Плата защиты для аккумуляторов типа 18650

BMS – обзор контроллеров защиты аккумуляторов

В наш современный век всеобщей популяризации литиевых батарей любой, даже простой пользователь бытовых устройств, должен хотя-бы примерно представлять их функционирование и факторы риска при их эксплуатации. Среди произошедших несчастных случаев с аккумуляторами (например, электронных сигарет) лишь небольшой процент обязан производственному браку, чаще всего неисправности возникают в результате неправильной эксплуатации.

В нашей статье мы рассмотрим новейшие технологии, которые призваны защитить литиевые аккумуляторы, а также расскажем, почему они так важны.

Из теории литиевых аккумуляторов можно узнать, что им противопоказан перезаряд, переразряд или разряд слишком большими токами, а также короткие замыкания. При переразряде, в аккумуляторе образуются металлические связи между катодом и анодом, которые приводят к короткому замыканию при зарядке аккумулятора, что может привести к порче не только элементов питания, но и зарядного устройства. Перезаряд же (набор аккумулятором напряжения больше разрешенного) почти сразу ведёт к возгоранию, а зачастую даже к взрыву.

Для горения литиевых аккумуляторов не нужен кислород – оно происходит анаэробно, поэтому стандартные методы тушения не подходят; также, при реакции лития с водой выделяется еще и горючий газ водород, который только ухудшает ситуацию. Разряд высокими токами приводит к вздутию аккумулятора, а если нарушается целостность оболочки – происходит реакция лития с водяными парами в воздухе, что само по себе способно спровоцировать возгорание.

Всё это отнюдь не перечёркивает явные преимущества аккумуляторов, среди них:

• большая плотность энергии на единицу массы
• низкий процент саморазряда
• практически полное отсутствие эффекта памяти (когда заряд неполностью разряженного элемента приводит к снижению ёмкости)
• большой температурный диапазон работы

Незначительное снижение напряжения в процессе разряда накладывает некоторые обязанности на пользователя. Нельзя допустить превышения максимального напряжения (4.25 В), снижение напряжения ниже минимального (2.75 В), а также превышения рабочего тока, который отличается для каждой модели. И в этом хитром деле нам помогут специальные устройства – BMS-контроллеры!

Что такое BMS?

В переводе с английского, BMS (Battery Management System) – система управления батареей. Понятие слишком широкое, поэтому оно описывает почти все устройства, так или иначе обеспечивающие корректную работу аккумуляторов в данном устройстве, начиная с простых плат защиты или балансировки, заканчивая сложными микроконтроллерными устройствами, подсчитывающими ток разряда и количество циклов заряда (например, как в батареях ноутбуков). Мы не будем рассматривать сложные устройства – как правило, они специфичны и не предназначаются для рядового радиолюбителя, а выпускаются только под заказ для крупных производителей устройств.

То, что продаётся повсеместно, условно можно разделить на четыре категории:

• балансиры
• защиты (по току, напряжению)
• платы, обеспечивающие заряд (да, они тоже считаются устройствами BMS)
• те или иные комбинации вышеперечисленных вариантов, вплоть до объединения всего в одно устройство

Чем функциональней и разветвлённей защита – тем больше ресурс работы вашего аккумулятора.

Принцип работы BMS-контроллеров

Давайте посмотрим, по какому принципу BMS системы выполняют своё предназначение.

Структурно на плате можно выделить:

• микросхема защиты
• аналоговая обвязка (для определения тока/балансировки аккумуляторов)
• силовые транзисторы (для отключения нагрузки)

Рассмотри подробнее работу каждой из защит.

Защита по току (от короткого замыкания / превышения допустимого тока)

Существует множество вариантов узнать, какой ток течёт по линии. Самый распространённый – шунт (измерение падения напряжения на резисторе с низким сопротивлением и большой мощностью), но он требует большой точности измерений и весьма громоздкий. Метод с измерением на основе эффекта Холла лишён этих недостатков, но стоит дороже, поэтому самый распространённый метод определения КЗ на линии – измерение напряжения, которое проседает практически до нуля в режиме КЗ.

Современные контроллеры позволяют сделать это в очень короткий промежуток времени, за который ущерб не нанесётся ни подключенному устройству, ни самому аккумулятору. Но защита по току может функционировать и на шунте – ведь в случае BMS тут не нужно точное измерение, важен лишь переход падения напряжения через определённый порог. Как только событие наступает, контроллер сразу же отключает нагрузку при помощи транзисторов.

Защита по напряжению (от перезаряда или переразряда)

С этой защитой разобраться попроще, так как измерение напряжения легко можно сделать, используя аналогово-цифровой преобразователь. Но и тут есть некая специфика – стоит отметить, что если контроллер защищает большую сборку из последовательно соединённых аккумуляторов, то обычно он меряет напряжение каждой банки персонально, так как ввиду мельчайших различий в элементах они имеют мельчайшие же различия по ёмкости, что выливается в неравномерный разряд и возможность высадить «в ноль» отдельный элемент.

Некоторые системы не подключают нагрузку, не дождавшись дозаряда аккумулятора до определённого напряжения после срабатывания триггера по переразряду, то есть недостаточно подзарядить элемент пару минут, чтобы он поработал ещё хоть малое время – обычно необходимо зарядить до номинального напряжения (3.6 – 4.2В, в зависимости от типа аккумулятора).

