Как сделать аккумулятор из готовых элементов (5 фото)
Столкнулся я тут с проблемой, что нужно было подобрать аккумуляторную батарею для мощного светодиодного фонарика. Предыдущая аккумуляторная батарея с оранжево-желтого ресурса приказала долго жить, причем проработала она совсем немного. Покупать новую батарею у наших продавцов было бы просто разорением и глупостью. Сколько я не искал готовую собранную батарею –то нужных характеристик нет, то используют самые дешевые и поганые элементы, которые дохнут за пару месяцев (а берут, надо отметить, за них наши умельцы как за оригинальные элементы от Samsung).
Само собой, все мысли пришли к тому, что нужно сделать батарею самому. Благо навыки для этого есть.
Хочу поделиться с вами технологией сборки аккумуляторной батареи и методикой её расчёта. Если вы уже собирали батарею самостоятельно, то смело закрывайте эту статью :)…Ничего нового вы тут уже не найдете. Но если делаете аккумулятор первый раз в жизни, то читайте дальше, информация пригодится.
Речь пойдет про Li-ion аккумуляторы. Правда используемая логика подойдет и при сборке батарей любой химии.
Как устроено большинство аккумуляторных батарей
Все батареи состоят из элементов, которые объединены в ячейки, а ячейки собраны в готовую аккумуляторную систему.
Ячейка – это несколько параллельно соединенных элементов.
Для того, чтобы получить требуемые характеристики, нужно поиграть со смешанным соединением проводников (использовать параллельные и последовательные соединения) с целью получить нужные значения.
Элементы в данном случае (li-ion аккумулятора) – это банки 18650. Каждая банка обладает характеристиками. Она имеет ёмкость, допустимый ток разряда и вольтаж. Ёмкость и вольтаж элемента всегда указаны на самой банке (элементе). Но вот допустимые разрядные токи обычно не указаны и зависят от типа элемента. Обычно если изделие не совсем «паленое», эта информация есть в подробных характеристиках.
Если вы работает с Li-ion аккумулятором, то допустимый разрядный ток – это два значения ёмкости элемента. Лучше выдерживать примерно 1,7 от значения емкости. Например, если емкость одной банки составляет 1700 мАч, то разряжать её можно примерно на 2,9А. Важно, чтобы именно такие разрядные токи приходились на один элемент.
Параметр этот зависит от химии аккумулятора и если бы вы использовали кислотно-свинцовый аккумулятор, то там эти цифры значительно выше. У литий-железофосфатных тоже другое значение. Но вернемся к нашим баранам.
Вы уже узнали, что одна банка вашего аккумулятора имеет емкость пусть 1700 мАч и способна выдавать 3,7 В. Нужно понять, как объединить эти элементы в систему и сколько нужно элементов.
Количество элементов определяется исходя из необходимой мощности батареи и допустимых разрядных токов на один элемент. Давайте разберем всё это на простом примере.
Предположим, что есть у нас некоторый мнимый потребитель, мощность которого составляет 100 Вт, а для работы ему нужно 24 Вольта. Эти характеристики обычно указаны на корпусе самого объекта, который нужно запитать.
Рассчитываем батарею
Вспомним, что такое параллельное и последовательное соединения проводников. При параллельном соединении U = U1 = U2 и I = I1 + I2, а при последовательном всё наоборот. Ещё нужно помнить формулу электрической мощности P = U*I.
Известно, что наш потребитель кушает 100 Вт и работает при 24 В.
1. Значит, сила тока, которую нам нужно обеспечить в цепи составляет 100 Вт / 24 В = 4,2 Ампера (I = P/U). Дальше нам известно, что каждый элемент даёт нам по 3,7В.
Чтобы выйти на нужные значения по напряжению, мы сначала должны «раскидать» 24 Вольта по элементам.
2. Очевидно, что элементы по 3,7 Вольта нужно соединять последовательно, чтобы выйти на суммарный показатель. Ведь при последовательном соединении напряжения складываются. Соедини мы их параллельно, общее напряжение батареи составило бы 3,7 Вольта.
Сколько нужно раз взять по 3,7 Вольта, чтобы получить 24 Вольта? Разделим 24 В (рабочее напряжение нашего потребителя из примера, смотрим его на корпусе)/ 3,7 В (напряжение нашего элемента). Получили 6,5. Округлим до 7.
Итак, нам нужно соединить 7 элементов последовательно, чтобы обеспечить вольтаж.
3. Теперь нам нужно проверить емкость. Нам известно, что каждый элемент может отдавать 1,7 А в течение одного часа. Значит, в батарее с 7 последовательно соединенными элементами мы имеем силу тока 1,7 Ампера. Ведь элементы соединены последовательно, а значит I=I1=I2. А нужно нам получить 4,2 ампера (нашли значение в пункте 1). Время работы имеющейся аккумуляторной системы сейчас составит 1,7 ампера/ 4,2 ампера = 0,4 часа. Маловато. Да и разрядный то на один элемент сейчас составляет 2,47, что на 0,47 больше, чем две емкости одного элемента. Значит банки будут сами себя губить.
4. Добавим в нашу сборку дополнительно к каждому последовательно соединенному элементу по одному параллельному элементу. Образуем бОльшую ячейку. Что получаем? Напряжение на выходе ячейки постоянное, а вот емкость подрастает. Теперь каждая ячейка отдает вместо 1,7А*ч по 1,7 * 2 = 3,4 А*ч. Проверим время работы такого аккумулятора с нашим стоваттным потребителем. 3,4 А / 4,2 А = 0,8 часа. Уже интереснее. Проверим, не убьются ли элементы. 4,2 А разделим на 3,4 А = 1,23 А. Сравниваем с емкостью одного элемента – у нас 1,7 А*ч, а получили 1,23 А. Замечательно. Элементы проживут долго, так как мы не вышли за границу 2С.
5. Остается подогнать значение под нужное время работы. Делается это также. Добавляем в каждую ячейку параллельную банку. Можно заложить в расчёт хоть 500 часов автономной работы :) Только аккумулятор будет заряжаться 300 лет и весить 500 кг.
Соединение элементов
После расчёта батареи и приобретения всех нужных элементов, нужно собрать аккумулятор. На производстве элементы Li-ion аккумулятора соединяются с помощью специальной никелевой ленты. Мы же обойдемся обычным паяльником :)…Банки аккумулятора можно смело спаивать друг с другом, используя обычные соединительные провода. Очень важно не перегревать элементы при пайке. Для быстрого и качественного их соединения уместно использовать паяльный флюс для алюминия. Бытует мнение, что паяные аккумуляторы долго не служат. Но на своем опыте могу подтвердить обратное. Главное следить за температурой при пайке и прикасаться к торцам аккумулятора на самое минимальное время.
Сами элементы можно соединить хоть скотчем. Китайцы любят упаковывать батареи в термоусадку.
Плата BMS
Теперь ещё один важный момент. Все аккумуляторные батареи из Li-ion элементов имеют контроллер заряда-разряда. Он называется плата BMS. Его нужно купить отдельно, ориентируясь на характеристики нашего потребителя и химию аккумуляторов. Эта плата позволит управлять зарядом вашей аккумуляторной системы и контролировать её разряд. Сажаем её на вход аккумулятора и на каждую ячейку вешаем балансиры (это устройство для равномерного заряда всех ячеек. Выходы на них отмечены на плате. Нужно просто соединить каждую ячейку проводом с платой BMS) . Ещё бывают платы BMS, интегрированные прямо в элементы аккумулятора. Если в элементе уже есть плата BMS, то общая плата не нужна. Важно, чтобы BMS была в каждом элементе.
Заряжать полученную систему мы будем тем зарядником, который остался у нас от старого аккумулятора.
Таким образом, мы собрали аккумулятор из отличных элементов и сэкономили деньги. Помимо этого, наш аккумулятор гораздо лучше подходит под конкретные задачи.