xommep (xommep) wrote,
xommep
xommep

Categories:

Про литий-ионные аккумуляторы - техно-ликбез

Не так давно обнаружил на старости лет, что литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы - это, оказывается, разные вещи (хотя и родственные). В ходе разбирательства выяснил несколько интересных фактов; и, как обычно, оформлю всё это в техническую статейку - авось кому пригодится.

Степень технической грамотности российского обывателя по части бытовых аккумуляторов весьма низка. Например, поймал себя на мысли, что слово "батарейка" у меня давно не ассоциируется с гальваническими источниками тока; для меня это всегда == аккумулятор; к слову сказать, в английском слово battery подразумевает и то и другое. Тем не менее, для широчайших масс населения батарейка = "пальчики", "мизинчики" и прочие одноразовые элементы питания. Батарейки в обывательском понимании этого слова действительно служат дольше и надёжнее аналогичных аккумуляторов; зачем платить больше, если можно вставить батарейку и забыть; а аккумуляторы стоят в разы дороже; по крайней мере, здесь у нас, в краях де-индустриализации. Если же пользоваться электроприборами достаточно часто и вне дома, то аккумуляторы сэкономят и деньги и нервы; в случае севшей батарейки заменить её обычно нечем, а аккумуляторы подразумевают наличие некоторого набора сменных элементов, находящихся на зарядке. Я уж не говорю за экологию - один аккумулятор заменит сразу несколько батареек, а вред природе от него как от одной, а то и меньше.

Итак. Речь в статье пойдёт именно про аккумуляторы, т.е. перезаряжаемые источники тока. Наиболее известны обывателю заменители тех же "пальчиков" и "мизинчиков", т.е. элементов АА и ААА, аккумуляторы для бытовой техники на основе никель-кадмиевых или никель-металгидридных элементов. Эти технологии (также родственные) многим хороши, но, к сожалению, когда речь идёт за аккумуляторы, всегда половина информации будет про недостатки. У "никелевых" батареечек их сразу несколько (это, увы, касается любой современной технологии); из которых наиболее очевидный - саморазряд; если оставить такой аккумулятор относительно надолго в "заряженном" состоянии, то в ответственный момент может оказаться, что он разряжен. Для бытовых нужд это самая большая засада - такие аккумуляторы нужно регулярно перезаряжать, в отличие от "классических" батареек, которые могут валяться и ничего им не будет годами. Также у них не такой уж большой срок службы, и довольно низкое напряжение; что для некоторых целей является критическим.

Довольно часто даже в бытовой технике требуется определённое напряжение - например, пульту ДУ достаточно 1В для работы, а вот мобильной акустической системе уже нужно 6-9В. В таком случае применяется т.н. многобаночный аккумулятор, то есть последовательное подключение элементов; принцип работы авто-аккумулятора (свинцового типа) можно почитать тут.



Подключение 4 "АА"-элементов последовательно даст итоговое напряжение в 4.8В.

Соответственно, дабы получить высокое напряжение, нужно подключать больше и больше элементов питания. Для ходового в авиа-моделизме напряжения в 12В в случае "никелевых" элементов нужно десять последовательных "банок", т.е элементов питания. При этом проблемы одной из "банок" будут отражаться на всей сборке, и чем больше "банок", тем в общем случае хуже.

В общем, уже давным-давно де-фактом стандартом питания для бытовой техники и гаджетов стали литий-ионные аккумуляторы, и их "родня" - литий-полимерные элементы, "липошки" (от сокращения Li-Po). Именно такие элементы стоят в смартфонах, ноутбуках, на них работают мобильные инструменты типа шуруповёртов, а также практически все летающие и ползающие дроны также питаются от этого вида аккумуляторов.

По сравнению с другими типами элементов "литиевые" отличаются меньшей массой, большей токоотдачей, относительно высоким рабочим напряжением (до 4.35В), малым саморазрядом и прочая. Благодаря этому значительная часть бытовой техники в Китае переходит с "пальчиковых" батареечек на формат элементов 18650. Это типоразмер, в котором может быть заключены очень разные элементы питания, сильно разнящиеся по всем электрическим параметрам; поэтому именно про них в основном сегодня и поговорим. Сама по себе эта тарабарщина из цифр означает ширину и длину элемента - 18мм*65мм; существует масса других форм-факторов элементов питания, среди которых далеко не все являются литий-ионными. Но если говорить за формат 18650, то он заполнен только ли-ион-элементами; и сейчас является одним из самых распространённых форматов аккумуляторов в мире.


