Самодельная разборная Li-ion 3S батарея с платой контроля и защиты HH - P3-10.8

В данной статье описывается изготовление законченного устройства, которое можно использовать как отдельно, так и в связке с конкретной техникой и аппаратурой. На основе платы защиты и управления для батарей (PCB BMS) типа "HH - P3-10.8" была сконструирована разборная 3S (из трёх элементов) литий-ионная батарея с напряжением 10,8 В из трёх аккумуляторов типоразмера 18650. В статье представлен короткий обзор данного модуля и показана конструкция батареи на его основе. Так почему же 3S и почему разборная. Выходное напряжение трёхсекционной батареи при полностью заряженных аккумуляторах составляет 12,6 В. Такую батарею можно использовать для питания электротехники, рассчитанную на напряжение 12 В и потребляющую ток до 3 А. Это могут быть различные радиоприёмники, проигрыватели, усилители звуковой частоты, низковольтные паяльники, мини-дрели, осветительные приборы и фонари, а так же многое другое, что питается от напряжения 12 В и не потребляет ток выше указанного. А разборная потому, что используемый модуль HH - P3-10.8 не имеет систему балансировки и время от времени аккумуляторы придётся заряжать по одному. Это небольшой недостаток, но он имеет и свои преимущества. Во первых при неимении соответствующего зарядного устройства с высоким выходным напряжением можно заряжать аккумуляторы низковольтным источником. А во вторых взяв с собой несколько комплектов аккумуляторов можно менять их по мере разряда используя всего один модуль для защиты. Ну и в конце концов при выходе из строя какого нибудь одного аккумулятора можно просто заменить его новым, оставив остальные. Батарея имеет жёсткий металлический корпус с плотно закрывающейся крышкой и представляет из себя параллелепипед:

Немного предыстории

До изготовления представленной батареи в форме параллелепипеда для питания автономных устройств на скорую руку была сделана цилиндрическая длинная батарея из пластиковой монтажной трубы для укладки электропроводки:

С одной стороны трубы был выточен паз для удержания крышки, на которой в свою очередь находился положительный токосъёмный контакт, удерживающий крышку в закрытом состоянии:

Отрицательный контакт из плоского медного проводника был заизолирован и подведён от другого конца трубы с пружины, находящейся внутри

Другой конец трубы был наглухо закрыт (заклеен) крышкой. Обе крышки были сняты с пластиковых бутылок и по размеру хорошо подходили под диаметр трубы:

Напряжение батареи было выведено сплетённым в две жилы проводом с разъёмом на конце, без каких-либо мер защиты и контроля самих аккумуляторов. Так же на толстой леске был привязан так называемый "карабин" для подвешивания батареи в случае надобности:

В батарею, последовательно один за другим, вставлялись литий-ионные аккумуляторы типоразмера 18650 (диаметр - 18 мм, длина - 650 мм) отрицательным контактом первого аккумулятора начиная с глухой стороны трубы и заканчивая положительным контактом последнего, третьего аккумулятора, к снимающейся крышке и соответственно местом для вывода напряжения с батареи наружу:

Несмотря на свой малый вес и простоту изготовления и использования данная батарея имела недостатки. Самый первый и самый главный недостаток - это отсутствие защиты батареи в целом и контроля уровня заряда (напряжения) на отдельных аккумуляторах. А так как литий-ионные аккумуляторы, ввиду своих особенностей, очень чувствительны к уровню напряжения на них, то вследствие глубокого разряда или перезаряда они быстро теряют ёмкость и выходят из строя, и даже не исключены случаи перегрева и воспламенения.

Правда впоследствии на выходных клеммах был установлен простейший сигнализатор низкого заряда батареи, подающий световой и звуковой сигнал при уменьшении выходного напряжения ниже 9 В. Но этот сигнализатор просто предупреждал об чрезмерном снижении напряжения на всей батарее и не разрывал цепь питания для предотвращения дальнейшего разряда аккумуляторов. Также не производился контроль отдельных аккумуляторов и в случае чрезмерного разряда одного, но при сохранении заряда на остальных двух, сигнализатор мог не сработать и не предупредить, так как суммарное напряжение на аккумуляторах, и следовательно на батарее, было бы выше порога срабатывания сигнализатора. В таком случае отдельный элемент батареи можно легко повредить и вывести из строя, сделав его не пригодным для совместного использования с другими оставшимися элементами. Вместе со всем этим сигнализатор не производил контроль верхнего порога напряжения на батарее во время её зарядки. Это не давало возможности зарядки всей батареи целиком и приходилось заряжать каждый отдельный аккумулятор по одному.

