Литий ионный аккумулятор для автомобиля своими руками. Создание литий-ионного аккумулятора

Первым этапом создания литий-ионного аккумулятора является определение требований к значению напряжения и необходимому времени работы. Затем уточняются характеристики нагрузки, окружающей среды, габаритные размеры и вес. У современных портативных устройств будут повышенные требования к толщине аккумулятора, поэтому предпочтительным будет выбор призматического или даже бескорпусного форматов. Если же толщина не будет определяющим фактором, то выбор цилиндрических элементов типоразмера 18650 в качестве структурных частей позволит обеспечить более низкую стоимость и лучшую производительность (с точки зрения удельной энергоемкости, безопасности и долговечности). (Смотрите также BU-301a: Разнообразие форм электрических батарей ).

Большинство аккумуляторов, используемых в медицинском оборудовании, электроинструменте, электровелосипедах и даже электромобилях, используют элементы типоразмера 18650. Казалось бы, использование этого цилиндрического элемента не особо практично из-за большого занимаемого им объема, но его сильные стороны, такие как развитая и массовая технология производства, а также низкая стоимость ватт-часа утверждают обратное.

Как уже говорилось выше, цилиндрическая форма элемента не является идеальной, поскольку она приводит к образованию пустого пространства в многоэлементных системах. Но если рассматривать вопрос с точки зрения необходимости охлаждения, то этот недостаток превращается в преимущество. К примеру, элементы типоразмера 18650 используются в электромобиле Tesla S85, где их суммарное количество достигает 7000 штук. Эти 7000 элементов формируют сложную аккумуляторную систему, где используется и последовательное соединение для увеличения напряжения, и параллельное – для увеличения силы тока. В случае выхода из строя одного элемента в последовательном соединении потеря мощности будет минимальна, а в параллельном такой элемент отключится системой защиты. Соответственно, нет зависимости всего аккумулятора от единичных элементов, что позволяет более стабильную эксплуатацию.

У производителей электромобилей нет единого мнения по поводу использования типоразмеров, но существует тенденция к использованию более крупных форматов, так как это уменьшает общее количество элементов в аккумуляторе и соответственно снижает стоимость системы защиты. Экономия может достигать 20-25 процентов. Но с другой стороны, использование больших элементов приводит к удорожанию суммарной стоимости кВт*ч. По данным за 2015 год, именно Tesla S85 с элементами типоразмера 18650 имеет более низкую стоимость ватт-часа в сравнении с электромобилями, использующими большие призматические аккумуляторы. В таблице 1 сравнивается стоимость кВт*ч различных электромобилей.

Таблица 1: Сравнение стоимости ватт-часа различных моделей электромобилей. Массовое производство элементов типоразмера 18650 удешевляет использующие их аккумуляторы.

* В 2015-2016 году в Tesla S85 увеличилась мощность аккумулятора с 85 кВт*ч до 90 кВт*ч. В Nissan Leaf также произошло увеличение – с 25 кВт*ч до 30 кВт*ч.

Разрабатываемый аккумулятор должен соответствовать нормам безопасности не только при стандартной работе, но и в случае выхода из строя. Все источники энергии, и электрические батареи не исключение, в конечном итоге вырабатывают свой ресурс и приходят в негодность. Бывают и случаи преждевременного, непрогнозируемого выхода из строя. Например, после некоторых инциндентов, бортовой литий-ионный аккумулятор лайнера Боинг 787 помещен в специальный металлический контейнер с вентилированием наружу. В электромобилях Tesla аккумуляторный отсек дополнительно защищается стальной пластиной во избежание проникающих повреждений.

Большие аккумуляторные системы для высоконагруженных систем имеют принудительное охлаждение. Оно может быть реализовано в виде отвода тепла радиатором, а может включать в себя вентилятор для подачи холодного воздуха. Также существуют системы с жидкостным охлаждением, но они довольно дорогие, и используются, как правило, в электромобилях.

1. Аспекты безопасности

Уважающие себя производители электрических элементов не поставляют литий-ионные элементы несертифицированным компаниям-производителям аккумуляторов. Эта мера предосторожности вполне оправдана, так как схема защиты в конструируемом аккумуляторе может быть некорректно настроена ради завышения показателей, и элементы будут заряжаться и разряжаться не в безопасном интервале напряжений.