Сравнение размеров ААА, АА и 18650

Важнейшим отличием 18650 от АА и ААА является не размер, а технология, которая меняет все электрические характеристики. Если попытаться по-простому затолкать 18650 туда, где используется АА и ААА, то возможно всё, вплоть до взрывов и пожаров; так что применять их нужно по назначению; либо же думать головой. Основное очевидное отличие от "пальчиков"-"мизинчиков" - в увеличенном втрое напряжении; АА и ААА выдают по 1.25В максимум, 18650 в зависимости от технологии может дать и 4.35В. Их можно использовать как заменители АА и ААА в бытовой технике, но с умом.

Для разбавления скучных фактов приведу пример, для кого-то может оказаться неожиданным - как минимум часть (а возможно и все) "инновационных" автомобилей Тесла ездят на батареях, составленных из... 18650.



Все т.н. "повербанки" (powerbank), мобильные аккумуляторы, тоже собираются на основе 18650; причём на али можно найти комплекты для сборки "батарейки" любой мощности, в зависимости от количества элементов; и качество этих элементов вы можете задавать сами, а не покупать кота в мешке, чем мы все занимаемся, покупая готовые сборки. 99% функционала таких аккумуляторов зависит от применяемых элементов; а сами корпуса и необходимая электроника, как можно видеть, стоит копейки.

На сегодняшний день элементы 18650 имеют максимальное напряжение 4.1В-4.35В (в зависимости от технологии, нужно уточнять), и максимальную ёмкость в 3400мА/ч. Последнее особенно важно - китайские производители любят написать на своих элементах мега-цифры, которые впоследствии, разумеется, не подтверждаются.


Брехня! (с)

Производят 18650 в Южной Корее, Японии и Китае; причём моду задают японцы и корейцы. Китайцы быстро учатся, но пока что их творения в основном заключаются в разной степени удачности клонах корейских и японских элементов.

К чему это я... В отличие от более-менее стабильного рынка элементов АА и ААА, на поле 18650 творится разброд и шатание; технология литий-ионных элементов ещё не "устаканилась", и постоянно выходят новые модификации элементов, отличающиеся по "химии", т.е. базовой технологии производства. Это-то и приводит к тому, что один тип ли-ион элементов может выдавать напряжение в 4.1В, а другой - в 4.35В; а это означает, что их надо по-разному заряжать и разряжать. И да, для зарядки литий-ионных и ли-поли-элементов и аккумуляторов нужны свои зарядки; причём, желательно, "интеллектуальные" - т.е. с возможностями управления и мультиметра.

И вот теперь переходим к недостаткам данной технологии. Их у неё немало. В частности, литий-ионные элементы небезопасны, особенно при зарядке; перезарядка свыше номинала, а также перегрев или понижение давления в самолёте может привести к их возгоранию (ранние типы даже взрывались); вот тут хладный сказ от техноблогера, которого регулярно смотрю. Осторожный обыватель может возопить, что, дескать, не будут использовать 18650 никогда-никогда; но, граждане и старушки, в ваших телефонах, планшетах, плеерах и ноутбуках используются те же самые элементы; причём в ноутбуках так и вовсе используется ровно то же многобаночное подключение элементов 18650, что и в вышеприведённом примере. И в некоторых планшетах, если не изменяет склероз, тоже.

У литий-ионных и литий-полимерных элементов есть рабочий диапазон напряжения, за пределы которых выходить практически нельзя; это приведёт либо к выходу элементов из строя, либо к ещё более печальным событиям, описанным выше. Элементы с номинальным напряжением 3.6В имеют диапазон от 2.6 до 4.1В; для 3.7В - от 2.7 до 4.2В, для 3.8В - от 2.9В до 4.35В. Узнавать параметры элемента лучше всего не по рекламным надписям, а по т.н. даташиту (datasheet); эта информация распространяется производителями или собирается экспертами; для каждого типа можно найти в интернете самостоятельно. Крайне полезно знакомиться с даташитом перед покупкой - если там написано, например, что вес элемента - 45г, а у продавца указано 40 или меньше, это вопрос - не дурят ли нашего брата.


Брюки превращаются...

Как и на любом "диком" рынке, на поляне 18650 полно мошенников, и надо быть осторожным - особенно при любимых многими покупках в китайских онлайн-магазинах. Хотя большинство из них применяют защиту покупателя, и в случае откровенного брака, скорее всего, вернут вам деньги, всё равно велик риск получить не то, что нужно, и при этом потерять кучу времени. Например, на том же Али очень много китайских копий известных марок батареек (да, как уже говорил, есть и "бренды" среди 18650); далеко не всегда это откровенный обман, но, скорее всего, они будут отличаться от оригиналов не только по ёмкости, но также и по токоотдаче, весу, а, возможно, и по внутреннему сопротивлению (что приведёт к "просадке" напряжения под нагрузкой, но об этом - в конце статьи).

