком соединении по хорошему равна емкости аккумулятора с самой маленькой емкостью. Представим, что все аккумуляторы заряжены на 100%. Смотрите, ток разряда у нас везде одинаковый, и первым разрядится аккумулятор с самой маленькой емкостью, это как минимум логично. И как только он разрядится, дальше нагружать данную сборку будет уже нельзя. Да, остальные аккумуляторы еще заряжены. Но если мы продолжим снимать ток, то наш слабый аккумулятор начнет переразряжаться, и выйдет из строя. То есть правильно считать, что емкость последовательно соединенной сборки равна емкости самого малоемкого, либо самого разряженного аккумулятора. Отсюда делаем вывод: собирать последовательную батарею нужно во первых из одинаковых по емкости аккумуляторов, и во вторых, перед сборкой они все должны быть заряжены одинаково, проще говоря на 100%. Существует такая штука, называется BMS (Battery Monitoring System), она может следить за каждым аккумулятором в батарее, и как только один из них разрядится, она отключает всю батарею от нагрузки, об этом речь пойдёт ниже. Теперь что касается зарядки такой батареи. Заряжать ее нужно напряжением, равным сумме максимальных напряжений на всех аккумуляторах. Для литиевых это 4.2 вольта. То есть батарею из трех заряжаем напряжением 12.6 в. Смотрите что происходит, если аккумуляторы не одинаковые. Быстрее всех зарядится аккумулятор с самой маленькой емкостью. Но остальные то еще не зарядились. И наш бедный аккумулятор будет жариться и перезаряжаться, пока не зарядятся остальные. Переразряда, я напомню, литий тоже очень сильно не любит и портится. Чтобы этого избежать, вспоминаем предыдущий вывод.
Перейдем к параллельному соединению. Емкость такой батареи равна сумме емкостей всех аккумуляторов в нее входящих. Разрядный ток для каждой ячейки равен общему току нагрузки, деленному на число ячеек. То есть чем больше акумов в такой сборке, тем больший ток она может отдать. А вот с напряжением происходит интересная вещь. Если мы собираем аккумуляторы, имеющие разное напряжение, то есть грубо говоря заряженные до разного процента, то после соединения они начнут обмениваться энергией до тех пор, пока напряжение на всех ячейках не станет одинаковым. Делаем вывод: перед сборкой акумы опять же должны быть заряжены одинаково, иначе при соединении пойдут большие токи, и разряженный акум будет испорчен, и скорее всего может даже загореться. В процессе разряда аккумуляторы тоже обмениваются энергией, то есть если одна из банок имеет меньшую емкость, остальные не дадут ей разрядиться быстрее их самих, то есть в параллельной сборке можно использовать аккумуляторы с разной емкостью. Единственное исключение – работа при больших токах. На разных аккумуляторах под нагрузкой по-разному просаживается напряжение, и между “сильным” и “слабым” акумом начнёт бежать ток, а этого нам совсем не нужно. И то же самое касается зарядки. Можно абсолютно спокойно заряжать разные по емкости аккумуляторы в параллели, то есть балансировка не нужна, сборка будет сама себя балансировать.
В обоих рассмотренных случаях нужно соблюдать ток зарядки и ток разрядки. Ток зарядки для Li-Io не должен превышать половины ёмкости аккумулятора в амперах (аккумулятор на 1000 mah – заряжаем 0.5 А, аккумулятор 2 Ah, заряжаем 1 А). Максимальный ток разрядки обычно указан в даташите (ТТХ) аккумулятора. Например: ноутбучные 18650 и аккумы от смартфонов нельзя грузить током, превышающим 2 ёмкости аккумулятора в Амперах (пример: акум на 2500 mah, значит максимум с него нужно брать 2.5*2 = 5 Ампер). Но существуют высокотоковые аккумуляторы, где ток разряда явно указан в характеристиках.
