Зарядка li ion аккумуляторов своими руками: Схемы самодельных зарядок для литий-ионных аккумуляторов (18650, 14500 li-ion), как правильно заряжать литий-полимерные АКБ

Содержание

Зарядка литий-ионных аккумуляторов 18650 своими руками

Статья обновлена: 19.11.2020


Для зарядки Li-ion аккумуляторов 18650 и других типоразмеров важно использовать надежные и походящие им зарядные устройства. Используемое ЗУ должно выдавать подходящий ток зарядки и работать в режиме CC/CV, без излишнего заряда и токовых перегрузок.

Купить готовое устройство с нужными параметрами – проще и надежнее, чем собирать зарядку для литий-ионных аккумуляторов 18650 своими руками. Но такая возможность есть, и самостоятельно сделать зарядник по простой схеме может каждый электронщик.

Подготовка

Для создания зарядного устройства для аккумулятора 18650 своими руками пригодятся:

  • модуль на базе чипа TP4056, а именно вариант со схемой защиты – для отслеживания напряжения при помощи компонентов DW01A и FS8205A;
  • блок питания с вольтажом 12 В и током 2 А;
  • SPST-выключатель с 2 выводами;
  • блок питания на 5 В или вместо него стабилизатор 7805 и 4 конденсатора на 100 нФ;
  • отсек для цилиндрического Li-ion элемента со стандартными параметрами 18х65 мм;
  • печатная плата;
  • разъем питания;
  • паяльник для сборки элементов по схеме;
  • пластиковая коробочка с ориентировочными размерами 8 см х7 см х 3 см;
  • клей для фиксации компонентов;
  • горячий нож для резки пластика;
  • винты, отвертка для завинчивания крышки.

Алгоритм зарядки Li-ion аккумуляторов

Для Li-ion элементов характерно линейное изменение тока и напряжения. Поэтому для восполнения их заряда через USB или обычный блок питания отлично подходит модуль с чипом TP4056. О протекании процесса зарядки сообщают диоды. Безопасное восполнение заряда ведется при стабильном токе 0,2–0,7С. Когда Uвых достигает 4,2 В, начинается зарядка при U=const с плавным снижением тока до 10% от его исходного значения.

Зарядный ток регулирует резистор, соединенный с выводом PROG. Продаваемые модули этой конфигурации обычно имеют резистор на 1,2 кОм и обеспечивают зарядный ток 1 А. Для подзарядки достаточно подать на входной разъем напряжение 4–8 В и соединить «плюс» и «минус» заряжаемой «банки» с контактами модуля TP4056.

Сборка зарядки для литиевого аккумулятора 18650 по схеме

Для завершения сборки электрокомпонентов нужно спаять их согласно схеме:

  1. Положительный контакт разъема питания соединить с произвольным контактом выключателя, а отрицательный – с выводом GND стабилизатора.
  2. Свободный контакт выключателя объединить с выводом Vin стабилизатора.
  3. На макетной плате в диапазоне между Vin и GND выводами поместить параллельно 3 конденсатора.
  4. Между точками Vout и GND поставить оставшийся 1 конденсатор.
  5. Соединить выводы Vout и IN+, GND и IN-.
  6. Положительный контакт аккумуляторного отсека свести с выводом B+, а отрицательный – с В-.

При использовании вместо стабилизатора и конденсаторов 5–вольтного блока питания сделать самому зарядку 18650 еще проще. Нужно просто подключить полюса блока питания к выводам IN+ и IN- модуля TP4056. По окончании пайки остается поместить собранную схему в пластиковый корпус. По заранее прочерченным линиям при помощи горячего ножа в нем нужно сделать окошки для компактного размещения всех компонентов: USB-порта, диодов, выключателя и разъема.

Все компоненты размещаются в самодельном корпусе. Аккумуляторный отсек крепится термоклеем. Модуль TP4056 устанавливается так, чтобы диоды и USB разъем попали в подготовленные под них прорези, и приклеиваются. В конце размещаются и фиксируются клеем стабилизатор, разъем и выключатель. Затем остается привинтить крышку и зашлифовать наждачкой края окошек. Аналогично можно сделать своими руками и зарядку для трех 18650 аккумуляторов, используя соответствующую схему.

Ранее в нашем блоге приводились основные технические характеристики источников бесперебойного питания.

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками Все про Li-ion (литиевые аккумуляторы)

Зарядное устройство литиевой аккумуляторной батареи является источником стабильного напряжения на 4,2 В, который отдает зарядный ток, составляющий 50–100% емкости АКБ (0,5С-1С). К примеру, для накопителя емкостью 1000 мАч необходим зарядник, выдающий ток 500–1000 мА. Если вы решили создать зарядное Li-Ion аккумулятора своими руками, обратите внимание на особенности процесса подзарядки таких накопителей (алгоритм СС/CV):

  • вначале зарядный ток неизменен;
  • когда уровень напряжения АКБ достигает значения Umax, зарядное устройство переходит в режим постоянного напряжения, а ток при этом асимптотически приближается к нулю.

Максимальное напряжение таких батарей зачастую составляет 4,2 В, а номинальное – примерно 3,7 В. До максимального значения заряжать литий-ионные аккумуляторы нежелательно, поскольку перезаряд (как и переразряд) негативно сказывается на их долговечности и характеристиках. При снижении выходного напряжения до значения в 4,1 В емкость устройства уменьшится практически на 10%, зато число циклов заряд/разряд увеличится примерно вдвое. Также при использовании Li-Ion батарей следует избегать падения напряжения ниже минимума в 2,7 В. 

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками 

Для создания зарядника для Li-Ion батареи можно использовать упрощенную схему. Созданное по этой схеме ЗУ практически не нуждается в регулировке. Нужно только:

  • с помощью R8 задать Uвых=4,2 В без подсоединенной батареи;
  • с помощью R4 и R6 установить зарядный ток.

В качестве индикатора работы ЗУ используется светодиод типа «заряд» – при подсоединении севшей АКБ он горит, а при восполнении заряда угасает.

Теперь рассмотрим последовательность создания зарядки для литий ионных аккумуляторов своими руками:

  1. Берем подходящий корпус и в нем размещаем блок питания на 5 В и элементы вышеприведенной схемы в указанном порядке.
  2. Для подсоединения заряжаемого аккумулятора вырезаем 2 полоски из латуни и устанавливаем их на гнезда. С помощью гайки настраиваем дистанцию между подключаемыми к АКБ контактами.
  3. Чтобы иметь возможность менять полярность на гнездах ЗУ, можно дополнительно предусмотреть переключатель. 

Создание зарядного устройства с возможностями защиты

Поскольку Li-Ion батареи чувствительны к чрезмерному повышению напряжения при зарядке (происходит нагрев, обильное образование газа, возможно вздутие и даже взрыв), в фирменных зарядных устройствах содержатся специальные микросхемы, обеспечивающие контроль напряжения. Поэтому для создания ЗУ для Li-Ion аккумуляторов своими руками

лучше всего использовать более сложную схему.

Созданное по такой схеме ЗУ позволяет подзаряжать АКБ с напряжением 3,6 или 3,7 В. Вначале зарядка производится постоянным током 245 или 490 мА (его установка осуществляется ручным способом), а при возрастании напряжения на АКБ до 4,1 или 4,2 В подзарядка далее осуществляется при неизменном напряжении и снижающемся токе. При падении тока заряда до заданного вручную граничного значения (в пределах 20–350 мА) подзарядка устройства автоматически останавливается.

Постоянное значение тока обеспечивает стабилизатор LM317, поддерживающий U

R9=1,25 В. Аналогичный элемент TL431, подсоединенный к управляющему входу LM317, ограничивает Uвых. Ограничивающее напряжение подбирается с использованием делителя на R12…R14. Ограничение тока питания элемента TL431 обеспечивает сопротивление R11.

На транзисторе VT2, элементах R5…R8 и усилителе DA2.2 стабилизатора LM358 создается преобразователь I/U. Его выходное напряжение рассчитывается так: UR5= (IR9*R9*R5)/R6. С сопротивления R5 напряжение идет на вход ОУ DA2.1, а с регулируемого делителя на R2…R4 – на инвертирующий вход компаратора. Элемент LM78L05 стабилизирует напряжение питания делителя. Пороговое значение переключения компаратора определяется величиной R3.

Данный вариант более сложен в реализации и требует от исполнителя наличия соответствующих знаний и опыта. Зато созданное по ней зарядное устройство по функционалу будет практически идентично фирменному аналогу.

Предлагаем вам также ознакомиться со схемой электровелосипеда, которая позволяет самостоятельно создать велосипед с электроприводом.

Самодельное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов 18650

Литий-ионные батареи 18650 очень широко используются во многих электронных устройствах, которые мы используем сегодня. Например, светодиодные фонари, батареи в ноутбуках, электровелосипеды или Power Bank.

Эти батареи являются надежным источником питания, поэтому также очень удобно использовать их в проектах когда вы делаете что-то своими руками. По форме литий-ионные батареи 18650 напоминают пальчиковые батарейкт, но на выходе имеет напряжение 3,7 В с емкостью от 1600 до 3600 мАч (батарейки AA или AAA имеют напряжение 1,5 В/1,2 В).

Однако на данный момент зарядка этих батареек по-прежнему не простой вопрос, так как коммерческие зарядные устройства довольно дорогие. Кроме того, для литий-ионных батарей необходимо зарядное устройство хорошего качества, в противном случае срок службы батареи ухудшится. Сбалансированное зарядное устройство хорошо работает, но оно доступно в более высоком ценовом диапазоне.

Итак, в этом уроке мы решили сделать зарядное устройство Li-Ion, которое одновременно может заряжать четыре 18650-ых. Это зарядное устройство очень простое в изготовлении и выполняет работу сбалансированного зарядного устройства, прекращая питание отдельных батареек после полной зарядки.

Как выбрать зарядку для 18650 Li-Ion аккумулятора.

Итак, мои Топ-5 зарядок для 18650 аккумулятора. Какую выбрать зарядку, чем заряжать 18650 аккумулятор для фонарика или вейпа? На алиэкспресс и других магазинах навалом разных моделей. Вот только когда люди приходят ко мне купить Li-Ion аккуумулятор и/или зарядку для него, то выясняется показывает что прискорбно небольшое число понимает что именно они хотят.

Рабочие купоны и промокоды на aliexpress на апрель 2020 смотрим тут!

Узнать как купить хороший 18650 аккумулятор на алиэкспресс можно тут , а как выбрать светодиодный фонарик тут

коли речь зайдет о выборе зарядки, то уместно отметить что этак года с 2020 я покупаю аккумуляторы на nkon.nl, весьма известном и уважаемом магазине с исключительно широким ассортиментом и отличными ценами. Доставка платная, но в каких-то ситуациях можно даже брать тут 3-4 акка — выйдет столько же сколько из Китая, но быстрее и со 100% гарантией оригинальности. А если брать в большем кол-ве, для то цена вообще будет вне конкуренции

Ожидаемо, какая-то очередная «самая популярная и дешевая зарядка для 18650 на алиэкспресс» для многих — первый же выбор, хотя бы в силу цены. Чтобы удержать вас от покупки такой дряни, коротко (благо тут нет смысла рассусоливать) раскажу что хорошую зарядку для лития можно купить на алиэкспресс под любой, даже самый скромный бюджет и при этом не упасть до откровенного шлака.

Разумно дать ссылку на единственный 18650 аккумулятор, который я покупаю на али. На мой взгляд, по соотношению цены и емкости это самый хороший литий-ионный 18650 аккумулятор с алиэкпресс.

Во всех остальных случаях шанс нарваться не подделку исключительно высок, если только речь идет не о опять-таки всяких аккумов от фонарных производителей. Последние адски дОроги и являют собой ту же перепаковку других акков. так что брать их смысла ноль. А нормальные акки я беру на nkon.nl.ru. Так вот, аккумулятор, про который я веду речь — перепаковка оригинальных панасониковских NCR18650B. Ячейки ушли с отбраковки, но похоже что ее логика сводится к выводу за борт всего, что ниже 3350mah и продаже этих несортовых банок для дальнейшей реализации на том же али. Собственно, почти все заказанные мной банки были где-то 3250-3350mah, что меня более чем устроило за свою цену. Я заказывал ОЧЕНЬ много этих акков, нареканий ноль. Для бытовых целей этих низкотоковых банок вам хватит за глаза. Вот ссылка. Повторюсь, для большинства фонариков это будет самый лучший литий-ион аккумулятор с aliexpress. токоотдача небольшая, но 3-4А это вполне достаточно для большинства фонариков, а плата защиты спасет от переразряда.

Графики в моих обзорах фонариков показали что самый популярный фонарик на али — convoy, в своих опять-таки самых популярных моделях (s2+, c8, c8+) работает на этом аккуме фактически также как с каким-то более дорогим оригинальным средне или высокотоковым. Поэтому брать какой-то другой аккумулятор в недорогой китайский фонарик смысла я не вижу. А если вам нужен 18650 аккумулятор для дешевого налобника с али, то тут только этот вариант — риск глубокого разряда и смерти аккумулятора слишком большой. В таких налобниках нет защиты, приходится полагаться на соответствующую уже в самом 18650 аккумуляторе.

Начну с того почему не стоит брать вот такие вот изделия всемирно известной компании noname. С учетом копеечной разницы между этой поделкой и нормальной зарядкой, смысла брать что-то наподобие этого вообще не вижу.

  • работа только с литием.никакого никеля.
  • черт его знает какой алгоритм зарядки.
  • хорошо если чуть недозарядит, но может гнать до 4.3в, что весьма плохо для химии
  • качество сборки соответствует цене — не факт что не сломается или не бабахнет.

ну и важный момент — зарядка для 18650 аккумулятора = зарядка для 26650 аккумулятора, все модели ниже имеют подвижную штангу для зарядки почти всех моделей li-ion аккумуляторов

Если вы крайне ограничены в бюджете, то я могу порекомендовать вот эту зарядку. За всего-то полтора бакса вы получите компактную штуку с USB питанием и 0.5-0.6А током. я покупал, заряжает нормально. Естественно, поддержка только лития.

Xtar (после недавнего ребрендинга они продаются под маркой allmaybe)

Но, лично для меня, явным фаворитом в сегменте недорогих зарядок на один слот является Xtar MC1. Это предельно компактная (габаритами где-то в указательный палец) зарядка. В отличие от литокалы она не может похвастаться тем же 1А током зарядки (upd Xtar MC1plus 1A зарядный ток уже есть. ), но зато тут есть фирменная технология подъёма глубокоразряженных акков. Да и, в целом, можно быть уверенным что не будет перезаряда и сам процесс зарядки будет корректный.

Периодически процессе написания обзора фонариков я сталкивался с ситуацией разряда акка ниже 2в. И другие зарядки, те же литокалы разных мастей просто не определяют такие акки. Разумеется, ушатанный вообще в ноль аккумулятор с деградировавшей химией тут реанимировать не удастся. В комплекте идет чехол, можно с собой таскать куда-то там.

0.5А ток выливается где-то в 6 часов зарядки, +\- в зависимости от емкости и глубины разрядки акка. Если ставить на ночь (а в массе своей так и происходит), то этого хватит вообще за глаза. Для зарядки в машине, по пути, этого уже будет маловато и надо смотреть на ту же литокалу.

Зарядка не поддерживает никели, т.е. нельзя заряжать обычные АА\ААА.

