Для питания марсохода я решил использовать литий-ионные батареи довольно популярного формата 18650. Эти элементы питания хоть и похожи на пальчиковые батарейки, но по характеристикам сильно отличаются. Работая с ними нужно соблюдать ряд предосторожностей. Их нужно правильно заряжать и правильно разряжать.
Что я узнал о литий-ионных батареях 18650
- 18650 — это размеры корпуса батареи. 18мм — диаметр, 650мм — длина
- Литий-ионные батареи плохо переносят перезарядку (могут взорваться) и переразрядку (снижается срок службы). Поэтому важно использовать специальную плату защиты от перезаряда и переразряда. Есть батареи 18650 с готовой защитой. Такие элементы питания немного длиннее (из-за круглой платы у плюсового контакта).
- Защита батареи — это плата посредник, через которую подключается сам элемент питания. Такие платы есть во всех мобильных телефонах и ноутбуках. Вообще, элементы 18650 редко подключаются напрямую (как и другие литий-ионные батареи). Защита контролирует процесс заряда, разряда, отключает батарею при коротком замыкании и т.д.
Примером защиты может служить плата на основе чипа TP4056, а также моя CF-4S30A-A. Контроль заряда заключается в том, что плата выставляет нужное напряжение и постепенно меняет силу тока по мере того, как батарея зарядится до 100%. Контроль разряда нужен для того, чтобы отключить батарею, когда ее напряжение упадет до критических 2.6В. Некоторые платы допускают кратковременную (несколько миллисекунд) «просадку» ниже этого порога. - Высокотоковые батареи 18650. Максимальный ток отдачи элемента питания как правило прописан в заводских характеристиках. Но обычно он равен емкости умноженной на 2. В моем случае
2600мАч * 2 = 5.2АЕще есть высокотоковые батареи, которые могут отдавать по 20-30А. Емкость таких банок обычно ниже. Но именно высокотоковые элементы следует использовать для таких инструментов как шуруповерты. Их ток потребления может превышать 10А. - Процесс заряда литий-ионных батарей.
На контакты батарей подается напряжение равное заряженной банке (обычно для 18650 это 4.2В). Сила тока снижается по мере заряда батареи. Если в начале она может быть 1А, то в конце 100мА и т.д. Максимальную силу тока заряда можно рассчитать поделив емкость аккумулятора на 2. Для моих батарей это:
2600мАч / 2 = 1.3АЗаряженная батарея имеет напряжение 4.2В, а разряженная 2.6В (для разных элементов эти пороги могут отличаться). Зная напряжение батареи можно примерно сказать на сколько процентов она заряжена. - Балансировка заряда. Актуально для батарейных блоков из нескольких банок соединенных последовательно. Если банки в такой цепи имеют разные степени заряда, то заряжать их нужно разными токами (к примеру, для одной нужно будет подавать 1А, для другой 0.5А). Какие-то из них зарядятся раньше, какие-то позже. Когда банка достигнет напряжения 4.2 вольта, ее нужно будет отключить от зарядки. При этом нужно продолжить заряжать остальные элементы. В этом и есть суть балансировки. В плате CF-4S30A-A балансировка заряда есть.
- Батарейные блоки из банок 18650 следует собирать из элементов с похожими характеристиками (емкость, ток отдачи, и даже дата производства). Это особенно важно для последовательного соединения. Вот простой пример. У вас есть 4 элемента с разными емкостями: 3 банки на 3400мАч и 1 на 2000мАч. При эксплуатации банка с меньшей емкостью раньше разрядится до нижнего порога 2.6В. Тут же сработает защита разряда и отключит весь ваш батарейный блок. Да, остальные 3 элемента так и не успеют разрядиться до заветных 2.6В. Емкость такого блока будет равно емкости самого слабого элемента.
Батарейные блоки для марсохода
Блоки питания марсохода будут состоять из 4-х банок 18650, соединенных последовательно. Каждым блоком будет управлять BMS (Battery Management System) плата CF-4S30A-A. Также в моем распоряжении 16 элементов 18650 и батарейные боксы, рассчитанные на высокие токи. Итак, поехали.
Батареи ICR 18650 2600 mAh 3.7v
Батареи покупал тут по $22 за 8 штук. При выборе я обращал внимание на цену и отзывы. С ценой вообще отдельная история. Как известно, в Беларуси есть лимит на посылки 22 евро в месяц. Все, что более того, не иначе как оптовая поставка. В России, к слову, этот лимит ни много ни мало — $1000. Принципиально избегаю превышения лимита в 22 евро. Не хочу обогащать тех, кто делает нашу жизнь хуже. Выручают друзья и родственники, которым можно отравить те или иные посылки.
Бокс для батарей формата 18650
Следующий компонент, это пластиковые боксы. Их я тоже брал на aliexpress по $6.67 за 6 штук. В Минске такое же количество можно купить за $21.
Плата BMS CF-4S30A-A со схемой подключения
Платы обошлись мне по $2 за штуку на aliexpress вот у этого продавца. Выбирал по отзывам и току отдачи (30A).
За пару вечеров все спаял. В результате получились такие блоки.
Батарейные блоки для марсохода
Каждый блок может выдавать без особых проблем 9В 10А через понижающий преобразователь. Я планирую установить преобразователи на следующие напряжения:
- 9В — моторы колес;
- 6В — сервоприводы;
- 5В — плата Raspberry pi;
- 3.7В — инфракрасные лампы для ночной съемки.
Для питания главного компьютера нужен отдельный блок. На борту будет резервный блок питания (но это пока в планах). Всего мне понадобится до 30 элементов 18650.
Мой зоопарк преобразователей напряжения
Апгрейд платы заряда-разряда CF-4S30A-A
Проблема: некоторые производители не рекомендуют ставить плату CF-4S30A-A на шуруповерты. И вот почему. При резком старте ток потребления кратковременно превышает порог защиты и плата выключает подачу напряжения (но это не точно:). При резком нажатии на курок шуруповерта двигатель немного дергается и замолкает. Чтобы разогнать мотор, нужно нажимать на курок плавно. Толку от такого шуруповерта конечно мало.
Улучшение платы: Первое что нужно сделать, убедиться, что вы используете провода с толстым сечением. На схеме выше толстыми должны быть провода ведущие к контактам P-, P+, B- и B+. Чем толще сечение этих проводов, тем более стрессоустойчивой будет плата. Сэкономив на этом, вы как и я можете спалить дорожку на плате.
Если с вашими проводами все в порядке, можно переходить ко второму решению. В плату CF-4S30A-A знающие люди рекомендуют впаивать SMD 0603 конденсатор на 0.1 мкФ. На плате для этого есть удобное место. Подробнее об этом решении можно прочитать здесь. Я впаял конденсаторы в каждую плату. Но в моем случае это была скорее предосторожность, так как мои блоки питания перестали уходить в защиту уже после замены проводов.
Питание марсохода
В итоге получилось 4 основных блока и 1 запасной. Для подключения батарей использовал специальные коннекторы, которые пропускают до 25 ампер.
В корпусе марсохода батареи старался распределять равномерно, они довольно тяжелые. Также старался размещать из подальше от нагревающихся радиаторов.
Следующий этап, подключение всех питающих узлов.
Впереди испытания. Необходимо понять правильно ли я рассчитал потребление цепи. Также будет понятно на сколько хватит таких батарей при активной езде по квартире.
Если вы нашли какие-то недочеты или ошибки, пожалуйста, напишите об этом в комментариях.
О моем опыте использования платы CF-4S30A-A можно прочитать здесь
