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.
Согласно правилам, установленным ООН, аккумулятор должен пройти механические и электрические тесты, чтобы соответствовать требованиям, регламентирующим возможность воздушной транспортировки. Эти правила (UN/DOT 38.3) работают совместно с рекомендациями Федерального Управления Гражданской Авиации (FAA), Департамента Транспорта США (US DOT) и Международной Ассоциации Воздушного Транспорта (IATA)*. Сертификация распространяется на первичные и вторичные литиевые батареи.
Правила ООН 38.3 включают в себя такие тесты:
Т1 - Имитация работы на высоте (первичные и вторичные батареи)
Т2 - Температурные испытания (первичные и вторичные батареи)
Т3 - Вибрация (первичные и вторичные батареи)
Т4 - Удар (первичные и вторичные батареи)
Т5 - Внешнее короткое замыкание (первичные и вторичные батареи)
Т6 - Механическое воздействие (первичные и вторичные батареи)
Т7 - Перезарядка (вторичные батареи)
Т8 - Принудительный разряд (первичные и вторичные батареи)
Испытуемые электрические батареи должны пройти испытания, не причинив вреда окружающему пространству, сохранение ими работоспособности после тестов не играет никакой роли. Эти испытания предназначены исключительно для тестирования безопасности, а не потребительских качеств. Уполномоченная лаборатория, проводящая эти тесты, нуждается в 24 образцах батарей, 12 новых и 12 прошедших 50 циклов заряда/разряда. Присутствие уже используемых аккумуляторов гарантирует более реалистичное качество выборки.
Высокая стоимость сертификации является неподъемной для небольших производителей литий-ионных батарей, поэтому конечная цена сертифицированных моделей довольно высока. Но у потребителей есть выбор - вместо сертифицированного литий-ионного вполне можно приобрести аккумулятор на основе никеля, транспортировка которого не регламентируется так строго. (Смотрите BU-704: Транспортировка электрических батарей .)
Соблюдайте осторожность при работе и тестировании аккумуляторов.
Не допускайте короткого замыкания, перезарядки, сдавливания, падения, проникновения посторонних предметов, применения обратной полярности, воздействия высокой температуры на аккумулятор.
Не разбирайте аккумулятор.
Используйте только оригинальные литий-ионные аккумуляторы и зарядные устройства.
В этом видео мы будем работать с батарейкой Varta Profeshional, из которой собираемся достать металлический литий. Обычные батарейки не содержат литий, так что они не подойдут. Обязательно будьте в перчатках и не снимайте их до конца процедуры, так как химикаты в батарейках не совсем полезны.
Первая задача – убрать этикетку. Мы проводим этот эксперимент в подвале, так как в ядре содержатся все химикаты. Эта маленькая штучка построена как крепость. Смотрите внимательно, чтобы корпус не прикасался к ядру, так как может произойти короткое замыкание. Теперь плоскогубцами или кусачками вскрываем стальной корпус. Будьте уверены, что придется потрудиться. Используйте кусачки, чтобы сжать и вырвать внутренний колпачок.
Соблюдайте эти меры предосторожности при разборе литиевой батарейки. Работайте в защитных перчатках.
Вся внешняя оболочка – это негативный заряд, а внутренний колпачок – положительный заряд. Два заряда разделены внутренней подкладкой из пластмассы. Легко случайно спровоцировать короткое замыкание в батарейке, так что будьте осторожны. Если вдруг любая часть батарейки резко нагреется, значит, произошло короткое замыкание, быстро выбросьте батарейку, прежде чем она начнет вентилировать свои электролиты. Ничего не делайте с ней, пока она не остынет.
Теперь мы освободили внутреннее ядро батарейки. Продолжаем убирать стенки корпуса, чтобы добраться до верхней части. Наконец-то, мы убрали весь внешний корпус. Теперь просто вытащите ядро. А вот и оно. Теперь разматывайте его, как ролл. Сначала, внешняя защита. Сейчас разматываем само ядро. Мертвые батарейки и замкнутые будут иметь литий более низкого качества, чем тот, что в новых. Так что лучше избежать и тех, и других.