Ценник у обеих версий ниже на али вполне подъёмный, порядка 4-7 баксов в обычной и plus версиях. Я детально тут их не привожу потому что они туда-сюда гуляют.

Xtar MC1 aliexpress xtar mc1 gearbest нашел вот пока самый доступный вариант, всего 4.4$. Там же можно купить Xtar MC1 plus xtar mc1 plus gearbest отличается лишь индикатором.

Есть еще вторая версия. Фактически это тот же MC1, но на два акка.

xtar mc2 aliexpress xtar mc2 gearbest

Для тех кому надо заряжать аккумулятор быстро, Xtar сделали специфическую модель. Это компактная быстрая зарядка с 2А током. Это избыточно для чего-то типа 2600mah, но вполне приемлемо для 3000-3400, и идеально для емких аккумуляторов типа 21700\2665. Xtar SC1 Ценник реально крохотный и я всячески рекомендую эту модель. Сам заказал уже с десяток.

Из остальных версий отмечу только VC2, которая при том же корректном алгоритме зарядки имеет преимущество в хорошем и наглядном индикаторе. Остальные модели, пусть и интересны, но проигрывают литокале по цене\функционалу, поэтому менее предпочтительны и я тут про них рассказывать не буду.

ценник крутится в районе 14 баксов. и тут как в других моделях надо отталкиваться от наличия пойнтов и купонов.

Xtar VC2 gearbest 11.83$ тут он сейчас дешевле чем где-либо, особенно если пойнтами отломить.

xtar vc2 ali 13.78$

Liitokala

долгое время крайне популярной среди осведомленных людей зарядкой на 1 слот был миллер, чей убогий конструктив компенсировался хорошими потрохами и грамотным процессом зарядки. Так продолжалось до момента выпуска 101й литокалы. Пусть и простейшая, но индикация процесса зарядки и напряжения акк, всядность химии и типоразмеров, возможность работы в режиме павербанка и 0.5\1А ток на выбор — эта модель моментально стала хитом продажи как самая дешевая и при этой хорошая зарядка для литиевых аккумуляторов.

после этого постепенно стали выходить модели на большее количество акков, 202 — на два, 402, на 4 и вот недавно вышла модель на 3 акка. от 101 они отличаются только количеством разъёмов.

Разумеется, надо понимать что если ваш блок питания выдает 2А, то заряжать 4 акка можно будет не выше 0.5А на каждый.

Если выход 101й убрал с рынка миллер, то 202\402 полностью уронили продажи найткоровских зарядок. Я помню как в 15\16 году неплохо ими торговал. Кончилось все тем что остатки я просто сдал в вейп-шоп по закупу, за свои деньги никому этот найткор не впился. Кроме цены есть и функциональный минус — например кипячение никеля 1А током.

Liitokala 101 ценник в разных магазах гуляет туда-сюда в пределах полубакса, составляя где-то 6$

liitokala 202 gearbest 6.38$ liitokala 202 aliexpress 8.11$

liitokala 402 gearbest 8.99$ liitokala 402 aliexpress 10.99$

Отдельно расскажу про популярную 4хслотовую зарядку. Liitokala Lii-500 это фактически все-в-одном комбайн.

Зарядка, тест емкости (при его принудительном раз за разом запуске можно фактически запустить тот же refresh что и в Opus), полная индикация (включая сопротивление). Ток зарядки от 0.3 до 1А на канал, куча разных химий и типоразмеров.

За свою небольшую цену эта зарядка является отличным выбором для тех, кто хочет чего-то большего чем просто зарядка акков или если у вас их много и надо оценивать их состояние, быстро заряжать.

Liitokala Lii-500 aliexpress 20.99$ (есть варианты комплектации, можно взять с автоадаптером)

Liitokala Lii-500 gearbest $17.96

Opus

Финальным штрихом (я не буду говорить про модельные зарядки типа Imax, так как коли в в этом деле — вы и так про них знаете) пойдет Opus BT — C3100 V2.2

Это крайне популярная зарядка среди тех, кому постоянно приходится иметь дело с аккумуляторами. Я сам пользовался такой где-то год, но перешёл все-таки на 500ку. При почти двухкратной разнице в цене я не увидел для себя явного преимущества в функционале. 2А ток зарядки мне не важен, а функция refresh может работать и в 500й литокале, занимая где-то 3-4 ручных запуска norm test, т.е. зарядка-разрядка-зарядка.

Ну, да, еще одним явным функциональным плюсом является наличие вентилятора, что крайне разумно когда сразу 4 акка заряжаются или разряжаются высоким током

Opus BT — C3100 V2.2 aliexpress 30.46$ Opus BT — C3100 V2.2 gearbest 34.99$

в принципе, на этом можно и остановится. Есть еще несколько других специфических моделей, но уверен что для исключительного большинства из читателей хватит какой-то из вышеперечисленных. Я пользовался ими всеми, продавал десятками и за все время только один раз у одной штуки 202 литокалы не срабатывала остановка зарядки, он гнал акк до упора. Но это один из нескольких дюжин.

Зарядки для 21700 аккумуляторов.

Отдельно стоит упомянуть популярные когда-то зарядки Nitecore. Единственное, чем они сейчас меня привлекают, так это тем что даже в самые простые модели отлично влезают 21700 аккумуляторы. А так как купить 21700 фонарик на алиэкспрес сейчас вообще не сложно, то факт того что литокаловские зарядки вмещают из со скрипом реально печалит. А какие-то модные брендовые 21700 аккумуляторы вообще не влезут. Так что в такой ситуации и оправданно покупать зарядки Nightcore, только для 21700 аккумуляторов. Рекомендую той, которой пользуюсь сам — nitecore UI2 (см мой обзор зарядки Найткор). Еще дешевле — UI1.

Если финансы позволяют, то можно взять что-то кардинально лучше, благо Найткор исправили тут почти все косяки прошлых моделей (типа прожарка ААА никелевых акков током в 1А)

Итак, Nitecore UM4 (обзор). Кстати, вот сейчас, добавляя эту зарядку в подборку, обратил внимание что ценник упал до уровня Liitokala Lii-500, очень даже неплохо!

Важно! Все актуальные купоны и промокоды на Алиэкспресс смотрим тут!

Разумеется, где аккумуляторы — там и фонари. Посмотрите блок «об авторе» ниже, там есть мои подборки хороших фонарей на любой вкус.

Для каких аккумуляторов подходит устройство?

Схема предназначена для зарядки только одной банки литиевого аккумулятора. Можно заряжать акб стандарта 18 650 и иные аккумуляторы, только нужно выставить соответствующее напряжения на выходе из зарядника. Если вдруг по каким-то причинам схема не заработает, то проверьте наличие напряжения на управляющем выводе микросхемы. Оно должна быть не менее 2,5 Вольт. Это минимальное рабочее напряжение для внешнего источника опорного напряжения микросхемы. Хотя встречаются варианты исполнения, где минимальное рабочее напряжение составляет 3 Вольта. Целесообразно также построить небольшой тестовый стенд для указанной микросхемы, чтобы проверить ее на работоспособность перед пайкой. А после сборки тщательно проверяем монтаж.

В ещё одной публикации материал об улучшении зарядки для шуруповертов.

Переделка Зарядки Шуруповерта На Литиевый Аккумулятор

Наверное обладатели шуруповёртов желают переработать батареи у них на литиевые аккумуляторные элементы. На данную тему написано много статей и в реальном материале хотелось бы суммировать информацию на эту тему. Сначала разглядим резоны в полезность переделки шуруповёрта на литиевые батареи и против нее. Также разглядим отдельные моменты самого процесса смены аккумов.
Прежде всего следует задуматься, а нужна ли мне эта переделка? Это будет откровенный «самопал» и в ряде всевозможных случаев приводит к износу как аккума, так и самого шуруповёрта. Потому, необходимо рассмотреть что остается сделать нашему клиенту за и против этой процедуры. Вам, что после чего некие из вас решат отрешиться от переделки Ni─Cd аккума для шуруповёрта на литиевые элементы.

  • Энергетическая плотность литий─ионных частей существенно выше, чем у никель─кадмиевых, которые по дефлоту употребляются в шуруповёртах. Другими словами, аккумулятор на литиевых банках имеет наименьший вес, чем на кадмиевых при той же ёмкости и выходном напряжении;
  • Зарядка литиевых аккумуляторных частей происходит существенно резвее, чем для которого предназначена конструкция Ni─Cd. Для их неопасной зарядки будет нужно около часа;
  • У литий─ионных аккумов отсутствует «эффект памяти». Это означает, что их необязательно стопроцентно разряжать загодя до того, как ставить на зарядку.

Сейчас о недочетах и сложностях литиевых аккумов.

  • Литиевые аккумуляторные элементы нельзя заряжать выше 4,3.5 вольта и разряжать ниже 2.7,7 вольта. В реальных критериях Данный интервал ещё более узенький. Если выйти за эти пределы аккумулятор есть вариант вывести из строя. Потому, не считая самих литиевых банок для вас будет нужно подключить и установить в шуруповёрт контроллер заряда-разряда;
  • Напряжение }учебника элемента Li─Ion 3,6─3,7 вольта, для Ni─Cd и Ni─MH это значение 1,4.5 вольта. Другими словами, появляются задачи со сборкой батареи аккумуляторной для шуруповёртов с номиналом по напряжению 12 вольт. Из трёх литиевых банок, соединённых поочередно, можно собрать АКБ номиналом 11,1 вольта. Из четырёх ─ 14,8, из 5 ─ 18,5 вольта и т.д. Чем, что и пределы напряжения при заряде-разряде также будут другие. Другими словами, возникают трудности сопоставимости переделанной батареи с шуруповёртом;
  • По большей части в роли литиевых частей для переделки употребляются банки эталона 18650. По размерам они отличаются от Ni─Cd и Ni─MH банок. Сегодня, необходимо будет место для контроллера заряда-разряда и проводов. Всё это необходимо будет уместить в стандартном корпусе АКБ шуруповёрта. По другому работать им будет очень неловко;
  • Зарядное устройство для кадмиевых аккумов может не подойти для зарядки батареи после её переделки. Может быть, будет нужно доработка ЗУ либо внедрение универсальных зарядок;
  • Литиевые батареи теряют работоспособность при отрицательных температурах. Это критично для таких, кто употребляет шуруповёрт вне помещения;
  • Стоимость литиевых аккумов выше кадмиевых.

Необходимо обусловиться с количеством частей в батарее, что в конечном итоге решает величину напряжения. Для трёх частей потолок будет 12,6, для четырёх ─ 16,8 вольта.

Речь идёт о переделке обширно распространённых аккумов с номиналом 14,4 вольта. Лучше всего выбрать 4 элемента, так как во время работы напряжение достаточно стремительно просядет до 14,8.

Различие в несколько вольт не отразится на рабочем месте шуруповёрта.

САМАЯ ДЕШЁВАЯ ПЕРЕДЕЛКА ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА под литиевые аккумуляторы Li Ion

Уже сегодня, много литиевых частей даст огромную ёмкость. А это значит, большее рабочее время шуруповёрта.

Литиевые аккумуляторные элементы 18650

Номинальное напряжение литиевых частей 3,6─3,7 вольта, а ёмкость в основной массе составляет 2000─3000 мАч. Если позволяет корпус аккума, сможете взять не 4, а 8 частей. По два соединить их в 4 параллельные сборки, а в окончании уже их подключить поочередно. И поэтому вы можете с легкость нарастить ёмкость АКБ. Но далековато не в кто корпус получится упаковать 8 банок 18650.

И последний предварительный шаг – это выбор контроллера. По своим чертам он должен соответствовать по номинальному напряжению и току разряда. Другими словами, если вы решили собирать батарею 14,4 вольта, то выбираете контроллер с этим напряжением. Рабочий ток разряда обычно выбирается вдвое меньше, чем максимально допустимый ток.

Плата контроллера заряда-разряда

Выше мы установили, что максимально допустимый краткосрочный ток разряда для литиевых частей 25─30 ампер. Означает, контроллер заряда-разряда обязана стать рассчитана на 12─15 ампер. Тогда защита будет срабатывать при увеличении тока до 25─30 ампер. Не забудьте также о габаритах платы защиты. Её вкупе с элементами необходимо будет уместить в корпус АКБ шуруповёрта.

А далее идёт процесс сборки. Поначалу разбираете корпус аккума. Если это модель на 14,4 вольта, то снутри будут 12 никель─кадмиевых аккумов номиналом 1,3.5 вольта.

Сборка никель─кадмиевых аккумов

Впоследствии необходимо спаять приобретенные элементы в сборку с поочередным соединением. Дальше к ней припаивается контроллер соответственно с его схемой. При всем этом подключаются балансировочные точки. На плате бывают им особый разъём, а нередко и провода с коннектором поставляются в комплекте.

Переделываем зарядное устройство шуруповерта Интерскол 12В под Li Ion аккумуляторы

Корпус аккума шуруповёрта

После сборки батареи припаиваются выводы на плюс и минус, и вся конструкция помещается в корпус. По большому счету, процесс на этом деле закончен. Трудности случаются только с зарядным устройством.

Однако почти всегда штатные зарядки для шуруповёртов заряжают литиевые элементы легко. При всем этом заряд банок идёт через контроллер, потому чего-то особенного с самими элементами не произойдёт.

В сети встречаем советы по экономии на плате контроллера. Другими словами, покупается модель подешевле, рассчитанная на наименьший ток. А чтоб она не ограничивала работу шуруповёрта, разряд делают не через контроллер, а впрямую от банок. А их зарядка, как положено, идёт через контроллер.

Источник: https://vdiweb.ru/peredelka-zarjadki-shurupoverta-na-litievyj/

Как собрать зарядку для литий-ионных аккумуляторов своими руками?

Поскольку Li-Ion батареи чувствительны к резкому напряжению во время зарядки, в фирменных АКБ встроены специальные микросхемы. Они обеспечивают контроль напряжения и не позволяют превышать допустимые пределы. Поэтому для того чтобы собрать зарядку для литиевых аккумуляторов 18650 своими руками, нужна более сложная схема, чем та, о которой шла речь выше.

Такой вариант АКБ будет создать намного сложнее, чем предыдущий и в домашних условиях это возможно, только если есть определённые навыки и соответствующий опыт. В теории вы сможете получить зарядное устройство, которое по характеристикам ничем не будет уступать фирменным АКБ. Но на практике это далеко не всегда так.

А вы собирали ЗУ в домашних условиях из подручных материалов? Расскажите в комментариях о своих результатах.

Меры предосторожности: перезаряд недопустим

Крайне важно перед началом сборки АКБ для батарей запомнить одну простую вещь — литиевые аккумуляторы строго запрещено перезаряжать. У них очень строгие требования к режиму зарядки и эксплуатации, поэтому их нельзя заряжать до напряжения больше 4,2 В. А ещё лучше руководствоваться информацией о безопасном пороге для каждой отдельно взятой банки. Кстати, там может быть указан даже меньший порог, который считается допустимым для этого экземпляра.

Ещё лучше, если вы собираетесь делать зарядку для литиевых аккумуляторов своими руками, несколько раз проверить используемые материалы и оборудование. Если у вас сомнения относительно точности показаний вашего вольтметра или происхождения банок, а также максимально допустимой мощности их заряда, лучше ставить порог ещё меньше. Оптимально будет в пределах 4.1–4.15 В. В этом случае заряжать АКБ, у которых нет встроенной платы защиты, будет безопасно для вас.

