Akumulator Li-Ion 3S DIY

Jako źródło zasilania wybrano typowe ogniwa cylindryczne Li-Ion 18650. Połączenie ich w szeregowy pakiet 3S1 pozwala uzyskać napięcie 12,6 V. Magazynowanie energii przy wyższym i standardowym napięciu 12 V ułatwia użycie gotowych modułów ładowarek oraz przetwornic dla napięć zasilających projektowanego układu.

Budowa i działanie

Akumulator wykonany jest w formie modułu. Składa się z dwóch bloków funkcjonalnych: akumulatora z układem zabezpieczeń, którego schemat pokazano na rysunku 1 oraz wskaźnika napięcia, którego schemat znajduje się na rysunku 2.

Rysunek 1. Schemat bloku akumulatora

Użytkowanie akumulatorów Li-Ion związane jest z koniecznością spełnienia kilku warunków dotyczących bezpiecznej eksploatacji. Niezbędne jest ich zabezpieczenie przed zwarciem, nadmiernym rozładowaniem i przekroczeniem napięcia ładowania. W przypadku pakietów szeregowych dodatkowo trzeba balansować ładunek ogniw składowych. Za realizację wszystkich funkcji odpowiada układ BMS/PCM.

Rysunek 2. Schemat układu wskaźnika napięcia

W modelu zdecydowano się na zastosowanie gotowego modułu PCM typu HX-3S-FL25A. Zaprojektowanie modułu PCM nie jest zadaniem niemożliwym, lecz ze względu na problematyczną dostępność jednostkowych ilości układów scalonych do zabezpieczeń i balansowania ogniw, zdecydowałem się na zastosowanie gotowego rozwiązania. Moduł HX-3S-FL25A dostosowany jest do obsługi pakietu 3S, dopuszcza maksymalny prąd obciążenia do 25 A, który poprzez zmianę rezystorów pomiarowych może zostać dopasowany do charakterystyki zastosowanych ogniw. Moduł zabezpiecza ogniwa przed przeładowaniem powyżej 4,3 V, nadmiernym rozładowaniem poniżej 2,5 V, a prąd balansowania ustalony jest na ok. 100 mA.

Niektóre wersje obsługują wejście zabezpieczenia termicznego pakietu, zaznaczone na schemacie przerywaną linią. Układ współpracuje z opcjonalnym termostatem, który po przekroczeniu temperatury 40°C odcina ogniwo.

W modelu należy używać ogniw 18650, które w płytce umieszczane są w koszykach, co pozwala na szybką i bezpieczną ich wymianę, bez konieczności zgrzewania lub lutowania ogniw. Należy mieć świadomość faktu, że ze względu na rezystancję styków koszyków, ścieżek drukowanych i wyłącznika, moduł przeznaczony jest do pracy z prądami do kilku amperów.

Dla uproszczenia obsługi wszystkie ogniwa skierowane są wyprowadzeniem + w jednym kierunku, co wydłuża ścieżki połączeniowe, ale zmniejsza ryzyko pomyłki przy użytkowaniu. Zastosowanie ogniw wysokoprądowych jest oczywiście możliwe, ale nie pozwoli wykorzystać ich pełnego potencjału przy dużych prądach rozładowania, w porównaniu z pakietem z połączeniami zgrzewanymi o minimalnej długości. Moduł wyposażony jest w wyłącznik akumulatora ON, napięcie wyjściowe dostępne jest na złączu śrubowym ACCU.

Układ uzupełnia prosty wskaźnik napięcia wyjściowego, aktywowany przyciskiem TEST. Składa się on z komparatorów układu U1 typu LM339 sygnalizujących cztery progi napięcia. Napięcie z akumulatora poprzez dzielnik R6/R5 doprowadzone jest do wejść odwracających komparatorów. Układ U2 typu TL431 dostarcza napięcia odniesienia do dzielnika wejść nieodwracających. Dioda LD ON sygnalizuje obecność zasilania, diody LD1...LD4, sygnalizują przekroczenie progów 9/10/11/12 V, pozwalając orientacyjnie ocenić stan naładowania akumulatora. Rezystorem R12 można skorygować dokładność wskazań związaną z rozrzutem elementów.

Montaż i uruchomienie

Układ zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej, której schemat został pokazany na rysunku 3. Montaż układu należy rozpocząć od wlutowania elementów układu wskaźnika napięcia, przycisku Test oraz złącza ACCU. Po wlutowaniu i sprawdzeniu połączeń, do złącza ACCU doprowadzamy napięcie z zasilacza laboratoryjnego. Przy naciśniętym przycisku Test, zmieniając napięcie 8...14 V, sprawdzamy sygnalizację progów. Ewentualnej korekty progów dokonujemy zmianą rezystora R12 lub dzielnika R10/R11.

Rysunek 3. Schemat płytki PCB

Następnie za pomocą dwustronnej taśmy klejącej montujemy układ PCM, wyprowadzenia układu lutujemy do płytki, wykorzystując odcinki taśmy niklowej lub srebrzanki. Przed wlutowaniem koszyków 18650, przykręcamy je do płytki za pomocą śrubek M2,5, zakładając podkładki izolacyjne pod nakrętki. W otwory mocujące płytki wkręcamy tulejki dystansowe, docelowo na spód płytki warto przyciąć osłonę z materiału izolacyjnego, aby nie dopuścić do przypadkowych zwarć podczas eksperymentów.

W zależności od zastosowanych ogniw należy dobrać rezystory zabezpieczenia zwarciowego na płytce PCM (dwa rezystory SMD2512 5 mΩ w lewym górnym rogu), próg odcięcia zabezpieczenia w module HX to ok. 150 mV. W modelu używane są ogniwa ICR18650-26H z dopuszczalnym prądem 5,2 A, ale nie są użytkowane forsownie, więc próg zabezpieczenia zwarciowego ustalono bezpiecznie na ok. 3,75 A, zmieniając rezystor na 40 mΩ.

Jeżeli wszystko jest zmontowane i sprawdzone, należy przygotować ogniwa. W przypadku zastosowania ogniw używanych lub pochodzących z demontażu należy zadbać, aby nadawały się do pracy w pakiecie, tj, miały zbliżone pojemności i rezystancje wewnętrzne.

Przed pierwszym umieszczeniem w płytce każde z ogniw należy naładować w zewnętrznej ładowarce i skontrolować, czy napięcia naładowanych ogniw nie różnią się o więcej niż 50 mV. Jeżeli wszystko jest sprawdzone, ogniwa umieszczamy w koszykach w kolejności od ACCU1 do ACCU3 (wyjmowanie ogniw odbywa się w kolejności odwrotnej). Kolejne cykle ładowania i rozładowania odbywają się już pod kontrolą modułu PCM, a akumulator DIY jest gotowy do eksperymentów.

Uwaga: podczas użytkowania ogniw Li-Ion należy zachować odpowiednie warunki eksploatacji zgodne z kartą katalogową, nieprzestrzeganie ich może spowodować zagrożenia dla zdrowia i otoczenia użytkownika.

Adam Tatuś, EP