LiFePo4, Li-Ion аккумуляторы

[ru0aog]

Недавно в подвальчике по ремонту ноутбуков закупил штук 20 полудохлых аккумов формата 18650 по 15 рублей за штуку
Протестированная ёмкость каждого - порядка 600...800 мАч на токе 0,5 А.
Буду собирать детям "батарейки" для разных поделок.

В связи с этим подумал, что хорошо бы перенести сюда старую тему об аккумуляторах с 24dx

[ru0aog]

Итак, в далёком теперь 2015 году ....
чтобы обеспечить связь в походных условиях собрал вот такой чемоданчик на основе FT-817ND:

Соответственно, встал вопрос о питании.
Самые основные требования - малый вес, напряжение АКБ в пределах 9...13 В.
Сопутствующие пожелания - морозоустойчивость.

Из старой ноутбучной батареи вытащил несколько LI-Ion элементов ICR 18650-22F.
Два элемента оказались бесповоротно мертвы, но остальные четыре подавали некоторые признаки жизни.
Отобрал три более-менее пригодных.
В итоге получилась лёгкая (150 грамм) и довольно ёмкая (по моим прикидкам, около 1500 мАч) батарея на 11 Вольт:

Позднее я собрал из таких элементов мега-батарею из 18 штук.
Получилось 3S6P = 11,1 В х 13 А*ч. Вес порядка 900 грамм.

Заряжаю пока вручную. Есть iMAX B6 (с альтернативной прошивкой), но у него ток балансировки всего-то 200 мА.
Накинул китайский 300-ваттный импульсник (клон MeanWell-а) и током 10 А заряжал всю батарею до тех пор, пока на каждой ячейке напруга не поднялась до 4,20 В.

Поставил на ночь на балансировку:

Через 440 минут всё отбалансировалось.
Стало 4,20-4,19-4,19 В.

[ru0aog]

И всё бы хорошо, но мне не давала покоя низкая морозоустойчивость Li-Ion элементов.
Начитавшись хвалебных отзывов, решил попробовать новый тип аккумуляторов - LiFePO4 (литий-ферро-фосфат).
Основное отличие от Li-Ion в номинальном напряжении, для ферро-фосфата оно равно 3,3 В. После зарядки = 3,6 В.
Значит, в батарее должно быть четыре элемента.

Приобрёл четыре элемента типоразмера 26650 заявленной ёмкостью 3,3 А*ч

спаял элементы в батарею. Паял с флюсом в одно касание за 2 сек (лужение+пайка) с промежуточным охлаждением элемента. Вроде бы ничего не перегрел. Напаивал тонкие проволочки d = 0,8 мм, т.к. большие токи я снимать не собираюсь, а пайка толстых шин перегреет элемент.

Почитал документацию на оригинальные баночки:
LiFePO4 категорически запрещено разряжать ниже 1,6 В на банку. Хотя кое-где пробегают заметки, что феррум-фосфат не так сильно боится полного разряда, как литий-ион, но всё же...
При напряжении 2,00 В элемент считается разряженным.
При напряжении 3,65 В элемент считается заряженным.

Запустил тест аккумуляторной сборки на LiFePO4.
Нагрузка - автомобильная лампа с ниткой дальнего света 12 В х 60 Вт.
Напряжение холостого хода АКБ - 12,8 В.
00 мин - 11,5 В - 5,01 А.
05 мин - 11,2 В - 4,92 А.
10 мин - 11,0 В - 4,85 А.
15 мин - 10,0 В - 4,60 А.
Аккумы прилично нагрелись, градусов до 50 С.
Так что прерываю тестовый разряд спустя 16 минут после включения. Отдано ёмкости 1,2 Ач х 11,5 В.
Напряжение холостого хода АКБ сразу после отключения нагрузки - 11,3 В.

Элементы остывали 20 минут.
Напряжение холостого хода АКБ - 12,0 В.
0 мин - 10,0 В - 4,50 А.
1,5 мин - 8,0 В - 4,00 А.
Всё. Батарея отдала свою ёмкость - 1,22 Ач х 12 В.
Напряжение холостого хода АКБ сразу после отключения нагрузки - 10,5 В.

Замеряю напряжение по элементам батареи от минуса к плюсу:
1,70 В - критический разряд!
2,69 В,
3,11 В,
3,01 В.
Один элемент разрядился полностью, один мало разряжен, остальные - средне.
То ли у одной банки ёмкость мала, то ли она уже была частично разряжена.
Надо перезарядить.