Промежуточным вариантом является переключение аккумуляторов из последовательного соединения в параллельное (для зарядки), что подробно рассмотрено в видеоролике ниже, а все схемы и ссылки на переключатели вы найдёте вот здесь https://alexgyver.ru/18650/
Автор: Александр AlexGyver
Особенности зарядки аккумуляторов китайскими модулями
Стандартный покупной зарядно-защитный модуль за 20 рублей для литиевого аккумулятора (ссылка на Aliexpress)
(позиционируется продавцом как модуль для одной банки 18650) может и будет заряжать любой литиевый аккумулятор вне зависимости от формы, размера и емкости до правильного напряжения 4,2 вольта (напряжение полностью заряженного аккумулятора, под завязку). Даже если это огромный литиевый пакет на 8000mah (разумеется речь идет про одну ячейку на 3,6-3,7v). Модуль дает зарядный ток 1 ампер, это значит что им можно без опаски заряжать любой аккумулятор емкостью от 2000mah и выше (2Ah, значит зарядный ток – половина емкости, 1А) и соответственно время зарядки в часах будет равно емкости аккумулятора в амперах (на самом деле чуть больше, полтора-два часа на каждые 1000mah). Кстати аккумулятор можно подключать к нагрузке уже во время заряда.
Важно! Если вы хотите заряжать аккумулятор меньшей емкости (например одну старую банку на 900mah или крошечный литиевый пакетик на 230mah), то зарядный ток 1А это много, его следует уменьшить. Это делается заменой резистора R3 на модуле согласно приложенной таблице. Резистор необязательно smd, подойдет самый обычный. Напоминаю, что зарядный ток должен составлять половину от емкости аккумулятора (или меньше, не страшно).
Но если продавец говорит, что этот модуль для одной банки 18650, можно ли им заряжать две банки? Или три? Что если нужно собрать емкий пауэрбанк из нескольких аккумуляторов?
МОЖНО! Все литиевые аккумуляторы можно подключать параллельно (все плюсы к плюсам, все минусы к минусам) ВНЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕМКОСТИ. Спаянные параллельно аккумуляторы сохраняют рабочее напряжение 4,2v а их емкость складывается. Даже если вы берете одну банку на 3400mah а вторую на 900 – получится 4300. Аккумуляторы будут работать как одно целое и разряжаться будут пропорциональной своей емкости.
Напряжение в ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ сборке ВСЕГДА ОДИНАКОВО НА ВСЕХ АККУМУЛЯТОРАХ! И ни один аккумулятор физически не может разрядиться в сборке раньше других, здесь работает принцип сообщающихся сосудов. Те, кто утверждают обратное и говорят что аккумуляторы с меньшей емкостью разрядятся быстрее и умрут – путают с ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ сборкой, плюйте им в лицо.
Важно! Перед подключением друг к другу все аккумуляторы должны иметь примерно одинаковое напряжение, чтобы в момент спаивания между ними не потекли уравнительные токи, они могут быть очень большими. Поэтому лучше всего перед сборкой просто зарядить каждый аккумулятор по отдельности. Разумеется время зарядки всей сборки будет увеличиваться, раз вы используете все тот же модуль на 1А. Но можно спараллелить два модуля, получив зарядный ток до 2А (если ваше зарядное устройство может столько дать). Для этого нужно соединить перемычками все аналогичные клеммы модулей (кроме Out- и B+, они продублированы на платах другими пятаками, уже и так окажутся соединенными). Либо можно купить модуль (ссылка на Aliexpress), на котором микросхемы уже стоят в параллель. Этот модуль способен заряжать током в 3 Ампера.
Простите за совсем очевидные вещи, но люди по-прежнему путают, поэтому придется обсудить разницу между параллельным и последовательным соединением.