Стоимость сертифицированной аккумуляторной системы для воздушного транспорта или для иного коммерческого использования может составлять от $ 10000 до $ 20000. Столь высокая цена вызывает беспокойство, особенно зная о том, что производители периодически меняют используемые в таких системах электрические элементы. Аккумуляторная система с такими новыми элементами хоть и будет указана в качестве прямой замены более старой, снова будет требовать новых сертификатов.

Часто задают вопрос: ”Зачем нужна сертификация аккумулятора, если элементы, из которых он состоит, уже одобрены?”. Ответ довольно прост – конечное устройство, аккумулятор, также должно быть проверено на соответствие стандартам безопасности и правильность сборки. К примеру, неисправность той же схемы защиты может привести к возгоранию или даже взрыву, а ее тестирование возможно только в готовом аккумуляторе.

Создание литий-ионного аккумулятора
Узнайте о требованиях к конструкции источника питания литий-ионной электрохимической системы.

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.

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?

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.

Как собрать аккумуляторную батарею
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

Мотик Suzuki SV400S ’98 купленный мной прошлой осенью практически сразу захотел новый аккумулятор - тот что был моментально разряжался, не всегда включал 35-ваттную ксенонку, а стартер крутил как-то вяло и нехотя. После очередного позорного старта «с толкача» я полез по сайтам в поисках нового аккумулятора. И практически сразу закручинился - новый аккумулятор для моей Сузы от любого приличного производителя выходил не меньше 3 т.р. И это за доисторические свинцовые аккумуляторы, малоемкие, тяжелые, с низкой токоотдачей! Многим известно что у большинства свинцовых аккумуляторов есть такая малоприятная «фича» - при заявленной емкости в 12 Ач безопасно можно использовать только половину емкости, т.е. около 6 Ач. Дальнейший разряд ведет к ускоренной деградации аккумулятора и скорой его замене. Исключение составляют аккумуляторы серий «Deep Cycle» - но часто ли вы видели такую надпись?)))
Еще немного покопавшись в просторах инета я нашел более интересный вариант - аккумуляторы собранные из элементов LiFePo4.

Осторожно! Много непонятных буковок и картинок

Литий-железная химия вполне безопасна, элементы емкие и легче свинца. Многие производители также говорят про 3-4 кратное увеличение времени жизни таких батарей при условии правильной эксплуатации. И емкость элементов - честная, хорошие элементы можно разряжать почти полностью без ущерба для них и без падения токоотдачи по мере разряда! К тому же еще и более морозоустойчивые чем свинец. Нашел подходяший по размерам и параметрам вариант - Shorai LFX12A1-BS12

Итак, что мы имеем? Емкость проставлена в «свинцовом эквиваленте», т.е. читаем 12 Ач - имеем в наличии все те же 6 Ач! За такие деньги - я не согласен. Быстрый перебор информации от остальных производителей аналогичных аккумуляторов тоже не порадовал - везде небольшая емкость, где честно проставленная, а где и опять располовиненная «PB EQ».

Скажете засада. Не для самодельщика))
Дальше будет много терминологии понятной моделистам, электрикам и собратьям-самоделкиным. Если что - спрашивайте в комментах меня или мучайте гугля.
Два года назад я всерьез заинтересовался возможностью сборки электровелика «с нуля», таки собрал его, и вот уже года полтора использую его по назначению. Тяговая батарея собиралась из большого количества элементов и электроники для контроля ее состояния. Вот так она выглядит без чехла:

Количество проводов меня тоже пугает, да)
Навыки и информация полученная в процессе очень помогли в сборке новой батареи.

Итак, вводные: Элементы LiFePo4, максимальная емкость в пределах габаритов свинцовой батареи, максимальная токоотдача, система контроля для долгой счастливой жизни, минимальная цена.
Перекопав еще раз дебри сети нашел несколько подходящих вариантов, а финалистами стали два из них:
A123 ANR26650M1A

номинальное напряжение 3,3в
номинальная емкость 2,3 Ач
номинальный разрядный ток 30С (69А с элемента)
максимальный разрядный ток до 60С (до 138А с элемента)
номинальный зарядный ток 10С (до 23А на элемент)
размеры 26мм х 66,5мм
вес 70гр.