Ещё раз ненадолго накинул нагрузку - первый элемент тут же просел до 1,3 В (нижний предел отсечки 1,6 В)! Значит, в элементах нет никакой защиты и за балансом разряда тоже нужно следить.

[ru0aog]

Зарядил батарею.
Да, тяжело заряжать без балансира.

Сначала для разогрева полчаса заряжал током 0,2 А. Напряжение было 3,17...3,22 В по банкам.
Потом дал заряд током 2,2 А в течении часа. Напряжение поднялось до 3,54...3,92 В.
Далее заряжал каждую банку индивидуально до напряжения 4,00 В.

Потом снял с заряда, подождал минут 5 и промерил банки. Вышло 3,53 - 3,49 - 3,66 - 3,52 В.
Одна банка полностью заряжена, а три остальные - недозаряжены.

Далее дозаряд током 30 мА. Напряжение по банкам при дозаряде 3,78 - 3,75 - 3,85 - 3,75 В.
Снимаю с заряда: 3,67 - 3,67 - 3,80 - 3,68 В.
Думаю, батарея заряжена. И даже несколько перезаряжена.
Ориентировочно влилось 2,3 ампер-часа.
Надо делать балансир

Дам банкам отстояться. Посмотрим, до какого уровня упадёт напруга.
P.S.
Баночки постояли 20 минут.
Напряжение опустилось: 3,52 - 3,45 - 3,56 - 3,46 В.

[ru0aog]

Поставил на разряд.
Теперь разряжаю двумя последовательно включенными лампами дальнего света.
Начальный ток разряда = 3,6 А.

Каждые 5 минут свечения ламп расходует 0,3 А*ч ёмкости батареи.
После первых пяти минут разряда напряжение на банках (под нагрузкой): 3,10 - 3,13 - 3,10 - 3,11 В.
Что-то маловато. Гораздо ниже заявленных 3,3 В номинала.

Разрядный режим установил такой: 5 минут разряд, 5 минут перерыв, потом опять разряд и т.д.

P.S.
Итак, полностью разрядил батарею.
Вышло ровно 2 ампер-часа. Хорошо!
Напряжение на банках под нагрузкой в конце разряда: 2,97 - 2,07 - 2,05 - 1,75 В.
Теперь те банки, что в прошлый раз сохранили бОльший заряд, разрядились первыми.
Значит, дело было в уровне заряда банок.

[ru0aog]

Для заряда батареи собрал балансир

BAL.GIF

(11.69 КБ) 0 скачиваний

Балансир открывается при напряжении 3,62 В.
При токе через балансир = 1 А, напряжение стабилизации 3,68 В.
При токе 2 А, напряжение 3,75 В.
Как раз по спецификации. Чтобы не грузить транз, поставил мощные диоды. Три штуки как раз годятся для LiFePO4. Если бы был литий-ион, то надо было бы ставить четыре.
Больше 3 ампер подавать не стоит, а транз нужно поставить на небольшой радиатор (я взял 100 кв см - здесь это довольно много).
Светодиод загорается при срабатывании балансира.
В целом, напряжение на ячейке поддерживается равным 3,63 В.

четыре ячейки стабилизаторов навесным монтажом:

Работает. Но при токе балансировки 1 А, когда все ячейки уже зарядились и этот ток течёт через все стабилизаторы, радиатор тёпленький, а диоды горяченькие... Поторопился я про 3 А. Это если только ненадолго.
При этом разброс по банкам такой: 3,68 - 3,67 - 3,69 - 3,66 В.

Разрядил батарею непрерывным малым током в 1,5 А через лампочку 21W.
Разряд вёл до падения тока от 100% до 80%.
Первые 7 минут разряда:
- напряжение 13,00 -> 12,90 В,
- ток 1,53 А -> 1,51 А.
- напряжение по банкам в конце периода 3,21 - 3,21 - 3,19 - 3,19 В.
Последующие 76 минут:
- напряжение 12,90 -> 12,00 В,
- ток 1,51 А -> 1,47 А.
- напряжение по банкам в конце периода 3,07 - 3,00 - 2,88 - 2,94 В.
Последние 7 минут разряда:
- напряжение 12,00 -> 8,20 В,
- ток 1,47 А -> 1,25 А.
- напряжение по банкам в конце периода 3,05 - 2,00 - 1,53 - 1,60 В.

Итого выходит ёмкости 1640 Вт*мин = 27,3 Вт*час = 2,28 А*ч.

Выводы по разряду:
- первые 5...7 минут разряда приводят напряжение банок к номинальным 3,2 В.
- сажать банки до предельных величин 1,53...1,60 В (последние 5 минут разряда) - нецелесообразно. Ёмкости выжимаем всего 5 %, а число циклов сокращается вдвое. Надо бы придумать защиту от переразряда, либо же не сажать батарею ниже 11,0 В. Это чёткий индикатор окончания разряда.

Заряжал 15 минут током 2 А,
И потом ещё 96 минут током 1 А. Напряжение зарядки = 14,6 В.
Сработали все стабилизаторы. Потом дозаряжал малым током 0,3 А.
Заряд завершён.
Принято 30 ватт-часов или 30/12 = 2,5 Ач.

Ёмкость, похоже, оригинальная = 2,2...2,3 Ач.

Положил в морозилку
Через сутки проверю, как там с напряжением-током-ёмкостью.

[ru0aog]

Вытащил батарею из морозилки. Сутки качественной заморозки изгнали из банок всё тепло.
Там, наверное, было не меньше -15 С.

Вот такие баночки:

Разряжал двумя лампами дальнего света: три нитки (две дальних и одна ближняя) включены последовательно.

Забавно, но аккум отдаёт энергию
Сразу после подключения нагрузки напряжение батареи = 9 В, ток под нагрузкой 2,30 А.
Через 7 минут U = 11.2 В, I = 2,60 А.
Ещё через 10: U = 12.0 В, I = 2,68 А - аккум отогрелся, изморозь растаяла.
Ещё через 34 минуты: U = 12.2 В, I = 2,71 А - капли росы высохли.

В целом разряд замороженного аккума соответствует вот этим графикам:

Общая отданная ёмкость:
11,2*2,6*7 + 12*2,68*10 + 12,2*2,71*34 = 1650 Вт*мин = 27,5 Втч = 27,5/12 = 2,3 Ач.
В целом очень недурственно - мороз на потерю ёмкости почти не влияет.

[ru0aog]

Продолжаю.
У электро-самокатчиков купил серенькие баночки LiFePO4 формата 32700
размер 32,5х71 мм
моих тут 8 штук

Обещается:
6 А*ч х 30А
(35а непрерывный разряд) в пике до 55 ампер.
Низ 2.5в верх 3.65в

Ориентировочно можно принять разрядную характеристику аналога:

Отсюда.

на токе 1 А:
- начальное разрядное напряжение 3,25 В,
- конечное разрядное напряжение 3,10 В (осталось 10 % ёмкости),
на токе 10 А:
- начальное разрядное напряжение 3,15 В,
- конечное разрядное напряжение 3,00 В (осталось 10 % ёмкости),

- критическое разрядное напряжение 2,50 В.

[ru0aog]

Для нормальной эксплуатации батареи из этих элементов была приобретена плата
https://aliexpress.ru/item/33007670915.html
на микросхеме BM3451-BHDC
и ключах KND3203B

Плата должна отключать батарею от нагрузки при:
- разряде любого из элементов ниже 2,35 В,
- коротком замыкании батареи (ток более 100 А, определяется резисторами R003).

Также плата отключает батарею от зарядного устройства если:
- заряд любого из элементов выше 3,65 В. При этом, к данному элементу подключится разрядный резистор, который отключится при напряжении 3,55 В.
- зарядный ток батареи превысит пороговое значение (пока не понял - какого).

Если подключить терморезистор (NTC 10к, например 103AT-4), то батарея отключится при достижении +60 С.
.

Согласно китайскому даташиту версия микросхемы -BHDC предназначена как раз для LiFePO4 аккумуляторов.
ток ключей - 100 А (мне не понадобится)

есть неплохое обсуждение похожей платы
http://www.78294.ru/forum/23-779-1

согласно даташиту, в зависимости от количества элементов, надо переключать вывод SET

переключение осуществляется напайкой перемычки рядом с микросхемой.
Также запаивается перемычка на место неиспользуемых элементов.

Для варианта включения 4 элементов
иллюстрацию возьму с сайта по ссылке выше: