Особенности соединения и зарядки литиевых аккумуляторов
Есть два варианта соединения аккумуляторов, последовательное и параллельное. При последовательном соединении суммируется напряжение на всех аккумуляторах, при подключении нагрузки с каждого аккумулятора идет ток, равный общему току в цепи, в общем сопротивление нагрузки задает ток разряда. Это вы должны помнить со школы. Теперь самое интересное, емкость. Емкость сборки при таком соединении по хорошему равна емкости аккумулятора с самой маленькой емкостью. Представим, что все аккумуляторы заряжены на 100%. Смотрите, ток разряда у нас везде одинаковый, и первым разрядится аккумулятор с самой маленькой емкостью, это как минимум логично. И как только он разрядится, дальше нагружать данную сборку будет уже нельзя. Да, остальные аккумуляторы еще заряжены. Но если мы продолжим снимать ток, то наш слабый аккумулятор начнет переразряжаться, и выйдет из строя. То есть правильно считать, что емкость последовательно соединенной сборки равна емкости самого малоемкого, либо самого разряженного аккумулятора. Отсюда делаем вывод: собирать последовательную батарею нужно во первых из одинаковых по емкости аккумуляторов, и во вторых, перед сборкой они все должны быть заряжены одинаково, проще говоря на 100%. Существует такая штука, называется бмс, бэттери мониторинг систем, она может следить за каждым аккумулятором в батарее, и как только один из них разрядится, она отключает всю батарею от нагрузки. Теперь что касается зарядки такой батареи. Заряжать ее нужно напряжением, равным сумме максимальных напряжений на всех аккумуляторах. Для литиевых это 4.2 вольта. То есть батарею из трех заряжаем напряжением 12.6 в. Смотрите что происходит, если аккумуляторы не одинаковые. Быстрее всех зарядится аккумулятор с самой маленькой емкостью. Но остальные то еще не зарядились. И наш бедный аккумулятор будет жариться и перезаряжаться, пока не зарядятся остальные. Переразряда я напомню литий тоже очень сильно не любит и портится. Чтобы этого избежать, вспоминаем предыдущий вывод. Но ещё существует такая штука, как балансировка ячеек. Специальный зарядный контроллер грубо говоря имеет доступ к каждой ячейке и персонально заряжает ее на 100% независимо от остальных. В интернете есть куча схем на стабилитронах и прочей рассыпухе, но мы здесь с вами не для этого, мы паять не любим. Для двух и трех аккумуляторов есть модуль защиты зарядки и балансировки, но я опять же собрал вас здесь сегодня не для этого.
Перейдем к параллельному соединению. Емкость такой батареи равна сумме емкостей всех аккумуляторов в нее входящих. Разрядный ток для каждой ячейки равен общему току нагрузки, деленному на число ячеек. То есть чем больше акумов в такой сборке, тем больший ток она может отдать. А вот с напряжением происходит интересная вещь. Если мы собираем аккумуляторы, имеющие разное напряжение, то есть грубо говоря заряженные до разного процента, то после соединения они начнут обмениваться энергией до тех пор, пока напряжение на всех ячейках не станет одинаковым. Делаем вывод: перед сборкой акумы опять же должны быть заряжены одинаково. Иначе при соединении пойдут большие токи, и разряженный акум будет испорчен, и скорее всего может даже загореться. В процессе разряда аккумуляторы тоже обмениваются энергией, то есть если одна из банок имеет меньшую емкость, остальные не дадут ей разрядиться быстрее их самих, то есть в параллельной сборке можно, но не очень желательно использовать аккумуляторы с разной емкостью. И то же самое касается зарядки. Можно абсолютно спокойно заряжать разные по емкости аккумуляторы в параллели. То есть балансировка не нужна, сборка будет сама себя балансировать. Делать так опять же не очень желательно, но можно.
Перейдем к делу. Допустим мы хотим использовать аккумуляторы последовательно, для увеличения напряжения. По хорошему, чтобы правильно использовать такую сборку, аккумуляторы должны быть одной емкости, желательно из одной партии на производстве, а также перед соединением они должны быть заряжены до одного напряжения. Такую идеальную сборку можно заряжать напряжением, равным сумме максимальных напряжений для лития, то бишь 4.2В. для этого подойдут готовые блоки питания, вставил в розетку и заряжаешь. Либо понижающий модуль, настроенный на нужное напряжение? Или например лабораторный блок пиатния. Но в мире нет ничего идеального, поэтому более правильно будет заряжать через бмс, которая отключит батарею если один из аккумуляторов зарядится на 100%. А еще более правильно будет использовать зарядник с балансировкой ячеек, который тоже стоит денег.
Изготовление сменного батарейного блока к запасному Li-Ion аккумулятору для Ni-Cd шуруповерта, с использованием холдера для 18650 Li-Ion аккумуляторов
Это 2-я часть обзора о запасном Li аккумуляторе для Ni-Cd шуруповерта Black&Decker. В 1-й части я делал корпус аккумулятора с защелками, ставил в него плату защиты, вольтметр-пищалку и адаптер для работы с Li-Ion батарейным блоком от шуруповерта DeWALT. Сегодня я расскажу о новом захватывающем DIY проекте – сменном батарейном блоке на базе холдера (кассеты) для 18650 Li-Ion аккумуляторов. А также — какие холдеры можно, на мой взгляд, использовать в шуруповертах и почему (немного теории). Как доработать правильный холдер (практический пример).Холдеры (они же кассеты, держатели, или боксы) – это самый простой и безопасный способ соединить между собой цилиндрические Li-Ion аккумуляторы. Простой, потому что не требуется оборудование точечной сварки (стандартный промышленный способ соединения Li-Ion банок в сборке). Безопасный, потому что ни варить, ни паять сами банки не нужно. Не имея опыта пайки лития, есть серьезный риск убить достаточно дорогие аккумуляторы. Чтобы паять литий, нужна набитая рука, мощный паяльник и соблюдение правильной техники для исключения перегрева корпуса банок в процессе пайки. Также холдеры имеют весомый плюс по сравнению с пайкой или сваркой, создающей неразъемное соединение элементов – в холдере все банки можно легко и быстро заменить.
