После очередной (раз в 2-3 года) замены свинцовой АКБ в своем источнике бесперебойного питания, я задумался... как можно решить эту проблему навсегда, используя доступные литиевые аккумуляторы. Из всех, существующих на сегодня химий аккумуляторов, наилучшим образом для этих целей подходят LiFePO4. На то есть ряд причин:
1. Как известно, в ИБП АКБ находится в буферном режиме под постоянным напряжением 13,7 Вольт. Ячейки LiFePO4 имеют напряжение холостого хода 3,3 В. Если использовать 4 ячейки, напряжение на одной составит 3,42 Вольта. В этом режиме АКБ будет находится постоянно заряженной на 90-95%. Производители LiFePO4 обещают, что в таком режиме батарея проживет 7000 и более циклов, т.е. скорее всего она переживет ИБП.
2. Безопасность. ИБП обычно работают без присмотра людей и безопасность выходит на передний план. LiFePO4 АКБ самые безопасные из всех литиевых батарей. Перезаряд или чрезмерный разряд батарей выводит их из строя, но не приводит к возгораниям. К возгоранию может привести только механическое повреждение батареи.
3. Доступность и цена. Батареи китайского производства легко можно приобрести в отечественных и китайских интернет-магазинах за цену соизмеримую со свинцовой АКБ.
Сложность использования литиевых аккумуляторов состоит в необходимости постоянно следить за их напряжением. Если напряжение выйдет за определенные границы на продолжительное время (для LiFePO4 это от 2,00 до 3,65 Вольт), ячейка скорее всего выйдет из строя (либо сильно изменятся ее параметры). Для решения этой проблемы применяют специальные устройства - системы защиты АКБ, в англоязычной документации называемые BMS (Battery Management System). Если планируется использовать высокие токи (5-10 кратные от номинальной емкости), АКБ будет сильно нагреваться, поэтому также желательно контролировать ее температуру. При возникновении аварийной ситуации BMS отключает нагрузку от АКБ.
Существует еще одна проблема. Ячейки, как правило, немного отличаются друг от друга основными параметрами (емкость, внутреннее сопротивление, саморазряд). Когда они соединяются последовательно в батарею, каждая ячейка будет вести себя индивидуально. Одна будет заряжаться быстрее других, другая недозаряжаться и со временем это расхождение будет увеличиваться. Т.к. буферное напряжение ИБП фиксировано, суммарное напряжение меняться не будет, но индивидуальные напряжения ячеек могут выйти за опасные границы. Для решения этой проблемы применяют специальные устройства - балансиры. Они существуют 2-х типов: пассивные и активные. Пассивные ограничивают верхний порог заряда ячейки. Т.е. если напряжение превысило 3,65 Вольта, к ячейке подключается балластная нагрузка и забирает в себя излишки, не давая ячейке перезарядится. Активные выравнивают напряжение ячеек, перекачивая излишки из более заряженных ячеек в менее заряженные.
Для ИБП предпочтительнее использовать активные балансиры, т.к. в пассивном, ограничение верхнего порога ячейки, при постоянном общем напряжении не будет выравнивать ячейки, а просто не даст выйти напряжению выше опасного предела. Ячейки же фактически останутся неотбалансированы. Активный будет поддерживать баланс постоянно.
Также желательно иметь индикацию работы BMS. Т.к. может произойти любая форс-мажорная ситуация, полезно контролировать работу BMS и напряжение на ячейках. Для этого обычно используют индивидуальные вольтметры. По ним можно сразу оценить работу системы в целом. Но индивидуальные вольтметры довольно громоздки и приладить их к стандартному ИБП довольно проблематично.
BMS вместе с батареями должна помещаться в объем стандартного свинцового АКБ на 7 Ач.
Все эти проблемы решает устройство, приведенное ниже:
BMS Резерв2-3240 имеет следующие характеристики:
Система предназначена для использования совместно с 4 ячейками LiFePO4 формфактора 32700, 32650.
Предельные значения напряжения ячеек: 2,50В - 3,65В
Максимальный рабочий ток АКБ: 40 Ампер. (ИБП на 400 Вт или 600 ВА)
Максимальная температура АКБ, при которой происходит отключение нагрузки: 60С.
Рабочая температура АКБ: 0С-40С
Максимальный ток активной балансировки: 100 мА
Подсоединение: Ножевые клеммы 6,3мм
Индикация разбаланса и аварийного режима: Есть
Устройство работает следующим образом:
BMS использует для балансировки конденсаторный преобразователь на максимальный ток 100 мА. Индикация разбаланса организована с помощью 1 светодиода (разъем на плате позволяет вынести светодиод на внешний корпус устройства):
1 короткая вспышка – ячейки отбалансированы с точность 0,01В
От 1 до 20 вспышек длительностью 0,5 сек – соответствуют разбалансу от 0,01 до 0,2В.
Если разбаланс более 0,2В, светодиод будет делать 20 вспышек.
Если напряжение каждой из ячеек находится в пределах порогов, BMS подключает нагрузку к АКБ и переходит в дежурный режим. В этом режиме устройство измеряет напряжение на всех элементах, рассчитывает и показывает разбалансировку. Если же напряжение опускается ниже нижнего порога или поднимается выше верхнего порога – нагрузка отключается. При этом BMS переходит в аварийный режим – светодиод горит 1,5 сек, гаснет на 0,5 сек. Раз в минуту устройство проверяет напряжения ячеек и если они возвращаются в пределы порогов – возвращается в дежурный режим.
Также устройство контролирует температуру печатной платы. При превышении 55С, BMS переходит в аварийный режим.
Сборка АКБ:
Для батареи используются элементы LiFePO4 формфактора 32700 на 5-7 Ач.
ЭЛЕМЕНТЫ ОБЯЗАТЕЛЬНО ДОЛЖНЫ БЫТЬ ЗАРЯЖЕНЫ НА 100% (до напряжения 3,65В)!
Ячейки склеиваются термоклеем, далее контактные площадки залуживаются паяльником мощностью не менее 65 Вт. При перегреве ячейки могут выйти из строя! Мощный паяльник позволяет быстро залудить и припаять ленты без перегрева. Для лужения можно использовать паяльную кислоту, остатки которой обязательно нужно удалить растворителем.
Для соединения используется никелевая лента толщиной не менее 0,2 мм, ширина - 10 мм. Длина ленты подбирается по месту.
Далее необходимо изготовить подкладку под плату и ленту. Шаблон можно скачать здесь (В Адобе Акробат необходимо поставить галочку "реальный размер"). Шаблон распечатывается на плотной бумаге А4, его полезно заламинировать пленкой 32 мкм. Шаблон вырезается по контуру. В нем проделываются плоские отверстия под ленту. Далее он одевается на АКБ и закрепляется скотчем.
ВНИМАНИЕ!!! ВАЖНО контакты подключать к плате в определенной последовательности. Иначе устройство может выйти из строя!!!
Первыми подключаются контакты 0V и +. Светодиод через 10 сек должен сделать 3 вспышки. Далее подключаются контакты 3,3V 6,6V и 9,9V в любой последовательности.
Плата устанавливается плоскими контактами вверх. Ленты подпаиваются к соответствующим площадкам. Сверху на 2-х сторонний скотч крепится этикетка.
Батарея помещается в термоусаживаемую пленку шириной 130 мм (диаметр чулка 80 мм).