Тем не менее, если подходить с умом, то использование 18650 может вас здорово выручить. Например, те же мобильные аккумуляторы - если нет нужды прямо здесь и сейчас - покупать в сборе имхо нездоровый фанатизм; заказываете нужный корпус и нужное число элементов нужного объёма, и вуаля - готова сборка конкретно под вас; обычно ничего паять не нужно, просто собрал и включил. И в случае выхода батарейки (повербанки) из строя разбираем и смотрим, кто там сдох - ишак или падишах. К тому же, можно докидывать батареечки в сборку при долгих поездках.

Если заморочиться, то есть метод получения 18650 практически задаром - разборкой "сдохших" аккумуляторов от ноутбуков. Проверил этот метод - действительно, работает; мне достался аккумулятор от ноутбука Sony, с соответствующей маркировкой на батарее, а внутре оказались подписанные как попало элементы 18650, обнаружить datasheet от которых не удалось; правда, батарее уже много лет. Все они оказались рабочими, с одним важным "но" - внутреннее сопротивление всех шести элементиков выше 100мОм, что весьма много. Метод добычи элементиков из ноутбуков - весьма время-затратный, и рекомендовать его я не буду; он подойдёт только для энтузиастов.


Как достать и восстановить элементы 18650 из батареи ноутбука

Для повседневного же использования лучше покупать новые элементики питания; во многом из-за следующего недостатка ли-ион технологии - старения. Технологии изготовления ли-ион-элементов первого поколения приводили к постоянному эффекту потери 10% ёмкости элементика в год; причём неважно, хранится ли он на складе или пашет под нагрузкой. В современные элементы при изготовлении добавляют консерванты, которые позволяют хранить их до первого использования практически без потери ёмкости; несколько циклов заряд-разряд разрушают консервант, и начинается "штатное" старение. Но надо быть готовым к тому, что считать возраст батарейки придётся от даты производства, а не от начала использования. Что же касается батареек из ноутов, можно прикинуть, сколько они потеряли от номинала.

Теперь наконец расскажу немного про литий-полимерные батареечки и элементики. Их основное отличие - в использовании полимера вместо гелевого (т.е. жидкостного) электролита. Технология ли-по-элементов ещё более новая, чем литий-ионная, и в ней нет такого разнообразия, поэтому практически все "липошки" обладают номинальным напряжением 3.7В и рабочим диапазоном от 3 до 4.2 В. Ли-по батареечки обладают чуть меньшим весом, чем ли-ион, и обладают потенциально бОльшей токоотдачей; за что очень любимы авиамоделистами, которым необходимы лёгкие и мощные аккумуляторы. Все Фантомы, Хабсаны, Валкиры и прочая летают именно на таких аккумуляторах.

Аккумуляторы обладают такой важной характеристикой, как токоотдача; ток нагрузки, измеряемый в С, т.е. ёмкости аккумулятора в ампер-часах; на сборках обычно пишут ёмкость в милли-ампер-часах (мА/ч), нужно умножать это число на 1000. Например, аккумулятор в 1000 мАч и токоотдачей 1С выдаст тока в 1000/1000*1 = 1А. Ходовой аккумулятор для дроноводов в 5200мА/ч и с токоотдачей 20С выдаст, соответственно, 5.2*20 = 104А. И здесь порылось куда больше собак, чем хотелось бы - поскольку измерить объём достаточно просто, а вот токоотдачу проверить уже сложнее; и в итоге производители пишут на аккумуляторах, что им взбредёт в голову. А без нужной токоотдачи крокодил не ловится, не растёт кокос - не будет нужной мощности. И любимый шуроповёрт не сможет провернуть саморез, а дрон вместо бреющего полёта будет натужно махать крыльями на взлётке.

Теперь - про неожиданное. Особо не разобрался, в чём тут дело, но для достижения высокой токоотдачи аккумуляторы делают тяжёлыми (возможно, увеличивается контакт с электролитом?), т.е. в пределах одной массы токоотдача разменивается на ёмкость. И большинство литий-полимер аккумуляторов обладает высоким С - для успешного примерения в токоёмких устройствах, таких как дроны. Для гоночных аппаратов важнее мощность, а не объём - они из-за своей мощности утащат что угодно; но вот для летающих камер это совсем не так. А в последнее время мы с коллегой по хобби занялись темой долголётов, и для них это ровно наоборот; токоотдача нужна весьма небольшая, главное - объём аккумулятора. И подобрать нужные ли-поли-аккумуляторы оказалось сложнее, чем... собрать из 18650, что та Тесла.