В чем же проблема с использованием холдеров для аккумулятора шуруповерта? Во-первых, при высоких рабочих токах шуруповерта контакты холдера сильно нагреваются. Из-за этого пластиковый корпус холдера плавится, что приводит к его разрушению и выходу аккумулятора из строя. Во-вторых, шуруповерт теряет мощность, т.к. значительная часть энергии банок уходит на нагрев контактных проводников холдера. Особенно это касается холдеров с круглыми пружинами, на которых заметно падает напряжение из-за большой длины и малого сечения пружинок. Итак, общее проблемное место всех холдеров — это их контакты, что ограничивает возможности использования холдеров в устройствах с высоким током потребления.
Означает ли это, что использовать холдеры для шуруповерта в принципе нельзя?
Утверждать столь категорично я бы не стал. Некоторые типы холдеров, после несложной доработки, использовать вполне возможно. Но обязательно нужно учитывать максимальный ток шуруповерта, с которым их планируется применять.
Какие бывают холдеры (кассеты) для 18650 Li-Ion аккумуляторов?
Чаще всего встречаются такие.
Я условно пронумеровал их как №1, 2, 3.
№1 это холдер с круглыми пружинами.
№ 2 и 3 по сути один и тот же холдер с плоскими пружинами, различие только в форме выводов. У № 2 они узкие, а у № 3 широкие. Рядом с этими холдерами я добавил изображения их контактных ламелей.
Почему греются контакты холдера при высоких токах?
При прохождении по проводнику электрического тока происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока (закон Джоуля-Ленца, Q = I2rt).
Представим, что это контакт холдера (как отрезок проводника, включенный в общую цепь). Если в каком-то месте цепи сопротивление (r, Ом) будет выше, то проводник в этом месте будет греться сильнее.
От чего зависит сопротивление проводника? В основном от 2-х факторов (в дебри уходить не будем, это все же DIY обзор, а не научная статья) – от геометрии проводника и его удельного электрического сопротивления. Вот формула.
где r — сопротивление отрезка проводника; ρ — удельное сопротивление проводника; l — длина проводника; S — сечение проводника.
На какие мысли наводит эта формула?
Чтобы уменьшить r, нужно значение числителя (верхняя часть дроби) сделать как можно меньше, а знаменателя — как можно больше. С ρ мы ничего сделать не можем, что есть, с тем и работаем. А вот L можно уменьшить, сделав путь тока как можно короче. Применительно к плоскому ламелю холдера, это означает, что паять перемычку нужно как можно ближе к месту контакта ламеля с полюсом банки. Холдер с круглыми пружинами имеет большую длину L и соответственно повышенное сопротивление. Однако определяющее значение для выбора правильного холдера имеет сечение S контактного ламеля. Чем больше сечение, тем больший ток может выдержать холдер. На первый взгляд это просто, но есть и нюансы.
На фото холдеров вы наверно обратили внимание, что сечение ламеля на разных участках его длины разное. Что из этого следует? В той области, где сечение меньше, ламель будет греться больше. Кстати, на этом строится принцип работы плавкого предохранителя – где тонко, там и рвется.
А вот еще пример, из области автоэлектрики.
Несложно догадаться, что произойдет с тонким проводком при включении мощного потребителя.
Становится понятно, что соединять ламели холдера между собой нужно в их широкой части — от места контакта ламеля с полюсом банки до места сужения профиля ламеля. 
Такой нестандартный способ соединения ламелей нужен только для работы на высоких токах. Для работы в пауэрбанке, например, штатного соединения (т.е. нижнего по рисунку) будет более чем достаточно.
А теперь отвлечемся на минуту от скучных формул.
На какой предмет похож контакт холдера № 2? Мне, как бывшему слесарю-сборщику РЭАиП, он напоминает бутылку (ну кто б сомневался).
Кстати, это наглядная визуализация английского термина bottleneck («узкое место»), применяемого в технических и других науках. Термин произошел из аналогии с узким горлышком бутылки, из-за чего не получается вылить или высыпать всё её содержимое сразу, даже если её перевернуть. При увеличении ширины горлышка увеличивается и скорость, с которой бутылка опустошается. Таким образом, «бутылочным горлышком» называют любой компонент системы, мощность (пропускная способность) которого меньше, чем потребность в нем.
Вот мы и подобрались вплотную к ответу на вопрос, какой тип холдера, с точки зрения банальной физики, лучше всего подходит для использования с шуруповертом. Таблица ниже поможет сделать выбор.
Холдеры с круглыми пружинами отбрасываем сразу. Самое малое сечение контактов из всех 3-х типов, это раз. Большая длина пружинок, значительное падение на них напряжения, это два. Популярная доработка (припаивание медного провода ко 2-му витку пружинок) ничего кардинально не изменит. Холдер №1 можно использовать только для сравнительно небольших токов, порядка 1 ампера, например, в пауэрбанках. Для питания шуруповертов они совершенно непригодны.
Теперь самое интересное. Какой холдер лучше, №2 или №3?
№2 имеет узкие выводы с сечением 0,62 кв.мм, немногим больше чем у холдера №1 (0,38 кв.мм). Такого сечения для питания шуруповерта также явно недостаточно, о чем красноречиво говорит проплавленный корпус холдера на фото ниже. Необходимо использовать нестандартное соединение в широкой части контакта. Плюс холдера №2 – самая большая площадь сечения (в широкой части контакта).
Холдер №3. С одной стороны, он имеет широкие выводы. Но вся их ценность смазывается заужением профиля в середине ламеля (помните про плавкий предохранитель?). Если соединять штатно, эффективное сечение будет всего лишь 1,08 кв.мм. Второй недостаток — сечение даже широкой части контакта холдера №3 на целых 39% меньше такого же сечения холдера №2. 1,9 кв.мм и 2,64 кв.мм соответственно.
