Модульный накопитель на LiFePo4 аккумуляторах. Часть.1 Дата: 20.12.2019 Раздел: Сделай сам
Обзор конструкции самодельного модульного накопителя, доступного для самостоятельного изготовления и по многим характеристикам не имеющего аналогов среди тех, что можно купить. Много фото.
Ой, что-то давненько «не брал я в руки шашек»(с), не писал статеек. Попробую восполнить сей недочёт, заодно "почесать свою графоманю" и подробненько так, и с картинками, расписать, как сделать, на мой взгляд, достаточно интересный накопитель у которого: - может быть различная ёмкость, - может быть сделан на аккумуляторах разной «химии», от «свинца» до LiIon, - а вся электроника которого – готовые платы из Китая, т.е. достаточно только уметь паять провода, чтобы собрать изделие.
Накопитель соберём на LiFePo4 аккумуляторах. Основная причина их выбора, большая безопасность, чем у LiIon (не горят, не взрываются даже при перезаряде, дольше служат). Из минусов - вес, они раза в полтора тяжелее LiIon при одинаковой ёмкости. А по цене они уже практически сравнялись с LiIon.
Идея модульности заключается в том, чтобы разделить устройство на независимые блоки: блок электроники, блок аккумуляторов. Аккумуляторы также могут иметь разную ёмкость путем разного количества секций. Т.к. блоки независимые, то и дорабатывать их мы можем независимо друг от друга.
Идея не нова, вопрос лишь в степени удачности реализации. Собственно, здесь и показан один из вариантов. Вот так, например выглядит собранный накопитель на шести модулях аккумуляторов, на 12.8В, 6Ач каждый.
Рис.1. Вид спереди.
На фото видно, что накопитель состоит из: - «головы» - блока электроники и - однотипных секций аккумуляторов (под серым скотчем). Вся эта «пачка» стянута 4мя шпильками, образуя единый блок.
Рис.2. Вид сзади.
«Голова» связана с аккумуляторами только 2х контактным разъёмом, на который можно подавать напряжение примерно от 8 до 17В. Поэтому тип подключаемого аккумулятора или сборки неважен. Это может быть 12В свинцовый аккумулятор, либо 3S/4S сборка из LiIon/LiPol, либо 4S сборка из LiFePo4 – меняется только толщина секций, которые будут нанизаны на стягивающие шпильки.
Контроль состояния аккумулятора «голова» не выполняет, это дело самого аккумулятора. Для литиевых сборок этим занимается плата балансировки и защиты (BMS). Одна такая плата устанавливается на ближней к «голове» секции аккумуляторов и уже из неё выходит ответный 2х контактный разъём к электронике. Все это будет показано ниже.
И ещё хочу обратить внимание, хотя и называю сие изделие накопителем, но вернее его следовало бы называть "аккумулятором, к которому приделаны несколько плат для удобства работы". В полноценных накопителях обычно дополнительно имеется зарядная схема, которая, питаясь от источника напряжения, сама ограничивает ток зарядки внутренних аккумуляторов. Здесь же такого самоограничения нет и для зарядки нужно либо внешнее зарядное устройство (ЗУ), либо любой подходящий источник с ограничением тока, например, солнечная батарея или лабораторный блок питания.
Зато, заряжая «голый» аккумулятор, мы избавляемся от «капризов» зарядной схемы и можем заряжать любым, даже самым малым (единицы мА) или большим (в пару десятков Ампер) током. Из практики, сейчас ток зарядки в китайских накопителях обычно не превышает пары Ампер, а мы можем брать пару десятков и, следовательно, утилизировать весь ток даже от весьма мощных солнечных батарей (до пары сотен ватт). Характеристики накопителя.
На фото выше показан образец с шестью секциями, каждая из которых имеет ёмкость около 5.8Ач при 12.8В, т.е. суммарная ёмкость накопителя будет около 35Ач или 445Втч. (повторюсь, это для модели на фото – ёмкость зависит от количества секций аккумуляторов) Входной/выходной ток до 20…25А (стоит BMSка на 40А, но, как известно, «китайские амперы» всегда лучше поделить пополам).