Защита по температуре

Редко встречается в современных устройствах, но не зря большинство аккумуляторов для телефонов оборудовано третьим контактом – это и есть вывод терморезистора (резистора, имеющего чёткую зависимость сопротивления от окружающей температуры). Обычно перегрев не наступает сам собой и раньше успевают сработать другие виды защиты – например, перегрев может быть вызван коротким замыканием.

Алгоритм работы заряда батарей

Зарядка литиевых аккумуляторов происходит в 2 этапа: CC (constant current, постоянный ток) и CV (constantvoltage, постоянное напряжение). В течение первого этапа зарядное устройство постепенно поднимает напряжение таким образом, чтобы заряжаемый элемент брал заданный ток (обычное рекомендованное значение равно 1 ёмкости аккумулятора). Когда напряжение достигает 4В, зарядка переходит на второй этап и поддерживает напряжение 4.2В на батарее.

Когда элемент практически перестанет брать ток, он считается заряженным. На практике, алгоритм можно реализовать и при помощи обычного лабораторного блока питания, но зачем, если есть специализированные микросхемы, заранее «заточенные» под выполнение этой последовательности действий, например, самая известная из них – TP4056, способна заряжать током до 1А.

Что такое балансировка?

Напоследок мы оставили самую интересную функцию BMS – функцию балансировки элементов многобаночного аккумулятора.

Итак, что же такое балансировка? Сам процесс её подразумевает выравнивание напряжений на элементах батареи, соединённых последовательно для повышения общего напряжения сборки. Из-за небольших отличиях в ёмкости батарей они заряжаются за немного разное время, и когда одна банка может уже достигнуть апогея зарядки, остальные могут ещё недобрать заряд.

При разряде такой сборки большими токами наиболее заряженные элементы по закону Ома возьмут на себя больший ток (при равном сопротивлении ток будет зависеть от напряжения, которое находится в знаменателе формулы), что вызовет их ускоренный износ и может вывести элемент из строя. Для того, чтобы избежать этой проблемы, применяют аккумуляторные балансиры – специальные устройства, выравнивающие напряжения на банках до одного уровня.

Активные и пассивные балансиры

Активные балансиры производят балансировку уже при зарядке – зарядив одну банку сборки, они отключают её от питания, продолжая заряжать вторую. Как яркий пример такого устройства – популярное среди моделистов ЗУ Imax B6, в режиме Balance оно сразу проверяет напряжения индивидуально на каждой банке и справляется с этим на отлично.

Пассивные балансиры наоборот, разряжают элементы до одного значения малыми токами через резисторы. Их основной плюс – они не требуют внешнего питания, а также являются более точными за счёт применения аналоговых комплектующих (и более дешёвыми, так как не содержат сложных микросхем).

Рассмотрим некоторые примеры готовых плат BMS:

Аккумуляторы типоразмера 18650 . Не дай себя обмануть !

Аккумуляторы типоразмера 18650 . Не дай себя обмануть !
Всем привет! Решил написал небольшую шпаргалку по выбору аккумуляторов типоразмера 18650.

У многих из нас есть фонари под данный тип аккумуляторов, а у кого-то есть и повербанки для таких типов аккумуляторов. Как не обмануться при покупке и какой тип выбрать поможет эта статья.
На написания этой статьи меня сподвигнул очередной перл от китайцев.

Достали, честно говоря, дурить народ!
ЗАПОМНИТЕ! На момент написания статьи, НЕ СУЩЕСТВУЕТ аккумуляторов ёмкостью ВЫШЕ 3600мА/ч в типоразмере 18650 !

1. Расшифровка загадочных надписей аккумуляторов

В массовом производстве используются три класса Li-ion аккумуляторов (за основу взят материал катода, вторая буква в маркировке):
1) литий-кобальтовые LiCoO2 (самые распространенные, наиболее высокая емкость среди Li-Ion)
2) литий-марганцевые LiMnO2, LiMn2O4, LiNiMnCoO2 (более известные как высокотоковые (INR), способные отдавать в нагрузку токи 5-7С, по емкости обычно уступающие первым)
3) литий-феррофосфат LiFePO4 (недооцененные рынком отличные аккумуляторы, по всем параметрам бесспорно выигрывающие у первых двух типов, кроме рабочего напряжения и емкости, она еще ниже, чем у INR)
Как говорится, все три класса заточены под выполнение конкретных задач, имеют свои плюсы и мнусы.

Так как единых стандартов маркировки аккумуляторов не существует, все производители маркируют по-разному. Но в идеале должно быть как-то так:
1) первая буква – технология изготовления (I — литий-ионная технология)
2) вторая буква — тип химии, материал катода (C/M/F — кобальтовая/марганцевая/железофосфатная химия)
3) третья буква R — аккумулятор (rechargeable)
4) пять цифр – формфактор (первые две цифры – диаметр, следующие две – длина, последняя цифра – форма акка (0 – цилиндрический))
— 10440 (всем привычные «мизинчики»)
— 14500 (всем привычные «пальчики»),
— 16340 (размер как у батарейки CR123),
— 17335 (не распространены)
— 18500 (также не слишком распространены)
— 18650 (самый распространенный формфактор на рынке),
— 18700 (неофициально, аккумулятор 18650 + плата защиты, т.е. защищённый аккумулятор ),
— 26650 (увеличенные, пришли на рынок с подачи компании A123 Systems, производящей литий-феррофосфатные аккумуляторы)
— 32650 (совсем монстры, только для стационарных устройств, вес почти 150гр)
— плюс неофициальные ф/ф с платами защиты, например 18670…
5) буквы/цифры — специфическая маркировка емкости (у всех производителей по-разному)