Поскольку нагрев контактов сильно зависит от силы тока через них (помните про квадрат тока из формулы Джоуля-Ленца?), то для противодействия ему каждый дополнительный мм2 сечения контактов становится на вес золота. Поэтому лучшим холдером для высоких токов из 3-х перечисленных является тот, который имеет наибольшее сечение контактов в местах их соединения между собой.
Вывод: Для токов шуруповерта лучше подойдет холдер №2, при условии, что соединительные провода будут припаяны к его широкой части.
Следующий важный вопрос – какой ток, ограниченный допустимым нагревом, может на практике выдержать доработанный холдер №2? Такой эксперимент проводил уважаемый kirich в одном из своих обзоров. Вот его результаты.
Судя по термограмме, можно осторожно предположить, что и 20 ампер длительно не являются пределом для данного холдера, однако здесь мы уже упираемся в ограничения по максимальному току самих Li-Ion аккумуляторов форм-фактора 18650 (как правило, 30 ампер длительно).
Как альтернативный вариант, для увеличения токовой отдачи можно также использовать параллельно-последовательное соединение аккумуляторов в холдере. Например, xS2P соединение увеличивает отдаваемый батарейным блоком ток вдвое, xS3P — втрое, и т.д.
Кстати, многие думают, что чем мощнее аккумуляторный шуруповерт, то тем больше у него рабочие токи. Это не всегда так, бывает скорее наоборот. Вот пример. Посмотрите на таблицу со спецификациями моторов ф. Leshi Motor, которые ставились в Ni-Cd шуруповерты.
Мы видим, что 7.2В мотор имеет макс. ток 14,8А и мощность 67,5 Вт.
А 18В мотор имеет макс. ток 8,6А и мощность 113,7 Вт.
Удивительно, правда? Почему так? Здесь при меньшем макс. токе мощность больше за счет повышения напряжения питания (по формуле мощности P=IU).
Поскольку для холдеров критичным является именно ток, а не напряжение, это обстоятельство может в некоторых случаях расширить возможности применения холдеров для переделки на литий мощных 18 вольтовых Ni-Cd шуруповертов.
Ну и наконец, практическая часть.
Изготовление сменного батарейного блока на базе холдера №2
Напомню, что моем шуруповерте Black&Decker CD12C, для которого я делаю этот батарейный блок, стоит 12V двигатель с максимальным рабочим током 9.7А. Провода питания к этому двигателю имеют сечение 0,823 кв.мм (18AWG). Допустимую длительную токовую нагрузку проводов с разным сечением по стандарту AWG можно посмотреть здесь
Это холдер с аккумуляторами, которые я буду использовать. Ссылки на них привел в конце обзора.
Припаял выходные провода и перемычки к ламелям холдера в верхней части. Перемычки в точках 1S и 2S сделал из того же акустического медного провода сечением полтора квадрата, что и выходные провода. Для подключения точек соединения элементов к плате защиты и вольтметру припаял к перемычкам провода с наконечником типа РП-М (автоклемма).
Провода и перемычки не мешают установке аккумуляторов в холдер.
Для обратной совместимости с батарейным блоком от шуруповерта DeWALT DCD 710, который меньше по длине, сделал в адаптере разрезную фигурную вставку. Нижняя часть приклеена, а верхняя при установке холдера вынимается.
Оба блока рядом.
Батарейные блоки в адаптере меняются простой перестановкой.
Напоследок испытал новый батарейный блок в составе шуруповерта, закрутив и выкрутив без перерыва два десятка длинных саморезов, до отсечки на максимальном моменте трещотки. Ничего не задымилось и не расплавилось.
В каких же случаях можно использовать холдер вместо пайки/сварки банок? Мое личное мнение на этот счет таково: если холдер влезает в корпус старого аккумулятора и рабочий ток шуруповерта позволяет, тогда и можно ставить. А вот нужно ли ставить холдер или паять литий, каждый решает сам, в зависимости от своих убеждений и уровня подготовленности, здесь я рекомендовать ничего не могу. Для меня все определяется удобством и целесообразностью в каждом конкретном случае. Например, в корпус штатного Ni-Cd аккумулятора моего шуруповерта холдер не влезает и поэтому, если буду переделывать его на литий, то буду паять банки.
О зарядке
Заряжать вставленный в адаптер холдер с аккумуляторами можно теми же способами, что и батарейный блок DeWALT из прошлого обзора:
1) 12.6V зарядкой для 3S сборки литиевых аккумуляторов через штатный зарядный разъем шуруповерта. Например, зарядкой из обзора уважаемого kirich 
2) Подходящей универсальной зарядкой для литиевых аккумуляторов через выходные клеммы или штатный зарядный разъем. Например, B6 mini.
3) Или можно вынуть аккумуляторы из холдера и зарядить их любой зарядкой для лития, вместе или по отдельности.
Список основных использованных материалов
Холдер №2 aliexpress.com/store/product/1pcs-DIY-Black-Storage-Box-Holder-Case-For-3-x-18650-3-7V-Rechargeable-Batteries/2883234_32820368298.html
Аккумуляторы US18650VTC6 3120mAh 30A 3.6V https://www.gearbest.com/batteries/pp_571930.html?wid=83
Набор автоклемм ebay.com/itm/222641329900
UPD: Незапланированный тест холдера на устойчивость к короткому замыканию и его результаты
Хотя я и сделал защиту от себя дурака переполюсовки, в виде термоусадки разного цвета на наконечниках проводов (кроме силовых проводов адаптера, за что впоследствии и поплатился), но тем не менее на днях умудрился их перепутать. При нажатии кнопки шуруповерта послышался характерный «пшшш», сопровождаемый дымом и запахом горелой пластмассы.