Выходы аккумулятора подключены непосредственно к трем разъёмам: прикуривателя, Т-образного и круглого 5.5х2.1мм. Т.е. для пользователя – это просто контакты «голого» аккумулятора с нестабилизированным напряжением 10…14В. Через них мы заряжаем этот аккумулятор, а также питаемся от него. Естественно, это можно делать и одновременно.
Для питания USB гаджетов предусмотрены два USB выхода с токами 2А каждый. Также, имеется плата мощного повышающего стабилизатора для питания ноутбуков, которая повышает напряжение аккумулятора до нужного (регулируется от 13 до 25В). Выход повышающего стабилизатора подается на вторую пару разъемов (Т и круглого). И, кстати, платы стабилизаторов неотключаемые, т.к. всегда подсоединены к аккумулятору. Их потребление меньше 1мА, поэтому заметно разряжать аккумулятор они не будут. Индикатор напряжения показывает либо напряжение на аккумуляторе, либо на выходе мощной повышайки, либо отключен, что задает 3х позиционный переключатель.
Вот, собственно, и всё. Еще раз – это просто аккумулятор, к которому приделаны несколько плат для питания гаджетов, плюс индикатор. А основной выход – это нестабилизированный выход с контактов аккумулятора от которого можно запитать кучу устройств, способных питаться от прикуривателя автомобиля (от телефонов до автохолодильников).
Ну а теперь «слайды»
Покажу в картинках, как собирается такой накопитель. Будем считать, что это некоторая инструкция в помощь самодельщику, который решит собрать для себя подобную «железяку». Как известно, всё начинается с головы, не будем нарушать традиции, с неё и начнём. «Морда» данного экземпляра видна на первом фото. Видим: - две пары разъёмов (круглый и Т-образный), - два USB выхода, - измеритель напряжения с переключателем, - разъём прикуривателя с «крышечкой» и - некоторое количество дырок, ой, отверстий.
Что внутри? Ну, примерно вот это.
Рис.3. Содержимое «головы».
Из интересненького можем видеть: - пару USB стабилизаторов разных типов, - плату мощного повышающего стабилизатора, - центробежный вентилятор для "проветривания мозгов".
Кстати, одна из плат USB, может быть с поддержкой протокола быстрой зарядки QC-2(3). Платы этого размера с QC можно купить, например, на Алиэкспрессе. В описанном приборе стоит обычная понижайка до 5В.
После печати на 3D принтере «голова» выглядит примерно так. Не шибко красиво, потому, вооружаемся «напильником» и начинаем её доводить до ума.
Рис.4. Заготовка для корпуса «головы».
Немного доработаем электронику. На плате USB стабилизаторов отпаиваем светодиод, чтобы сэкономить примерно 0.5мА потребления тока. Выпаиваем защитный диод на входе, чтобы плата меньше грелась при работе, и заменяю его перемычкой. (Впрочем, можно и оставить.) Приклеиваю дополнительный радиатор на дроссель и покрываю платы лаком для влагозащиты.
Рис.5. Платы стабилизаторов.
Примеряем, как встанут USB платы в корпус.
Рис. 6. Установка плат USB в направляющих.
Начинаем монтаж проводов. Делаем из медной проволоки (2.5мм2) пару шинок, которые закрепляем саморезами на корпусе. Они будут общими точками для плюса и минуса аккумулятора. Такие шины удобны, т.к. у нас будет много проводов, сведенных в эти точки. (Скорее всего, более технологично будет заменить эти шинки полосками фольгированного текстолита, к нему легче потом припаивать провода.)
Все саморезы, использованные для крепления шинок и разъема прикуривателя - 3х12мм.
Рис.7. Шины для сбора проводов.