Учитывая требования к эксплуатации литий-ионных аккумуляторов был приобретён готовый модуль контроля и защиты батарей, предназначенный для работы совместно с тремя последовательно соединёнными аккумуляторами с рабочим напряжением по 3,6 В каждый:

Модуль контроля и защиты батареи представляет из себя двухстороннюю фольгированную печатную плату с односторонним монтажом радиокомпонентов:

Данный модуль был заказан в китайском интернет-магазине AliExpress и на момент покупки стоил 1,7$. Ключевой фразой для поиска модуля на площадке является "PCB BMS Control Protection Board". Купленный модуль имеет следующие заявленные возможности и технические характеристики:

Внимание! Данный контроллер не имеет систему балансировки аккумуляторов и соответственно не умеет балансировать напряжение на аккумуляторах во время зарядки. Этот недостаток можно компенсировать предусмотрением возможности зарядки каждого аккумулятора будущей батареи по отдельности. На плате модуля установлены специализированная микросхема для контроля уровней напряжения и тока, два полевых транзистора, выступающих в роли силовых ключей и вся необходимая обвязка в виде резисторов и конденсаторов. По краям имеются залуженные контактные площадки для подключения аккумуляторов и для подачи/выведения питания:

Силовые ключи представляют из себя полевые N-канальные MOSFET-транзисторы типа AO4406A в SOIC-8 корпусах, выдерживающие силу тока более 10 А и имеющие сопротивление открытого канала менее 16 мОм. Рядом с ними на плате установлен токовый шунт в виде низкоомного резистора:

Функции контроля выполняет специализированная микросхема SH367103 в 16-выводном TSSOP корпусе, управляющая упомянутыми силовыми ключами:

Данная микросхема имеет возможность защищать до четырёх последовательно соединённых литий-ионных аккумуляторов и обесточивает силовые ключи при чрезмерном снижении или превышении напряжения на любом из аккумуляторов. Типовая и самая распространённая схема включения микросхемы приведена на рисунке:

Микросхема имеет функцию защиты от перезаряда/переразряда, защиту от превышения максимального тока и короткого замыкания в цепи нагрузки, и температурную защиту, при подключении внешнего датчика температуры. Мониторинг ведётся за каждым аккумулятором батареи в отдельности и защита срабатывает при выходе уровня напряжения за установленные пределы на любом из последовательно соединённых аккумуляторов. Более подробно о возможностях микросхемы можно посмотреть в документации на неё.

Конструкция основания и корпуса батареи

Теперь же вернёмся к изготовлению батареи на базе описанного модуля защиты и конкретно к её корпусу, который представляет из себя металопластиковую конструкцию. Для основания использовался прямоугольный отрезок фольгированного стеклотекстолита. Применявшаяся в ранее описанной длинной цилиндрической батарее пластиковая труба была распилена вдоль и поперёк. Получившиеся отрезки монтажной трубы в форме полукруга были приклеены к стеклотекстолитовой пластине и склеены между собой. К концам были приклеены пластмассовые грани в качестве упора и изоляторов и были вставлены контактные выводы в виде пружин:

Пружины были зафиксированы термопластичным клеем и от них были выведены проводники, которые в свою очередь были подпаяны к контактным площадкам на стеклотекстолитовой пластине:

По размеру получившегося основания был изготовлен металлический корпус из жести, на дно которого была приклеена изолирующая прокладка для предотвращения короткого замыкания. На эту прокладку текстолитовой пластиной было уложено пластиковое основание, которое в свою очередь было закреплено загибанием небольших ушек на металлическом корпусе. Предварительно, в отведённое для него место, был вмонтирован модуль защиты и были выполнены все необходимые соединения:

Сама плата модуля имеет небольшие размеры и полностью умещается на ладони взрослого человека. Монтаж выполнен ровно и красиво, без остатков флюса и оторванных радиоэлементов. По фотографии видно, что низкоомный токовый шунт отличается и от того, который показан на фотографии со страницы продавца, и от того, который показан на типовой схеме включения микросхемы SH367103:

Аккумуляторы с модулем защиты были соединены по следующей схеме:

Плата модуля легко поместилась в предусмотренном для неё отсеке в металлическом корпусе, и в этом же месте в углу был выведен основной кабель наружу:

С противоположной стороны в корпусе были проделаны отверстия для фиксации и удержания крышки в закрытом состоянии:

На самой крышке же были сделаны выемки с внутренней стороны, что позволило получившимися бугорками на внешней стороне крышки фиксироваться в отверстиях на корпусе:

Сама крышка так же выполнена из жести с загибанием краёв для придания прочности и изгибоустойчивости:

С внутренней стороны крышки были наклеены полоски уплотнителя для придавливания аккумуляторов во избежание их смещения в поперечной плоскости:

Самые крайние контактные выводы получившейся батареи были отмечены маркерами, соответственно отрицательный - чёрной, а положительный вывод - красной точками:

Это нужно для того, чтобы знать откуда начинать вставлять аккумуляторы - от отрицательного вывода и заканчивая положительным. Дело в том, что если нарушить эту последовательность, то после установки аккумуляторов напряжение на выходных клеммах не появится и ток не потечёт до тех пор, пока не будет приложено напряжение зарядки. А если же вставлять аккумуляторы в последовательности от катода к аноду, то на выходе сразу же будет напряжение. Исключение составляют случаи, когда аккумуляторы разряжены ниже нормы или же на выходе короткое замыкание:

Батарея готова и можно приступить к укладке аккумуляторов. Для проверки использовался один комплект из трёх литий-ионных аккумуляторов типоразмера 18650:

Укладка аккумуляторов производилась в указанной ранее последовательности:

Аккумуляторы легли плотно и ровно, не касаясь друг друга и стенок металлического корпуса. Пружины сжались почти до конца, обеспечивая сильный упор и надёжный контакт:

В отсеке для контроллера можно видеть обвёрнутую изоляционным материалом плату защиты с припаянными к ней проводами разных цветов:

Крышка батареи с трёх сторон имеет загнутые в одном направлении края, а с четвёртой стороны край оставлен прямым. На противоположной стороне прямого края и имеются выемки для фиксации крышки в закрытом состоянии:

Для её закрывания нужно подсунуть прямой край под загородку отсека контроллера и надавив на край с выступами (выемками) защёлкнуть и зафиксировать крышку на корпусе батареи:

Крышка закрывается плотно и держится надёжно. Для открывания нужно приложить некоторое усилие, поддев её со стороны фиксатора. Изготовленная батарея получилась в меру компактной и довольно удобной, несмотря на её немалый вес из за металлического корпуса:

Правда имеются острые углы, которыми можно поранится или повредить другое устройство, транспортируемое вместе с батареей, но этот недостаток незначителен по сравнению с жёсткостью и прочностью корпуса, защищающего аккумуляторы и плату контроллера, а это довольно важно при эксплуатации на открытом воздухе в полевых условиях:

Можно заметить, что на корпусе батареи имеется металлическое кольцо. Оно предназначено для подвешивания батареи к питаемому устройству или наоборот, для крепления последнего к батарее, если оно намного меньше её:

Данное кольцо вставлено до помещения пластикового основания батареи в металлический корпус, в предварительно проделанные два небольших отверстия. С внутренней стороны пришлось немного деформировать кольцо, чтобы его внутренняя часть была ровной, а не загнутой, и не мешала установке основания в корпус. Это так же исключило проворачивание кольца и его непреднамеренное выпадание:

Для подключения нагрузки и зарядного устройства был выведен двухжильный кабель в двойной изоляции, свободно выдерживающий ток до 10 А. Он был пропущен в предварительно проделанное в корпусе батареи отверстие и жёстко закреплён к стеклотекстолитовой пластине изнутри:

Проверка и испытание батареи на мощную нагрузку

После укладки всех аккумуляторов на выходе батареи сразу появляется напряжение. Для проверки и тестирования на выходной кабель были установлены винтовые клеммники, к которым параллельно был подключен мультиметр для измерения напряжения, составляющего более 12 В:

Далее для проверки работы батареи на нагрузку последовательно с мультиметром к выходным клеммам была подключена лампа от автомобильной фары с мощностью 40 Вт. Замеренное потребление тока составило 2,5 А:

Это нормальный режим работы батареи с потребляемым током нагрузки, не превышающим максимальный. Для увеличения потребляемой мощности и соответственно тока нагрузки можно подключить более мощную лампу, но так как во время включения спираль лампы находится в холодном состоянии, то её сопротивление очень низкое, и для того чтобы исключить погрешность при влиянии эффекта короткого замыкания холодной лампы накаливания, вместо неё был использован отрезок нихромовой проволоки сопротивлением 1,5 Ом:

При этом протекающий через нагрузку ток должен был составлять 12/1,5 = 8 А, но из за вносящего погрешность, сопротивления щупов мультиметра и возможно некоторой просадки напряжения батареи, потребляемый ток составил всего лишь 5 А:

После этого нихромовый провод был укорочен для получения большего тока нагрузки и после подключения батарея свободно перенесла это испытание и протекающий через нагрузку ток составил 7 А:

Этот ток оказался максимально возможным для данной батареи. При дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки, и соответственно увеличении протекающего через неё тока, в контроллере срабатывает защита и выходная цепь обесточивается. Так же была произведена проверка на возможность защиты при коротком замыкании и она так же срабатывала при прямом соединении выходных клемм друг с другом. При срабатывании защиты выходное напряжение появляется после устранения короткого замыкания и работа батареи возвращается в нормальный режим:

После испытаний на низкоомную нагрузку большим током напряжение на выходе батареи немного снизилось (на доли Вольта), что в данном случае не критично и не превышает нижний порог срабатывания защиты от переразряда и батарея продолжает выдавать напряжение:

Для удобства использования батареи на выходной кабель нужно установить необходимый разъём для быстрого подключения нагрузки или зарядного устройства. Это облегчит использование батареи и предотвратит подключение не рассчитанного для неё зарядного устройства или нежелательной нагрузки в виде низковольтных устройств или слишком мощных потребителей.

Заключение

Коротко рассмотрим качества сконструированной батареи. Кроме того, что это хороший вариант сделать что то полезное своими руками, изделие так же имеет положительные черты.

Достоинства:

• Самым главным достоинством можно назвать простоту и доступность изготовления, предоставляющую гибкость в выборе материалов. В процессе использовались подручные материалы, имеющиеся в каждой мастерской и не представляющие собой дефицита.
• После первого достоинства можно определить второе, но по важности стоящее наравне с первым - компактность, прочность и удобство конструкции, которую можно изменять в некоторых пределах, при этом сохраняя высокие показатели.
• Исходя из разборной конструкции со съёмной крышкой имеется возможность лёгкой и быстрой замены как отдельных, так и всех аккумуляторов, что предоставляет восстановление работоспособности всей батареи или, во время использования, замену разряжённых аккумуляторов и продолжение работы, используя всего лишь один модуль защиты и один корпус как для питания устройств, так и для зарядки.
• По электронной части так же можно отметить надёжность, связанную с высокой изолированностью, свободно выдерживающего номинальный нагрузочный ток выходного кабеля, наличия у контроллера защиты по токовой перегрузке и короткого замыкания, а так же сохранения долговечности отдельных аккумуляторов при контроле их напряжения и отключении нагрузки/зарядки при выходе этого напряжения за заданный для литий-ионных аккумуляторов предел.

Ничего нет в этом мире полностью совершенного и идеального, и у всего имеется хотя бы один недостаток.

Недостатки:

• Самый большой недостаток описанной конструкции является тип используемого модуля контроля, касающийся невозможности балансировки напряжения каждого аккумулятора во время зарядки. В таких случаях контакты каждой ячейки выводятся наружу и балансировка производится специальным зарядным устройством или внешней системой балансировки. Но в данном случае этот недостаток окупается разборной конструкцией и возможностью периодической зарядки каждого аккумулятора по отдельности.

Это был один из вариантов автономного источника питания для радиолюбителя и не только. Смотрите так же видео тестирования на нагрузку и короткое замыкание, а уже в другой статье будет описан вариант более ёмкой батареи с контроллером, имеющим возможность балансировки отдельных секций аккумуляторов. Так же в отдельном выпуске будут рассмотрены принципы зарядки литий-ионных аккумуляторов и, для описанной здесь батареи, будет сделано зарядное устройство из обычного импульсного блока питания на 12 В. Подписывайтесь на статью и делитель материалом с другими радиолюбителями. Автор использовал данную батарею для питания разнообразных потребителей в течении года до написания статьи и за это время не было никаких проблем и сложностей.

Спасибо за потраченное Вами время. При проявлении интереса напишите отзыв или же просто оставьте свой комментарий.

Теги:

• Литий-ионный аккумулятор
• Блок питания