В противном случае велика вероятность сильного нагрева и вздутия банок, обильного выделения газа с резким неприятным запахом и даже их последующего взрыва. Проверьте все несколько раз перед тем, как приступать к сборке и зарядке.

Общие требования к зарядке аккумуляторов 18650

Во время заряда литиевых батарей 18650, на выходе обязательно должно подаваться напряжение 5 В, значение тока 0,5 – 1А (берется от минимального значения ёмкости АКБ). Другими словами, литиевый аккумулятор, ёмкостью 2600 мАч, необходимо заряжать током, в диапазоне 1,32,6 ампера. Изготовители зарядок для таких батарей, выпускают устройства, выполняющие такой процесс, несколькими шагами.

Сначала подается ток 0,2 А. Причем напряжение одной банки достигает 4,1–4,2 вольта. На такую операцию уходит меньше одного часа. На втором этапе подается постоянное напряжение. Чтобы уменьшить время заряда, на производстве начали выпускать зарядник с импульсным режимом

Некоторые литий-ионные аккумуляторы оборудованы графитовым электродом. Чтобы заряд проходил нормально, необходимо, чтобы на каждый элемент подавалось напряжение, превышающее 4,1 вольта. Если взять обычный литиевый аккумулятор, повышение напряжения приведет к увеличению энергетической плотности, одновременно начнут свою активную деятельность окислительные процессы.

В результате срок эксплуатации литиевого аккумулятора резко снижается. Такого явления не наблюдается в батареях, оборудованных графитовыми электродами. Окисление снижается специальными добавками. Другими словами увеличение напряжения в графитовых батареях не является критичным, но лучше этого не делать. Если начать заряжать аккумуляторы 18650 током 1А, для полного заряда потребуется приблизительно 2–3 часа. За этот время напряжение поднимется до определённой величины. Во время работы зарядное устройство быстро уменьшает ток на несколько процентов (считается от первоначальной величины). Увеличение тока заряда (больше 1 ампера) не оказывает серьезного влияния на время зарядки. Вторая стадия заряда, обычно продолжается намного дольше, чем в самом начале.

Промышленность изготавливает зарядные устройства, которые способны полностью зарядить литиевый аккумулятор18650 приблизительно за один час. Эти приборы не в состоянии провести второй этап, он полностью отсутствует. На первоначальном этапе зарядка АКБ осуществляется примерно на 60–80 процентов. Затем она начинает эксплуатироваться в приборе. Такой заряд не может считаться критичным для литиевых элементов. Даже наоборот, они не должны полностью заряжаться, аккумулятор не должен сильно разряжаться

Самая простая схема

Сегодня рассмотрим варианты UDB-зарядного устройства для литиевых аккумуляторов, которое сможет повторить каждый. Схема самая самая простая, которую можно только придумать.

Товары для изобретателей

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов лучше приобретать оригинальное. Оно долговечное, практичное, удобное в использовании. При эксплуатации такого изделия необходимо соблюдать меры предосторожности. Нельзя допускать полной разрядки батареи, в противном случае она утратит часть емкости, но зарядка при этом не пострадает.

Так выглядит зарядное устройство для литиевых аккумуляторов.

Оригинальные зарядные устройства

Литий-ионные аккумуляторы устанавливают в смартфоны, видеокамеры, светильники. Чтобы такие АКБ хорошо функционировали, необходимо подбирать к ним качественную зарядку. Современные Li-ion батареи имеют смарт-систему, контролирующую уровень заряда.

Она отслеживает и анализирует функции элементов питания. Зарядка идет с применением специальной технологии, которая постоянно подает электроэнергию. Эта технология нужна для того, чтобы Li-ion не перезаряжался.

Нельзя полностью разряжать литий-ионные АКБ, в противном случае они будут функционировать недолго. Рекомендуется выполнять зарядку, не дожидаясь полной разрядки. Лучше, чтобы элементы питания всегда были заряженными на 25-30%.

Оригинальные зарядные устройства имеют следующие преимущества:

  • удобство в эксплуатации;
  • ценовая доступность;
  • наличие гарантийного талона.

Такие изделия обеспечивают функционирование разных видов аккумуляторов. Покупателю не нужно приобретать несколько зарядок.

Устройства снабжены USB-разъемом, микропроцессором, а также жидкокристаллическим дисплеем, позволяющим наблюдать за процессом подачи электроэнергии: на дисплее видны емкость и уровень тока.

Зарядка литий-ионных аккумуляторов

Прибор, предназначенный для АКБ литий-ионного типа, имеет ряд сходств с зарядным устройством для свинцово-кислотных аккумуляторов. Но у Li-ion более высокое напряжение на «банках» (элементы питания). При значении 4,2 В не осуществляется подача электроэнергии. Качественная Li-ion батарея заряжается 2-3 часа. Время зависит от того, какая у нее емкость.

Чтобы продлить срок службы зарядного устройства, следует приобретать оригинальное. Такой прибор дает АКБ необходимый уровень напряжения.

Качественная зарядка работает правильно и максимально долго, она снабжает электроэнергией все элементы.

Применение некачественного устройства может привести к тому, что компоненты, получающие электрический ток, перезарядятся, в результате пострадает химическая система аккумулятора. Из-за этого будет утрачена емкость.

Для продления срока службы зарядки нужно хранить АКБ, заряженные на 30-50 %. Батареи, которые долго не получают электроэнергию, лучше вынимать. Нельзя хранить слабо заряженный литий-ионный аккумулятор, иначе он перестанет функционировать.

Длительная «спячка» наносит вред, и устройство не удается восстановить. Перезарядка тоже не рекомендована. У Li-ion нет эффекта памяти. Чтобы химическая система была в норме, следует разряжать батарею до 20% и заряжать до 95%.

Непрерывная зарядка тоже может нанести вред. Чтобы элементы питания функционировали долго, надо ставить на зарядку Li-ion, когда у него остается 30% электроэнергии. На литий-ионный аккумулятор плохо воздействует перезарядка и полная разрядка.

Автоматическое зарядное устройство для литий ионных АКБ на 48v 2А.

Литий-полимерные (Li-Po) аккумуляторы заряжают по такому же принципу. Устройства доступны по цене, но не всегда корректно показывают окончание процесса зарядки.

Li-Po нужно эксплуатировать, соблюдая меры предосторожности, иначе они выйдут из строя навсегда.

Уровень заряда не должен быть выше значения 4,2 вольт она одну банку. Не следует допускать того, чтобы АКБ нагревалась до 60°C. Важно хранить Li-Po разряженными.

Простейшее устройство зарядки одного элемента

Для создания прибора требуется установить выходное напряжение 4,2 В, используя резистор R8. Батарея не должна быть подключена. Далее нужно установить зарядный ток, взяв резисторы R4 и R6 (у R1 мощность более 1 Вт).

Аккумулятор заряжен, когда светодиод не горит. Нельзя использовать такое устройство слишком долго, особенно после того, как АКБ разрядится полностью. Для Li-ion можно применять микросхему lm317, стоит она недорого (до 50 руб).

Зарядное устройство для литий-ионного аккумулятора можно сконструировать своими руками. Но следует иметь навыки, в противном случае может получиться нефункционирующее устройство. Перед тем как приступать, надо проверить детали, которые будут использоваться.

Для измерения уровня мощности следует использовать вольтметр. Процедура крайне важна, и без нее можно допустить ошибку. Нужно выявить мощность банок, определить их максимальный заряд.

Для безопасной эксплуатации «самоделки» надо добиться снижения порога. Важно придерживаться этих правил, иначе детали устройства перегреются, начнет выделяться вредный газ. Некачественная самоделка может взорваться.

Для максимально корректной эксплуатации прибора требуется выходное напряжение 4,2 В. АКБ не должна быть подключена. При разрядке батареи светодиодная деталь загорается, а при полной зарядке – гаснет. Необходимо взять корпус, установить на нем блок питания и дополнительные детали. Можно купить элементы ардуино.

Следует сделать полоски из латуни, закрепив их на гнездах. Контакты должны располагаться на расстоянии от батареи.

Нужно будет установить переключатель (с его помощью можно будет регулировать полярность гнезд).

На завершающем этапе необходимо будет проверить работу самодельного аккумулятора. У людей без специального образования вряд ли получится собрать зарядное в домашних условиях.

Усовершенствование зарядного устройства для Li-ion аккумуляторов

Для зарядки литий-ионных батарей, имеющих спаянные элементы, следует использовать контрольную микросхему. Лучше подавать электрический ток в каждую ячейку по отдельности. Схема контролирует уровень заряда, без нее АКБ может прийти в негодность. В некоторых случаях перегревшийся блок воспламеняется.

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов 12 вольт – устройство балансира

Термином «балансировка» обозначают режим подачи электроэнергии, в процессе которого контролируются элементы батареи. Благодаря ему напряжение чрезмерно не возрастает и не снижается до критических значений.

Литий-ионная АКБ устроена так, что отдельные ее элементы заряжаются быстрее, из-за чего могут пострадать остальные детали. Если неправильно заряжать такой аккумулятор, он быстро «износится». Балансир схемы имеет элементы, получающие много энергии. Они контролируют подачу электроэнергии в отдельные ячейки.

Если все элементы аккумулятора Li-Ion разряжаются, в дальнейшем возникают трудности с зарядкой. Если же из строя выходит хотя бы одна ячейка, появляется угроза для АКБ. В этом случае можно применить схему, которая оснащена регулируемым стабилизатором TL431.

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов 12 вольт.

Импульсное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов

Быстрозарядные устройства имеют импульсные преобразователи ШИМ и работают следующим образом. Вначале ток 220 В подается на сборку D1 и D4. После этого сглаживается пульсация на конденсаторе с маркировкой C1.

Он получает напряжение 300 В, которое обеспечивает питание аккумулятора импульсного типа с трансформатором T1. Для функционирования микросхемы А1 применяется резистор R1. Затвор полевого транзистора VT1 получает импульсы и раскрывается.

Первичная обмотка импульсного трансформатора Т1 получает электроэнергию от цепи транзистора. Запускается трансформатор, импульсы идут на вторую обмотку.

Импульсы нужны для того, чтобы улучшить функционирование микросхемы A1. Если диоды Д6 становятся неисправными, источник начинает работать в режиме пульсации.

Быстрозарядное устройство g4 1h ryobi one bcl14181h

Ryobi BCL14181H – оригинальное универсальное устройство, используемое для подачи электроэнергии в литий-ионные и NiCd аккумуляторы. Оно имеет светодиодные датчики и опцию поддержания заряда.

Ryobi BCL14181H лучше эксплуатировать при положительных температурах: от +1 до +45°C. С Ryobi BCL14181H АКБ заряжается 40-60 минут. Зарядное устройство предъявляет требования к аккумуляторам: их емкость должна составлять 1.7/4 Ач. Устройство весит 800 г.

Ремонт зарядной станции

Если устройство выходит из строя, следует обратиться к профессиональному мастеру. В некоторых случаях можно самостоятельно устранить проблему. Если не функционирует индикатор питания, нужно убедиться в том, что не нарушена целостность цепи первичной обмотки трансформатора.

Для защиты обмотки трансформатора от перегрева надо установить специальный предохранитель. Он разорвет цепь питания, когда температура достигнет значения +120°C. Чтобы схема снова начала функционировать, нужно выполнить спаивание концов обмотки. Должен получиться один целостный элемент.

В этом случае трансформатор не будет иметь защиты, и во время работы зарядки случится короткое замыкание. Установка сетевого предохранителя поможет избежать такой проблемы.

РЕМОНТ ЗАРЯДНОГО ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Сосед обратился с просьбой отремонтировать зарядное устройство для литиевого аккумулятора. После переполюсовки зарядное полностью перестало реагировать на сеть и аккумулятор. Так как тема использования аккумуляторов типоразмера 18650 для меня имеет в последнее время прикладной характер, решил соседу помочь.

Зарядное для аккумуляторов 18650

Со слов соседа, алгоритм работы устройства таков: при подключенном аккумуляторе и поданном сетевом напряжении загорается красный светодиод и горит до тех пор, пока аккумулятор не зарядится, после чего загорается зеленый светодиод. Без установленного аккумулятора и поданном сетевом напряжении, светится зеленый светодиод.

Судя по этикетке, заряд током 450 mA осуществляется в щадящем режиме, но как оказалось после вскрытия это вариант эконом)). Схема зарядки состоит из двух узлов: преобразователя сетевого напряжения на одном транзисторе MJE 13001 и контроллера уровня заряда.

Разборка зарядного от Li-Ion 18650

Схема зарядного для АКБ

Преобразователь на одном MJE 13001 часто встречается в дешевых зарядках для телефонов, а так же в зарядках типа «лягушка». Рисовать ее не стал – просто посмотрел в интернете похожую схему. Плюс, минус один резистор/конденсатор большой роли не играют. Схема типовая.

Тестером прозвонил диоды, стабилитрон и транзистор, убедился в их целостности. Решил проверить резисторы и попал в точку! Оказался оборванным резистор R1 – 510 кОм (на вышеприведенной схеме это резистор R3), подтягивающий напряжение питания к базе транзистора. В наличии такого не нашлось, взамен его был установлен резистор на 560 кОм.

После замены резистора зарядка завелась.

Зарядное заработало — светодиод светится

Ради интереса заглянул в даташит контроллера заряда аккумулятора. Им является микросхема HT3582DA.

Так же часто встречается ее клон СТ3582.

Схема включения HT3582DA

Как выяснилось, допускаются два варианта включения микросхемы: 5-й вывод замыкается либо с 8-м либо с 6-м выводом. В моем случае были замкнуты 5-й и 6-й. Как видим, производитель заявляет максимум 300 мА. Так что, на этикетке зарядки выражен большой оптимизм в 450 мА))). Но самое интересное ждало впереди. Проверка мультиметром напряжения на выходе зарядного показала его обратную полярность.

Напряжение на выходе ЗУ

Как оказалось, сначала нужно вставить аккумулятор для определения контроллером полярности, а потом включать в сеть. В даташите говорится о автоматическом определении полярности батареи. Кроме того, контроллер легко выдерживает короткое замыкание на выходе.

При КЗ заряд отключается

Для проверки результатов ремонта вставил аккумулятор и включил зарядное в сеть. Через какое то время заметил, что красный светодиод не светится, а значит снова что то не работает. Ни какого криминала при вскрытии выявлено не было, все доступные проверке тестером элементы в порядке. Начал подумывать на контроллер, но решил перед началом поисков его в магазинах проверить конденсаторы. В наличии имеется тестер полупроводниковых приборов Т4. С его помощью были проверены электролиты, а затем и керамические конденсаторы. И вот они то меня сильно и удивили. Оба конденсатора на 0,1 мкф показали следующее:

   

   

   

Тестер полупроводниковых приборов Т4 меряет конденсаторы

Конденсатор 472 пФ почему то оказался аж 8199 пФ. Поскольку такого в закромах не нашлось, пришлось слепить из двух близкое значение. Конденсаторы на 0,1 мкф заменил на исправные с предварительной проверкой параметров.

Ремонт закончен

После произведенных манипуляций зарядное заработало должным образом. Сосед счастлив и распространяет информацию о моих магических способностях). Автор материала — Кондратьев Николай, Г. Донецк.

