Зарядное устройство для lifepo4 аккумуляторов своими руками

Lifepo4 аккумулятор своими руками 12вольт

Содержание:
Почему я перехожу на lifepo4 (литий-железо-фосфатный аккумулятор)
Покупка пакетов А123 3.2в 20ач на алиэкспресс, какая пришла первая посылка
Соединение проводов к контактам ячеек
Сборка аккумулятора, краткое описание

Пришло время переходить на новый тип аккумуляторов в моей ветро-солнечной электростанции. Автомобильные аккумуляторы у меня к сожалению держатся всего 1 год и теряют в конце почти всю емкость. Связано это с тем что зимой, когда нет по неделе ни ветра ни солнца аккумуляторы высаживаются в ноль и в таком состоянии живут по нескольку дней, после чего их емкость необратимо снижается. Конечно можно их и не высаживать так сильно, но как то не так получается, емкость написана на каждом по 60Ач, а брать ее нельзя, поэтому и брал все что есть.

В итоге так продолжатся не должно, что?, каждый год новые аккумуляторы покупать. Можно конечно брать с запасом раз в пять, чтобы не высаживать их полностью, но и стоимость тогда умножается на пять, да и прослужат не намного дольше, производитель 5 лет обещает если аккумулятор эксплуатируется на автомобиле. То-есть если никогда не разряжается и после завода машины сразу заряжается от генератора. Значит в автономке не более трех лет так-как главное условие выполнить невозможно — не разряжать глубоко и сразу заряжать. В общем на автомобильном свинце надо ставить крест, иначе покупая дешевку в итоге переплачиваешь.

Как альтернатива есть щелочные аккумуляторы, но у них свои проблемы, такие как зарядка до 17,5вольт, КПД 55-60% всего и прочее, к то-муже цена просто космическая для акб такой древней технологии, да и срок службы обещают 8-12лет при правильной эксплуатации.

Так же есть тяговые свинцовые аккумуляторы, все в них хорошо, можно разряжать на 100%, а при разряде не более 80% отрабатывают по 800-1500циклов и служат до 10-ти лет, а некоторые как обещает производитель аж до 20-ти лет. Но сами понимаете что цена соответствует и самый дешевый тяговый стоит в три раза дороже автомобильного свинца, а качественный в 5-7раз дороже.

Выход как я думаю нашел, это lifepo4(литий-железо-фосфатные) аккумуляторы. Это по сути тот-же литий-ион (как батарейки в телефоне или ноутбуке), но химия внутри немного другая что позволило этим аккумуляторам существенно снизить эффект старения. В итоге аккумуляторы не деградируют многие годы, обещают до 12-20лет, и сохраняют свою первоначальную емкость. Отрабатывают по 1500-2000циклов при разряде на 100% без снижения емкости и продолжают работать дальше без осрбых ухудшений параметров. А если не разряжать более чем на 80% то циклируемость 5000-7000циклов.

При всем этом эти аккумуляторы полностью необслуживаемые, не имеют всяких там эффектов памяти и их не надо заряжать на 100% и гонять малыми токами до-зарядки. Если до конца не заряжать и не разряжать то этим аккумуляторам только лучше. Можно сказать идеальный аккумулятор для автономных систем так-как может неделями стоять полностью разряженным и ему ничего не будет, не-надо как щелочные тренировать циклами и прочее.

Минус lifepo4 это цена, которая сравнима с ценой хороших щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов, или качественного фирменного тягового свинцового аккумулятора. Но это если покупать у наших перекупщиков в России, если заказывать из за границы, то получается значительно дешевле, а в Китае на порядок дешевле. Еще lifepo4 как и li-ion не переносят перезарядка и переразряда, нельзя превышать напряжение каждого пакета выше 3.75 вольт при заряде, и не допускать разряда меньше 2.00 вольта, иначе аккумуляторы умрут и восстановлению не подлежат. Для контроля этих аккумуляторов устанавливается плата защиты (BMS), которая следит за состоянием аккумулятора и если что отключает его при критических значениях заряда или разряда, а так же выравнивает напряжение каждого элемента в цепочке аккумулятора. Эти платы защиты выпускаются на любые аккумуляторы 12,24,36,48,72 вольта и тд.

lifepo4 — заказ на алиэкспресс

Эти батарейки покупал на алиэкспресс, кто еще не знает это Китайский сайт по продаже всего и вся по очень дешевым ценам и доставка почтой. Сайт на русском и как заказать я думаю разберется каждый, из минусов только то что посылки идут долго, в среднем месяц, бывают теряются и повреждаются в дороге, но это по вине я думаю уже нашей почты. Ниже самая первая посылка 3 пакета по 20ач. Продавцы часто разбивают тяжелые заказы на несколько посылок чтобы уложится в вес на одну посылку не более 2кг, вот и мою посылку разбили на две, в первой 3 пакета, во второй оставшиеся 2пакета, всего первый заказ 5пакетов по цене 5400рублей.