Как собрать батарею самому; один из многих примеров

При логическом взгляде на первый взгляд это казалось ересью - каждый 18650 содержит собственную защитную оболочку, которая немало весит; как тут соревноваться с готовыми сборками на ли-по?.. Но собственная практика показала, что эта схема вполне работает. Всё-таки размен токоотдачи на объём в случае авиамодельных ли-по-сборок слишком велик. Возможно, где-то можно найти низкотоковые сборки; не видел.

Как уже говорил выше, в аккумуляторе всё зависит от используемых элементов; в случае ли-по мы гарантированно покупаем кота в мешке (каламбурчик), и должны верить производителю на слово; в случае сборки из 18650 можно покурить даташиты и определить, что нужно лично вам. Пока я думал и прикидывал шансы, коллега Фёдор уже нахватил каких попало батареек на Али, что привело к ожидаемому фейлу (суть - после 5 минут) - полётное время на сборке 6s3p составило... 25 секунд; правда, возможно, ещё пошаманим и чего-нибудь придумаем и с этой сборкой.

Поэтому решил особо не выпендриваться, и рассматривал для тестов популярные варианты, используемые в авиамоделизме - Samsung NCR (с максимальным подтверждённым объёмом на сей момент - 3400 мА/ч), либо же LG HG2; объёмом поменьше, но с повышенной до 30А токоотдачей. В итоге всё же взял HG2, на Али; и был до последнего момента в неуверенности; батарейки пришли вовремя, похожие на оригинал, заряд берут честно, в 3000 mAh и даже больше; но вот засада - внутреннее сопротивление всех элементиков выше 100 мОм, как и в случае упомянутой выше разборки древнего ноутбучного аккумулятора. Это живо напомнило опыт Фёдора, и как-то стало тревожно на душе.

Когда ехали на тестовый полёт - после 35-градусных морозов потеплело до -25С и решили-таки освежиться - то надеялись, что аппарат (тот самый, на котором сборка Фёдора выдала 25 секунд полёта) провисит хотя бы минут 5. Всё-таки мороз, все дела. Больше всего было опасений за просадку напряжения после взлёта - большое внутреннее сопротивление означает падение напряжения под нагрузкой. Но после взлёта напряжение просело всего на вольт, и почему-то решило дальше не проседать. Полчаса гоняли аппарат, который в конце концов сошёл с ума и протаранил берёзу - скорее всего, замёрз или раскалибровался компас; агрегат пока в работе, вполне может быть и то и другое; главное, что оставалось ещё порядочно заряда; собирались садиться на 18.5В, а было ещё почти 20В.


DVR-запись на телефон через приёмник Eachine ROTG01, который наших морозов не держит; поэтому запись периодически прерывается; смотреть на таймер внизу справа.

Максимальное полётное время, которое мы на аппарате достигали на липо-сборке 5500mA/h 6s - 38 минут, при весе сборки в ~800 гр,, в плюсовую температуру. А тут - 32 минуты в -25С, и это был явно ещё не конец - на сборке 6s3p в 9000 mA/h весом в те же 800 гр. Возможно, на Самсунгах, которые 3400 против 3000, будет ещё больше. Особенно, если их поставить 4 в параллель, а не 3. :) В общем, простор для махинаций - величайший. Главное - не нужно привязываться к готовому производителю, и можно всё колхозить самим.

Больше всего беспокоит внутреннее сопротивление батареечек - возможно, конечно, это тлетворное влияние консервантов (апдейт - да, так и есть)... Например, батареечки из ноута, использованные для питания FPV-шлема в полётный день, моментально (за 12 минут) просели до опасных значений - то ли замёрзли, то ли не выносят нагрузки, ибо дома в тепле показали почти полный заряд - вот вам и внутреннее сопротивление.

Технологии литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов - далеко не панацея; но при грамотном применении способны облегчить жизнь. И не только в экстремальных хобби, но и вполне в быту; у каждого свои потребности.

Апдейт: после нескольких циклов заряд-разряд батарейка из 18650 стала показывать нормальное сопротивление - от 11 до 14 мОм на баночку (пруф).

Tags: видео, размышления, техника
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Про короткие и длинные задачи

    В ходе подготовки недавнего видеоролика поспорили с коллегой по опасному бизнесу (непосредственно причастной к созданию ролика) о формате - она…

  • Круглому году - 10 лет

    Раз заумные статьи пока не идут, почему не репостнуть собственное видео - вчера приняли участие в юбилейном концерте фольклорно-этнографической…

  • Фотоотчёт о первом полётном дне в этом году

    Продолжу тему, начатую прошлой статьёй про Мавики; но в этот раз будет меньше технического занудства и больше - красивых видов (хотя и без…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 5 comments