Из видимых повреждений: в шуруповерте был пробит диод, а на плате защиты отпаялись силовые ключи и подгорели токоизмерительные резисторы. Таким образом, шуруповерт и плата защиты оказались выведены из строя. А вот с холдером ничего не случилось. Контакты холдера, провода с разъемами и аккумуляторы это испытание выдержали играючи.
фото
В заключение, только факты.
1. доработанный холдер №2 без проблем выдерживает рабочий ток шуруповерта 9.7 ампер.
2. доработанный холдер №2 без проблем выдерживает длительный ток 20 ампер в течение как минимум 10 минут (результаты независимого теста)
3. доработанный холдер №2 без проблем выдержал ток короткого замыкания в шуруповерте Black&Decker CD12C
Выводы можете сделать сами, уважаемые читатели.
mysku.ru
Skoda Rapid: цена, фото, комплектации, характеристики.
SKODA RAPID — автомобиль, который смело можно назвать уникальным. Почему? Ответ очевиден – он подойдёт абсолютно всем! Динамичный характер модели и чёткая, отточенная управляемость в сочетании с интересным и стильным дизайном не оставит равнодушными молодое поколение.
Водители более зрелого возраста по достоинству оценят благородство «кристаллического» дизайна, который отчасти напоминает собой традиции лучших хрустальных мануфактур Чехии и столь любимую всеми жителями Праги архитектуру в стиле кубизм.
SKODA RAPID – любая поездка в удовольствие
Шкода Рапид – самый доступный автомобиль, из всей линейки SKODA представленной в России, однако он оснащён самыми современными опциями, обычно предлагаемыми для автомобилей классом выше. Внешность дорогого европейского автомобиля, в дизайне которого нет случайных деталей в сочетании с удобством и функциональностью, превзойдёт все ваши самые смелые ожидания. Всё продумано – до мелочей.
И дело не только в удовольствии, которое вы получите при скоростном прохождении связки поворотов – хотя и его SKODA RAPID с лёгкостью вам обеспечит. Множество деталей, которые способны сделать каждую поездку максимально удобной и комфортной – вот за что ценят автомобили SKODA более чем в сотне стран мира.
В целом, его можно назвать «горожанином» компактного класса. В то же время, Шкода Рапид — это семейный автомобиль, его просторный салон и вместительный багажный отсек отлично подойдёт для путешествий всей семьёй. Поместится практически всё и даже больше! А если места всё-таки окажется мало — багажную полку легко снять, а сиденья второго ряда — сложить.
Под капотом – тоже есть чем впечатлиться. Двигатели SKODA RAPID – это воплощение всей инженерной мощи автоконцерна «Volkswagen». Их экономичность и надёжность, проверенная временем, гарантирует вам годы бесперебойной работы в условиях самого напряжённого графика в самых сложных дорожных условиях.
Семейный автомобиль должен быть по-настоящему комфортным, причём не только на первом ряду, но и на втором. Ведь в настоящей семье должно быть одинаково удобно всем. SKODA RAPID – полностью отвечает этим требованиям, ведь это автомобиль, в котором каждый найдёт для себя удобное и комфортное место. Даже в самой длительной поездке.
skoda-rapid.ru
ОДНОВРЕМЕННАЯ ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ
Сейчас всё большую популярность набирают литиевые аккумуляторы. Особенно пальчиковые, типа 18650, на 3,7 В 3000 мА. Ни сколько не сомневаюсь, что ещё 3-5 лет, и они полностью вытеснят никель-кадмиевые. Правда остаётся открытым вопрос про их зарядку. Если со старыми АКБ всё понятно — собирай в батарею и через резистор к любому подходящему блоку питания, то тут такой фокус не проходит. Но как же тогда зарядить сразу несколько штук, не используя дорогие фирменные балансировочные ЗУ?
Теория
Для последовательного соединения аккумуляторов, обычно к плюсу электрической схемы подключают положительную клемму первого последовательное соединение аккумуляторов аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к минусу блока. Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Значит если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.
Энергия, накопленная в АКБ, равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы — параллельно или последовательно.
Литий-ионные батареи просто подключить к БП нельзя — нужно выравнивание зарядных токов на каждом элементе (банке). Балансировку проводят при зарядке аккумулятора, когда энергии много и её можно сильно не экономить и поэтому без особых потерь можно воспользоваться пассивным рассеиванием «лишнего» электричества.
Никель-кадмиевые АКБ не требуют дополнительных систем, поскольку каждое звено при достижении его максимального напряжения заряда перестает принимать энергию. Признаки полного заряда Ni-Cd — это увеличение напряжения до определенного значения, а затем его падение на несколько десятков милливольт, и повышение температуры — так что лишняя энергия сразу превращается в тепло.
У литиевых аккумуляторов наоборот. Разрядка до низких напряжений вызывает деградацию химии и необратимое повреждение элемнта, с ростом внутреннего сопротивления. В общем они не защищены от перезаряда, и можно потратить много лишней энергии, резко сокращая тем самым время их службы.
Если соединить несколько литиевых элементов в ряд и запитать через зажимы на обоих концах блока, то мы не можем контролировать заряд отдельных элементов. Достаточно того, что одно из них будет иметь несколько более высокое сопротивление или чуть меньшую емкость, и это звено гораздо быстрее достигнет напряжения заряда 4,2 В, в то время как остальные будут еще иметь 4,1 В. И когда напряжение всего пакета достигнет напряжение заряда, может оказаться, что эти слабые звенья заряжены до 4,3 Вольт или даже больше. С каждым таким циклом будет происходить ухудшение параметров. К тому же Li-Ion является неустойчивым и при перегрузке может достичь высокой температуры, а, следовательно, взорваться.
Чаще всего на выходе источника зарядного напряжения ставится устройство, называемое «балансиром». Простейший тип балансира — это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке Li-Ion с пороговым значением 4,20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно элементу, пропускающий через себя большую часть тока заряда и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.
Упрощённая схема балансира для АКБ
Вот упрощённая схема балансира тока на базе TL431. Резисторы R1 и R2 устанавливают напряжение 4,20 Вольт, или можно выбрать другие, в зависимости от типа батареи. Эталонное напряжение для регулятора снимается с транзистора, и уже на границе 4,20 В система начнет приоткрывать транзистор, чтобы не допустить превышения заданного напряжения. Минимальное увеличение напряжения вызовет очень быстрый рост тока транзистора. Во время тестов, уже при 4,22 В (превышение на 20 мВ), ток составил более 1 А.
Сюда подходит в принципе любой транзистор PNP, работающий в диапазоне напряжений и токов, которые нас интересуют. Если батареи должны быть заряжены током 500 мА. Расчет его мощности прост: 4,20 В х 0,5 А = 2,1 В, и столько должен потерять транзистор, что вероятно, потребует небольшого охлаждения. Для зарядного тока 1 А или больше мощность потерь, соответственно, растет, и все труднее будет избавиться от тепла. Во время теста были проверены несколько разных транзисторов, в частности BD244C, 2N6491 и A1535A — все они ведут себя одинаково.
Делитель напряжения R1 и R2 следует подобрать так, чтобы получить нужное напряжение ограничения. Для удобства вот несколько значений после применения которых, мы получим следующие результаты:
- R1 + R2 = Vo
- 22K + 33K = 4,166 В
- 15К + 22K = 4,204 В
- 47K + 68K = 4,227 В
- 27K + 39K = 4,230 В
- 39K + 56K = 4,241 В
- 33K + 47K = 4,255 В
Схема устройства для балансировки аккумуляторов
Это аналог мощного стабилитрона, нагруженного на низкоомную нагрузку, роль которой здесь выполняют диоды D2…D5. Микросхема D1 измеряет напряжение на плюсе и минусе аккумулятора и если оно поднимается выше порога, открывает мощный транзистор, пропуская через себя весь ток от ЗУ. Как соединяется всё это вместе и к блоку питания — смотрите далее.
Блоки получаются действительно маленькие, и вы можете смело устанавливать их сразу на элементе. Следует только иметь в виду, что на корпусе транзистора возникает потенциал отрицательного полюса батареи, и вы должны быть осторожны при установке систем общего радиатора — надо использовать изоляцию корпусов транзисторов друг от друга.
Испытания
Сразу 6 штук балансировочных блоков понадобились для одновременной зарядки 6 аккумуляторов 18650. Элементы видны на фото ниже.
Все элементы зарядились ровно до 4,20 вольта (напряжение были выставлены потенциометрами), а транзисторы стали горячие, хотя и обошлось без дополнительного охлаждения — зарядка током 500 мА. Таким образом, можно смело рекомендовать данный метод для одновременного заряда нескольких литиевых аккумуляторов от общего источника напряжения.
Форум по АКБ
Обсудить статью ОДНОВРЕМЕННАЯ ЗАРЯДКА НЕСКОЛЬКИХ АККУМУЛЯТОРОВ
radioskot.ru
Последовательное и параллельное соединение аккумулятров
- Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
- Опубликовано 10.04.2016 14:30
- Автор: Abramova Olesya
Электрические батареи могут достигать необходимого рабочего напряжения путем последовательного подсоединения нескольких элементов — каждый элемент добавляет свой показатель напряжения к общему напряжению всей системы. Параллельное же соединение обеспечит более высокий показатель емкости и силы тока — суммарная емкость такой системы будет равна сумме емкостей всех подключенных элементов, сила тока также будет равняться сумме значений всех элементов.
Некоторые системы могут состоять из нескольких параллельных или последовательных соединений. Аккумуляторы для портативных компьютеров обычно состоят из четырех 3,6 В литий-ионных элементов, соединенных последовательно для обеспечения напряжения 14,4 В и двух соединенных параллельно для увеличения емкости от 2400 мАч до 4800 мАч. Такая конфигурация называется 4S2P, что соответственно и расшифровывается как 4 Serial 2 Parallel (что в переводе с английского — 4 последовательных и 2 параллельных соединения). Между такими элементами в аккумуляторе обязательно присутствует изоляционный материал, во избежание короткого замыкания.
Элементы большинства электрохимических систем способны к последовательному и параллельному соединению. Важно использовать элементы одного типа, с одинаковым напряжением и емкостью, и никогда не формировать соединение из элементов разных марок и размеров, так как более слабый элемент вызовет дисбаланс всей системы. Это особенно важно при последовательном соединении, так как вся система будет зависеть от самого слабого элемента. В этом случае уместна аналогия с цепью, где слабое звено нивелирует прочность всей цепи (рисунок 1).
Рисунок 1: Сравнение последовательного соединения электрических батарей с цепью. Каждое звено этой цепи можно сравнить с электрохимическим элементом питания в последовательно соединенной системе, слабость звена или элемента приведет к коллапсу всей системы.
Слабый элемент может выявиться не сразу, при щадящих режимах работы нагрузка на него не велика, однако при возрастании нагрузки он исчерпывает свой ресурс очень быстро. При зарядке такой элемент полностью заряжается быстрее других, следовательно, остальное время на него действует излишняя зарядка, что приводит к вредному перезаряду. При разряде же он выходит из строя первым, заставляя остальные элементы питать нагрузку, уже превышающую номинал всей системы. Элементы в аккумуляторных системах обязательно должны иметь одинаковые характеристики, особенно в условиях высоких нагрузок.
Система из одного электрохимического элемента питания является простейшим примером электрической батареи. Такая система не требует предварительного согласования, а защитная схема, в случае если это литий-ионная технология, крайне проста. Типичными примерами таких систем являются 3,60 В литий-ионные аккумуляторы для мобильных телефонов и планшетов. Другим примером использования одноэлементных батарей являются настенные часы, где чаще всего используется 1,5 В щелочная батарейка.