Пример маркировки, но как правило у всех производителей по разному:
— Samsung ICR18650-26F (литий-ионный аккум с привычной кобальтовой химией, ф/ф 18650 емкостью 2600mah)
— Samsung INR18650-20R (литий-ионный аккум с марганцевой химией, т.е. высокотоковый, ф/ф 18650 емкостью 2000mah)

Собственные обозначения:
Panasonic NCR18650PF (NCR – разновидность кобальтовой химии, что-то среднее между первым и вторым классом, т.е. простыми словами химия LiNiCoO2, без использования магранца. Как бы под определенный класс не подходит, получился некий симбиоз. Из плюсов – высокая плотность энергии с низкими порогами до 2,5-2,75V). В данном аккумуляторе применена LiNiMnCoO2 химия, то бишь он уже IMR высокотоковый на основе марганца, но производитель оставил старую маркировку.
Sanyo UR18650FM – информация может не точная, но встречал информацию, что Sanyo не производит аккумуляторы для розничной продажи, поэтому и не заморачивается с маркировкой. Она штампует банки для крупных производителей электроники, поэтому маркировка чисто «под себя». Возможно, по внутренним обозначениям компании, UR и F(M) означает тип, химию и емкость, по крайней мере в даташитах информации нет (только, что это маркировка модели). А так это литий-ионный аккум с привычной кобальтовой химией, ф/ф 18650 емкостью 2600mah.

2. Что значит защищённый аккумулятор

Li-Ion аккумуляторы должны работать в диапазоне напряжений 4,2-2,5В. Для того, чтобы в процессе работы напряжение на АКБ не выходило за пределы этого диапазона на минусовой контакт незащищенного Li-Ion АКБ (их еще называют «ячейка») ставят небольшую электронную плату защиты (зачастую, она именуется просто «защита»).

Именно эта плата обеспечивает работу ячейки в допустимом диапазоне напряжений, предохраняет от перегрузки по току и от короткого замыкания.

Плата защиты приваривается стальной лентой к контактам аккумулятора

Крупные производители Li-Ion аккумуляторов НЕ ВЫПУСКАЮТ ЗАЩИЩЕННЫХ АКБ. Они производят только НЕЗАЩИЩЕННЫЕ аккумуляторы. В природе не существует защищенных Li-Ion аккумуляторов Panasonic или SAMSUNG, которые были бы выпущены непосредственно «панасоником прямо в Японии» или «самсунгом» а все, кто утверждает обратное, по какой-то причине пытаются ввести вас в заблуждение.

Защищенные аккумуляторы СОБИРАЮТСЯ из незащищенного Li-Ion аккумулятора (ячейки) и платы защиты.

И собираются они тоже по-разному: сборка защищенных АКБ, в основном, происходит на заводах в Китае. Но Китай — Китаю рознь. Есть как откровенное барахло (с емкостями 3800мАч и выше) так и очень качественные продукты.

Защищенные аккумуляторы выпускаются под совершенно различными брендами, не имеющими отношения к производителю ячеек.
И весь этот «бутерброд», упаковывается в термо-пленку с обозначение бренда и емкости (как реальной так и совершенно бредовой, в некоторых случаях).

Из-за платы защищенные аккумуляторы на пару миллиметров длиннее своих незащищенных сородичей и на 0,5 мм толще.
Вследствии этого, ВАШ АККУМУЛЯТОР МОЖЕТ НЕ ВЛЕЗТЬ В ВАШЕ УСТРОЙСТВО

Такие аккумуляторы могут обозначаться типоразмером 18700 (где первые две цифры это диаметр в мм., а вторые две- длина). Это надо учитывать при выборе аккумулятора, — сможет ли такой аккумулятор влезть, к примеру, в ваш фонарь или зарядное устройство.

3. Для чего нужны защищённые аккумуляторы

Защищенные аккумуляторы можно применять в любых устройствах, которые расчитаны на работу с Li-Ion источниками питания и не имеют встроенного контроллера заряда-разряда. В настоящее время основными потребителями защищенных АКБ являются светодиодные фонари, так как именно такие аккумуляторы способны обеспечить питанием мощные светодиоды в течении продолжительного времени.
Если у вас светодиодный фонарь, с вероятностью 99% вам необходим защищенный аккумулятор. Если вы хотите отремонтировать батарею в ноутбуке или в шуруповерте или просто вам нужна БАТАРЕЯ из LI-Ion аккумуляторов, то вам необходимы именно незащищенные АКБ.
У некоторых аккумуляторов китайская защита слишком осторожная, и прерывает ток при меньшем потреблении. Из-за этого мощные фонари на XM-L просто не работают. Включаешь фонарь — он разок мигнет, и все. Вставил аккумулятор еще раз — тоже самое. Защита срабатывает почти мгновенно. Тут нужно либо содрать защиту, либо купить другой аккумулятор.
Защита неизбежно увеличивает длину аккумулятора на 3-4 мм, а то и больше. Когда длина достигает 7 см, некоторые фонари перестают закрываться и не работают. Чем длиннее аккумулятор, тем с большей силой давят на него пружины; иногда случается, что они даже продавливают минусовой контакт аккумулятора. Особенно часто это случается, когда фонарь используется как подствольный, во время отдачи при выстреле. Но и просто с усилием закручивать крышку фонаря, чувствуя, как пружина процарапывает аккумулятор, не слишком приятно.
Защита НЕ ПРЕДОХРАНЯЕТ фонарь от перегрева и последующего взрыва. От этого защищают отверстия в клапане, через которые стравливается повышенное давление в аккумуляторе. Но в герметичном пространстве это не сработает.
В принципе, при некотором внимании можно спокойно использовать не защищенные аккумуляторы. Многие так и делают. Естественно, речь идет про фонарь на одном аккумуляторе. Если используются несколько аккумуляторов, защита должна быть обязательно.

