LiFePo4, Li-Ion аккумуляторы

[ru0aog]

Начну тему по этим забавным зверушкам.

Исходные данные.
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.

Доступные гелевые свинцовые АКБ от бесперебойников (12В 7 Ач) очень тяжёлые.
Литий-ион дорог и замерзает, литий полимер - тоже.
По всем характеристикам подходит LiFePo4, но его цена тоже пока что высока.

И тут я вспомнил, что у меня осталась старая батарея от нетбука.
Заряд она вообще не держала, т.к. я ей пользовался уже больше трёх лет и потом слегка подморозил.
К нетбуку была куплена новая батарея, а старая отправилась на полку.
И вот я решился на вскрытие. Фоток, к сожалению не делал, т.к. думал, что все АКБ мертвы. Это оказалось далеко не так.
Во вскрытой батарее обнаружилось шесть попарно соединённых LI-Ion элементов ICR 18650-22F.
Из всей АКБ два элемента оказались бесповоротно мертвы, пришлось их выбросить.
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:

Номинальное напряжение Li-Ion элемента = 3,6 В. Но сразу после зарядки оно равно 4,2 В. Поэтому было решено составить батарею именно из трёх элементов, а не из четырёх.

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.

Проглядев ближайшие магазинчики, приобрёл четыре элемента типоразмера 26650 заявленной ёмкостью 3,3 А*ч по 460 руб/шт (7,4 $/шт).
Основным фактором в выборе места покупки было то, что магазин на Мира находится по пути с работы домой и работает допоздна

Сам элемент выглядит вот так (странно, что на фото под маркировкой просвечивает штрих-код, на моих штрих кода вообще нет):

03.jpg (96.53 КБ) 2978 просмотров

Народ в этом магазине приобретал эти элементы ещё в прошлом году. И после повторных тестов именно этих аккумов был вынесен вердикт - голимый китай.
То есть, по всей видимости - отбраковка и неоригинал, в основной массе ёмкость 850 мА*ч.
По внешнему виду и так ясно, что не то пальто - банки обтянуты чем-то вроде зелёной термоусадки, рыхлой на ощупь.
Надписи тоже нечёткие.

На Алиэкспрессе похожие баночки но с наваренными ленточными выводами по 540 рублей/шт.
Подумал-подумал и решил взять в магазине, хотя бы на опыты.
Особенно понравились первые разрядные тесты, проведённые в самом начале, и подтверждающие заявленную ёмкость 3300 мАч.

Когда я пришёл в магазин, оказалось, что нет электричества (по всему кварталу, даже светофоры не работали) и чек мне выбить не могут. Но могут продать товар
В наличии было 3 аккума из старой партии, которые я и забрал. А потом ещё нашлась новая партия из 12 шт. Из неё мне выдали недостающий 1 элемент.
Попросил продавца при мне замерить напругу на элементах - не отказал Везде оказалось 3,27...3,28 В.

Уже после покупки я нашёл сообщения о том, что у кого-то сборки из этих элементов отдавали всего 350 мАч

Раз так, то терять уже нечего, решил я, и 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.

[ru0aog]

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. 800 мА*ч уже есть
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.

Пару минут подзаряжал током 2,5 А. В процессе заряда получилось такое распределение напряжения: 3,17 - 3,19 - 3,33 - 3,31 В.
Потом пошёл спать. Утром проверил напругу холостого хода - самый разряженный аккум показал 3,00 В, значит ещё живой.

Теперь надо грамотно зарядить всё это дело и повторить разрядный тест.

Промежуточный вывод:
- получилась LiFePo4 батарея ёмкостью 1,2 Ач весом 360 грамм по цене 1840 рублей (29 $), которая не боится замораживания (условно, я не проверял).
- из расковырянного старого АКБ от нетбука добыта забесплатно сравнимая по параметрам Li-Ion батарея 1,5 Ач весом 150 грамм.
- эти элементы плохо разряжаются большими токами, просматривается большая просадка напряжения под нагрузкой -> большое внутреннее сопротивление. Неудивительно, что моделисты сказали "фу".
- самая разряженная банка, возможно, из новой партии.

[UB0AES]

А что нужно то ???
Что питать станцию понятно.
А какой период?

[ru0aog]

Что нужно... первым делом хотелось пощупать неведомые LiFePO4.
Ну и организовать питание станции, понятное дело.
Желательно, чтобы сундучок можно было транспортировать при отрицательных температурах (хотя бы -20 С).
Литий-ион в таких условиях дохнет.

Период?
Ну, скажем, 10 часов работы в режиме 8:1:1 (дежурный приём/приём/передача). Току 817 кушает соответственно 0,25/0,45/2,0 А.
По ёмкости это будет (8/10)*0,25+(1/10)*0,45+(1/10)*2,00 = 0,200+0,045+0,200 = 0,445 А*ч за час.
Выходит, нужен аккум на 4,5 А*ч.
Хорошо бы ещё аккум мог давать непродолжительно ток до 10 А (для подключения усила).