номинальное напряжение 6,6в (3,3в на каждую пару элементов)
номинальная емкость 3,6 Ач (1,8 Ач на каждый элемент)
номинальный разрядный ток 30С (54А с элемента)
максимальный разрядный ток до 40С (до 72А с элемента)
номинальный зарядный ток 2С (до 3,6А на элемент)
размеры 139мм х 21мм х 45мм
вес 262гр.

В доступный нам обьем влезает 24 элемента А123 (схема 4S6P, емкость 13,8 Ач, зарядный ток до 138А, разрядный ток 414А/828А, вес 1680гр) или 8 батарей Zippy (схема 4S8P, емкость 14,4 Ач, зарядный ток до 28,8А, разрядный ток 432А/576А, вес 2100гр).
Все здорово и радостно, но теперь начинает влиять такой важный фактор как стоимость. 24 элемента А123 обойдутся примерно в 6000р., 8 батарей Zippy в 5600р, это все с доставкой. Дофига? Вот и я так подумал.
Поэтому несколько умерил свои аппетиты и заказал 6 батарей Zippy что обошлось мне в 4200р. Параметры конечно получились поскромнее, но все еще радующие глаз - схема 4S6P, емкость 10,8 Ач, зарядный ток до 21,6А, разрядный ток 324А/432А, вес 1570гр.
А в довесок, благо все в одном магазине, взял еще вот такую мелкую шнягу, которая называемся в миру Battery Checker & Balancer

Эта мелкая приблуда будет заниматься здоровьем батарейки, иначе говоря она будет выравнивать напряжение элементов батареи относительно друг друга. Единственное «но» - тестер расчитан в первую очередь для батарей LiPo, а не LiFePo4, поэтому заряд батареи в % показываться будет неверно. Балансировке элементов это не мешает. Поэтому левый уголок экрана с указателем заряда батареи я просто заклеил - нефик сбивать с толку)
Ну и мелочевка - балансировочные кабели для тестера и защитные колпачки. Пригодицца! ©

Затем при помощи Почты России был небольшой перерыв - первая посылка ехала примерно 1,5 месяца, вторая 2,5 месяца.

Наконец все приехало, и я отбалансировал все батареи по отдельности на модельном заряднике. Это чтобы не получить небольшой «бадабум» при соединении батарей между собой. Заодно проверил емкость, стабильность напряжения на элементах при разрядке ну и вообще…

Следующий этап - пайка и сборка:
1) Спаял параллельно 2 группы по 3 батареи в каждой (2S6P + 2S6P)

с другого ракурса

Попутно все зафиксировал армированным скотчем - так надежнее и меньше шансов повредить тонкие полиэтиленовые оболочки элементов.
2) Так выглядит собранная вместе начинка батареи

Два толстых провода с разьемами нужны для последовательного соединения частей батареи между собой. Также видны балансировочные выводы 2S от каждой части.
3) Распиленый на части пластиковый воздуховод послужит жестким корпусом батареи

5) Стянул все армированным скотчем до полного удовлетворения, и сделал контакты «колечками» из самих выводов (подходящих контактных колечек под рукой не оказалось)

6) Поставил балансироваться, разбег между элементами минимальный

Через пару минут все сводится к общему знаменателю

И засыпает чтобы не жрать зазря мою новую батарейку

Собсно всё, дальше батарейка была установлена в надлежащее место, и работает как ей и полагается.
Т.е. ксенон включается быстро и без противного моргания, стартер крутит как заведенный, а фары можно оставить на час-два без того чтобы они разрядили батарею до нуля. Когда поставлю противоугонку - можно также оставлять ее включенной намного дольше по времени. А еще я люблю хороший свет, поэтому в скором времени буду ставить на место 35вт ксенонки что-то получше - 55/75вт или вообще диоды. Батарея позволяет)

В следующей статье я расскажу как сделал из мощных диодов габарит/стопсигнал заменивший галогеновые лампочки.

Литий ионный аккумулятор своими руками
Я решил что свой первый пост посвящу чему-то более интересному, чем то как я докатился до такой жизни)) Мотик. Как и зачем я сделал литиевый аккумулятор

Батарея 18650 (18*65 мм) - это размер литий-ионной батареи. Для сравнения обычные батарейки формата АА имею размер 14*50 мм. Конкретно эту сборку автор делал для замены свинцово-кислотного аккумулятора в изготовленной им ранее самоделки .