   Форум по ремонту техники

Зарядка литий ионных аккумуляторов 18650 своими руками

10.05.2017 Электронная техника

В этом видеоуроке продемонстрировано, как сделать зарядку для популярных литий ионных аккумуляторная батарей формата 18650, многие пользуются подобными. Видео канала «самоделки и Обзоры посылок от jakson» о том, как сделать собственными руками всего за пол американского доллара, внизу статьи.
Тема актуальная, к примеру, фонарик, что не имеет встроенной функции зарядки аналогичных аккумуляторная батарей, ему не обойтись без самодельного зарядного устройства.

В Китае самые недорогие стоят от 3$, выше. Приобрести возможно в этом китайском магазине. Плагин на Google Хром для экономии в нём: 7 процентов с приобретений возвращается вам.

Создатель ролика продемонстрировал, как сделать собственный зарядное устройство на два аккумулятора, наряду с этим израсходовав меньше 0,5$.

Единственное, что купить – недорогие модули для зарядки литиевых акб, они способны зарядить те, что употребляются в радиоуправляемой технике, стоят недорого. Возможно было бы сделать самому подобный модуль, но в этом ненужно, вероятнее выйдет дороже. Продаются модули дешево в этом китайском магазине.

Плагин на Google Хром для экономии в нём: 7 процентов с приобретений возвращается вам.

Дабы аккумуляторная батареи 18650 заряжались независимо друг от друга, потому, что они владеют различной емкостью, будем применять два модуля.

По сути в этих модулях нет ничего умного, на входе стоит mini usb разъем для питания модуля, на выходе два контакта: плюсовой и отрицательный для подсоединения аккумулятора, так же два светодиода — индикаторы зарядки, один показывает процент зарядки, второй то, что акб уже зарядился.

Единственная задача, которую предстоит выполнить собственными руками, это сделать корпус для зарядного устройства — для этого будем применять обрезки двп, они простые в обработке.

Дабы их разрезать без стружки и пыли, используем скальпель, подойдет второй острый, режущий инструмент, к примеру, строительный канцелярский нож.

По структуре материал достаточно мягкий, больше напоминает картон, нежели какую-то древесину.

В общем нарезал двп при помощи скальпеля, это заняло около 10 мин., но оказалось не бережно, поскольку лезвие время от времени соскакивало. Края, где был произведен срез, не ровные, они под углом, но это не критично, потому, что в эти места будет заливаться термоклей, которым скрепим конструкцию. А на краях возможно поработать наждачкой, которая сгладит все недостатки.

Будет скомпонован корпус зарядного устройства.

С данной стороны выведем один mini usb разъем, от него второй модуль, потому, что ненужно делать две дырки в корпусе.

Кроме этого на боковых стенках самодельной зарядки сделаем углубления, дабы добывать аккумуляторная батареи.

Подготовил все части корпуса, сделал в них отверстия, скрепим термоклеем.
Корпус для зарядного устройства практически готов, пора бы перейти к начинке, термоклей хорошо подходит для скрепления двп, он практически сходу хватается, в отличие от пва клея, вам при склейке фактически не приходится ожидать, так же от него несложно избавиться при помощи скальпеля.

В качестве контактных площадок, каковые будут соприкасаться с аккумуляторная батареями 18650, используем кусочки фольгированного текстолита. Залудим их, к ним не составит большого труда подпаять провода.

Два модуля нужно соединить между собой, потому, что будем применять лишь один mini usb, для этого легко контакты питания на входе впаиваем друг к другу, минус к минусу, плюс к плюсу.
И вот, что в итоге должно оказаться, соединили между собой входящие контакты питания.
Продолжение с 5 60 секунд об устройстве для регулярном восполнении заряда литий ионных акб типа 18650

Случайные записи:

Простое зарядное для li-ion аккумулятора своими руками


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Скорость зарядки литиевых батарей: факты и мифы

Если вы читаете это, вы, вероятно, подумываете о переводе своего парка вилочных погрузчиков и ручных домкратов на литий-ионные батареи. Или вы можете быть на рынке новых аккумуляторов и ищете рекомендации по выбору литий-ионной технологии.

Если вы переходите со старой свинцово-кислотной технологии, вы принимаете правильное бизнес-решение на нескольких уровнях. Неважно, работает ли у вас один вилочный погрузчик в одну смену или большой парк работает в несколько смен, переход на литий-ионные аккумуляторы дает вам много преимуществ по сравнению со свинцово-кислотными.

Вот лишь несколько важных моментов, которые следует учитывать, прежде чем мы начнем развенчивать мифы о необходимом времени зарядки Li-Ion. В произвольном порядке:

  • Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают более стабильное и стабильное питание при использовании. В отличие от свинцово-кислотных типов, уровень напряжения и доступная мощность остаются на более высоком и равномерном уровне. Свинцово-кислотная технология снижает как уровень напряжения, так и мощность по нисходящей кривой с момента подключения батареи до последней работы. Это может быть особенно важно в холодных или морозильных камерах.Холод — заклятый враг свинцово-кислотных аккумуляторов. Вы потеряете от 30 до 50% доступной мощности в холодных или морозильных установках со свинцово-кислотными системами.
  • Литий-ионные аккумуляторы
  • практически не требуют обслуживания. Свинцово-кислотные батареи необходимо регулярно чистить, поливать и выравнивать. Литий-ионные аккумуляторы в этих операциях не нуждаются. При этом не требуется удалять твердый каустик.
  • Литий-ионные аккумуляторы
  • предназначены для подзарядки. Другими словами, вы можете подключить их к зарядному устройству в любое время, когда погрузчик не используется.Это экономит время, устраняя необходимость в трудоемкой замене батарей.
  • Конечно, поскольку их можно заряжать, вы избавляетесь от необходимости и затрат на дополнительные батареи, обычно по крайней мере по одной на погрузчик. В некоторых случаях это может даже позволить вам сократить количество подъемников, необходимых для вашей работы. Не говоря уже о соответствующем оборудовании для работы с аккумуляторами, необходимом для свинцово-кислотных аккумуляторов.
  • Наряду с возможностью подзарядки литий-ионные аккумуляторы имеют гораздо более быстрое время зарядки, чем их старые свинцово-кислотные аккумуляторы.

Последний пункт — более быстрое время зарядки — будет рассмотрен в оставшейся части этой статьи. В погрузчиках используются две основные технологии литий-ионных аккумуляторов, каждая из которых имеет свои уникальные характеристики, преимущества и ограничения.

LFP, или фосфат лития-железа, существует уже довольно давно. Из-за этого он имеет лучший послужной список по надежности и другим факторам, чем его литий-ионный аккумулятор, NMC. NMC или никель-магниево-оксидно-оксидные батареи — это новая технология.

На момент разработки литий-ионные батареи NMC были намного дороже, чем литий-ионные батареи LFP. Так часто бывает, когда разрабатывается новая технология. Однако стоимость между ними выравнивается, поэтому цена может быть, а может и не быть вашим главным соображением.

Есть и другие, более важные отличия.

Раскрыт миф о необходимой скорости зарядки 1С

Что такое ? Важным моментом является время зарядки при нормальной работе погрузчика.Скорость зарядки обозначается буквой C, что означает ток заряда, а не напряжение заряда. Аккумулятор, который можно зарядить на 1С, перейдет с 0% заряда до полного заряда за один час. Аккумуляторы NMC легко достигают такой скорости зарядки, о чем вам сообщат многие производители и торговые представители.

Фактически, это один из главных аргументов, который они будут продвигать во время своей презентации.

Литий-ионный аккумулятор LFP, с другой стороны, обычно имеет скорость зарядки от 0,5 до 0,8 C. Это означает, что аккумулятор заряжается от 0% до 100% примерно за два часа при температуре.5C и, возможно, ближе к 1-1 / 2 часам при 0,8C. Этот кажется значительно медленнее, что является потенциальным недостатком аккумуляторов LFP.

Очевидно, что самым большим преимуществом торгового представителя является то, что NMC полностью заряжается вдвое быстрее, чем литий-ионная батарея LFP. Стоимость этого может быть немного выше, как для аккумулятора, так и для сопутствующего сверхмощного оборудования.

Но время, сэкономленное на весь цикл зарядки, компенсирует это, верно?

Не обязательно.

Необходимость полной зарядки от нуля до 100% за 60 минут обходит одно из главных преимуществ литий-ионных аккумуляторов в целом: возможность зарядки.

Подумайте об этом минутку. Когда вы когда-нибудь полностью разрядите аккумулятор? Если вы видите это, скорее всего, проблема связана с персоналом, а не с аккумулятором. Один из ваших водителей не пользуется возможностью зарядки.

Дело в том, что при использовании альтернативной зарядки вы редко получите потребляемую мощность более 20-30%, даже в морозильных камерах и холодильных камерах.Следовательно, более высокая скорость зарядки 1С для литий-ионного аккумулятора NMC действительно не является проблемой. Это просто преувеличенный аргумент в пользу продажи без реальной ощутимой выгоды.

Вас продают тягач с прицепом… когда за работу подойдет фургон или фургон.

Но есть последний и важный гвоздь, который нужно забить в гроб мифа о 1С.

Безопасность.

Вы действительно не хотите тепла от 1С NMC Скорость зарядки

При протекании электрического тока в любой форме выделяется тепло.Это факт. Это непреложный закон электричества, который необходимо учитывать и принимать во внимание. Чем выше сила тока или ток, тем выше нагрев.

Как увеличить скорость зарядки?

Вы увеличиваете ток, производя больше тепла. Это тепло необходимо отводить либо с помощью кабелей большего диаметра, либо с помощью более прочной изоляции, либо с помощью комбинации того и другого. И разъемы, соединяющие аккумулятор с кабелем, также должны быть более тяжелыми, иначе они расплавятся.

Даже зарядное устройство должно быть более прочным, что увеличивает общую стоимость установки.

Посмотрите на кабельную разводку аккумуляторной батареи NMC с высокой скоростью заряда, сравните ее с комплектом кабелей LFP. Разница в размерах весьма заметна. И помните, более тяжелое оборудование предназначено НЕ для использования аккумулятора, а для его зарядки. Больше тепла от более высоких скоростей зарядки означает больше возможностей для возгорания и других аварий, связанных с перегревом, во время зарядки.

Высокая сила тока горит горячим. Нужен практический пример? Включите лампочку накаливания мощностью 100 Вт и дайте ей постоять минуту. Затем открутите его, пока он еще под напряжением.

Изготовление литий-ионного аккумулятора_Батарея Greenway

Изготовление литий-ионных батарей может быть простым, если у вас есть необходимые инструменты и источник для отдельных литий-ионных элементов. Для тех, кто любит практиковаться, а не покупать сами аккумуляторные блоки, создание собственных поможет вам подробно разобраться в литий-ионных аккумуляторах. Это дает вам четкое представление о базовой системе, встроенной в такой аккумулятор. Это поможет вам в деталях понять фактическое функционирование и конструкцию литий-ионных аккумуляторных батарей.

При изготовлении литий-ионного аккумулятора вам понадобится несколько инструментов / материалов, которые можно приобрести дома, а другие можно купить. Вот некоторые из необходимых инструментов:

· Мультиметр (используется для измерения напряжения элементов и зарядного тока)

· Трансформаторы (трансформатор высокого и низкого усиления)

· Аккумуляторы для ноутбуков

· Толстые провода (10А и более)

· Инструмент для зачистки проводов

· Провода мелкие

· Припой и паяльник

· Изолента

· Зажимы типа «крокодил» (для подключения к трансформаторам для зарядки)

· Отвертка с плоской головкой (для открытия аккумуляторов ноутбука)

· Ножницы (отдельные батарейные соединения)

· Предохранитель (желательно 10А)

· Разъемы

Как сделать профессиональную литий-ионную аккумуляторную батарею своими руками?

Литиевые батареи могут оказаться чрезвычайно опасными при неправильном обращении или неправильном обращении.При изготовлении литий-ионной аккумуляторной батареи рекомендуется соблюдать особые меры предосторожности, поскольку любая неисправность в процедурах может привести к плачевным результатам. Следует тщательно следовать инструкциям и процедурам, чтобы поддерживать безопасную среду для них и самого аккумуляторного блока.

Вы обязаны убедиться, что вы надежно защищены от любых непреднамеренных или неожиданных происшествий, прежде чем приступить к работе. Вот шаги, которые необходимо сделать при сборке литий-ионного аккумулятора:

Шаг 1. Открытие аккумуляторной батареи ноутбука и извлечение из нее литий-ионных элементов

Прежде всего, вам нужно открыть аккумуляторный отсек.Может показаться трудным пользоваться голыми руками, так как корпус защищен от несанкционированного доступа. Наиболее предпочтительный метод — использование отвертки с плоским жалом, вставив ее в стык корпуса. Поверните отвертку, чтобы открыть кожух по всей длине соединения, пока вся крышка не будет снята.

Таким образом, следует соблюдать осторожность при извлечении клеток, чтобы не повредить их. Аккуратно и медленно согните корпус, чтобы открыть стыки батареи, и ножницами поместите его между элементами и разрежьте соединяющий их металл.Осторожно вытащите батареи, разрезая металл, чтобы отделить каждую ячейку от другой.

Шаг 2: Проверьте напряжение и зарядите элементы

Вы должны проверить напряжение, присутствующее в каждой ячейке, при необходимости используя тестер батареи. Как правило, элемент, регистрирующий напряжение более 3 В, может заряжаться в обычном режиме. Если напряжение ниже 3 В, зарядку нужно проводить медленно. Для правильной зарядки подключите батареи последовательно к силовому трансформатору с помощью зажимов типа «крокодил».Необходимо на несколько секунд подключить трансформатор и зарегистрировать изменение тока в зависимости от емкости ваших ячеек. Это поможет вам получить правильный ток для зарядки.

Во время зарядки рекомендуется регулярно измерять напряжение ячеек примерно каждые 10 минут, пока вы не узнаете, сколько времени потребуется на ваш трансформатор. Каждая ячейка должна достигать максимального напряжения 4 В, и вы должны помнить, что их перезарядка может привести к повреждению или даже взрывам.

Использование автоматического литий-ионного зарядного устройства может облегчить работу по постоянному мониторингу ячеек во время их зарядки. Всегда проверяйте наличие правильного тока, прежде чем начинать заряжать элементы.

Шаг 3. Соединение элементов для создания аккумуляторной батареи

На этом этапе необходимо принять дополнительные меры предосторожности, так как вы можете случайно подключить батареи и в конечном итоге их замкнуть.Это может привести к значительному повышению температуры, что в конечном итоге может привести к пожару. Никогда не подключайте положительную (+) и отрицательную (-) клеммы одной и той же батареи без нагрузки.

Вы должны сначала определиться с количеством ячеек, которое вы хотите в параллельном и последовательном формировании. Обрежьте металлические выступы, чтобы сделать их короче. Соедините первый набор ячеек и закрепите их имеющейся изолентой. Припаяйте короткие отрезки провода к концевым клеммам ячеек и подключите плюсовую клемму первой ячейки к минусовой клемме второй ячейки.Подключите клемму + второй ячейки к клемме — третьей ячейки. Продолжайте эту тенденцию, пока не будут представлены все терминалы.

Шаг 4: Подключение различных пакетов

Рекомендуется соединять блоки таким образом, чтобы их можно было легко отсоединить для подзарядки.