Таблица характеристик по известным брендам

Фирма Емкость Маркировка Напряжение заряда конечное напряжение ток разряда А непрерывный (максимальный)
1 LG 3200mAh ICR18650E1 4.35 ±0.05 V 2.75V 4,65-1,5С
2 LG 3000mAh ICR18650D1 4.35 ±0.05 V 2.75V 5,8-2С
3 LG 2800mAh ICR18650C1 4.35 ±0.05 V 3.0V 4-1,5С
4 LG 2600mAh ICR18650B2 4.2 ±0.05 V 3.0V 3,75-1,5С
5 LG 2600mAh ICR18650B3 4.2 ±0.05 V 3.0V 3,75-1,5С
6 LG 2600mAh ICR18650B4 4.2 ±0.05 V 2.75V 5-2С
7 LG 2400mAh ICR18650A4 4.2 ±0.05 V 3.0V 3,6-1,5С
8 LG 2200mAh ICR18650S3 4.2 ±0.05 V 3.0V 3,2-1,5С
9 Panasonic 3600mAh NCR18650G 4.2 ±0.05 V 2.5V 6,5-2C
10 Panasonic 3400mAh NCR18650B 4.2 ±0.05 V 2.5V 6,2-2C
11 Panasonic 3400mAh NCR18650BF 4.2 ±0.05 V 2.5V 6,2-2C
12 Panasonic 3200mAh NCR18650BD 4.2 ±0.05 V 2.5V 6,4-2C(10-3C)
13 Panasonic 3200mAh NCR18650BE 4.2 ±0.05 V 2.5V 6,4-2C(10-3C)
14 Panasonic 3100mAh NCR18650A 4.2 ±0.05 V 2.5V 5,9-2С
15 Panasonic 2900mAh NCR18650PF 4.2 ±0.05 V 2.5V 5,5-2C(10-3C)
16 Panasonic 2900mAh NCR18650PD 4.2 ±0.05 V 2.5V 5,5-2C(10-3C)
17 Panasonic 2900mAh NCR18650 4.2 ±0.05 V 2.5V 5,5-2С
18 Panasonic 2600mAh CGR18650E 4.2 ±0.05 V 3.0V 5-2С
19 Panasonic 2500mAh CGR18650F 4.2 ±0.05 V 3.0V 5-2С
20 Panasonic 2250mAh CGR18650CG 4.2 ±0.05 V 3.0V 4,3-2С
21 Panasonic 1900mAh UR18650Y 4.2 ±0.05 V 2.75V 3,8-2С
22 Samsung 3200mAh ICR18650-32A 4.35 ±0.05 V 2.75V 6,4-2C
23 Samsung 3000mAh ICR18650-30B 4.35 ±0.05 V 2.75V 5,9-2C
24 Samsung 3000mAh ICR18650-30A 4.3 ±0.05 V 2.75V 6-2C
25 Samsung 2900mAh ICR18650-29E 4.2 ±0.05 V 2.5V 2,8-1C(8,25-3C)
26 Samsung 2800mAh ICR18650-28A 4.3 ±0.05 V 2.75V 5,6-2C
27 Samsung 2600mAh ICR18650-26C 4.2 ±0.05 V 2.75V 5,2-2C
28 Samsung 2600mAh ICR18650-26F 4.2 ±0.05 V 2.75V 5,2-2C
29 Samsung 2600mAh ICR18650-26H 4.2 ±0.05 V 2.75V 5,2-2C
30 Samsung 2400mAh ICR18650-24E 4.2 ±0.05 V 2.75V 4,8-2C
31 Samsung 2200mAh ICR18650-22F 4.2 ±0.05 V 2.75V 4,4-2C
32 Sanyo 3350mAh NCR18650BF 4.2 ±0.05 V 2.5V 6,2-2C
33 Sanyo 3000mAh UR18650ZTA 4.35 ±0.05 V 3.0V 5,8-2C
34 Sanyo 2800mAh UR18650ZT 4.3 ±0.05 V 3.0V 5,4-2C
35 Sanyo 2600mAh UR18650ZY 4.2 ±0.05 V 2.75V 2,6-1C
36 Sanyo 2600mAh UR18650FM 4.2 ±0.05 V 2.75V 5-2C
37 Sanyo 2400mAh UR18650F 4.2 ±0.05 V 2.75V 5-2C
38 Sanyo 2250mAh UR18650A 4.2 ±0.05 V 2.75V 4,3-2C
39 Sanyo 2200mAh UR18650FJ 4.2 ±0.05 V 2.75V
40 Sanyo 2000mAh UR18650Y 4.2 ±0.05 V 2.75V 3,8-2С
41 Sony 2900mAh US18650NC1 4.2 ±0.05 V 2.5V 8(10)
42 Sony 2600mAh US18650GR 8A 4.2 ±0.05 V 3.0V
43 Sony 2400mAh US18650GR G7 4.2 ±0.05 V 3.0V
44 Sony 2200mAh US18650GR G5 4.2 ±0.05 V 3.0V

Производитель Емкость Маркировка ток(А)
1 LG 1 500 HB2 20
2 LG 1 500 HB6 25
3 LG 2 000 HD2 20
4 LG 2 000 НE1 10
5 LG 2 500 HE2 20
6 LG 2 500 HE4 20
7 LG 3 000 HG2 20
8 LG 3 200 MH1 10
9 LG 3 500 MJ1 10
10 Panasonic 2 250 CGR18650CH 10
11 Panasonic 2 900 NCR18650PF 10
12 Panasonic 2 900 NCR18650PD 10
13 Panasonic 3 200 NCR18650BD 10
14 Samsung 1 300 INR18650-13Q 18
15 Samsung 1 300 INR18650-13P 10
16 Samsung 1 500 INR18650-15Q 18
17 Samsung 1 500 INR18650-15M 23
18 Samsung 1 500 INR18650-15R 25
19 Samsung 2 000 INR18650-20Q 15
20 Samsung 2 000 INR18650-20R 22
21 Samsung 2 200 ICR18650-22P 10
22 Samsung 2 400 INR18650-24R 25
23 Samsung 2 500 INR18650-25R 20
24 Samsung 3 000 INR18650-30Q 15
25 Samsung 3 200 INR18650-32E 10
26 Samsung 3 500 INR18650-35E 8
27 Sanyo 1 300 UR18650SA 15
28 Sanyo 1 300 UR18650SAX 25
29 Sanyo 1 500 UR18650W2 18
30 Sanyo 1 500 UR18650WX 25
31 Sanyo 2 000 UR18650EX 20
32 Sanyo 2 000 UR18650RX 10
33 Sanyo 3 500 NCR18650GA 10
34 Sony 1 100 US18650VT 10
35 Sony 1 300 SE US18650VT 20
36 Sony 1 600 US18650VTC3 30
37 Sony 2 100 US18650VTC4 30
38 Sony 2 250 US18650V3 10
39 Sony 2 600 US18650VTC5 30
40 Sony 2 900 US18650NC1 10

Оживляем шуруповерт. Все для переделки шуруповерта на 18650 литий-ионные аккумуляторы

Аккумулятор шуруповерта рано или поздно «устанет» и его необходимо будет менять. Купить новый аккумулятор оправданно в ситуации когда инструмент стоит копейки. Но если у вас что-то более-менее приличное, или аккумулятор старый на Ni-CD, то однозначно имеет смысл поменять севшие 18650 аккумуляторы на новые или полностью перевести шуруповертс никеля на литиевые.

Безусловно, как и в любом деле, тут есть свои нюансы, но если ваши руки хотя бы минимально прямые, то самостоятельно переделать шуруповерт на литий совсем несложно. Нужно лишь знать что купить для переделки и понимать базовые нюансы процесса. А уж купить на алиэкспресс все для перевода шуруповерт на литий — элементарно.

Почему 18650 Li-ion? Преимущества литиевых аккумуляторов очевидны:

• большая плотность энергии на единицу массы
• низкий саморазряд
• фактически отсутствует эффект памяти
• доступность и цена

Кстати, если вы любите читать, то есть вариант отлично сэкономить! Книжный сервис ЛИТРЕС, крупнейший в России и странах СНГ дает четвертую книгу в подарок при покупке трех. Лично я именно там и покупаю книги уже порядка 5 лет. Ценник и без того доступный, а с таким бонусом выходит совсем небольшим. Есть удобное приложение для чтения и прослушивания книг. По ссылке выше — одна из моих подборок, в которой есть жирный обновляемый промокод.

Переделка аккумулятора шуруповерта. Что нужно знать:

1) Для шуруповерта нужны высокотоковые 18650 аккумуляторы (идеально — Sony/Murata VTC5, VTC5A, VTC6. Допустимо — Samsung 25R), либо менее высокотоковые аккумуляторы, соединенные в параллель (если позволяет место).

2) Категорически нельзя использовать старые ноутбучные аккумуляторы и просто разные аккумуляторы. Все 18650 аккумуляторы в сборке должны иметь минимальный разбег емкости и прочих характеристик. Безусловно, купить высокотоковый 18650 аккумулятор на алиэкспресс — самое простое решение. Только заранее учитывайте что название модели не будет иметь никакого отношения к ячейке внутри. 4 аккумулятора, купленные одним лотом у одного продавца могут существенно отличаться по емкости и внутреннему сопротивлению. Хотя ниже по ссылке будет неплохой вариант для тех, кто не хочет паять.

Идеальный вариант — купить 18650 у проверенного продавца на том же avito, или заказать 18650 на nkon В последнем случае придется заплатить 10 евро за доставку, но аккумуляторы будут 100% оригинальные и намного дешевле покупки на месте (что сведет оплату доставки в ноль). Лично я много лет беру аккумуляторы именно в этом магазине.

Я делал статью о том как выбрать 18650 литий-ионный аккумулятор, если интересно — читаем ее тут

3) Подключение аккумуляторов к BMS плате производится строго последовательно: вначале 0 В затем 4,2 В, 8,4 В, 12,6 В, 16,8 В. При нарушении BMS работать не будет!

4) 18650 аккумуляторы в сборке должны быть заряжены одинаково. Лучше всего зарядить каждый аккумулятор отдельно и затем собрать в сборку.

5) Как посчитать сколько нужно 18650 литиевых аккумуляторов вместо никелевых? В целом, расчет такой:
2-3 NiCd = 1 литиевый, 5-6-7 NiCd = 2 литиевых, 8-9-10 NiCd = 3 литиевых, 11-12-13 NiCd = 4 литиевых

6) Литиевые аккумуляторы очень боятся перегрева. Идеальный вариант — точечная сварка. Пайка тоже вполне работает. Как паять 18650? Самое главное — вам нужно максимально большое жало. Свести время контакта жала и 18650 аккумулятора к минимуму и не перегреть последний. В остальном процесс не отличается от любой другой пайке. Лучше всего набить руку на тех старых аккумуляторах, которые вы будете заменять.

BMS-плата

BMS (Battery Management System) – система управления батареей. BMS-плата исключительно важна при переделке шуруповерта на литий. Зачем она нужна и как она работает? Она контролирует заряд и разряд, предотвращая переразряд и перезаряд аккумулятора шуруповерта, в нее встроен «балансир», который заряжает отдельно каждый Li-Ion аккумулятор в сборке. Последнее крайне важно! Бывают BMS без балансира! 3S — 12v, 4s — 14v, 5s — 18v Чтобы выбрать BMS плату, надо учитывать что минимальный ток должен быть 30А, иначе она будет уходить в защиту.

Вариант BMS-платы по ссылке на 2-3 доллара дороже каких-то базовых версий, но вы получаете 100А вместо 30А или 40А. На мой взгляд, по функционалу это лучшая БМС-плата с алиэкспресс и заслуживает этой символической переплаты.

Контроллер заряда Li-ion аккумулятора 18650 своими руками

Многие люди все еще не знают, что такое контроллер заряда, и попросту игнорируют его существование, что очень зря. Подобные платы просто спасают аккумуляторы каждый день.

Контроллер заряда li-ion аккумулятора 18650

Контроллер заряда – защитная электронная схема в АКБ, которая предотвращает ее сильную разрядку или перезарядку, контролирует силу тока и температурный режим, устанавливает время окончания заряда. Как функционирует контроллер заряда li ion аккумулятора 18650, для чего он необходим?

Контроллер контролирует процесс зарядки и разрядки батареек. Если напряжение понижается до 3 В, защита деактивирует банку от потребителя тока: девайс выключается. Еще защитная схема помогает предотвратить короткие замыкания. Некоторые разновидности защитных плат имеют терморезистор, который спасает компоненты аккумулятора от перегрева.

Все платы контролируют:

• переразряд и разряд;
• ток нагрузки;
• температуру и оптимизацию.

Важно! При зарядке АКБ без контроллера зарядки или при выходе контроллера из строя возможны неприятные последствия, такие как, разрушение корпуса, закипание или деградация аккумулятора.

Опасность перезаряда и полного разряда, чем грозит

Если говорить о lion батарейках, нельзя допускать их полного разряжения или перезарядки. Например, никель-кадмиевые АКБ обладают эффектом памяти. Это означает, что неправильная зарядка приводит к потерям ёмкостных характеристик. Неправильно, когда заряжается аккумулятор, который сел неокончательно. Если начать подзаряжать его не при нуле, он может потерять свои емкостные хар-ки.

Зарядники для таких батареек создают со специальными рабочими режимами, которые в первую очередь садят АКБ полностью, потом начинают ее наполнять энергией. Литиевые аккумуляторы не требуют к себе такого внимания. У них отсутствует эффект памяти, но они не выносят полный разряд.

Поэтому их стоит сразу наполнять энергией, не дожидаясь нуля. Но и перезаряд, это тоже не лучший вариант. Это касается лишь батарей без защиты. Если у аккумуляторных батарей есть контроллер заряда, то он сам будет контролировать процессы.

Особенности контроллера для зарядки li-ion аккумулятора

Контроллер зарядки литий ионного аккумулятора находится в верхней части корпуса, тем самым делает длиннее сам аккумулятор. Плата находится впереди отрицательного клеммника, защищая аккумулятор от перезарядки/переразрядки. Страна-изготовитель контроллеров зарядки литиевых аккумуляторов – Китай.
После монтажа контроллера(модуля), корпусную часть перемещают в пленочку с термической усадкой. Из-за доп. защиты, корпус становится больше в плане размера.

Виды контроллеров

Существуют разные виды защиты. Контроллеры заряда li ion аккумуляторов 18650 отличаются стоимостью, изготовителем и внутренними компонентами.

Самые популярные контроллеры аккумулятора:

1. HX-3S-A02 (ценник – 150 руб.). Китайского производства, внутри схема S-8254AA, которая избавляет компоненты от серьезного заряда/разряжения. К нему можно присоединить три АКБ (макс. ток – 10 А). Габариты – 50х16 мм.
2. FDC-2S-2 (стоит – 50 руб.). Создатель – Китай, схема – HY2120, защищает от заряда/разряда, замыканий. Можно применить две маленьких батарейки (макс. ток – 3А). Габариты – 36х6х1 мм.
3. HX-2S-01 (можно купить за 70 руб.). Китайское производство, схема – HY2120, спасает от заряда/разряда, замыканий. Использовать разрешено две батарейки 18650 (макс. ток – 3 А). Параметры – 36х6х1 мм.
4. HX-3S-D01( 220 руб.). Китайское производство, чип S-8254AA, регулирует заряд/разряд, спасает от замыкания. Можно применить три аккумулятора 18650 (макс. ток – 20 А). Хар-ки – 51х23 мм.
5. HX-3S-D02 (200 ₽). Создано в Китае, внутри интегральная схема S-8254AA, спасает от проблем с зарядкой и коротких замыканий. Можно использовать три батарейки типа 18650 (макс. ток – 10 А). Параметры – 50х16 мм.
6. HX-4S-A01 (250 ₽). Произведено в Китае, внутри чип S-8254AA, спасает от проблем связанных с зарядкой и замыканиям. Можно использовать четыре батарейки 18650 (макс. ток – 6 А). Габариты – 67х16мм.