Видео:

Инструменты и материалы:
- ;
- ;
- ;
- ;
-Выключатель;
-Разъем;
- ;
-Винты 3M x 10 мм;
-Аппарат точечной контактной сварки;
-3D-принтер;
-Стриппер (инструмент для снятия изоляции);
-Фен;
-Мультиметр;
-Зарядное устройство для литий-ионных батарей;
-Защитные очки;
-Диэлектрические перчатки;

Некоторые инструменты можно заменить на более доступные.

Шаг первый: выбор аккумуляторов
Первым делом нужно выбрать правильные аккумуляторы. На рынке представлены разные батареи от $ 1 до $ 10. По утверждению автора лучшие аккумуляторы фирм Panasonic , Samsung , Sanyo и LG. По цене они дороже других, но зарекомендовали себя хорошим качеством и характеристиками.
Не советует автор покупать батареи с названиями Ultrafire, Surefire и Trustfire. Это батареи которые не прошли контроль качества на заводе и были куплены по бросовой цене и перепакованы под новым названием. Как правило в таких батареях отсутствует заявленная емкость и есть риск возгорания при заряде-разряде.
Для своей самоделки мастер использовал аккумуляторы фирмы Panasonic емкостью 3400 мАч.

Одна батарея имеет напряжения 3,7 В. Что бы получить 11,1 В нужно соединить последовательно три батареи. Обозначение S, в данном случае 3S.

Итак для получения нужных параметров нужно три секции, состоящих каждая из пяти параллельно соединенных аккумуляторов, соединить последовательно. Пакет 3S5P.

Шаг седьмой: сварка
Отрезает четыре никелевые полосы, для параллельного соединение, с запасом в 10 мм. Отрезает десять полосок для последовательного соединения.

Укладывает длинную полоску на + контакты первой (при переворачивании она так и останется первой) параллельной ячейки 5Р. Приваривает полосу. Приваривает полоски одним концом к + третей ячейки другим к - второй. Приваривает длинную полосу к + третей ячейки (поверх пластинок). Переворачивает блок. Приваривает пластинки с обратной стороны учитывая, что теперь параллельно соединяем третью, а параллельно-последовательно первую и вторую секции (учитывая что ее перевернули).

На основе получаемых данных BMS выполняет балансировку заряда ячеек, защищает аккумулятор от короткого замыкания, перегрузки по току, перезаряда, переразряда (высокого и чрезмерно низкого напряжения каждой ячейки), перегрева и переохлаждения. Функциональность BMS позволяет не только улучшить режим эксплуатации аккумуляторных батарей, но и максимально увеличить срок их службы.

Важными параметрами платы является количество ячеек в ряду, в данном случае 3S, и максимальный разрядный ток, в данном случае 25 А. Для данного проекта мастер использовал плату со следующими параметрами :
Модель : HX-3S-FL25A-A
Диапазон перенапряжения: 4,25 ~ 4,35 В ± 0,05 В
Диапазон разрядного напряжения: 2,3 ~ 3,0 В ± 0,05 В
Максимальный рабочий ток: 0 ~ 25 А
Рабочая температура: -40 ℃ ~ + 50 ℃
Припаивает плату к концам батареи согласно схеме.

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 - растет напряжение. Если - 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. 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

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.

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:

LiFePO 4 - 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 );
+ практически не подвержены потере емкости при хранении .

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 LiFePO 4 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.

LiFeYPO 4 - 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.

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:

Я, например, сделал такие выводы:

• За LiFePO 4 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 . 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:

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 . 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. 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 .
	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 LiFePO 4 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.

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:

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

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:

		$14.07			$2.70
	держалка для батареек	$1.45		кусок USB-удлиннителя	?
					$3.08

Также вам будет нужен мультиметр (тестер), который выдерживает ток до 10A.

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.

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.

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)

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

То, что будет рассказано в данной статье, поможет многим разобраться с питанием самодельных устройств автономного типа. В ней приведена методика, по указаниям которой можно получить литий-ионные аккумуляторы любых размеров. Из учебников физики нам известно, что простым аккумулятором является устройство, состоящее из медно-цинковых пластин, между которыми присутствует электролитический раствор. Такое устройство было создано Вольтом, (хотя вопрос спорный, Луиджи Гальвани открыл эффект первым, только не смог дать этому явлению логическое объяснение).

С тех пор прошло более 200 лет, сейчас мы живем в век цифровых технологий, но аккумулятор по-прежнему остается незаменимым источником энергии, без которого не может работать не одно автономное устройство. Современные литиевые аккумуляторы нашли широкое применение в современной технике, причин на то много - легкий вес, долгий срок службы, большая емкость и многие другие параметры делают аккумуляторы незаменимыми в портативных устройствах.

Но со временем и литий-ионный аккумулятор приходит в негодность. На днях тоже самое случилось и с аккумулятором моего телефона. Аккумулятор от лицензионного производителя, поэтому прослужил очень долго и мог бы еще послужить верой и правдой, еслиб не моя дурная идея его проколоть. Дело в том, что со временем аккумулятор распух, но продолжал работать на ура, вот и было решено его проколоть. После небольшой операции аккумулятор уже стал не тем, что был раньше, резкое снижение емкости всего за неделю.

Ему на смену пришел другой аккумулятор, а тот выбросить жалко (и не нужно, вред экологии!), так что же делать с ним? Было решено создать новый аккумулятор на базе старого. Перед работой хочу предупредить - некоторые соединения лития токсичны, поэтому желательно использовать перчатки, а работу делать на свежем воздухе. Ну я как всегда нарушаю все правила по безопасности, без всяких перчаток аккумулятор был разобран прямо в гостиной комнате. Как всегда - своеобразный запах литиевых источников питания, ни с чем не спутаешь. Для резки алюминиевого корпуса был использован обычный монтажный нож и плоскогубцы.

Спустя пару минут алюминиевый капсоль был удален, пора идти дальше.

Тут начинается самая грязная работа, нужно разобрать аккумулятор. Литиевые элементы питания, как и любой другой источник напряжения, состоит из положительно и отрицательно заряженных пластин, между ними проложен слой изоляции. Теперь берем пасту от гелиевой ручки и как бы "наматываем" на пасту.

Нужно соблюдать предельную осторожность, чтобы не закоротить пластины. В процессе наматывания пластин, можно наблюдать тепловыделение, не пугайтесь так и должно быть. Далее следует обмотать заготовку скотчем, но заранее нужно очистить пластины.

На очищенные места припаиваем провода контактов. Можно просто взять два медных провода (многожильных) и просто приклеиваем к контактам при помощи того же скотча.

Один из контактов был припаян к корпусу, другой выведен наружу. Корпус следует загерметизировать, для этого я использовал универсальный клей "момент". Сразу после создания такого аккумулятора измеряем напряжение, оно лежит в пределах 2,2-2,8 вольт, в корпусе уже 2,8-3,3 вольт. На следующее утро напряжение уже в районе 3,6-3,65 вольт.

Литиевые элементы питания боятся минусовых температур, при температурах ниже нуле литий-ионный аккумулятор не заряжается вообще.

Уже несколько десятилетий при различных работах используют шуруповерты. Эти приборы питаются от никелевых или кадмиевых аккумуляторов. Но прогресс не стоит на месте, ученые нашли замену таким устаревшим батареям. Их заменили литиевые аналоги. Чтобы пользоваться таким аккумулятором, необходима переделка шуруповерта. Литиевая батарея повысит технические характеристики старого инструмента. Причем такую переделку, возможно, выполнить самостоятельно, не прибегая к услугам специальных фирм.

Литиевый аккумулятор шуруповерта отличается рядом преимуществ, которые отсутствовали в кадмиевых аналогах.

Энергетическая плотность АКБ шуруповерта Li ion намного выше. Батарея с литиевыми банками отличается небольшим весом, причем напряжение 12 вольт, а также емкость аккумулятора, остается неизменными. Литиевые батареи заряжаются быстрее ионных аппаратов. Безопасная зарядка длится около 60 минут.

Литий-ионные батареи не обладают «эффектом памяти». Иными словами, их не нужно полностью разряжать, чтобы поставить на зарядку. Среди положительных качеств литиевой батареи, существует и ряд недостатков, которые требуется учитывать:

• Зарядка литиевых аккумуляторов не должна быть выше 4,2 вольта, а разрядка выше 2,7 вольта. Но это теоретические данные. В настоящей жизни интервал становится еще хуже. При несоблюдении установленных значений, аккумулятор просто перестанет функционировать. Чтобы избежать такой ситуации, после переделки шуруповерта на литий, нужно установить в шуруповёрт специальный контроллер разряда, а также его зарядки.
• Один Li ion имеет напряжение3,63,7 В. У никелевой батареи оно не больше 1,2 вольта. Другими словами переделка шуруповерта на материал li ion вызывает проблемы, связанные со сборочным процессом батареи, у которой номинальное напряжение равно 12 вольтам. Три литиевых банки, соединенные последовательно, дают напряжение 11,1 вольта, четыре 14,8 В.Изменятся предельные значения напряжения заряда. Иными словами, переделка аккумулятора для шуруповерта связана с решением проблемы совместимости новой батареи с инструментом.
• Для переделки кадмиевого аккумулятора шуруповерта, умельцы используют литиевые банки 18650. Их габариты отличаются от никелевых банок. Переделка аккумулятора для шуруповерта, требует также предусмотреть установку контролера, которому потребуется дополнительное место.
• После переделки зарядное устройство никелевых батарей придется доработать, или воспользоваться универсальной зарядкой.
• Минусовые температуры отрицательно сказываются на работе ионных аккумуляторов. Поэтому таким переделанным шуруповертом не всегда можно работать вне помещения.
• Стоимость литиевых батарей намного выше кадмиевых аналогов.

Алгоритм переделки АКБ на литий ионную батарею

Как переделать шуруповерт, чтобы получить наивысшую производительность? Для этого требуется строго выполнять некоторую технологическую последовательность.

Подбор подходящего аккумулятора

Соединение батарей делается последовательным, Поэтому номинал напряжения каждого элемента суммируется с последующим. То есть, чтобы получить 14, 4 вольта, потребуется четыре элемента с напряжением 3,3 В.

Чтобы переделать аккумуляторный шуруповерт, нужно покупать миниатюрные батареи только известного производителя. К примеру, аккумуляторы марки LiFePO4, выпущенные фирмой Sistem A123. Емкость элемента достигает 2 300 мА/ч. Этого значения достаточно, для эффективной работы электрического инструмента. Дешевые батареи, сделанные в Китае, не дадут большого эффекта. Они быстро выйдут из строя.

При выборе батареи для переделки, нужно чтобы на выводах были расположены медные полоски. Паять такие элементы намного проще.

Подбор инструментов и материалов

Технология пайки отличается своей спецификой. Температура жала паяльника постоянно высокая. Если АКБ длительное время продержать при таком термическом воздействии, она быстро испортится. Поэтому нагрев паяльника должен быть минимальным.

Чтобы такое произошло, необходимо обычную канифоль заменить паяльной кислотой. Ее можно приобрести в магазине радиодеталей. Для такого процесса придется также приобрести паяльник с мощностью, достаточной для плавки припоя в минимально короткие сроки. Наиболее подходящим будет бытовой паяльник с мощностью 65 ватт. При 100 ваттах АКБ все время будет перегреваться.

Паяльные работы требуют большого опыта. Например, 40 ватный паяльник будет долго нагреваться, можно просто «переборщить». Чтобы начать переделывать ion аккумуляторы, необходимо приобрести следующие детали:

• Батарея 18650.
• BMS плата CF-4S30A-A/
• Провода, сечением 2,5 кв. мм.
• Паяльник.
• Корпус старой батареи.

Несколько слов о BMS плате

Она предназначена для осуществления контроля над зарядом или разрядом батареи. CF-4S30A-A рассчитана на четыре банки из аккумуляторных батарей 18650, дающих разрядный ток 30А. Плата оборудована специальным «балансиром». Он выполняет функции контроля заряда каждого элемента отдельно. Это позволяет полностью исключить возможность неравномерной зарядки. Чтобы плата правильно функционировала, батареи для сборки должны иметь одинаковую емкость. Желательно чтобы они были взяты из одного и то же блока.

Промышленность выпускает большое количество плат BMS, отличающихся своими технологическими характеристиками. Для переделки аккумулятора шуруповерта, плата, работающая на токе, значение которого менее 30А, не очень подходит. Она будет постоянно включать режим защиты.

Чтобы восстановить работу, некоторым платам требуется кратковременная подача зарядного тока. Чтобы такое сделать, придется удалить аккумулятор из корпуса, снова подключить к нему зарядное устройство. Плата CF-4S30A-A такого недостатка не имеет. Достаточно отпустить курок включения шуруповерта, если отсутствует ток вызывающий короткое замыкание, плата включится автоматически.

Переделанный аккумулятор на этой плате можно заряжать универсальной зарядкой. Последние модели, компания «Интерскол» комплектует многофункциональными зарядками.

Монтаж литий-ионной батареи

Безусловно, любой монтаж требует предварительно подготовки. Она включает в себя несколько очень важных моментов. Прежде чем, начать паять детали, необходимо определить, как будет устроен отсек крепления аккумулятора. Все нужные элементы должны без труда в нем умещаться.
Затем новые литиевые батарейки скрепляют скотчем. Так как контакты со временем окисляются, перед пайкой их зачищают мелкозернистой шкуркой.

Нюансы паяльного процесса

Сначала контактную часть аккумулятора тщательно обезжиривают. Затем проводят лужение, нагревая приложенный припой. Для лужения больше всего подходит припой ПОС-40.

Прикосновение паяльника с контактом АКБ не должно превышать 2 секунды. Требует особого внимания процесс пайки плюса батареи. Самыми подходящими считаются перемычки из медных проводов, сечением более 2,5 мм. кв. На все провода одевают кембрик, играющий роль хорошего изолятора.

Соединение мини-аккумуляторов должно проводиться специальными перемычками согласно разработанной схеме. Перемычками могут стать металлические полоски или тонкие провода.

На заключительном этапе выполняется подсоединение проводов к сделанным выводам отсека, предназначенным для батареи. Если монтаж сборного блока затруднен, необходимо удалить ребра жесткости. Так как они сделаны из пластмассы, их легко перекусить обыкновенными бокорезами.

Схема распайки контактов

Чтобы подключиться к ЗУ требуется подобрать разъемы, которые соответствуют конкретной модели. Припайка соединительных кабелей выполняется по электрической схеме:

Разъемы для подключения к зарядному устройству выбираются в зависимости от его модели. Оба соединительных кабеля припаиваются по схеме.

• «+» – 5 и 9.
• «–» – 1 и 6.
• Балансировочные контакты (по возрастающей) – 2, 7, 3, 8 и 4.

Безусловно, установка литий-ионных аккумуляторов имеет большое число положительных качеств:

• Отсутствие «памяти».
• Минимальный самозаряд.
• Можно эксплуатировать инструмент при минусовой температуре.
• Большой срок эксплуатации (8лет).

Однако эти аккумуляторы отличаются высокой чувствительностью к технологическому процессу зарядки. Напряжение должно всегда иметь минимальные значения, в противном случае АКБ Li-ion быстро придет в негодность. Для выполнения таких условий, необходимо другое ЗУ, стоимость которого на порядок выше. Родное ЗУ шуруповерта не сможет зарядить литий-ионную батарею.

Сказать однозначно, какой аккумулятор для шуруповерта лучше, невозможно. Срок их эксплуатации зависит от аккуратного обращения, от точного соблюдений инструкции, прилагаемой производителем.

Популярные модели

Сегодня АКБ выпускают многие производители. Среди такого большого ассортимента литий-ионных систем, самым востребованным считаются:«Bosh» 10,8, с техническими характеристиками:

• Емкость – 1,3 А/час.
• Напряжение – 10,8 В.
• Габариты -110 х 54 х 52мм.
• Гарантия -1 год.
• Мощность – средняя.

Если говорить о никель-кадмиевой батареи, наиболее востребованными остаются марки:

• «Bort».
• «Hitachi».

Российские аккумуляторы рассчитаны на небольшое напряжение, отличаются от импортных моделей только ценой. Они намного дешевле, но при этом не уступают своими техническим показателям. Самыми известными считаются модели:

• «Кратон».
• «ЗАКБ».

Заключение

Литиевые аккумуляторы всегда считались самыми технологичными устройствами. Но инструмент с такими батареями стоит намного дороже. Можно, конечно, переделать свой аппарат и избавиться от кадмиевых батарей. Однако это вызовет другие проблемы. Поэтому, решение о переделке шуруповерта на литий каждый принимает сам, в зависимости от обстоятельств.

Интересные видео про переделку аккумулятора шуруповерта