Если взять оригинальные элементы A123 Systems ANR26650M1-B, ёмкостью 2,5 А*ч и составить в батарею их 4 ячеек по 2 банки попарно (4S2P), то как раз вышли бы на требуемую ёмкость.
Но цена восьми оригинальных банок LiFePO4 меня не радует, а попробовать хотелось. Похожие на оригинал аккумы стоют порядка 800 рублей штука.
Вот и взял эту пакость. Цена вдвое дешевле, ёмкость тоже
Хотя попадаются ёмкие банки.

С другой стороны, возможно я принципиально неверно выбрал технологию?
Скажем, тот же ENELOOP BK-3MCCE в форм-факторе АА выдаёт 2,1 А*ч при напряжении 1,2 В.
Также попарно составим банки, получим 4,2 А*ч. Теперь чтобы получить напряжение 12 В этих парных банок нужно 10 штук, то есть 20 элементов (10S2P).
Цена одного элемента 225 р.

А вот свинцовый гелевый АКБ General Security GS 4,5-12 стоит каких-то 550 р.

Сборка ENELOOP 225*20 = 4500 р за 4,2 А*ч, массой 27*20 = 540 грамм.
Оригинальный LiFePO4 800*8 = 6400 р за 5 А*ч, массой 88*8 = 700 грамм.
Гелевый АКБ GS 4,5-12 = 550 р за 4,5 А*ч, массой 1660 грамм.

Пока что общее питание, даже с усилителем, обеспечивает один гелевый GS 7,0-12, но его вес в 2,4 кг меня убивает.

[UB0AES]

Ну тут все просто. сколько не читай, пока сам не проверишь вывода не сделаешь.
В фонарике юзаю LI-Ion думал тоже мерзнуть будут. Но на деле не так. Включаеш фонарь, он кушает и элемент нагревается. Емкасть приходит в норму.
Это как в машине включают фары чтоб прогреть акб.
А вот в радиоупровляемой модели на оборот, в холоде даже сам драйвер модели не дает стартовать двигателю.

[ru0aog]

Включаеш фонарь, он кушает и элемент нагревается. Емкасть приходит в норму.

Хм...
Я вот когда ехал зимой в машине из Братска в Красноярск, положил нетбук на пол. На улице было порой до минус 40, но в машине-то тепло. Тем не менее, за поездку два элемента из шести умерли.

А так - да, надо пробовать.
Вот я этим и занимаюсь

[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]

Некоторые замечания по режиму заряда.

Разрядную кривую уже снимали до меня.
Повторю её тут:

Видно, что среднее напряжение примерно 3,00...3,10 В.
По ссылке выше также снимали кривые с оригинальных банок, там напряжение как положено 3,15...3,25 В.
Значит химия в банках китайских аналогов какая-то не такая Ну да ладно. Учтём этот факт.

Далее.
Фирма А123 рекомендует заряжать свои LiFePO4 методом СС-СV, т.е. сначала постоянным током, потом постоянным напряжением.
Нужно заряжать стабилизированным током силой 3А в течении 45 минут. Затем производится дозаряд напряжением 3,6 В.
Пробовал делать это вручную. Первая стадия прошла успешно, а вот вторая... Не удалось отформовать банки в батарее на одинаковый уровень ёмкости.
По отдельности на лабораторном блоке питания это довольно просто: выставил стабилизацию по напряжению 3,6 В и стабилизацию по току 3А и всё.
Только всю батарею так не зарядить: выставляешь общее U=14,4 В - где-то будет 4,0 В, а где-то 3,2 В.

Ёмкость оригинальной банки 2,3 Ач, а рекомендуют вливать стабильным током 3А*45/60 = 2,25 Ач. Остальное - на дозаряд и балансировку.
У нас зарядное будет самодельным, аккум всего один, так что особая скорость на мне нужна. Пускай заряжается 3 часа током 1 А.

Собранную батарею не разберёшь на отдельные элементы. Значит, последовательные стабилизаторы напряжения тут не годятся. Придётся использовать параллельные, типа мощного стабилитрона.
Общая идея такая:
1. Берём стабилизированный источник тока на 1 А со стабилизацией напряжения 15 В.
Банки разряжены до уровня 1,6...2,0 В. Ставим на заряд. По мере заряда напряжение банок потихоньку растёт.
2. Теперь нам нельзя допустить превышения напряжения на банках выше 3,6 В.
Если напряжение на банка достигло этого уровня, то её нужно перевести в режим дозаряда малым током.
Как показали мои эксперименты, если банку продолжать "душманить" большим напряжением, оно (напряжение на банке) продолжает расти, что вместе с большим протекающим током концентрирует повышенное выделение мощности на этой банке, её разогрев и выход из строя. В то время как при пониженном напряжении банка продолжает брать ток и заряжаться, но менее интенсивно.
3. Почему происходит рост напряжения на зарядившихся банках? Если рассмотреть параллельное соединение нагрузок, то бОльшее напряжение выделится на нагрузке с бОльшим сопротивлением.
Значит нам нужны такие параллельные цепи, которые бы поддерживали равенство сопротивлений и брали на себя часть протекающего через батарею тока - параллельные стабилизаторы.
При полной зарядке банки, весь ток должен протекать через стабилизатор.

[ru0aog]

Неплохая схемка параллельного стабилизатора представлена вот тут.
Что, в принципе, является более мощным вариантом вот этой схемки.

В конце заряда вся мощность должна выделяться на этих стабилизаторах.