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ соединение (все плюсы к плюсам, все минусы к минусам) сохраняет напряжение аккумулятора 4,2 вольта, но увеличивает емкость, складывая все емкости вместе. Во всех пауэрбанках применяется параллельное соединение нескольких аккумуляторов. Такая сборка по-прежнему может заряжаться от USB и повышающим преобразователем напряжение поднимается до выходных 5v.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ соединение (каждый плюс к минусу последующего аккумулятора) дает кратное увеличение напряжения одной заряженной банки 4,2в (2s – 8,4в, 3s – 12,6в и так далее), но емкость остается прежняя. Если используются три аккумулятора на 2000mah, то емкость сборки – 2000mah.
Важно! Считается что для последовательной сборки священно обязательно нужно использовать только аккумуляторы одинаковой емкости. На самом деле это не так. Можно использовать разные, но тогда емкость батареи будет определяться НАИМЕНЬШЕЙ емкостью в сборке. Складываете 3000+3000+800 – получаете сборку на 800mah. Тогда спецы начинают кукарекать, что тогда менее емкий аккумулятор будет быстрее разряжаться и умрет. А это неважно! Главное и действительно священное правило – для последовательной сборки всегда и обязательно нужно использовать плату защиты BMS на нужное количество банок. Она будет определять напряжение на каждой ячейке и отключит всю сборку, если какая-то разрядится первой. В случае с банкой на 800 она и разрядится, БМС отключит нагрузку от батареи, разряд остановится и остаточный заряд по 2200mah на остальных банках уже не будет иметь значения – нужно заряжаться.
Плата BMS в отличии от одинарного зарядного модуля НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ЗАРЯДНЫМ УСТРОЙСТВОМ последовательной сборки. Для зарядки нужен настроенный источник нужного напряжения и тока. Об этом Гайвер снял видео, поэтому не тратьте время, посмотрите его, там об этом максимально досконально.
Можно ли заряжать последовательную сборку, соединив несколько одинарных зарядных модулей?
На самом деле при некоторых допущениях – можно. Для каких-то самоделок зарекомендовала себя схема с использованием одинарных модулей, соединенных также последовательно, но для КАЖДОГО модуля нужен СВОЙ ОТДЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ. Если заряжаете 3s – берёте три телефонных зарядки и подключаете каждую к одному модулю. При использовании одного источника – короткое замыкание по питанию, ничего не работает. Такая система также работает и как защита сборки (но модули способны отдавать не более 3 ампер) Либо же просто заряжайте сборку побаночно, подключая модуль к каждому аккумулятору до полного заряда.
Для шуруповертов на 12-14 вольт подходит сборка из трех банок. На 16-18в – 4 банки. Лучше сразу брать плату защиты на 20-30А и зарядное устройство на нужное напряжение (старое для кадмиевых аккумуляторов не подойдет!) Зарядные устройства в виде обычных зарядных блоков питания тоже есть у китайцев. Все BMS и зарядники находятся здесь https://alexgyver.ru/18650/
Индикатор заряженности аккумулятора
Тоже насущная проблема – хотя бы примерно знать сколько процентов заряда остается на аккумуляторе, чтобы он не разрядился в самый ответственны момент.
Для параллельных сборок на 4,2 вольта самым очевидным решением будет сразу приобрести готовую плату пауэрбанка, на которой уже есть дисплей отображающий проценты заряда. Эти проценты не супер-точные, но всё же помогают. Цена вопроса примерно 150-200руб, все представлены на сайте Гайвера. Даже если вы собираете не пауэрбанк а что-то другое, плата эта довольно дешевая и небольшая, чтобы разместить ее в самоделке. Плюс она уже имеет функцию заряда и защиты аккумуляторов.
Есть готовые миниатюрные индикаторы на одну или несколько банок, 90-100р https://alexgyver.ru/18650/ 
Ну а самым дешевым и народным методом является использование повышающего преобразователя МТ3608 (30 руб.), настроенного на 5-5,1v. Собственно если вы делаете пауэрбанк на любом преобразователе на 5 вольт, то даже не нужно ничего докупать. Доработка заключается в установке красного или зеленого светодиода (другие цвета будут работать на другом выходном напряжении, от 6в и выше) через токоограничивающий резистор 200-500ом между выходной плюсовой клеммой (это будет плюс) и входной плюсовой (для светодиода это получится минус). Вы не ошиблись, между двумя плюсами! Дело в том, что при работе преобразователя между плюсами создается разница напряжения, +4,2 и +5в дают между собой напряжение 0,8в. При разряде аккумулятора его напряжение будет падать, а выходное с преобразователя всегда стабильно, значит разница будет увеличиваться. И при напряжении на банке 3,2-3,4в разница достигнет необходимой величины, чтобы зажечь светодиод – он начинает показывать, что пора заряжаться.
Чем измерять емкость аккумуляторов?
Мы уже привыкли к мнению, что для замера нужен Аймакс b6, а он стоит денег и для большинства радиолюбителей избыточен. Но есть способ замерить емкость 1-2-3баночного аккумулятора с достаточной точностью и дешево – простой USB-тестер: http://ali.onl/z3E
У меня было два тестера – синий и белый с проводом. Белый завышал ток на 15% (вместе с ним и емкость) а синий незначительно занижает. Может зависит от экземпляра, но я все же рекомендую синий хотя бы потому, что у него есть таймер времени заряда/разряда. А у белого только бесполезные ячейки памяти, которые не нужны.
Тестер начинает работать примерно от 2,8в и вплоть до 10-15ти без проблем, значит его можно питать напрямую от литиевого аккумулятора и он будет считать протекающий ток и емкость. Остается завести себе пару юсб-штекеров с выходом на голые провода или крокодилы, подключить аккумулятор на вход (обязательно через защиту!) а на выход поставить нагрузку. Например мощный резистор на 8-15ом (для одной ячейки и кратно больше для последовательных сборок) или кусок нихрома. Рекомендуемый ток разряда 300-500ma. Такой тестер даст результат емкости с погрешностью не более 5%. Для надежности можете в цепь разряда подключить мультиметр в режиме амперметра и сравнить реальный ток в показанием тестера, чтобы на будущее знать есть ли у него отклонение и сколько. С такой поправкой в голове точность будет та же что у Аймакса. Когда аккумулятор разрядится до отсечки и защита его отключит, тестер запомнит результат. Останется включить его любым другим источником питания чтоб посмотреть.
Мой экземпляр тестера дал мне результаты емкости, которые полностью до 10-20mah совпали с исследованиями серьезного дядьки, который использовал для этой же марки аккумулятора технику на десятки тысяч рублей. А еще фотографий такого процесса хватило в качестве доказательства для возврата стоимости аккумулятора 2s с нечестной емкостью =)
Немного нестандартных модулей для заряда аккумуляторов:
http://ali.onl/DlW ТР5000, обновленная плата для заряда литий-ионных и литий-железо-фосфатных аккумуляторов (нужно запаять перемычку чтобы включить режим) током 1-2А (также нужно подбирать резисторы для настройки, но модуль реально тянет зарядный ток 2А) и напряжением питания до 9в. Модуль имеет импульсную схему, поэтому мало греется, имеет высокий КПД, что может быть важно например при заряде аккумулятора от солнечных батарей.
http://ali.onl/DlY ТР5100, модуль для заряда последовательной сборки 2s (нужно запаять перемычку), также имеет импульсную схему (почти не греется), на вход нужно подавать напряжение от 9ти до 15-19в. Судя по описанию продавца зарядный ток также можно поднять до 2А.
http://ali.onl/DlZ модуль заряда последовательной сборки 2s от юсб. На вход берет 3-5,5в, на выходе заряжает аккумулятор до 8,4в током 1А (соотвественно нужна юсб-зарядка 2А). Но конечно дорогой, логичней (правда медленней) будет просто использовать предыдущий модуль, поставив перед ним повышающий преобразователь, настроенный на 10-12в.
Источник