Подготовим пару разъемов, идущих к аккумулятору. Припаяем к ним провода. Сечение, толстого – около 3мм2, тонкого – 0.75мм2.
Рис.8. Разъёмы для аккумулятора.
Установим их в корпус...
Рис. 9.
... и припаяем к шинам.
Рис.10.
Приготовим провода с ножевыми клеммами для подсоединения к прикуривателю.
Рис.11.
И тоже их «приклеим» на шины.
Рис.12.
Припаяем хвостики к USB платам. Сечение провода 0.5мм2.
Рис.13.
И установив платы в корпус, приклеим их.
Рис.14.
Для приклеивания использую клей «Титан», который продается сейчас в любом хозяйственном магазине. Он не воняет, но при этом не на водной основе, а на каком-то органическом растворителе, т.е. проблем с токопроводностью нет. А дополнительный радиатор на дроссель мощной повышайки клею на термостойкий герметик (красный). Держит хорошо.
Пока сохнет клей на USB платах, займемся установкой платы мощного повышающего стабилизатора и пары разъемов (Т и круглый) на её выходе. Подпаяем провода ко входу повышайки, а также сдвоенные провода к контактам Т-разъёма.
Рис.15.
Затем вставим Т-разъём в корпус и одну из пар проводов от него припаяем к повышающему стабилизатору и только после этого установим плату в пазы корпуса и временно закрепим её обрезками изоляции, чтобы не выпадала.
Припаяем к оставшимся свободными проводам Т-разъёма круглый разъём. Дополнительно к плюсу круглого разъёма припаем тонкий провод (красный на фото), который затем пойдёт к измерителю напряжения на выходе мощной повышайки.
Рис.18.
Ну и закрепим разъём гайкой с обратной стороны.
Рис.19.
Установим индикатор и приклеим его.
Рис.20.
А вот дальше подумаем над тем, что должен делать переключатель, чтобы включать не только индикатор, но и вентилятор охлаждения.
С индикатором всё понятно, движок в одну сторону, показываем напряжение на аккумуляторе, в другую – на выходе повышайки. Самое простое при этом, использовать 2х проводной режим индикатора, когда он и питается от измеряемого напряжения. Правда, в этом случае имеем лишние потери и нагрев индикатора при питании его от выхода повышайки. И, более того, если на её выходе выставить больше 30В, то индикатор может и совсем «умереть», т.к. рассчитан на питание не выше 30В. Случай, конечно, маловероятный, но возможный, поэтому, придется одну пару контактов переключателя задействовать на подачу питания 12В на индикатор, а вторую на подачу измеряемого напряжения. Примерно вот так, как на схеме.
Рис.21. Слева переключатель, справа индикатор.
Здесь «+12» – это напряжение, приходящее с аккумулятора, «+19» – с выхода мощной повышайки. У индикатора «+» и «-» – это питание, «Изм» - вход измерителя. Напомню, переключатель у нас имеет две пары контактов, расположенные вот так.
Рис.22. Переключатель.
Теперь вспоминаем, что у нас есть ещё и вентилятор. Как его включать? Конечно, можно поставить термодатчики, но это морока – надо придумывать схему, изготавливать, где-то размещать и т.д. Так и быть, пусть пользователь сам включает вентилятор, ручками.
Если сам, то тогда в каких случаях и чем? Чем понятно, чтобы не городить лишнего, пусть тем же переключателем, что и индикатор.
А вот когда, могут быть варианты.
Вариант 1. Вентилятор включен всегда, когда работает индикатор, т.е. плюс вентилятора цепляем на плюс измерителя, а минусы у них на «земле». Недостаток такого решения в том, что вентилятор постоянно работает (с индикатором) и разряжает аккумулятор. И если потребление индикатора около 7мА, что терпимо, то вентилятора – около 70мА, что даже для аккумулятора в несколько амперчасов уже много. Но, на самом деле, это не самый плохой вариант, особенно для забывчивых. Т.е. когда питаем ноутбук, видим горящий индикатор и при этом уверены, что вентилятор работает.