Номинальное напряжение элемента на основе никеля составляет 1,2 В, щелочной — 1,5 В, серебряно-оксидной — 1,6 В, а свинцово-кислотной — 2,0 В. Первичные литиевые элементы обеспечивают напряжение в диапазоне от 3,0 до 3,9 В, в их числе литий-ионные — 3,6 В, литий-фосфатные — 3,2 В, литий-титанатные — 2,4 В.
Литий-марганцевая и другие электрохимические системы на основе лития часто могут обеспечить напряжение элемента на уровне 3,7 В и выше. Это связано не столько с электрохимическими аспектами, сколько является следствием оптимизации под более высокий показатель количества ватт-часов путем уменьшения внутреннего сопротивления элемента. Но в основном, элементы этой электрохимической системы производятся со стандартным показателем напряжения в 3,6 В.
Портативное оборудование, требующее высоких значений напряжения, использует в качестве источника питания два или больше электрических элемента, соединенных последовательно. На рисунке 2 показан батарейный блок из четырех 1,2 В никелевых элементов, соединенных последовательно. Такой блок создан для получения напряжения 4,8 В и известен как 4S. Для сравнения, свинцово-кислотный аккумулятор с шестью 2 В элементами (“банками”) будет генерировать 12 В, а четыре 3,6 В литий-ионных элемента дадут 14,4 В. (BU-303: Номинальное напряжение аккумулятора)
Рисунок 2: Последовательное соединение четырех элементов (4S). Последовательное присоединение элемента увеличит напряжение, сила тока останется неизменной.
Если вам нужно особое значение напряжения, например, 9,5 вольт, последовательно подключите пять свинцово-кислотных, восемь никель-металл-гидридных или никель-кадмиевых, или три литий-ионных элемента. Конечное напряжение батарейного блока может быть немного большим, чем номинальное устройства, приложение 12 В вместо 9,5 В позволит его эксплуатировать. Большинство устройств, рассчитанных на питание электрическими батареями, могут выдерживать некоторое превышение номинального напряжения, но не следует этим злоупотреблять, слишком большое превышение напряжения может повредить устройство.
Использование электрической батареи с высоким напряжением позволяет уменьшить потери и увеличить КПД. Беспроводные инструменты работают на 12 В и 18 В аккумуляторах, более высококлассные используют даже 24 В и 36 В. Большинство электровелосипедов комплектуются 36 В литий-ионным аккумулятором, некоторые даже идут с 48 В. Существуют инициативы в автомобильной промышленности по поводу увеличения напряжения стартерного аккумулятора с 12 В (14В) до 36 В (42 В), путем размещения в аккумуляторе 18 свинцово-кислотных элементов (“банок”). Но этой инициативе препятствует необходимость изменения свойств электрических компонентов в автомобиле и повышенный риск возникновения искр в механических переключателях.
Некоторые гибридные автомобили работают на 48 В литий-ионном аккумуляторе и в дополнение к этому используют преобразователь напряжения для получения стандартных 12 вольт для электрической системы автомобиля. Также возможен вариант с отдельной установкой стандартного стартерного аккумулятора для запуска двигателя внутреннего сгорания. Первые гибридные автомобили использовали 148 В аккумуляторы, электромобили имеют аккумуляторную систему напряжением 450-500 В. Такая система состоит из более чем 100 литий-ионных элементов, соединенных последовательно.
Аккумуляторные системы высокого напряжения требуют тщательного согласования элементов, особенно при подключении к сильной нагрузке или при работе в низкотемпературных условиях. Так как в таких последовательно соединенных системах выход из строя всего лишь одного элемента приводит к коллапсу всей системы, существуют специальная система защиты, которая выявляет неисправный элемент и позволяет “обходить” его. Такой метод конечно же уменьшает общее напряжение системы, но как временное решение весьма практичен, и главное позволяет всей системе сохранить работоспособность.
Согласование элементов становится проблемой при необходимости замены неисправного элемента в устаревшей аккумуляторной системе. Более современные элементы, как правило, имеют более высокую емкость, в результате чего в такой системе может возникнуть дисбаланс. Сварная конструкция аккумуляторной системы также усложняет ремонт, и в связи с этим чаще всего вся аккумуляторная система меняется полностью.
В электромобилях, где цена аккумуляторной системы составляет весомую часть от стоимости всего транспортного средства, полная замена этой системы видится абсурдной. Поэтому производители делят аккумуляторную систему на модули, каждый из которых состоит из определенного числа элементов. И если такой элемент выйдет из строя, замена будет необходима не всей системе, а определенному модулю. Возникновение трудностей возможно в случае, если доступны только новые модули, укомплектованные более современными элементами. (Смотрите: Как восстановить аккумуляторную систему).
На рисунке 3 показан батарейный блок, в котором элемент-3 производит только 0,6 В вместо 1,20 В. С пониженным общим напряжением этот батарейный блок разрядится раньше обычного. Напряжение будет проседать, и в конце концов питаемое устройство отключится.
Рисунок 3: Последовательное соединение с неисправным элементом. Неисправный элемент-3 понижает общее напряжение и приводит к преждевременному прекращению работы подключенного устройства.
Аккумуляторные системы в беспилотных летательных аппаратах или других устройствах, требующих высокие токи нагрузки, часто демонстрируют неожиданное падение напряжения, если один элемент в системе является слабым. Пиковые нагрузки увеличивают стресс на аккумуляторную систему, вызывая коллапс еще быстрее. Измерение напряжения сразу после зарядки не поможет для идентификации слабого элемента — его напряжение без нагрузки будет относительно нормальным; для решения этой проблемы существуют специальные анализаторы электрических батарей.
Если для устройства требуется высокое значение силы тока и удовлетворить это требование одним элементом невозможно, следует использовать параллельное соединение элементов. Большинство электрохимических систем позволяют использование параллельной конфигурации подсоединения, но с некоторыми побочными эффектами. На рисунке 4 показаны четыре параллельно соединенных элемента, такая конфигурация еще называется 4P (4 Parallel). Напряжение этой системы остается 1,20 В, но сила тока и емкость увеличены в четыре раза.
Рисунок 4: Параллельное соединение четырех электрических элементов. Благодаря параллельной конфигурации подсоединения сила тока и емкость увеличиваются, напряжение же остается неизменным.
Выход из строя единичного элемента при параллельном соединении не столь критично, как при последовательном. Такая проблема конечно уменьшит нагрузочные характеристики всей системы, но хотя бы не выведет ее из строя. Можно провести аналогию с цилиндрами двигателя внутреннего сгорания — автомобиль сможет ехать и на трех цилиндрах, даже если у него их всего четыре. С другой стороны, при наличии неисправного элемента в параллельных системах существует больший риск возникновения короткого замыкания, так как такой элемент как бы высасывает энергию из других, в результате чего возрастает риск возгорания. Большинство таких коротких замыканий довольно умеренны и проявляются в виде повышенного саморазряда.
Причиной короткого замыкания может быть поляризация или возникновение дендритов в элементе. Большие аккумуляторные системы часто снабжены предохранителем, который отключает неисправный элемент из параллельной цепи, если он был закорочен. На рисунке 5 показана параллельная конфигурация с одним неисправным элементом.
Рисунок 5: Параллельное соединение с одним неисправным элементом. Слабый элемент не повлияет на напряжение всей системы, но уменьшит общее время работы за счет уменьшения емкости системы. Закороченный элемент может вызвать перегрев и стать причиной возникновения пожара.
Последовательно-параллельная конфигурация подсоединения элементов, показанная на рисунке 6, предоставляет большую гибкость конструкции, с ее помощью можно создать систему с желаемыми значениями напряжения и тока, используя стандартные элементы. Суммарная мощность будет произведением значений напряжения и силы тока, например, четыре 1,2 В элемента емкостью 1000 мАч производят 4,8 Вт мощности. Четыре элемента типоразмера 18650 емкостью 3000 мАч каждый могут быть соединены последовательно-параллельно для достижения 7,2 В и 12 Вт. Использование тонких элементов позволит сконструировать гибкую аккумуляторную систему, но ей будет необходима система защиты.
Рисунок 6: Последовательно-параллельное соединение четырех элементов (2S2P). Такая конфигурация обеспечивает максимальную гибкость конструкции. Параллельные элементы помогают в управлении напряжением.
Литий-ионные элементы отлично подходят для последовательно-параллельных конфигураций, но необходим мониторинг каждого элемента — для соответствия значений напряжения и силы тока. Такой мониторинг реализуется аппаратно — путем создания электронного устройства, стандартный образец которого может контролировать систему из 13 литий-ионных элементов. Для больших аккумуляторных систем создаются специальные схемы, например, как в электромобиле Tesla, где аккумуляторная система состоит из 7000 элементов типоразмера 18650, суммарная мощность которых достигает 90 кВт/ч.
best-energy.com.ua
схема. Что дает параллельное соединение аккумуляторов?
Аккумуляторы обычно изготавливаются с прицелом на работу с определённой стандартизированной нагрузкой. Так, есть батареи, обеспечивающие функционирование микроконтроллеров – они обладают напряжением 5 В. Для работы с двигателями используются аккумуляторы, которые могут предоставить 12 В или 24 В. А что делать, если необходимо получить 60 В? Батарею с таким напряжением ещё попробуй найди. В таком случае нам может помочь соединение аккумуляторов параллельно. Что даёт такой ход? Какова схема такого подключения? Какие особенные аспекты этого хода есть? Как делается параллельное соединение аккумуляторов? Схема для этого действия как выглядит? Все эти, а также ряд других вопросов мы с вами и рассмотрим в рамках данной статьи.
Что дает параллельное соединение аккумуляторов на практике?
Итак, для начала обрисуем общую схему. Соединение аккумуляторов параллельно предусматривает такой подход, чтобы все положительные клеммы подсоединялись к определённой точке на электрической схеме, которая именуется плюсом. Подобное необходимо сделать и с отрицательными выводами. Только они подсоединяются к минусу. Зачем нам нужно такое делать? В конечном результате мы имеем напряжение, которое есть у одного аккумулятора (рассматривается ситуация, что у нас одинаковые батареи). Но вот емкость получившейся конструкции будет равна сумме этого параметра всех источников питания, которые есть в схеме. Электрическая энергия равна единичному значению, помноженному на количество устройств. Это, впрочем, не зависит от того, какое соединение используется – параллельное или последовательное.Зачем аккумуляторы соединять в батарею?
Результат таких действий мы рассмотрели. А почему нам может понадобиться соединение аккумуляторов параллельно? Любые электрические системы или устройства несут омические потери, когда часть энергии превращается в тепло и при этом не происходит полезная работа. Это из-за невозможности получения коэффициента полезного действия 100%. При этом из курса школьной физики можно вспомнить, что чем больше напряжение, тем меньше ток при той же мощности и менее значительные омические потери. Таким образом, чем более высоковольтные аккумуляторы мы используем, тем лучший результат получим. Но даже с таким подходом не всегда может хватать емкости одной батареи. В таком случае можно заменить её на аккумулятор повышенной емкости. Но это не всегда удобно, и иногда проще просто поставить ещё один источник питания и использовать параллельное соединение аккумуляторов, чтобы они дольше поддерживали какую-то систему.Подходит ли этот вариант для источников питания различной емкости?
Параллельное соединение разных аккумуляторов не несёт в себе опасности, если рассматривать проблему с точки зрения напряжения. С клеммами батарей ничего страшного не сможет случиться. Разряд или заряд источников питания будет происходить синхронно в силу характера соединения. А вот если затронуть тему токов, то здесь уже немного сложнее. Так, необходимо позаботиться о том, чтобы он не превышал определённой величины, которая указывается непосредственно самим производителем.Наиболее распространёнными являются показатели 100 А и 130 А. Причиной такого ограничения является то, что непосредственно клеммы не смогут передавать такой ток (хотя теоретически самому аккумулятору это под силу). Но это самый верх, который может быть только считанные секунды. Давайте рассмотрим более реалистический вариант использования.