Сложно сказать, какой из них лучше, ведь если судить, по отзывам с Алиэкспресс, самым эффективным считается другой, которого нет в списке, а точнее hd8200 контроллер аккумулятора.

Схемы контроллеров

1. DW01-Plus. Самая популярнейшая схема контроллера литий ионного аккумулятора, расположена под самоклейкой. Защита 6-ногая, полевые транзисторного типа агрегаты совмещены в один корпусный элемент 8-ногой сборкой. Сопротивление транзисторных установок формирует измерительный шунт. В полевиках есть специальные светоизлучающие диоды, благодаря которым аккумуляторная батарея наполняется энергией.
2. S-8241 Серия. Специальные схемы от организации SEIKO, которая специализируется на lion батареях. Ключи защиты начинают срабатывать при 2,3 и 4,35 В и при спаде напряжения до 200 мВ.
3. LV5114OT. Ограничитель запускается при 2,5 и 4,25 вольтах.
4. R5421N Серия. Тратится при активном состоянии – 3 мкА, в отключенном состоянии – 0,3 мкА.

Как сделать зарядное устройство с контроллером для аккумулятора 18650 своими руками

Итак, найдите для начала бокс, органайзер и приспособление для держания.
Данные боксы от компании Shenzhen Blossom Electronic подойдут лучше всего.
Созданы они из твердого пластика, имеют надёжные контакты, АКБ держатся уверенно, и в общем, выглядит приятно.
Еще нужно взять контроллер заряда на микросхемы TP4056. Габариты 26X17мм.
Подключается по микро юсб, может функционировать с батарейками 3,7 вольт,
поддерживает зарядного типа ток, около 1 А.
Ниже показан график защитной платы TP4056.

В зарядном устройстве будет использована лишь эта опция.

А контроль разряда аккумуляторных батарей используется только в случае подключения нагрузки через эту плату. Поэтому схемка получается очень простой, припаяйте провода согласно изображению, после прикрепите контроллер к боксу и изолируйте все голые контакты.

Для крепления платы, можно использовать двухстороннюю клейкую ленту.
Держаться будет отлично. Затем с помощью акрилового герметика потребуется замазать все контакты. И простым прозрачным скотчем прикрыть плату контроллера. Вот и все, работа завершена, теперь вы можете самостоятельно зарядить свои батарейки!

Подробнее о том какие бывают зарядные устройства для li ion аккумуляторов 18650, читайте тут.

Важно! Главное не перепутать полярность при монтаже АКБ, иначе сгорит TP4056 а если при этом и к блоку питания подключено, то блок тоже выйдет из строя. Пожалуй, это считается единственным недостатком этого ЗУ.

Покупка lion батареек не должна вызывать сложностей, как и подбор контроллера заряда. Приобрести все это можно в местных торговых точках электроники, в интернет-магазинах или заказать с Али через телефон. Не стоит брать бюджетные модели. Нормальный аккумулятор не может стоить дешево, как и защита для него.

Батарея из 4х элементов 18650 с платой CF-4S30A-A

Для питания марсохода я решил использовать литий-ионные батареи довольно популярного формата 18650. Эти элементы питания хоть и похожи на пальчиковые батарейки, но по характеристикам сильно отличаются. Работая с ними нужно соблюдать ряд предосторожностей. Их нужно правильно заряжать и правильно разряжать.

Что я узнал о литий-ионных батареях 18650

• 18650 — это размеры корпуса батареи. 18мм — диаметр, 650мм — длина
• Литий-ионные батареи плохо переносят перезарядку (могут взорваться) и переразрядку (снижается срок службы). Поэтому важно использовать специальную плату защиты от перезаряда и переразряда. Есть батареи 18650 с готовой защитой. Такие элементы питания немного длиннее (из-за круглой платы у плюсового контакта).
• Защита батареи — это плата посредник, через которую подключается сам элемент питания. Такие платы есть во всех мобильных телефонах и ноутбуках. Вообще, элементы 18650 редко подключаются напрямую (как и другие литий-ионные батареи). Защита контролирует процесс заряда, разряда, отключает батарею при коротком замыкании и т.д. Примером защиты может служить плата на основе чипа TP4056, а также моя CF-4S30A-A. Контроль заряда заключается в том, что плата выставляет нужное напряжение и постепенно меняет силу тока по мере того, как батарея зарядится до 100%. Контроль разряда нужен для того, чтобы отключить батарею, когда ее напряжение упадет до критических 2.6В. Некоторые платы допускают кратковременную (несколько миллисекунд) «просадку» ниже этого порога.
• Высокотоковые батареи 18650. Максимальный ток отдачи элемента питания как правило прописан в заводских характеристиках. Но обычно он равен емкости умноженной на 2. В моем случае
  2600мАч * 2 = 5.2АЕще есть высокотоковые батареи, которые могут отдавать по 20-30А. Емкость таких банок обычно ниже. Но именно высокотоковые элементы следует использовать для таких инструментов как шуруповерты. Их ток потребления может превышать 10А.
• Процесс заряда литий-ионных батарей. На контакты батарей подается напряжение равное заряженной банке (обычно для 18650 это 4.2В). Сила тока снижается по мере заряда батареи. Если в начале она может быть 1А, то в конце 100мА и т.д. Максимальную силу тока заряда можно рассчитать поделив емкость аккумулятора на 2. Для моих батарей это:
  2600мАч / 2 = 1.3АЗаряженная батарея имеет напряжение 4.2В, а разряженная 2.6В (для разных элементов эти пороги могут отличаться). Зная напряжение батареи можно примерно сказать на сколько процентов она заряжена.
• Балансировка заряда. Актуально для батарейных блоков из нескольких банок соединенных последовательно. Если банки в такой цепи имеют разные степени заряда, то заряжать их нужно разными токами (к примеру, для одной нужно будет подавать 1А, для другой 0.5А). Какие-то из них зарядятся раньше, какие-то позже. Когда банка достигнет напряжения 4.2 вольта, ее нужно будет отключить от зарядки. При этом нужно продолжить заряжать остальные элементы. В этом и есть суть балансировки. В плате CF-4S30A-A балансировка заряда есть.
• Батарейные блоки из банок 18650 следует собирать из элементов с похожими характеристиками (емкость, ток отдачи, и даже дата производства). Это особенно важно для последовательного соединения. Вот простой пример. У вас есть 4 элемента с разными емкостями: 3 банки на 3400мАч и 1 на 2000мАч. При эксплуатации банка с меньшей емкостью раньше разрядится до нижнего порога 2.6В. Тут же сработает защита разряда и отключит весь ваш батарейный блок. Да, остальные 3 элемента так и не успеют разрядиться до заветных 2.6В. Емкость такого блока будет равно емкости самого слабого элемента.

Батарейные блоки для марсохода

Блоки питания марсохода будут состоять из 4-х банок 18650, соединенных последовательно. Каждым блоком будет управлять BMS (Battery Management System) плата CF-4S30A-A. Также в моем распоряжении 16 элементов 18650 и батарейные боксы, рассчитанные на высокие токи. Итак, поехали.

Батареи ICR 18650 2600 mAh 3.7v

Батареи покупал тут по $22 за 8 штук. При выборе я обращал внимание на цену и отзывы. С ценой вообще отдельная история. Как известно, в Беларуси есть лимит на посылки 22 евро в месяц. Все, что более того, не иначе как оптовая поставка. В России, к слову, этот лимит ни много ни мало — $1000. Принципиально избегаю превышения лимита в 22 евро. Не хочу обогащать тех, кто делает нашу жизнь хуже. Выручают друзья и родственники, которым можно отравить те или иные посылки.

Бокс для батарей формата 18650

Следующий компонент, это пластиковые боксы. Их я тоже брал на aliexpress по $6.67 за 6 штук. В Минске такое же количество можно купить за $21.

Плата BMS CF-4S30A-A со схемой подключения

Платы обошлись мне по $2 за штуку на aliexpress вот у этого продавца. Выбирал по отзывам и току отдачи (30A).

За пару вечеров все спаял. В результате получились такие блоки.

Батарейные блоки для марсохода

Каждый блок может выдавать без особых проблем 9В 10А через понижающий преобразователь. Я планирую установить преобразователи на следующие напряжения:

• 9В — моторы колес;
• 6В — сервоприводы;
• 5В — плата Raspberry pi;
• 3.7В — инфракрасные лампы для ночной съемки.

Для питания главного компьютера нужен отдельный блок. На борту будет резервный блок питания (но это пока в планах). Всего мне понадобится до 30 элементов 18650.

Мой зоопарк преобразователей напряжения

Апгрейд платы заряда-разряда CF-4S30A-A

Проблема: некоторые производители не рекомендуют ставить плату CF-4S30A-A на шуруповерты. И вот почему. При резком старте ток потребления кратковременно превышает порог защиты и плата выключает подачу напряжения (но это не точно:). При резком нажатии на курок шуруповерта двигатель немного дергается и замолкает. Чтобы разогнать мотор, нужно нажимать на курок плавно. Толку от такого шуруповерта конечно мало.

Улучшение платы: Первое что нужно сделать, убедиться, что вы используете провода с толстым сечением. На схеме выше толстыми должны быть провода ведущие к контактам P-, P+, B- и B+. Чем толще сечение этих проводов, тем более стрессоустойчивой будет плата. Сэкономив на этом, вы как и я можете спалить дорожку на плате.

Если с вашими проводами все в порядке, можно переходить ко второму решению. В плату CF-4S30A-A знающие люди рекомендуют впаивать SMD 0603 конденсатор на 0.1 мкФ. На плате для этого есть удобное место. Подробнее об этом решении можно прочитать здесь. Я впаял конденсаторы в каждую плату. Но в моем случае это была скорее предосторожность, так как мои блоки питания перестали уходить в защиту уже после замены проводов.

Питание марсохода

В итоге получилось 4 основных блока и 1 запасной. Для подключения батарей использовал специальные коннекторы, которые пропускают до 25 ампер.

В корпусе марсохода батареи старался распределять равномерно, они довольно тяжелые. Также старался размещать из подальше от нагревающихся радиаторов.

Следующий этап, подключение всех питающих узлов.

Впереди испытания. Необходимо понять правильно ли я рассчитал потребление цепи. Также будет понятно на сколько хватит таких батарей при активной езде по квартире.

Если вы нашли какие-то недочеты или ошибки, пожалуйста, напишите об этом в комментариях.

О моем опыте использования платы CF-4S30A-A можно прочитать здесь