По цене если брать мелкими партиями 1-10шт, то цена за один пакет 20ач чуть больше 1000рублей, но если брать от 20-ти и выше, то цена значительно снижается. Моя батарейка будет на 80Ач 12вольт, это 960ватт*ч электроэнергии и обойдется она мне — пакеты 20ач=16шт=17500руб.+1600рублей плата защиты= 19100рублей. Если брать например партию в 36 пакетов сразу, то выходит 24000рублей, но я не могу сразу столько купить. А так батарейка на 1кВт*ч получается 19000рублей. На эти деньги я мог бы купить 9автомобильных аккумуляторов по 60Ач, это 540Ач суммарно 6.4кВт*ч, но если брать не более 10% от емкости чтобы аккумуляторы долго служили то это всего 640ватт*ч. Ниже фото самой посылки.

Это фото сделано на почте, так как посылка пришла сильно измятая решил распаковать на месте, где и обнаружилось что батарейки сильно помяты с углов. Но что толку предъявлять и терять время впустую, расправил руками вмятины и пошел довольный домой, а батарейкам от таких вмятин ничего не будет, их можно хоть в трубочку свернуть, но не гарантирую, с моими все в порядке после такого как на фото выше. Ниже еще фото, пока стоял руками выпрямил почти все вмятины.

Уже дома произвел детальный осмотр этих батареек, немного потертые надписи гласят что производитель А123, но контактные шины видно что приварены отдельно и стыки залиты герметиком. Китайцы мне сказали что эти батарейки новые и приходят с Америки без контактных шин, которые приделываются уже в Китае, на плюс никелированная, а на минус медная. Ну будем думать что они их не откуда ни срезали припаяв новые контакты. Все равно дешевле нет, а качество и количество отработанных лет и циклов покажет время.

Чтобы убедится что шины приделаны отковырял герметик, ниже на фото видно что шина наложена и приварена, а место стыка замазано герметиком.

Теперь буду продолжать начатое и заказывать еще такие пакеты, всего пока мне надо 16 пакетов чтобы собрать батарею 12вольт 80Ач. А пока начал сборку уже имеющихся элементов. Начал с ящика для этих пакетов. Ящик сделал из фанеры толщиной 2см(какая была) и покрасил белой хреновой краской.

Дальше нужно было к контактным шинам как то прикрепить провода. Обошел все магазины, но очень маленьких болтиков так и не нашел и как специально ни в одном магазине электротоваров не нашлось клеммных колодок особой конструкции где уже есть мелкие болтики и стяжки. В итоге купил мощный паяльник на 100ватт и провод сечением 4квадрата. Дома я уже понял что припаять провода не получится, контактная пластина пакета не прогревается. А собрать первые четыре пакета чтобы получить батарею на 12вольт очень хотелось. В итоге зачистил провода и завернул из как в трубочку в контактные пластины, прижал плоскогубцами и поставил по две скобы из толстых пластинок. Конечно это не совсем правильно, но думаю контакт хороший и на всегда, тем более что больших токов там не будет, максимум ампер 5-10.

В крышке просверлил пять отверстий под болты М6 и на них соединил четыре пакета в цепочку для получения аккумулятора на 12 вольт. Это еще не законченный вариант, еще не пришла заказанная плата защиты (BMS), которая будет смонтирована под крышкой.

Болты как видно использовал обычные металлические, медных не нашлось. Но здесь нет ничего страшного, болты выполняют лишь роль зажимов для медных проводов,а провода стянуты друг с другом. Единственное это то что крайние болты выведены наружу как клеммы аккумулятора. В основном аккумулятор будет работать через плату защиты, а эти болты лишь для редкого подключения инвертора и др. Сопротивление конечно у металла выше, но думаю потери на нагреве болтов даже при токах 50-70А будут минимальными и их можно не считать так как инвертор включаю редко на электроинструмент. Но если найду, то крайние заменю на медные. Ниже фото внутренностей этого ящика-аккумулятора.

Пока все. Далее планирую покупать еще пакеты такие-же и докладывать в этот корпус пока не заполню его полностью, также скоро придет BMS — плата защиты и будет установлена. А пока все-таки попробую без BMC напрямую к контроллеру солнечной панели поставить и посмотреть как работает, есть ли дисбаланс ячеек, а так-же проверю реальную емкость аккумуляторов. Об этом в следующих статьях в разделе «Мой небольшой опыт».

Продолжение, часть 2, поставил аккумулятор вместо свинца и первые цифры и впечатление от работы лифера. ЛИФЕР (LIFEPO4) ВМЕСТО СВИНЦА В СОЛНЕЧНОЙ МИНИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Источник

Зарядное устройство для Литий-железо-фосфатных аккумуляторов

В связи с приобретением железо-фосфатных аккумуляторов у меня возникла необходимость в зарядном устройстве (обычные литиевые ЗУ обладают неподходящими для LiFePO4 параметрами, а приобрести что-то «широкопрофильное» желания так и не возникло). В качестве донора была взята китайская зарядка для лития DQ-1689 (в первую очередь это был донор корпуса). Исходник обладал «двумя» каналами зарядки, но, по факту, слоты под батареи были запараллелены.

На фото представлено уже готовое устройство с реальными двумя каналами. Схема высоковольтной части (по-сути, блок питания) была почти полностью скопирована с дежурного источника компьютерного БП Power Master, а схема канала — взята с другого китайского зарядного (она выбрана из-за поэлементной сборки без применения специализированных зарядных контроллеров).

Поскольку ЗУ планировалось под конкретные аккумуляторы (10440 280 mAh) оно обладает невысоким зарядным током, который можно изменить подбором номинала резисторов R14 и R21, но при этом следует учитывать, что транзисторы VT3 и VT5 работают в линейном режиме, а диоды VD8 и VD10 не рассчитаны на высокий ток (у примененных по даташиту предел 150 мА). В блоке питания токовая защита определяется номиналом R8 и ее срабатывание ведет к ограничению тока, а не отключению VT2 (т.е. ведет к его нагреву). При зарядке (уменьшении зарядного тока) происходит плавное изменение свечения сдвоенного светодиода VD7 (VD9) с красного на зеленый.

Если хочется применять данное ЗУ для Li-ion, то необходимо заменить R18 и R25 на 3К6 (увеличить выходное напряжение до 4,18 В).

В итоге получается вот такая плата.

Трансформатор взят с исходного ЗУ и не имеет никаких изменений.

По последнему фото следует отметить, что не исправлена пара ошибок, которые уже учтены в схеме и файле платы.

ВАЖНО: зарядное устройство не имеет защиты от переполюсовки АКБ!

Источник

Зарядное устройство для батарей LiFePO4 с индивидуальным контролем заряда каждой банки

Top Power ASIC TP5000

Михаил Гурович, США

В последние несколько лет, став доступными и популярными, получили широкое распространение литий-ионные (Li-Ion) и литий-железо-фосфатные (LiFePO₄) аккумуляторы. Эти аккумуляторы, выпускаемые в различных форм-факторах и с разной емкостью, имеют замечательные электрические характеристики: высокую удельную емкость, низкое внутреннее сопротивление, постоянство напряжения во время разряда, очень низкий саморазряд, большое максимальное количество циклов заряд-разряд, высокую термостабильность и очень большой срок службы.

Но наряду со всеми этими достоинствами у LiFePO₄ батарей есть и один серьезный недостаток – они очень капризны к режиму заряда и разряда. Эти батареи не любят превышения максимально допустимого для данного типа батареи напряжения в процессе зарядки и падения напряжения на батарее ниже минимально допустимого уровня при разряде на нагрузку. Нарушение этих требований обычно приводит к резкому снижению емкости батареи и уменьшению ее срока службы (максимального количества циклов заряд-разряд), а в ряде случаев и к воспламенению батареи (особенно это относится к Li-Ion батареям).

Чтобы обеспечить батарее оптимальные условия при заряде и разряде, используют специальные электронные устройства, объединенные под названием BMS (Battery Management System , т.е. система управления батареей), которые сегодня являются неотъемлемой частью любого устройства с батарейным питанием при использовании батарей с химией типа Li-Ion или LiFePO₄. Назначение этих устройств состоит именно в обеспечении безопасного режима заряда и разряда батареи. BMS может быть построена различными способами, в зависимости от конструкции батареи, способа соединения и количества банок, может быть встроена в корпус батареи или быть частью зарядного устройства. Одна из характерных особенностей систем BMS – это обеспечение индивидуального контроля каждой банки в составе батареи, т.е. напряжение каждой банки находится под постоянным контролем, и система в любой момент времени точно знает, в каком состоянии находится каждая банка, и может перераспределить зарядный ток между банками, если обнаруживается разбаланс из-за того, что банки немного отличаются друг от друга и заряжаются разными темпами. Кроме того, BMS следит за напряжением каждой банки во время разряда и сигнализирует и/или отключает нагрузку, если напряжение на банке падает ниже минимально допустимого уровня. Вопросы контроля напряжения банок в процессе разряда выходят за рамки данной статьи и далее не рассматриваются.

Все эти особенности и требование надежности в работе делают системы BMS достаточно сложными устройствами.

В статье рассказывается о зарядном устройстве для батареи, составленной из четырех последовательно соединенных банок LiFePO₄ (конфигурация типа 4S1P). Каждая такая банка имеет номинальное напряжение 3.2 В и, соответственно, номинальное выходное напряжение всей батареи равно 12.8 В, что делает ее идеально подходящей для замены обычных кислотных 12-вольтовых аккумуляторов.

Описываемое зарядное устройство использует индивидуальный подход к заряду каждой банки и не требует сложной схемы балансировки зарядных токов.

Зарядное устройство рассчитано на зарядку батареи, которая является съемной, т.е. в процессе эксплуатации подключается и вставляется в устройство для работы и отключается и извлекается из него, и подключается к зарядному устройству для заряда. Такие батареи используются в шуруповертах, электродрелях, электрогайковертах, в пылесосах с батарейным питанием и других подобных устройствах.

В зарядном устройстве использованы модули TP5000, которые специально разработаны для зарядки одной банки типа LiFePO₄ постоянным током до 2 А (ток заряда можно изменять подбором величины токоизмерительного резистора на плате модуля) и отключением заряда при достижении напряжения на банке, равного 3.60 — 3.65 В. Cразу отметим, что модуль TP5000 может работать и с батареями типа Li-Ion; для этого на самом модуле надо установить перемычку. При этом максимальное напряжения заряда поднимается до 4.2 В, а максимальный ток заряда не изменяется.

Кроме того, преимущество модуля TP5000 еще и в том, что по окончании заряда он контролирует напряжение на банке и при необходимости автоматически подзаряжает банку, если напряжение на ней упало. Для нормальной работы модуля TP5000 необходимо постоянное входное напряжение +5 … +9 В и ток 2 А. Сам модуль TP5000 представляет собой преобразователь постоянного входного напряжения в постоянный выходной ток с контролем напряжения на выходе модуля. В зависимости от напряжения на выходе модуля (напряжения на заряжаемой банке), микросхема TP5000 выбирает один из возможных режимов работы устройства: подготовка к заряду, заряд или поддержание.

TP5000 имеет два светодиода для индикации текущего режима работы; один светодиод горит в режимах подготовки к зарядке и зарядки, второй горит в режиме поддержания. Если выход TP5000 не подключен, микросхема TP5000 чувствует отсутствие нагрузки, выходное напряжение равно входному, и светодиоды включаются и выключаются поочередно (мерцают). Кроме того, модуль TP5000 имеет вход для подключения датчика температуры заряжаемой батареи, но в данном проекте он не используется.

Вид модуля TP5000 показан на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Модуль TP5000 – вид сверху.

Основная идея, положенная в основу зарядного устройства, состоит в таком использовании нескольких модулей TP5000, чтобы каждый модуль контролировал одну банку в батарее. Такой подход обеспечивает индивидуальный контроль напряжения заряда и поддержания. Поскольку зарядное устройство рассчитывалось на работу с батареей из четырех последовательно соединенных банок, оно состоит из четырех независимых каналов заряда. В каждом канале есть источник питания AC2DC, преобразующий переменное напряжение сети в постоянное напряжение +5 В с максимальным током в 2 А. Это напряжение подается на вход модуля TP5000. Выходные провода TP5000 подключаются к выводам заряжаемой банки. Для нормальной работы зарядного устройства необходимо, чтобы батарея имела разъем с выводами от каждой банки.

Рисунок 2.	Блок схема зарядного устройства вместе с заряжаемой батареей.

Блок схема зарядного устройства вместе с заряжаемой батареей показана на Рисунке 2. Банки заряжаемой батареи обозначены как Cell_1, Cell_2, Cell_3, Cell_4. Модули TP5000 самого зарядного устройства на Рисунке 2 обозначены как TP_5000_1, TP_5000_2, TP_5000_3, TP_5000_4. Источники питания каждого канала обозначены как AC2DC_1, AC2DC_2, AC2DC_3, AC2DC_4. Цифра в конце обозначения соответствует номеру канала зарядного устройства. Напряжение переменного тока подается на схему через разъем «Вход AC» и предохранитель F1.

Рисунок 3.	Принципиальная схема зарядного устройства.

Теперь перейдем к принципиальной схеме всего зарядного устройства (Рисунок 3) и его компонентов. Назначение блоков TP_5000_1, TP_5000_2, TP_5000_3, TP_5000_4, AC2DC_1, AC2DC_2, AC2DC_3, AC2DC_4 было обсуждено выше. Для подключения к заряжаемой батарее используется разъем «К батарее». В схеме предусмотрен дополнительный разъем «К вольтметру», все контакты которого подключены параллельно контактам разъема «К батарее», и назначение которого – подключение внешнего вольтметра для контроля работы устройства. Монтировать этот разъем не обязательно.

Если зарядное устройство планируется использовать только для зарядки батарей конфигурации 4S, то разъемы «К батарее» и «К вольтметру» должны иметь только 5 контактов. Автор использовал разъемы с 26 контактами, так как планировал дальнейшую модификацию этого зарядного устройства.

Рассмотрим схему блока TP_5000_1 (остальные блоки идентичны первому). Схема блока показана на Рисунке 4. Линии Charger_Plus и Charger_Minus подают напряжение +5 В от источника питания канала на модуль TP5000. Линии Cell_Plus и Cell_Minus идут на разъемы «К батарее» и «К вольтметру», и далее к заряжаемой банке в батарее. Блокировочные конденсаторы C2 , C5 уменьшают возможные ВЧ помехи на линиях. Светодиоды LED_CHARGE_ON_1 и LED_IDLE_1 показывают текущее состояние модуля TP5000.

Рисунок 4.	Схема блока TP_5000_1.

Теперь рассмотрим блок AC2DC_1 (остальные блоки абсолютно идентичны первому). Его схема показана на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Схема блока AC2DC_1.

Как видно из схемы, блок предельно прост. Он состоит из источника постоянного тока AC1 типа HAW10-220S05, который подключается к сети переменного тока (линии AC_N_IN и AC_L_IN) и выдает на выход (линии DC_Minus и DC_Plus) постоянное напряжение +5 В с максимальным током 2 А.

Рисунок 6.	Собранное устройство – вид сверху.

Теперь несколько слов о конструкции устройства. Готовое устройство показано на Рисунке 6 (вид сверху), Рисунке 7 (вид снизу) и Рисунке 8.

Рисунок 7.	Собранное устройство – вид снизу.

На Рисунке 8 изображено зарядное устройство в работе с подключенной батарей LiFePO₄ конфигурации 4S1P и вольтметром, подключенным ко второму разъему и показывающим напряжение на каждой банке и общее напряжение на батарее. Видно, что батарея еще не полостью заряжена – напряжение на ней равно 14.3 В, тогда как напряжение на полностью заряженной батарее должно быть в диапазоне 14.4-14.6 В. Видно также, что в каждом из каналов горит светодиод LED_CHARGE_ON, показывающий, что канал находится в режиме зарядки.

Рисунок 8.	Зарядное устройство в работе.

Рекомендации по сборке устройства

Kак видно из принципиальной схемы, ключевой элемент устройства – зарядный модуль TP5000. На рынке представлено несколько вариантов этого модуля. Все они собраны на микросхеме TP5000 и имеют одинаковую принципиальную схему, но расположением выводов и размерами могут отличаться.

Второй по значимости элемент – источник питания AC_1. Автор использовал источник типа HAW10-220S05 с выходными параметрами +5 В/ 2 А. Любой другой источник с аналогичными параметрами подойдет для работы в данном проекте. Такие источники продаются в разных вариантах исполнения с разным расположением выводов и габаритами. Остальные элементы проекта стандартные, и их конкретный выбор – дело вкуса и возможностей.

Учитывая разницу в расположении выводов и габаритах используемых компонентов, при повторении конструкции автор рекомендует, прежде всего, приобрести компоненты, и уже после этого решать, каким образом их скомпоновать.

Зарядное устройство было собрано в двух экземплярах. Оба модуля используются для зарядки батарей конфигурации 4S1P емкостью 2 А·ч и 20 А·ч уже более года без проблем или нареканий.

Источник