Шаг 5: Зарядка аккумуляторной батареи

С помощью подходящего зарядного устройства можно зарядить сразу весь аккумуляторный блок.Во время зарядки важно убедиться, что элементы сбалансированы, проверены, а элементы низкого напряжения заряжены дополнительно. Следует ожидать одинакового заряда для одного и того же типа ячеек, с небольшими различиями, вызывающими неравномерную зарядку.

Шаг 6: Проверка аккумулятора

Как и в случае с автомобилем после ремонта, важно также проверить аккумуляторную батарею. Только когда вы разрядите аккумуляторную батарею, вы обязательно узнаете, не повреждена ли какая-либо из ячеек.

Сравнение производства и покупки литий-ионного аккумулятора

Хотя создание аккумуляторной батареи звучит весело и познавательно, это подвергает вас множеству рисков, связанных с безопасностью, которые могут возникнуть из-за неожиданных сбоев. Изготовление литий-ионных аккумуляторов — очень стандартная процедура по сравнению с покупкой новых батарей. Это потому, что все, что вам нужно для ваших поделок, — это предметы домашнего обихода, которые можно найти в вашем доме и вокруг него. Функциональные возможности пакета зависят от количества используемых ячеек и процедуры создания ячейки.

Хотя покупка литий-ионной батареи может быть дорогостоящей, она считается самым безопасным решением. Это связано с тем, что упаковки были изготовлены в соответствии с необходимыми инструкциями и соответствующими стандартами. Вы можете быть уверены в безопасности с новыми аккумуляторными батареями, вместо того, чтобы основывать свое творчество на создании видеороликов и больших беспорядках.

Заключительные мысли

Если вы заинтересованы в создании собственной литий-ионной аккумуляторной батареи, это может стать для вас хорошей возможностью изучить возможности и образовательную ценность, которые может предложить такая черта.Однако необходимо убедиться, что они соблюдают правильные процедуры, чтобы не подвергать опасности себя и батареи.

Простой подход к высокоточному обнаружению изменений от ячейки к ячейке для литий-ионных аккумуляторов

Индекс изменения от ячейки к ячейке

Различия в характеристиках аккумуляторной батареи от ячейки к ячейке традиционно индексируются емкость, масса, сопротивление постоянному току, импеданс и т. д. 11 . Самая важная проблема заключается в том, что изменение производительности от ячейки к ячейке существует после сборки ячеек последовательно или параллельно в модуль.Это дало толчок серьезным исследованиям по разработке недорогого, эффективного и надежного метода оценки однородности рабочих характеристик элементов в аккумуляторной батарее 24 . Поскольку изменение емкости, импеданса и других параметров от ячейки к ячейке будет неотъемлемо отражено их вариациями SOC в подходе CiS, ключевой фокус подхода CiS развился на выбор наиболее репрезентативных значений SOC для эффективной и надежной оценки.

Как известно, наклон кривых разряда наиболее чувствителен в конце заряда / разряда.Например, на рис.1 показаны типичные кривые разряда для ячеек графит / LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 (NCA) и графит / LiCoO 2 (LCO). Видно, что разница в практической емкости в 1% привела к значительной разнице в напряжении в конце разряда на 100 мВ и 205 мВ для ячеек NCA и LCO соответственно. Разница в напряжении 205 мВ может быть легко преобразована в 4,1% практического диапазона для типичного измерительного оборудования батареи, рассчитанного на максимальный диапазон 5 В.Более того, изменение мгновенного напряжения в конце разряда зависит как от изменения емкости, так и от изменения сопротивления. В результате мгновенное напряжение в конце разряда будет более чувствительным для обнаружения изменения от ячейки к ячейке, чем емкость и сопротивление для индексации изменения от ячейки к ячейке. Кроме того, известно, что емкость элемента рассчитывается путем умножения продолжительности разряда на кулоновский ток и сильно зависит от точности тока, проходящего через элемент.Чтобы устранить расхождения, возникающие в результате измерения кулоновского тока, здесь был предложен подход последовательного соединения (CiS), позволяющий точно отследить изменение от ячейки к ячейке. В этом методе однородность ячеек эффективно индексировалась напряжением в конце разряда и дополнительно напряжением в конце заряда и напряжением после периода покоя после разряда 24 . В конфигурации CiS измерения проводились с одинаковым количеством заряда, подаваемого на ячейки последовательно, и данные о напряжении были получены почти в одно и то же время.Индекс скрининга вариации от ячейки к ячейке трансформировался от текущих емкостей к напряжениям, достигая более точного и менее дорогостоящего скрининга однородности ячеек. Помимо значительного преимущества высокой точности при низкой стоимости, методологические исследования конфигурации на основе CiS также могут обеспечить беспроблемную интеграцию знаний в разработку интеллектуальной системы управления батареями (BMS). Это связано с тем, что конфигурация CiS уже реализована в больших аккумуляторных блоках, а высокоточное отслеживание напряжения для каждой ячейки является основой для BMS.

Рисунок 1

Типичные кривые разряда элементов графит / LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 (NCA) и графит / LiCoO 2 (LCO) элементов.

Сравнение CiS и современного теста

Для этого теста 80 ячеек (NCR18650BE), приобретенных у Panasonic, признанных лучшим производителем аккумуляторов с высоким качеством, были оценены для сравнения разницы между CiS и современным искусство. Для современного теста емкость ( Q ) и среднее напряжение ( В середина , напряжения в середине емкости) каждой ячейки были записаны в качестве индексов для межэлементной емкости. вариация ячеек.Результаты показаны на рис. 2. Максимальные и минимальные значения средних напряжений ( В макс и В мин ) составили 3,63 В и 3,57 В, соответственно, с разницей ( ∆V mid , ∆V mid = V max V min ) 0,057 В. Максимальная и минимальная мощность Q ( макс и Q мин ) были 3.156 мАч и 3,053 мАч соответственно, которые отличались друг от друга всего на 0,103 мАч ( ∆Q , ∆Q = Q max Q min ). Относительное стандартное отклонение ( δ ) для Q было рассчитано как 0,63%, а для V mid было 0,43%. Все они были ниже 1%, что указывает на превосходную однородность клеток.

Рисунок 2

Емкости (черные точки и линия) и медианные напряжения (синие точки и линия) 80 ячеек Panasonic, измеренные во время разряда при 0.2 C. Относительное стандартное отклонение ( δ ) для емкостей ( Q ) было рассчитано как 0,63%, а для среднего напряжения ( В, , , , середина, , ), составило 0,43%.

Для теста CiS эти 80 ячеек были соединены последовательно для заряда / разряда и имели одинаковый ток, одинаковую продолжительность и одинаковую емкость. Напряжение элемента было единственным измеренным параметром, как показано на рис. 3. Были исследованы напряжения элемента в трех состояниях, то есть мгновенное напряжение в конце заряда ( В c-end ), мгновенное напряжение в конец разряда ( В d-конец ) и напряжение после окончания разряда в течение 30 мин ( В d-30мин ).Результаты показаны на рис. 3. ∆V c-end , ∆V d-end и ∆V d-30min было 0,015 В, 0,294 В и 0,142 В соответственно. Относительные стандартные отклонения ( δ ) V c-end , V d-end и V d-30min составляли 0,09%, 2,14% и 0,93 %, соответственно. SOC всех ячеек были одинаковыми (0%) в самом начале, и все ячейки заряжались последовательно с одинаковой емкостью, достигая примерно 100% SOC.Следовательно, наблюдалось очень небольшое относительное стандартное отклонение ( δ = 0,09%) V c-end . Разница в В c-end в основном была вызвана точностью прибора, неравномерным саморазрядом и изменением импеданса. Разница в 15 мВ указывает только на относительную погрешность 0,3%, что находится в пределах погрешности прибора для измерения диапазона 5 В (0,5%). δ для В d-30 мин было 0.93%, прямо между δ = 0,43% для V mid и δ = 2,14% для V d-end . Этот результат будет применен в следующем разделе.

Рисунок 3

Параметрический анализ 80 ячеек от Panasonic с помощью CiS. ( a ) кривые разряд / заряд; ( b ) Статистика напряжений в конце заряда ( V c-end ), в конце разряда ( V d-end ) и в точке 30 мин отдыха после разряда ( В д-30мин ) соответственно.Их относительные стандартные отклонения ( δ ) составили 0,09%, 0,93% и 2,14% соответственно. Погрешность прибора составила 0,5% для диапазона измерения 5 В.

Как показано на рис. 4 (a – c), V d-end и V d-30min показали хорошую корреляцию с емкостью ячейки, с коэффициентами корреляции, достигающими 0,6635 и 0,6434 , соответственно. Однако V c-end показал слабую корреляцию с емкостью ячейки.Более того, корреляции между сопротивлением ячейки и V d-end , V d-30min и V c-end также представлены на рис. 4 (d – f ), где сопротивление рассчитывалось делением разницы между В d-end и V d-60s на ток разряда. В d-60s — напряжение элемента после окончания разряда в течение 60 с. V d-end и V d-30min также показали сильную корреляцию с сопротивлением клеток. Следовательно, мы можем сделать вывод, что В d-end и V d-30мин , измеренные с помощью предложенного метода CiS, действительно имеют хорошие корреляции с емкостью и сопротивлением элемента, и, таким образом, могут применяться для оценки от ячейки к ячейке. Более того, мы можем обнаружить, что ∆V d-end и его δ были очень большими, составляя 294 мВ и 2.14% соответственно. По сравнению с результатами современных испытаний ( δ = 0,63% для Q и δ = 0,43% для V середина ), V d-end был более чувствителен к изменению от клетки к клетке для той же группы клеток. Это подтвердило эффективность CiS и валидность V d-end как идеального индекса для изменения от ячейки к ячейке.

Рисунок 4

Корреляция между емкостью элемента и тремя индексами напряжения, измеренными методом CiS.( a c ) Корреляция между емкостью ячейки и V d-end , V d-30min и V c-end ; ( d f ) Корреляция между сопротивлением ячейки и V d-end , V d-30min и V c-end ; Сопротивление элемента рассчитывалось делением разницы между В d-end и V d-60s на ток разряда. В d-60s — напряжение элемента после окончания разряда в течение 60 с.

Приложение CiS I. Зависимость от времени изменения от ячейки к ячейке

Из-за высокой чувствительности оценки гомогенности с помощью CiS, предложенный метод CiS был использован для оценки возможных различий в старении между высококачественными ячейками, хранящимися на полке в течение 2,5 лет. Для этого теста 80 ячеек от Panasonic были первоначально оценены в декабре 2015 года (как показано на рисунках 2 и 3) и снова оценены в июне 2018 года.В течение периода между двумя оценками клетки хранили в отдельных упаковках в полностью заряженном состоянии при 25 ° C и влажности окружающей среды ниже 30%. Результаты представлены на рис. 5. Одни и те же клетки были протестированы в одних и тех же условиях, и единственное изменение заключалось в том, что два теста были разнесены на 2,5 года. Интересно, что все показатели однородности увеличились. Значение δ для V c-end немного увеличилось с 0,10% до 0.12%. δ для V d-30min значительно увеличился с 0,07% до 0,23%, но все еще оставался очень маленьким. δ для V d-end почти удвоилось с 0,57% до 0,99%. Кроме того, ∆V d-end также увеличилось с 85 мВ до 163 мВ, что эквивалентно увеличению разницы емкости с 0,13% до 0,26% при расчете по принципу, показанному на рис. 1. Следовательно, метод CiS может также применяться для отслеживания эволюции изменений ячеек и предоставляет основную информацию для алгоритма выравнивания ячеек 41 .

Рисунок 5

Параметры скрининга гомогенности 80 клеток после покоя в течение 2,5 лет. ( a, c ) кривые заряда (0,5 C) / разрядки (1 C) 80 ячеек, которые были соединены последовательно; ( b, d ) Статистика V c-end , V d-30min и V d-end соответственно; ( a, b ) параметры, собранные в декабре 2015 г .; ( c, d ) параметры, собранные в июне 2018 г.Когда разряд / заряд был при 2 ° C, ячейки показали относительные стандартные отклонения ( δ ) 0,09%, 0,93% и 2,14% для V c-end , V d-30min и V d-end соответственно.

Принимая во внимание корреляцию между скоростью старения и внутренней химией, разумно, что клетки со сходными химическими / физическими состояниями в определенный момент времени будут испытывать разные скорости старения под одним и тем же воздействием окружающей среды (например, электрическое напряжение, температурное напряжение, механическое напряжение) и представляют различные химические / физические состояния в следующие моменты времени 18,42,43 .В этом исследовании деградация ячейки при хранении при комнатной температуре была в основном вызвана побочной реакцией образования пленки SEI, на которую влияют площадь поверхности активного материала анода, толщина анода и исходная пленка SEI, образованная в процессе подготовки 44,45 . Следовательно, хотя элементы со схожими химическими / физическими состояниями были разрушены в одних и тех же условиях эксплуатации, они все равно будут испытывать разные скорости старения в течение длительного периода времени. В этом смысле время эффективно для усиления вариации от клетки к клетке.Тест, представленный в этом разделе, показал, что небольшое изменение параметров клеток может привести к незначительным различиям, которые невозможно обнаружить в свежем состоянии. Кроме того, этот тест можно применять для оценки качества аккумуляторов различных производителей. Это может привести к стандартному протоколу испытаний для оценки качества аккумулятора, что по-прежнему является проблемой в автомобильном применении.

Приложение CiS II. Зависимость от скорости изменения от ячейки к ячейке

Как термодинамические, так и кинетические факторы влияют на изменения от ячейки к ячейке 2,10,11,12,27,46,47 , а кинетические факторы обычно представлены в виде импеданса в аккумулятор.В этом смысле зависимость скорости от ячейки к ячейке поможет определить факторы, влияющие на кинетику батареи, введенные в процессе производства 11 . Однако зависимость вариации от клетки к клетке от C-скорости неясна. С одной стороны, тонкие вариации импеданса могут быть увеличены в числовом значении при высокой C-скорости. С другой стороны, работа с высокой скоростью C может вызвать повышение температуры внутри батареи, что, как известно, помогает снизить полное сопротивление батареи. То есть высокая C-скорость может привести к уменьшению импеданса в численном значении.Кроме того, высокая скорость заряда / разряда подразумевает высокую погрешность измерения для обычного прибора для заряда / разряда, что влияет на анализ изменений от ячейки к ячейке. Здесь была определена предпочтительная C-скорость для CiS, а также было представлено возможное применение CiS при различных C-уровнях. Подход CiS был использован для исследования зависимости скорости изменений от клетки к клетке. Далее обсуждалась оценка ячеек от разных производителей.

Ячейки производства Panasonic (NCR18650BE, 3.0 Ач), LG Chem (18650 B4, 2,6 Ач) и Lishen (LR1865SK, 2,6 Ач) были оценены соответственно. Во-первых, 20 ячеек с хорошей консистенцией были отобраны из 80 ячеек с помощью CiS при скорости 0,1 C в соответствии с δ . Затем изменчивость от клетки к клетке дополнительно проверяли при скорости 0,5 и 1 C. Результаты показаны на фиг. 6. Все тесты подтвердили, что V d-end был наиболее чувствительным параметром для изменения от ячейки к ячейке. Испытания заряда прекращались, когда в любой ячейке достигалось 4.2 В. Было обнаружено, что каждый В c-end был очень близок к 4,2 В, что указывает на хорошую однородность процесса зарядки. 20 ячеек любой марки, выбранных в соответствии с V d-end , могут гарантировать высокую однородность V c-end , что доказывает эффективность CiS. Известно, что высокая однородность V c-end важна для предотвращения перезарядки в конфигурации модуля или блока.