Вариант 2. Пусть вентилятор работает только когда мы измеряем напряжение на выходе мощной повышайки, а когда просто меряем напряжение на аккумуляторе, вентилятор остановлен. Логика в том, что охлаждать приходится в основном плату этой мощной повышайки, когда она питает те же ноутбуки. Потому и запускаем мотор, когда меряем напряжение на её выходе. Из практики, интересней знать напряжение на аккумуляторе, чтобы оценивать уровень его разряда. А на выходе повышайки что смотреть, там напряжение стабильно. Но переключаясь в измерение напряжения на аккумуляторе мы отключаем вентилятор. Вот и приходится щелкать переключателем, что, возможно, не всегда удобно.
Выбираю вариант 2. Чтобы схема заработала правильно, придётся добавить еще один элемент – диод. Он может быть практически любым: напряжение выше 40В, ток 0.1А или более.
Рис.23. Схема для варианта 2.
В реальности это выглядит так.
Рис.24. Подпаиваем провода к переключателю...
...и устанавливаем его в корпус, прикрутив мелкими саморезами.
Рис.25.
Вставляем вентилятор на свое место.
Рис.26. Вентилятор вставлен наполовину.
В действительности, мотор вентилятора питается не напрямую от аккумулятора, а через стабилизатор на 9В. Это сделано, во-первых, для того, чтобы немного понизить скорость вращения и шум от вентилятора, а, во-вторых, сберечь вентилятор от подачи повышенного напряжения, например, в случае, когда плата BMS отключит аккумулятор от источника зарядки и напряжение на нём, а значит, и на «шине» поднимется выше 20В.
Если кто-то предполагает питать мощный ноутбук и опасается перегрева повышайки, то можно установить LowDrop (с малым падением напряжения) стабилизатор на напряжение 12В, чтобы вентилятор работал в полную мощность, но в то же время, был защищен от превышения напряжения.
Я же впаяю простейший линейный стабилизатор на микросхеме КР142ЕН8Г (7809). Под него даже не делалась плата, пара электролитов на 100мкФ была распаяна прямо на ножках.
Рис.27. Стабилизатор для вентилятора.
После подпайки проводов изолируем их термоусадкой.
Рис.28.
А затем и всю «конструкцию» засовываем в термоусадку и делаем «конфетку», которую размещаем в свободном пространстве около вентилятора. В дальнейшем, все провода и элементы будут зафиксированы клеем.
Рис.29.
Ну, и напоследок, осталось сделать самый главный разъём, который будет соединять «голову» с аккумулятором.
Рис.30. Готовим провода.
И припаиваем их к шине. В итоге получаем вот такую законченную «голову» для накопителя. Как видите, ничего сложного в сборке нет.
Рис.31. «Голова».
Перед тем, как фиксировать всё клеем, неплохо бы проверить работоспособность полученной коробочки. Для этого подадим 12В от блока питания через разъём аккумулятора на шину.
Рис.32. Проверка.
Ну что, дым не пошел, индикатор работает, вентилятор жужжит, на выходах нужные напряжения. Похоже, нигде не ошиблись. А далее, начинаем мазать клей, где возможно, закрепляя провода, платы, вентилятор.
Рис.33. Закрепляем всё клеем.
Итак, изготовление "головы" закончено.
Не пора ли прерваться, сходить хлебнуть кофию, распрямить мозги, чтобы хватило сил на вторую часть, где опишем изготовление аккумуляторных блоков и окончательную сборку устройства.
для обсуждения.
Ссылка на статьи.
Автор: Носов Николай 20.12.19
Все статьи разрешены к копированию с обязательным указанием ссылки на нас.
Реклама:
Это статья с сайта: Всё о мобильной энергии - солнечные батареи и другая электроника для туристов https://www.mobipower.ru