Технические ограничения
Если посмотреть на технические характеристики разрешенной величины тока, то обычно здесь больших цифр не увидишь. Так, обычно нельзя допускать, чтобы соединялись вместе аккумуляторы, емкость которых разнится от 5 до 25 раз (это как правило). Более того, данный аспект необходимо внимательно изучить, поскольку возможным является даже короткое замыкание. Риск его возникновения находится в диапазоне 15-70 емкостей самого малого аккумулятора (зависит от марки и технической реализации). Грубо говоря, чем меньше времени они функционируют, тем с большим значением тока можно работать. Так, если разница между ними составляет 5 раз, то это значит, что они смогут функционировать всё время (теоретически). Но вот если мы работаем со 20-кратным различием, то желательно, чтобы счет был на секунды. Многие производители источников питания указывают пороговые значения тока для своей продукции. Например, 2,6 А.
Почему есть ограничения?
Давайте далее изучать тему про параллельное соединение аккумуляторов разной емкости. Ранее было указано, что производители рекомендуют ограничения в единицы Ампер, хотя на практике этот предел может быть превышен многократно. Почему так? Для этого рассмотрим само строение аккумулятора на примере свинцово-кислотной батареи. Такой выбор сделан благодаря распространенности источников питания данного типа.Итак, для успешного протекания необходимой электрохимической реакции необходимо обеспечить её качественным электролитом. Важно также совершение процесса в верхних слоях и отвод продуктов. В этом значительным образом помогает активная масса пластин аккумулятора. Ведь благодаря ей легче подводится и отводится вещество, участвующее в реакции. Но по мере перемещения «ресурсных материалов» вниз всё начинает происходить медленнее. Активно сказывается и то, что в электролите появляется сера. Поэтому соединение аккумуляторов параллельно предпочтительным является только когда батарея заряжена. Чем ниже реальный показатель напряжения, тем опаснее работа источников питания разной емкости. Поэтому желательным является обеспечение своевременного питания. Лучше всего будет не давать емкости упасть меньше 1/3 номинала.
Особенности зарядки при параллельном соединении
Во время начала этого процесса предпочтительной является передача довольно большого зарядного тока. Ведь сначала будет восстанавливаться поверхность аккумулятора, а потом — нижние его слои. Одновременно с этим желательным является уменьшение тока, поскольку снижается интенсивность электрохимической реакции, вследствие чего из-за большого количества энергии может «закипеть» электролит (будет происходить его разложение).
Если рассматривать один из самых популярных типов аккумуляторов – свинцово-кислотный, то он при нарушении данного предписания вряд ли сразу выйдет из строя. Но вот срок его службы явно существенно сократится. Вообще, если говорить о зарядке источников питания, то стоит сконцентрировать внимание на том, что желательно пользоваться заводскими приборами. Если эксплуатировать что-то иное, то могут быть не учтены определённые аспекты (или неправильно приняты во внимание), что обернётся проблемами в будущем.
Об аккумуляторах и емкости
Давайте ещё углубимся в параллельное соединение разных аккумуляторов (а также одинаковых). Необходимо понимать, что если суммарный ток не будет превышать установленные ограничения, то проблем и опасностей не появится.Давайте рассмотрим соединение двух аккумуляторов параллельно на 2 А, когда они из одной партии и заряжаются током 2*2= 4 А. Здесь нет опасностей, поскольку благодаря одинаковой конструкции токи будут разделяться пропорционально. И никакие рубежи не пересекутся.
А вот теперь давайте возьмем источники питания, где существует значительная разница. Когда ток превысит установленные производителем ограничения, то потечёт через аккумулятор, при том, что он не рассчитан на это. Думаем, говорить о результате не нужно. Это относится ко всем, а не только к свинцово-кислотным батареям. Даже если вы хотите сделать параллельное соединение аккумуляторов Li-Ion, которые считаются имеющими повышенную надежность, не пренебрегайте техникой безопасности.
Рассчитываем необходимые показатели
Итак, нам необходимо обеспечить значительную величину тока с применением параллельно соединённых элементов питания. Как узнать, что нам нужно? Для этого можно воспользоваться специальной формулой, которая сейчас и будет приведена:Т=РТОЭП*КЭПОТ
А сейчас расшифровка формулы:
Т – ток, который получится. Необходимо, чтобы он совпадал с нужным результатом.
РТЕЭП – разрядный ток единицы элемента питания. То есть сколько может дать один аккумулятор.
КЭПОТ – количество элементов питания одного типа.
В радиолюбительской практике бывает сложно получить необходимые значения. Эта же формула сделает достижение цели более лёгким.
Ищем другие способы включения батарей
Мы уделили параллельному соединению аккумуляторов значительное внимание. Надеемся, что это поможет решить поставленные задачи. Но если во время ознакомления со статьей к вам пришла мысль, что описываемые здесь решения не подходят под какой-то конкретный случай, предлагаем ознакомиться со следующим:
- Последовательное соединение. Грубо говоря, мы увеличиваем напряжение, которое нам дадут источники бесперебойного питания.
- Смешанное соединение. В данном случае происходит одновременное увеличение и тока, и напряжения. Но это весьма сложная схема для построения.
Заключение
Напоследок хочется дать немного напутствий. Прежде всего, соблюдайте технику безопасности. Также перед работой с аккумуляторами совсем не лишним будет ознакомление с инструкциями и рекомендациями, которые представляют их производители. Это позволит избежать ситуаций, которые могут негативно влиять на срок службы источников питания. Также соблюдайте особенную осторожность при работе с батареями, обеспечивающими значительные показатели. Ведь в таких случаях риск электротравмы становится весьма вероятным. Да и со слабыми элементами не нужно обращаться легкомысленно.fb.ru