Рисунок 6

Статистика V c-end (3 строки вверху), V d-end (3 строки внизу) и V d-30min (3 строки посередине) модулей из 20 ячеек, работающих с разной скоростью заряда, с элементами, произведенными разными производителями батарей. ( a ) 20 ячеек от Panasonic, NCR18650BE, 3,0 Ач; (b ) 20 клеток от LG Chem, 18650 B4, 2,6 Ач; ( c ) 20 ячеек от Lishen, LR1865SK, 2.6Ач. Тесты проводились с коэффициентом C 0,1 (черный), 0,5 (красный) и 1,0 (синий) соответственно. Тестируемые 20 клеток были наиболее однородными, отобранными CiS из стохастических 80 клеток, соответственно.

Для V d-30min , гомогенность клеток при различных скоростях C можно приблизительно определить по диапазону колебаний статистических кривых. Затем было обнаружено, что клетки из Panasonic демонстрировали хорошую гомогенность при скорости 0,5 и 1,0 C, как показано в середине рис.6 (а). Клетки от LG Chem показали хорошую консистенцию только при скорости 1,0 C, как показано на фиг. 6 (b). Однако однородность клеток из Лишена была хуже по сравнению с двумя другими. В этом смысле в порядке ранжирования однородности были Panasonic, LG Chem и Lishen.

Интересно, что последовательность номеров ячеек изменялась при проверке однородности на разные скорости C в зависимости от значения напряжения. Например, на рис. 6 (a) V d-end ячейки № 6 был выше, чем у двух соседних ячеек при скорости 1 C, но был ниже при 0.1 балл. Это может быть вызвано вариациями скорости клеток. Ячейка №6 имела меньшую емкость, чем две соседние ячейки, и, таким образом, показала более низкую V d-end при 0,1 C. И наоборот, ячейка № 6 показала большую емкость, когда C-rate увеличился до 1 C. , что указывает на то, что сота №6 может иметь лучшую скорость передачи, чем соседние соты 27,28 . Клетки от LG Chem и Lishen также показали аналогичное поведение, как показано на рис. 6 (b, c). Это указывает на то, что зависимость скорости от ячейки к ячейке может предоставить больше информации о характеристиках батареи, например о вариациях в скорости, которая является важным показателем для изменений от ячейки к ячейке 27,28 .

Количественно относительное стандартное отклонение ( δ ) предлагается в качестве подходящего показателя однородности. В статистике δ также известен как коэффициент вариации, стандартизированная мера дисперсии для распределения вероятностей 48,49 . Было замечено, что тенденция эволюции δ для V d-конец была аналогична таковой для V d-30min , как показано на рис. 7 (a, b).Однако первый был больше (более чувствителен), чем второй. Относительное стандартное отклонение также еще раз подтвердило, что V d-end является подходящим индексом для изменения от ячейки к ячейке.

Рисунок 7

Относительные стандартные отклонения ( δ ) параметров ячеек при различных скоростях углерода по CiS. ( a ) V d-конец ; ( b ) V d-30min . Для каждого производителя батарей 20 ячеек были отсеяны от 80 ячеек CiS, соответственно.

Ячейки от Panasonic показали самые низкие значения δ при всех C-скоростях, а значения δ V d-end и V d-30min оба были меньше чем 1,5%. Клетки от LG Chem показали большие вариации с δ от V d-конец и V d-30 мин , увеличиваясь до более чем 2,0% при 0,1 ° C. наихудшая однородность с наибольшим значением δ при всех коэффициентах C.Рисунок 7 показывает количественно, что порядок ранжирования однородности клеток был Panasonic, LG Chem и Lishen. Хорошо известно, что элементы Panasonic имеют высочайшее качество, характеризуются однородной суспензией, равномерным покрытием электродов и т. Д. Это согласуется с приведенными выше результатами.

Кроме того, все элементы от трех производителей показали увеличение значений δ с уменьшением C-скорости. Изменения δ с коэффициентами C можно объяснить разным наклоном кривых напряжения при разных скоростях C, как показано на рис.8. Кривые напряжения разряда демонстрируют небольшой наклон с увеличением C-скорости из-за влияния поляризации. Таким образом, V d-конец стал менее чувствительным к изменению от ячейки к ячейке по мере увеличения C-скорости. Более того, изменения δ с C-коэффициентами могут помочь оценить возможности скорости ячеек от разных производителей. Согласно фиг. 8, большее уменьшение δ для V d-конец с увеличением C-скоростей указывает на большее увеличение поляризации и, следовательно, худшую способность к скорости.Из результатов на рис. 7 (а) мы можем заметить, что элементы Panasonic обладают лучшими скоростными характеристиками среди трех производителей. Индекс под названием RC также был определен как соотношение между емкостью при 1 ° C и 0,1 ° C для оценки возможности скорости со ссылкой на исх. 17 . Ячейка Panasonic продемонстрировала наилучшую производительность с коэффициентом RC , равным 83,7%, в то время как отношения RC для ячеек LG Chem и Lishen составили 79,6% и 80,4%, соответственно, что согласуется с результатами метода CiS.Это открытие также обогащает понимание зависимости скорости от клетки к клетке 11 .

Рисунок 8

Кривые напряжения разряда ячеек Panasonic при различных скоростях тока C.

Утилизация литий-ионных аккумуляторов стала проще

Аннотация: В этом примечании по применению описывается, как утилизировать литий-ионные (Li +) батареи от старых устройств для использования в других электронных устройствах, таких как игрушки. Все это можно сделать без микроконтроллера (или необходимого программного обеспечения).Одна из проблем заключается в том, что зарядное устройство в этих старых устройствах обычно не может использоваться повторно. Разработчику необходимо создать свою собственную схему зарядного устройства, что подробно объясняется в данной заметке по применению.

Аналогичная версия этой заметки по применению была опубликована в журнале Elektor в июне 2013 года.

Введение

Повторное использование литий-ионных батарей из выброшенного оборудования может быть довольно сложной задачей, поскольку эти элементы часто заряжаются внутри оборудования.Другими словами, нет отдельного зарядного устройства, которое можно было бы использовать повторно. К счастью, создать зарядное устройство для бывших в употреблении (или новых) литий-ионных элементов оказалось довольно просто.

Как и у большинства людей, у вас, вероятно, есть старые устройства, в которых в качестве источника питания используются литий-ионные батареи. Батареи этого типа использовались в большинстве портативных устройств, произведенных в последние несколько лет, поскольку их можно легко изготавливать в различных размерах и формах, и они имеют относительно большую емкость (по сравнению с батареями NiMH и NiCd).

Что вы можете сделать со старым MP3-плеером или мобильным телефоном, который был заменен на более новую, лучшую версию? Обычно электронику нельзя использовать ни для каких других целей, но батарею можно использовать даже для игрушек. Поскольку любители электроники, как правило, изобретательны, они обычно находят способ включить аккумулятор и переработать его. Автор, например, заменил три элемента фонарика в поезде Lego ® литий-ионным аккумулятором (см. , рис. 1, ).


Рисунок 1.Доска с тремя элементами фонарика заменена одной литий-ионной батареей для использования в поезде Lego.

Однако при этом по-прежнему остается необходимость заряжать аккумулятор. Оригинальное оборудование обычно содержит специальную схему зарядного устройства для аккумулятора, скорее всего, на небольшой части печатной платы. Трудно определить, какие компоненты являются частью схемы зарядного устройства, поскольку обычно для портативного оборудования нет принципиальной схемы. В этом случае нам просто нужно будет построить собственное литий-ионное зарядное устройство!

Схема

Схема зарядного устройства, описанная в этой статье, построена на основе литий-ионной микросхемы зарядного устройства MAX8677A производства Maxim Integrated (см. , рис. 2, ).Эта ИС работает полностью автономно, поэтому нет необходимости в микроконтроллере (и, следовательно, в программном обеспечении)! MAX8677A использует несколько светодиодов для индикации состояния процесса зарядки.
Рисунок 2. Структурная схема внутренней схемы MAX8677A.

MAX8677A очень гибок и имеет топологию Smart Power Selector (см. , рис. 3, ), которая состоит из трех электронных переключателей, которые направляют токи заряда и нагрузки в зависимости от ситуации.При наличии внешнего источника питания MAX8677A может использовать доступную мощность как для зарядки аккумулятора, так и для питания нагрузки. Если нагрузка требует большей мощности, чем может обеспечить зарядное устройство, MAX8677A может заставить аккумулятор обеспечивать дополнительный ток. При отсутствии внешнего источника питания нагрузка питается исключительно от батареи.

MAX8677A может получать питание от порта USB через контакты 15 и 16 (USB). В этом случае потребляемый ток ограничен до 500 мА (максимум для порта USB 2.0).Микросхема также может получать питание от адаптера через контакты 2 и 3 (постоянный ток), где предел тока может быть увеличен до максимального значения 2 А.


Рис. 3. Технология Smart Power Selector разделяет токи заряда и нагрузки в соответствии с потребностями.

Для схемы зарядного устройства в этом примечании по применению (, рис. 4, ) мы используем вход постоянного тока, что дает нам большую гибкость при установке различных пределов. Рабочее напряжение на входе составляет от 4,1 до 6,6 В. Если напряжение становится слишком высоким, MAX8677A отключает вход, чтобы предотвратить его перегрев.ИС может выдерживать скачки напряжения до 14 В.

Статус зарядки предоставляется D1, D2 и D3. Отображаются следующие три состояния: аккумулятор заряжается (светодиод D3), аккумулятор полностью заряжен (светодиод D1) или аккумулятор неисправен (светодиод D2).


Рис. 4. Полная схема зарядного устройства состоит в основном из MAX8677A и разъема mini USB.

С помощью этой ИС можно установить два предела тока: один для максимального тока заряда и один для максимального входного тока.Второе значение всегда должно быть больше первого. В противном случае запрограммированный максимальный ток заряда никогда не будет достигнут, поскольку он не может превышать максимальный входной ток. Оба эти ограничения устанавливаются с помощью резистора.

Максимальный ток заряда:

I CHGMAX = 3000 / R ISET = 3000 / R9 = 3000 / 5,6 кОм = 535 мА

Максимальный входной ток:

I DCMAX = 3000 / R PSET = 3000 / R6 = 3000 / 3,3 кОм = 909 мА

Очевидно, вы можете выбрать более подходящие значения в зависимости от номинальной мощности адаптера, энергопотребления устройства и желаемого тока нагрузки.MAX8677A может обеспечить максимальный ток заряда 1,5 А.

Мы использовали разъем mini-USB, который позволяет легко запитать схему от современных сетевых адаптеров. Это также гарантирует, что мы используем источник питания 5 В. Максимальный входной ток следует регулировать в соответствии с номиналом адаптера. Схема хорошо работает, когда адаптер может обеспечить ток не менее 1А.

Есть термистор NTC?

Батареи часто снабжены термистором с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), который используется для предотвращения зарядки батарей при слишком высоких или слишком низких температурах.Таким образом, аккумулятор имеет три контакта: положительный полюс (BAT +), отрицательный полюс (BAT-) и соединение для термистора NTC (см. , рис. 5, ). Обратите внимание, что некоторые батареи с тремя подключениями имеют внутри только нормальный резистор, который используется для идентификации. Номинальное значение обычного резистора будет постоянным и не будет меняться в зависимости от температуры батареи.


Рис. 5. Большинство литий-ионных батарей с тремя разъемами имеют внутренний термистор NTC, подключенный, как показано.

Возвращаясь к рисунку 4, когда используется термистор NTC, он должен быть подключен между выводом THM и землей (через соединение BAT). Резистор (R7) также подключен между выводом THM и опорным напряжением (VL), который создает делитель потенциала. Номинал резистора выбирается таким, чтобы он имел такое же значение, что и термистор NTC при температуре + 25 ° C. Напряжение на выводе THM при + 25 ° C будет равно 0,5 ВЛ. Когда температура повышается или понижается, сопротивление термистора NTC падает или повышается, как и напряжение на выводе THM.Устройство будет заряжаться только при этом напряжении от 0,28 В до 0,74 В. Для современных термисторов NTC это соответствует температуре от 0 ° C до 50 ° C. Когда термистор NTC недоступен, вы должны добавить R8, что приведет к тому, что напряжение на выводе THM будет 0,5 ВЛ.

Соединительные наконечники

Если вы повторно используете аккумулятор сотового телефона, он по умолчанию уже имеет схему защиты, которая защищает аккумулятор от перегрузки и слишком глубокого разряда. Однако, если вы хотите использовать один элемент, например, взятый из старого аккумуляторного блока ноутбука, вам придется создать свою собственную схему защиты.Схема внутри блока предназначена для защиты всего блока и поэтому не может использоваться для защиты отдельной ячейки.

Простой предохранитель (показанный на рис. 4 как FS1, который представляет собой устройство для поверхностного монтажа или SMD, предохранитель на печатной плате) обеспечивает достаточную защиту от перегрузки, что означает, что отдельные ячейки могут быть полностью использованы. Однако предохранитель не обеспечивает никакой защиты от глубокого разряда. Когда эти типы элементов разряжены слишком сильно, их можно повредить.Это может произойти, если слишком долго подключена омическая нагрузка, например небольшая лампа накаливания. Однако большинство устройств перестанут работать, когда напряжение питания упадет ниже определенного значения, что остановит дальнейшую разрядку элемента. Поэтому то, обеспечивает ли предохранитель достаточную защиту, во многом зависит от типа подключенного устройства.

Строительство

Для этого проекта мы разработали компактную печатную плату, в которой используется большое количество SMD (см. , рис. 6, ).Такая конструкция позволяет уменьшить размер печатной платы, что упрощает ее встраивание в устройство. Макет платы и маска, использованная для травления печатной платы, изготовленные с использованием PCB DesignSpark , доступны для загрузки с веб-сайта Maxim.
Рис. 6. Печатная плата, разработанная для этого зарядного устройства, была минимально возможной, чтобы упростить ее установку в существующее оборудование.

Чтобы установить SMD, вам понадобится немного сноровки и опыта пайки. Для MAX8677A в упаковке TQFN в идеале следует использовать печь для оплавления, так как штифты и открытая площадка находятся на нижней стороне корпуса 4 мм x 4 мм.Однако вы также можете спаять устройство вручную. Оба будут описаны в следующих разделах.

Использование печи оплавления

После использования печи оплавления необходимо выполнить следующие подключения. На печатной плате есть отверстия для подключения светодиодов, аккумулятора и нагрузки, поэтому их можно легко подключить с помощью проводов. Разъем mini-USB имеет два пластиковых контакта, которые входят в соответствующие отверстия на печатной плате и выравнивают разъем. Если вы не хотите использовать разъем mini-USB, вы можете использовать эти два отверстия для подключения питания.В этом случае вы должны убедиться, что напряжение питания составляет 5 В.

Пайка MAX8677A в корпусе TQFN вручную

Установка MAX8677A с помощью паяльника с горячим воздухом возможна, если у вас есть достаточный опыт, хотя печь оплавления делает жизнь намного проще. Описанный здесь метод объясняет, как использовать обычный паяльник для установки устройства (см. , рис. 7, ), даже если на самодельной печатной плате нет покрытия для сквозных отверстий.


Рисунок 7.Этапы установки MAX8677A путем ручной пайки одного отверстия.