Эта фольга, покрытая черным дисульфидом железа, служит катодом и так как она нам не нужна, то просто выбрасываем ее. Теперь освобождаем металлический литий. Он сразу начнет вступать в реакцию с воздухом, так что работайте быстро. И вот он у нас – металлический литий. Вы уже можете наблюдать за тем, как литий реагирует на воздух.
Металлический литий из батарейкиПервый тест – просто поджигаем литий. Через несколько секунд вы все увидите. Чтобы поджечь его, нужно воспользоваться зажигалкой с пьезой и любой металлической подложкой. В жизни свет был таким насыщенным, что нельзя было смотреть прямо на него, будто бы смотрели на солнце. Маленький кусочек светился так ярко, что освещал все помещение. Второй тест с литием – бросаем маленький кусочек в воду. Как вы видите, происходит мощная реакция и выделяется газ.
Команда исследователей из Стэнфордского университета считает, что ей удалось достичь «Святого Грааля» в разработке литиевых батарей: анод из чистого лития, который может увеличить расстояние езды электромобиля на одной зарядке до 480 км.
Литий-ионные батареи на сегодняшний день являются одним из наиболее распространенных типов аккумуляторов на рынке. Но большинство из тех, что используются в основном в устройствах смартфонов и электрических автомобилей, функционируют на основе анода, выполненного из графита и кремния. Литий в литий-ионных аккумуляторах традиционно находится в электролите. Электроны в электролите протекают к аноду во время зарядки, и если бы анод также был сделан из лития, батарея была бы способна создавать гораздо больше энергии при меньшем весе.
До сих пор, однако, литиевые аноды были непригодны для использования. Этот материал расширяется во время зарядки, образуя щели на поверхности, что приводит к освобождению ионов лития и образованию загрязнений, волосовидных наростов под названием «дендриты», которые вызывают короткое замыкание аккумулятора. Литиевые аноды также вступают в химическую реакцию с литиевым электролитом и могут перегреться, воспламениться или даже взорваться.
Проблема пожаров по вине литий-ионных батарей привлекла к себе пристальное внимание после инцидентов с тремя концептами от Tesla Motors, разбившихся и загоревшихся в прошлом году после попадания в аккумулятор дорожного мусора. Исследователи считают, что применение литиевого анода может решить подобные проблемы благодаря защитному слою из мелких углеродных куполов, называемых наносферами, которые образуют гибкий, ячеистый щит над анодом.
Ученые уверены, что благодаря малому весу и высокой плотности энергии литий имеет яркое будущее в качестве анода. Углеродная поверхность наносфер повышает эффективность дальнейшей переработки, а также уменьшает химическую реакцию. Кроме того, новая разработка перспективна в рамках финансовой стороны вопроса. Исследователи утверждают, что новый слой наносфер выгодным образом влияет на соотношение количества лития, извлеченного из батареи во время использования, к количеству возвращенного в процессе зарядки.
Ведущий специалист из группы исследователей сообщает, что в течение ближайших нескольких лет команда надеется усовершенствовать конструкцию батареи, увеличить эффективность и поддерживать ее работу в течение 500-1000 циклов.
Что это может означать для обычных пользователей? По заявлению Нобелевского лауреата Стивена Чу, входящего в состав команды ученых, благодаря разработке в ближайшем будущем мы можем ожидать мобильные телефоны с удвоенной или утроенной продолжительностью работы аккумулятора и электромобили, способные передвигаться на расстояние до 480 км на одном заряде, чья стоимость будет сопоставима с ценами на автомобили с двигателями внутреннего сгорания.
Я решил что свой первый пост посвящу чему-то более интересному, чем то как я докатился до такой жизни))
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
Цена в 5200р на тот момент не показалась завышенной - емкость даже больше заявленной для свинцового аккумулятора, размеры и вес меньше свинцового, проживет дольше. Казалось бы, щастье - вот оно! Ан нет, наметанный глаз заметил одну непонятность в описании - и вся радость куда-то делась. Я даже картинку вставил для наглядности, из официального каталога.
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.
И ZIPPY Flightmax 3600mAh 2S2P 30C LiFePo4 Pack
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
4) Примерка
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.
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