Перед травлением платы убедитесь, что осталось только центральное отверстие в открытой контактной площадке ИС. Остальные восемь окружающих отверстий можно удалить с дизайна в программе, или вы можете использовать фломастер, чтобы заполнить отверстия на маске, чтобы они не отображались на печатной плате.

  1. Просверлите отверстие диаметром 1,5 мм в центре открытой площадки.
  2. Поместите микросхему на печатную плату.
  3. Спаяйте все контакты по бокам микросхемы.Используйте литцевую проволоку, чтобы все привести в порядок. (Автор использовал стереоскопический микроскоп, чтобы все хорошо рассмотреть.)
  4. Когда все контакты на верхней стороне будут правильно припаяны, переверните плату и бросьте несколько кусочков припоя в отверстие.
  5. Найдите кусок сплошного медного кабеля, который плотно входит в отверстие диаметром 1,5 мм, и воспользуйтесь напильником, чтобы сделать один из концов полностью плоским. Проденьте этот конец в отверстие и нагрейте его с помощью паяльника. В какой-то момент кусок медной проволоки становится настолько горячим, что кусочки припоя в отверстии начинают плавиться.Медный провод слегка втянется и войдет в контакт с открытой площадкой микросхемы.
  6. Затем припаяйте кусок провода к заземляющей пластине на стороне пайки печатной платы.

Теперь у вас будет хорошее электрическое и тепловое соединение между открытой площадкой микросхемы и заземляющей поверхностью на стороне пайки печатной платы.

Список компонентов

В следующей таблице перечислены компоненты, необходимые для установки платы.

Обозначение Описание
Резисторы (по умолчанию: SMD0603)
R1, R2, R5 4.7кОм
R3, R4 560 кОм
R6 3,3 кОм
R7 10 кОм
R8 10кОм (только если в батарее нет термистора NTC)
R9 5,6 кОм
Конденсаторы (по умолчанию: SMD0603)
C1, C3 4,7 мкФ (SMD0805)
C2 100 нФ
C4 68нФ
Полупроводники
D1 светодиод, зеленый, 3 мм
D2 Светодиод, красный, 3 мм
D3 светодиод, желтый, 3 мм
IC1 MAX8677AETG + (24-контактный TQFN)
Разное
USB1 Разъем Mini-USB, крепление на печатную плату, SMD (e.г., Molex ® 67803-8020, RS Components # 720-6618)
ФС1 Предохранитель, SMD, номинал зависит от батареи (например, предохранитель LittelFuse ® nano 3A, Farnell / Newark # 1596930RL)

Революция аккумуляторных батарей, которая позволит нам всем стать влиятельными игроками

Хэл Ходсон

Теренс Эдуарте

Эта статья стала бесплатной благодаря спонсорской поддержке BASF

МЫ замечаем их ТОЛЬКО, когда они вот-вот закончатся.Иконки светятся красным, предупреждения мигают. Проклятие современной мобильности: наша батарея вот-вот разрядилась.

Это банальное повседневное раздражение. Но последствия выходят далеко за рамки ноутбуков и смартфонов. Для управления окружающей средой люди полагаются на две вещи: информацию и энергию. Уменьшение размера транзисторов и рост числа микропроцессоров дали нам огромный контроль над первым: способность хранить и манипулировать данными, которые мы держим в ладонях, было немыслимо еще поколение назад.

Но с энергией мы застряли в колее. Развитие электромобилей идет вперед из-за отсутствия способов дешево, эффективно и на большие расстояния приводить их в действие. И хотя мы добились больших успехов в использовании ветра, волн и солнца для выработки более чистой электроэнергии, опять же, технология хранения этого сока сильно отстает.

Корпорации и правительства вкладывают миллиарды долларов в улучшение существующих аккумуляторных технологий — и с некоторым успехом. Но если мы хотим продолжать вычисления и общаться с большей свободой, освобождая себя от нашей зависимости от ископаемого топлива, традиционное мышление нуждается в пересмотре.Нам понадобится аккумулятор получше.

Передовая технология хранения энергии, вероятно, прямо сейчас у вас в кармане — и еще 2 миллиарда других по всему миру. Литий-ионные батареи, которыми питается большинство смартфонов, родились в начале 1990-х годов как причуда умирающей индустрии кассетных лент. По словам Джеффа Чемберлена из Аргоннской национальной лаборатории в Чикаго, появление компакт-дисков заставило японскую компанию Sony заняться чем-нибудь, связанным со старым оборудованием для изготовления лент.Вместо того, чтобы покрывать ленту магнитной пленкой, которая могла записывать данные, они начали покрывать ее липкими слоями электрода, который мог накапливать электрический заряд.

Удачная находка

Первые литий-ионные батареи содержали рулоны этих пленочных электродов, намотанные в цилиндр, как катушка кассеты. Они мгновенно стали вдвое лучше всех остальных в плане компактного хранения энергии. В существующих никель-кадмиевых и никель-металлогидридных батареях использовались химические изменения на поверхности двух электродов внутри них, чтобы шунтировать несущие заряд гидроксид-ионы и протоны в разные стороны, заряжая и разряжая их.Новая технология достигла того же за счет обмена ионами лития, но вставляя их в наноразмерные зазоры в материале электродов батареи и из них, используя химический процесс, называемый интеркаляцией.

Поскольку литий является легким металлом, он имеет много заряженных ионов из-за своего веса, что делает батареи меньшими, но более мощными. Бум литий-ионных аккумуляторов начался с их случайного начала, в первую очередь благодаря появлению персональных электронных устройств, таких как видеокамеры, а затем мобильных телефонов и ноутбуков.Хотя они по-прежнему уступают во многих отношениях громоздким свинцово-кислотным аккумуляторам, которые сегодня можно найти почти в каждом автомобиле на дороге, в 2015 году литий-ионные аккумуляторы будут составлять около трети денег, потраченных на перезаряжаемые батареи во всем мире (см. «Turn по данным французской исследовательской фирмы Avicenne.

В то же время их производительность значительно улучшилась: изменения в конструкции утроили запас энергии в заданном объеме с момента коммерциализации технологии в 1991 году.Успех привел к успеху, и литий-ионные батареи нашли новые и более широкие применения, например, в электромобилях (см. «Питание от лития»). Например, электромобиль Model S, разработанный Tesla Motors, компанией, принадлежащей серийному предпринимателю Илону Маску, питается от тысяч небольших литий-ионных батарей, установленных между осями автомобиля. Он может разогнаться с нуля до 95 километров в час за 3,1 секунды и может проехать около 430 километров без подзарядки, хотя зарядка может занять много часов.

Tesla не планирует останавливаться на достигнутом. Литий-ионные батареи настолько важны для компании, что она взяла производство в свои руки, построив «Гигафабрику» недалеко от Рино, штат Невада. К 2020 году компания планирует производить столько литий-ионных аккумуляторов в год, сколько в 2013 году было произведено во всем мире — этого достаточно для парка из 500 000 электромобилей, и с 30-процентным снижением производственных затрат в расчете на одну батарею.

Хотя планы Tesla окружены покровом секретности, достижение этих целей, вероятно, означает изменение способа производства литиевых батарей.Несмотря на всю их коллективную мощь, тысячи батарей в Model S по сути являются потомками тех первых цилиндрических пленочных батарей. «В течение почти 25 лет мы использовали неоптимальный производственный процесс только потому, что он был там», — говорит Чемберлен. «Теперь, когда литий-ионный бизнес стоит 15 миллиардов долларов, крупные компании обращают на это внимание».

«Сейчас литий-ионные аккумуляторы — это бизнес с оборотом 15 миллиардов долларов, крупные компании обращают на это внимание»

И это не только крупные компании. Один небольшой стартап, 24M, расположенный в Кембридже, штат Массачусетс, привлек более 50 миллионов долларов инвестиций в альтернативный метод производства.Вместо использования сушильных шкафов для сушки суспензии, содержащей положительный и отрицательный электроды батареи, компания нашла способ сохранить весь процесс влажным, сэкономив время, упростив конструкцию и увеличив удельную энергию. Компания также утверждает, что ее метод снизит стоимость вдвое. «Если это сработает, все остальные сделают это немедленно», — говорит материаловед Джордж Крэбтри из Аргонны.

Слишком жарко на ощупь

Коллега Крэбтри из Аргонна Чемберлен является частью консорциума компаний и исследователей с собственными планами по усовершенствованию литий-ионных батарей.Как и в случае с Tesla, детали остаются конфиденциальными, но идея состоит в том, чтобы взять покрытия, обычно используемые для увеличения долговечности искусственных суставов, и применить их для изготовления батарей с сухими электродами. По словам Чемберлена, в настоящее время проводится тестирование ряда процессов с целью определения того, какой подход обеспечивает максимальную отдачу от вложенных средств.

Литий-ионная технология имеет огромную динамику, а это означает, что она, вероятно, на какое-то время станет основой нашей развивающейся инфраструктуры управления энергопотреблением. Но не без проблем.Литий горит горячо, поэтому батареи, содержащие его, могут стать причиной пожара, если их элементы будут перезаряжены. В 2006 году Sony отозвала 6 миллионов батарей для ноутбуков, которые спонтанно воспламенились. В январе 2013 года батареи в одном из самолетов Boeing Dreamliner следующего поколения загорелись, когда самолет находился пустым в бостонском аэропорту Логан. С тех пор Boeing обновил свое программное обеспечение, и современные системы, как правило, решают эту проблему, но технология, требующая тщательного контроля, чтобы избежать возгорания, вряд ли является идеальной.

Другие проблемы решить сложнее. Литий-ионные батареи приближаются к фундаментальным электрохимическим пределам плотности энергии, которую они могут хранить, в то время как их стоимость также приближается к минимальной, что особенно проблематично для крупномасштабных приложений. «Вы можете снизить его на 30 процентов, но вы не получите большего», — говорит Крэбтри. «Если вы действительно хотите, чтобы электромобили конкурировали с бензином, вам понадобятся батареи следующего поколения».

Это означает поиск новой химической основы для них, — говорит Рашид Язами из Наньянского технологического университета в Сингапуре.По его словам, инженеры достигли невероятных успехов в разработке литий-ионных аккумуляторов, но этого недостаточно для удовлетворения растущих требований. «Люди хотят заряжать электромобили очень быстро и пробегать 500 миль», — говорит он.

Литий

— это такой очевидный выбор для хранения большого количества энергии при малой массе, что многие альтернативные конструкции батарей также начинаются с этого элемента. Один из них — литий-серная батарея, которая накапливает и высвобождает энергию, образуя и разрывая химические связи, вместо того, чтобы вставлять ионы в структурные зазоры.Эти батареи менее подвержены возгоранию, и, хотя они еще не поступают в продажу, они продемонстрировали удельную энергию в три раза больше, чем у лучших литий-ионных батарей.

Солончаки Боливии — крупнейший в мире источник лития (Изображение: Робин Хаммонд / Panos Pictures)

Однако зависимость от лития может оказаться не лучшим вариантом. Для начала, несмотря на обилие элементов, на международные рынки не всегда легко попасть.Самые крупные выявленные ресурсы находятся в Чили и Боливии, на долю которых приходится более 40 процентов известных запасов на планете (см. «Места расположения лития»). Здесь литий содержится в хлоридном рассоле вместе с другими солями металлов под крупнейшими в мире солончаками Салар-де-Уюни. Обработка лития из рассолов может быть дешевле и, возможно, менее опасна для окружающей среды, чем его добыча из горных пород. Но, несмотря на большой интерес, Боливия до сих пор не открылась для иностранных горнодобывающих компаний, настаивая вместо этого на том, чтобы любой добытый там литий использовался для производства продуктов — батарей и электромобилей — в пределах ее границ для экспорта.

Язами — один из исследователей, ищущих альтернативные элементы для создания батарей. Он скромно относится к своему собственному проекту, говоря только, что его лаборатория работает над системой, в которой используются материалы, гораздо более распространенные, чем литий. «Если я скажу вам, что могу разработать аккумулятор, который можно заряжать за 15 секунд и прослужит одну неделю, вы будете счастливы», — говорит он. «Вот что мы делаем».

В общем, с целой периодической таблицей элементов для взятия, проб и ошибок долгое время был единственным способом найти лучшие батарейки.«Традиционные исследования батарей — это эмпиризм», — говорит Чемберлен. «Вы используете знания для исследования материала, а затем проверяете этот материал».

«Лучшие батареи позволят демократизировать электричество»

Но все меняется, и мы начинаем использовать трофеи информационной революции, чтобы вызвать аналогичную революцию в энергетике. Суперкомпьютеры — один из таких инструментов, позволяющий обрабатывать множество комбинаций элементов в различных пропорциях и оптимизировать такие свойства, как плотность энергии и время зарядки.«Мы используем эти данные, чтобы найти иголки в стоге сена из возможных материалов», — говорит Чемберлен.

Одной из таких систем является Electrolyte Genome, программа, разработанная исследователями из Аргонна в сотрудничестве с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли в Калифорнии, которая анализирует тысячи потенциальных химикатов батарей, чтобы найти многообещающих кандидатов. На основе этого исследователи из Аргонны недавно создали прототип батареи, в которой для переноса и хранения заряда используются ионы магния вместо лития.Ионы магния имеют два положительных заряда по сравнению с литиевым, что удваивает их способность накапливать энергию. Однако в большинстве случаев они появляются только в громоздких комбинациях с другими элементами — проблема, которую моделирование предлагает новые способы решения.

Другой целью вычислительного подхода являются проточные батареи, в которых весь накопительный материал растворен в растворе, что позволяет использовать особенно широкий диапазон элементарных смесей. Батареи Flow имеют меньшую плотность энергии, чем другие передовые технологии, но намного дешевле.«Мы ищем умные активные элементы или молекулы для хранения и высвобождения энергии, органические вещества, которых действительно много, они дешевы и универсальны», — говорит Крэбтри. На данный момент было протестировано 16000 вычислительных средств.

Хранение солнечного света

Снижение стоимости достаточно хороших батарей может оказаться более важным, чем повышение их плотности энергии, говорит Джефф Дан из Университета Далхаузи в Новой Шотландии, Канада. Например, Model S — это фантастический автомобиль во многих отношениях, говорит он, и «единственная проблема в том, что он стоит слишком дорого».

«Хорошие батарейки, как иголки в стоге сена из всех возможных материалов»

Это определенно становится правдой, когда мы смотрим не только на электромобили, но и на еще более насущную энергетическую проблему: как хранить электроэнергию в сети. Спрос на электроэнергию меняется днем ​​и ночью и в разные сезоны. В настоящее время энергия, необходимая для удовлетворения пикового спроса, хранится в виде природного газа и угля. Эти запасы ископаемых находятся на резервных электростанциях, работа которых увеличивается при высоком спросе.

Возобновляемые источники энергии, такие как солнце, ветер и волны, лишь усугубляют эту непредсказуемость: изменения местного облачного покрова, скорости ветра и т.п. приводят к нерегулярным пикам и минимумам, которые необязательно соответствуют пикам спроса. «Переходя на солнечную и ветровую энергию, мы не можем перемещать мощность вверх и вниз. Мы не можем это контролировать. Мы не можем диктовать, когда дует ветер или светит солнце », — говорит Чемберлен. «Значит, нам нужно как-то хранить солнечный свет».

Наша вековая модель распределения электроэнергии стоит за этой проблемой, оставляя нам необходимость использовать электроэнергию, как только она будет произведена.Например, 20 марта этого года солнечное затмение вырубило две трети солнечных генерирующих мощностей Германии примерно на час. Сетевые операторы, зная о надвигающемся дефиците, для его удовлетворения развернули альтернативную генерацию из угольных, газовых и гидроэнергетических систем. Однако при достаточном заряде батареи затмение не было бы событием с самого начала.

Но батареи для сетевого хранения должны быть очень дешевыми, чтобы конкурировать с ископаемым топливом в качестве источника энергии по запросу. «Пробурить дыру в земле — это очень недорогой способ удовлетворить наши потребности в энергии», — говорит Чемберлен.«После многих лет разработки мы пришли к тому, что это очень прибыльный и эффективный способ получить необходимую нам энергию».

Из всех способов хранения энергии литий-ионные аккумуляторы являются одними из самых дорогих. Тем не менее, с некоторыми уговорами, сетевое хранилище уже происходит с использованием этой технологии. Калифорния подписала закон в 2014 году, который требует, чтобы ее энергетические компании к 2022 году вывели в сеть 1,3 гигаватта хранилищ, что примерно соответствует мощности большой электростанции, работающей на природном газе, и достаточной, чтобы покрыть примерно 1/40 часть энергии штата. средняя потребность в мощности в любой момент.Его цель — улавливать возобновляемую энергию в непиковые часы, а затем возвращать ее в сеть, когда спрос высок.

В ответ на эту инициативу в конце прошлого года коммунальная компания Southern California Edison поручила стартапу AES Energy Storage из Вирджинии построить гигантскую литий-ионную батарею. Планируется, что это будет самая большая батарея из когда-либо построенных, она будет способна обеспечивать мощность 100 мегаватт в течение четырех часов, чего достаточно для питания 80 000 средних домов в США. «Если подсчитать, эти закупки — это полмиллиарда долларов, которые тратятся на энергосистему из-за политики одного государства», — говорит Чемберлен.

Другие компании, такие как Samsung и Siemens, уже предлагают продукты для резервного питания от электросети, но они по-прежнему дороги по сравнению с хранением ископаемого топлива и обеспечивают покрытие только на короткий период времени. Сделать одно и то же по всей сетке — гигантская задача. «Масштабы невообразимы», — говорит Дан, чья лаборатория подписала пятилетний контракт на исследования с Tesla в июне. Он подсчитал, что для хранения продукции только его местной коммунальной компании Nova Scotia Power в течение 24 часов потребуется накопительная емкость каждой батареи, произведенной в мире в этом году, а затем и вдвое меньше.

В конце концов, решение может заключаться в меньшем масштабе: дать каждому возможность хранить свою собственную энергию. Tesla — одна из нескольких компаний в этой игре: недавно она анонсировала устройство под названием Powerwall, предназначенное для дома и бизнеса. В нем используются те же батареи, что и в электромобилях, для хранения энергии — либо от возобновляемых источников, либо от дешевой ночной электроэнергии, готовой к использованию в течение дня.

«Если такие системы станут обычным явлением, мы все станем немного лучше осведомлены о том, откуда берется наша энергия и как наше собственное поведение влияет на ее использование и производство», — говорит исследователь энергетики Филипп Грюневальд из Оксфордского университета.«Аккумуляторы были бы очень полезны, чтобы дать вам понять, что у вас есть то, чем можно торговать», — говорит он. Он предвидит систему, в которой поставщики электроэнергии бесплатно устанавливают небольшие батареи в домах потребителей, предлагая им более низкие расценки в обмен на возможность управлять этим участком накопления энергии на благо сети в целом. Однако это потребует участия как компаний, так и потребителей.

Чемберлен говорит, что трудно предсказать, какие изменения претерпит мир, если произойдет революция батарей — точно так же, как было трудно предсказать последствия информационной революции десять лет назад.Но он ожидает такого же расширения прав и возможностей, когда люди получат возможность производить, хранить и использовать электричество по своему желанию. «Аккумуляторы — это стержень, который сделает возможным демократизацию электричества», — говорит он.

А поскольку растущее население мира требует все больше энергии, следующее поколение батарей не может появиться в ближайшее время (см. «Мировой спрос на литий»). «Сейчас мы находимся на пороге новой энергетической революции», — говорит Язами. «Мы знаем, что ископаемое топливо — не лучшее решение. Но без энергии это конец истории.”

Таким образом, аккумуляторы становятся технологией мирового значения, а не только для предотвращения опасного изменения климата. «[США] тратят более миллиарда долларов в день на импорт энергии в виде нефти», — говорит Дэвид Хауэлл из Управления автомобильных технологий Министерства энергетики США. «Мы отправляем в офшоры миллиард долларов в день. Это открывает нам все виды уязвимостей ».

Грюневальд соглашается. «Если мы не хотим в 2050 году электричества, основанного на ископаемом топливе, то хранение будет иметь жизненно важное значение», — говорит он.«Это начинается сегодня».

Эта статья появилась в печати под заголовком «Власть народу»

Лидер: « Полная подзарядка: лучшие батареи помогут нам всем ”

Дополнительная информация по этим темам:

Джулия Грир Исследования указывают путь к энергоемким литий-металлическим батареям

Но вот проблема металлического лития: когда батарея проходит много циклов зарядки-разрядки, литий естественным образом образуется дендриты, кристаллы, образующие ветвистую древовидную структуру.Во время зарядки батареи дендриты бесконтрольно растут в литий-металлическом элементе и могут действовать как крошечные провода, которые замыкают и убивают батарею, проникая в систему.

По словам Грир, исследователи давно искали новые способы предотвратить этот рост. Один из возможных методов — физически прижать что-нибудь к металлическому литию, чтобы подавить дендриты. В то время как в типичных литий-ионных батареях есть жидкий электролит — вещество, которое разделяет два электрода батареи и через которое движутся ионы лития, — батареи, в которых используется твердый электролит, теоретически могут оказывать достаточное механическое давление, чтобы сдерживать дендриты.

Тем не менее, после изучения аккумуляторов с твердыми электролитами дендриты все же выросли.

Грир, которая также является аффилированным преподавателем Института нейробиологии им. Тяньцяо и Крисси Чен в Калифорнийском технологическом институте, подозревала, что твердые электролиты были недостаточно сильными, чтобы противостоять росту дендритов, потому что исследователи недооценили прочность дендритов, размеры которых находятся на уровне нанометровая шкала; они занижили его, потому что макроскопический литий — относительно мягкий металл, сопоставимый со свинцом и оловом.По ее словам, металлы могут быть в 100 раз прочнее в малых масштабах, чем в больших.

«Если вы думаете о ювелирных изделиях, таких как золото или медь, они очень пластичны. Их можно легко деформировать собственными руками», — говорит Грир, специализирующийся на изучении механических свойств материалов в наномасштабе. «Но когда вы уменьшаете размеры тех же металлов, вы можете получить увеличение прочности более чем на порядок».

В 2015 году Грир и ее коллеги вырезали крошечные столбики из лития, проверили их устойчивость и обнаружили, что они, по крайней мере, на порядок сильнее, чем предполагалось.По словам Грира, эта экспериментальная установка не полностью отражала поведение литиевых дендритов в реальной батарее. Чтобы более точно подражать этому, она и ее сотрудники, в том числе выпускник лаборатории Грир Майкл Цитрин и постдокторант Хэн Янг, а также Саймон Ние из Front Edge Technology, создали батарею, предназначенную для выращивания чистых дендритов лития, которые очень похожи на те, которые были бы форма в батареях. Исследователи обнаружили, что эти дендриты в 24 раза прочнее лития в массе.

Освещая путь к лучшим технологиям аккумуляторов | MIT News

Поиски идеального аккумулятора Супратима Даса начались в темноте. Выросший в Калькутте, Индия, Дас понял, что постоянное снабжение электроэнергией — это роскошь, которой его семья не имела. «Я хотел что-то с этим сделать», — говорит Дас. Кандидат химических наук в Массачусетском технологическом институте, кандидат наук на четвертом курсе, которому осталось несколько месяцев, чтобы защитить диссертацию, он исследует причины, по которым аккумуляторы, которые используются в мобильных телефонах и электромобилях, со временем изнашиваются.

Литий-ионные батареи

, названные так из-за движения ионов лития, которые заставляют их работать, служат сегодня в большинстве перезаряжаемых устройств. Литий-элемент обладает свойствами, которые позволяют литий-ионным батареям быть портативными и мощными; Нобелевская премия по химии 2019 года была присуждена ученым, которые помогли разработать их в конце 1970-х годов. Но, несмотря на их широкое использование, литий-ионные батареи, по сути являющиеся черным ящиком во время работы, таят в себе загадки, которые не позволяют ученым полностью раскрыть свой потенциал.Дас полон решимости демистифицировать их, сначала осознав их недостатки.

В принципе, срок годности аккумуляторных батарей не должен истекать. На практике, однако, их можно перезарядить только ограниченное число раз, прежде чем они потеряют способность удерживать заряд. Обычная батарея в конечном итоге перестает работать, когда клеммы батареи, называемые электродами, постоянно изменяются под действием ионов, проходящих от одной клеммы батареи к другой. В перезаряжаемой батарее электроды восстанавливаются, когда внешнее зарядное устройство отправляет эти ионы туда, откуда они пришли.

Литий-ионные батареи

работают точно так же. Обычно один электрод изготавливается из графита, а другой — из соединений лития с переходными металлами, такими как железо, кобальт или никель. У литиевого электрода атомы лития расходятся со своими электронами, проплывают через аккумуляторную жидкость (электролит) и ждут у другого электрода. Между тем электроны проходят долгий путь. Они вытекают из батареи через устройство, которому требуется питание, во второй электрод, где они присоединяются к ионам лития.Когда мобильный телефон подключается для зарядки, ионы и электроны повторяют свой путь, и аккумулятор можно снова использовать.

Однако, когда аккумулятор заряжен, не все ионы лития возвращаются обратно. В каждом цикле зарядки ионы остаются на графитовом электроде, и батарея со временем теряет емкость. Даса это озадачило, потому что это означало, что разрядка аккумулятора телефона не повредила ему, а зарядка повредила. Он затронул эту загадку в нескольких академических публикациях в открытом доступе в 2019 году.

Была еще одна проблема. Когда батарея «быстро заряжается» — функция, которая присутствует во многих новейших электронных устройствах, — ионы лития начинают наслаиваться (осаждаться) поверх угольного электрода вместо того, чтобы переноситься (вставляться) в материал. Длительное литиевое покрытие может вызвать неконтролируемый рост фракталоподобных дендритов. Это может вызвать короткое замыкание и даже возгорание.

В своих докторских исследованиях Дас и его сотрудники смогли понять микроскопические изменения, которые приводят к ухудшению электродов батареи в течение срока ее службы, и разработать многомасштабные физические модели для их надежного прогнозирования в макромасштабе.Такие многомасштабные модели могут помочь производителям аккумуляторов существенно снизить затраты на диагностику состояния аккумуляторов до того, как они будут встроены в устройство, и сделать аккумуляторы более безопасными для потребителей. В своем последнем проекте он использует эти знания, чтобы исследовать лучший способ зарядки литий-ионного аккумулятора без его повреждения. Дас надеется, что его вклад поможет ученым добиться дальнейших прорывов в науке об аккумуляторах и сделать аккумуляторы более безопасными, особенно когда частные компании часто строго охраняют новейшие технологии.«Наша группа пытается улучшить качество академической литературы в открытом доступе», — говорит Дас. «Так что, когда другие люди пытаются начать свои исследования в области батарей, им не нужно начинать с теории пяти-десяти лет назад».

Das удобно расположен между академическим миром и промышленным миром.

Будучи студентом Индийского технологического института (ИИТ) в Дели, Дас узнал, что инженеры-химики могут использовать уравнения и эксперименты для изобретения таких технологий, как лекарства и полупроводники.«Сам факт того, что я здесь учился в колледже, изучая что-то, что дало мне возможность потенциально влиять на жизни N людей положительным образом, был для меня чрезвычайно увлекательным», — говорит Дас. Он также прошел стажировку в компании по производству потребительских товаров, где понял, что академические круги предоставят ему больше свободы для реализации амбициозных идей.

На втором курсе Дас написал профессору Гонконгского университета науки и технологий, ища возможность провести исследование. Тем летом он улетел и провел недели, изучая мощные литий-ионные батареи.«Это был потрясающий опыт», — вспоминает Дас. Он вернулся к своей курсовой работе, но идея работать с батареями прижилась. «Я никогда не думал, что то, что я могу сделать своими руками, потенциально может иметь такое же влияние, как и аккумуляторная технология», — говорит Дас. Он продолжил работу над исследовательскими проектами и внес ключевой вклад в области инженерии многофазных химических реакций во время учебы в бакалавриате и в конце концов подал заявление в аспирантуру Массачусетского технологического института.

На втором году обучения в аспирантуре Дас в течение одного семестра работал техническим консультантом в Shell в Хьюстоне, штат Техас, и в Emirates Global Aluminium в Дубае.Там он извлек уроки, которые окажутся неоценимыми в его дипломной работе. «Это научило меня формулировать проблемы», — говорит Дас. «Определение того, что актуально для заинтересованных сторон; над чем работать, чтобы максимально использовать навыки команды; как распределить свое время ».

Получив опыт в этой области, Дас обнаружил, что как ученый может поделиться ценными знаниями об исследованиях аккумуляторов и будущем технологий с экономистами в области энергетики. Он также понял, что политики учитывают свои собственные критерии при инвестировании в технологии будущего.Дас считал, что такая перспектива поможет ему принимать обоснованные политические решения как ученому, поэтому он решил, что после получения докторской степени он будет получать степень магистра делового администрирования с упором на экономику и политику в области энергетики в Школе менеджмента Sloan при Массачусетском технологическом институте. «Это позволит мне внести больший вклад в общество, если я смогу действовать как мост между кем-то, кто понимает хардкорную микроскопическую физику батареи, и кем-то, кто понимает экономические и политические последствия внедрения этой батареи в автомобиль или сетка », — говорит Дас.

Дас считает, что программа, которая начнется следующей осенью, позволит ему работать с другими экспертами в области энергетики, которые поделятся своими знаниями и навыками. Он хорошо понимает силу сотрудничества: в колледже Дас был избран президентом общежития, в котором проживает более 450 человек, и работал со студентами и администрацией, чтобы представить новые объекты и мероприятия в кампусе. После прибытия в Кембридж, штат Массачусетс, Дас помогал другим студентам управлять Ashdown House, представлял студентов-химиков в Консультативном совете аспирантов и работал в команде лидеров MIT Energy Club, возглавляя организацию MIT EnergyHack 2019.Он также выступил с инициативой общественных работ в Департаменте химического машиностроения; раз в неделю студенты наставляют школьников и работают волонтерами в некоммерческих организациях Кембриджа. Он смог привлечь финансирование для своей инициативы и был награжден кафедрой за успешную мобилизацию более 80 студентов в сообществе в течение года. «Я постоянно удивляюсь тому, чего мы можем достичь, работая с другими людьми, — говорит Дас.

В конце концов, Дасу помогли другие люди.«Я обязан большим успехом благодаря нескольким жертвам, которые моя мама принесла мне, включая отказ от собственной карьеры», — говорит он. В Массачусетском технологическом институте ему повезло, что он встретил наставников, таких как его советник Мартин Базант, директора практических школ Роберт Фишер и Брайан Статтс, а также многих коллег, которые предложили ответы на его вопросы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *