Самодельный powerbank 4S2P в автономном пешем передвижении

Добавлено в закладки: 0

Задача: обеспечить себя электроэнергией в автономном пешем передвижении. На ум сразу приходит привычный павербанк, а если подумать, то ещё бывают носимые солнечные панели, но тут появляется второе условие: нужен высокий ток, чтобы заряжать сразу и много, а также возможность зарядки аккумулятора квадрокоптера Maviс Air. Под эту задачу не подходит медлительная портативная солнечная панель и уже хочется что-то типа автомобильного аккумулятора, но меньшего веса и габаритов…😄

Выбор типа аккумулятора

Имитация автомобильного аккумулятора нужна для подключения автомобильной зарядки квадрокоптера. Для этой задачи подходят два типа аккумуляторов Li-ion и LiFePO4 с последовательным соединением в 4 канала (4S) для поднятия напряжения, то есть для Li-ion аккумулятора максимальное напряжение составит 16,8В, для LiFePO4 14,4В. Далее я не рассматривал LiFePO4, так как мне показалось, что автомобильная зарядка не сможет его полностью разрядить.

 

Выбор банок

Последовательное (S) и параллельное (P) соединение банок (отдельных составных элементов) поднимают общую ёмкость аккумулятора, а кроме того, параллельное соединение поднимает выходной ток. Считается, что не очень хорошо подключать много банок в параллель, так как они будут постоянно сами себя балансировать (выравнивать напряжение), поэтому выбирая банки из популярных форм-факторов я остановился на 26650 в конфигурации 4S2P, то есть получается 8 банок: 4 канала по 2 банки на канал. В сборке из банок 18650 при примерно той же ёмкости, параллельно пришлось бы соединять 4 банки в конфигурацию 4S4P. Возможно, такой вариант кому-то будет более удобен.

 

Как это всё заставить работать

Итак, нам надо зарядить сборку 4S2P. Для этого потребуется блок питания на 16,8В (в моём случае на 5А) и плата балансировки BMS 4S для контроля заряда и перезаряда каждого канала сборки. Для контроля разряда тоже нужна защита, в моём случае она встроена в каждую банку, что более надёжно, чем общая. Далее уже к сборке подключаем понижающие DC-DC зарядные модули:

 

Полный список частей для сборки и эксплуатации аккумулятора

1. 8 банок (ячеек) 26650 3,7В 5100mah с приваренными никелевыми контактами (чтобы не греть банку паяльником)
2. Плата BMS 4S с возможностью балансировки (смотри фото ниже)
3. Блок питания на 16,8В 5А для зарядки сборки (как у ноутбуков)
4. Понижающий модуль для зарядки гаджетов от USB (большой выбор с разными характеристиками)
5. Автомобильная зарядка для квадрокоптера Mavic Air (или любая другая автомобильная зарядка, например для зеркалки)
6. Рамки для ровной сборки банок 26650 (можно напечатать на 3D принтере или вообще выравнивать на глаз)
7. Соединительные штекеры с замком на 5 пин (желательно мощнее)
8. Соединительные провода 20AWG – 24AWG (меньше цифра – толще провод, меньше потери, выше ток)
9. Гнездо для блока питания 5,5×2,1 мм (для подключения к плате BMS)
10. Каптоновый скотч (термостойкий) (можно обмотать любым скотчем)
11. Активный флюс для пайки никелевых контактов
12. Термопистолет для соединения банок (банки сильно не нагревать!)
13. 3D принтер для изготовления корпуса или подходящая коробочка

 

Схема соединения банок (ячеек) в сборку и подключение к плате BMS для зарядки

На схеме добавил напряжение в ключевых точках сборки для контроля и правильного подключения к плате BMS.

 

Сборка 4S2P

Банки 26650 (ячейки) собираю в рамки попарно и склеиваю термопистолетом. Рамки понадобятся только для ровной сборки.

 

Зарядный блок

Изначально в зарядный блок я собрал все модули зарядки, включая плату BMS, но впоследствии я понял, что BMS мне нужна только для контроля заряда и вынес её в отдельную коробочку. На сегодняшний день использую три блока, каждая со своим штекером: cборка 4S2P, блок с платой BMS для подключения между блоком питания и сборкой 4S2P и зарядный блок, в котором собраны все нужные мне модули: 3 штуки USB и одна автомобильная зарядка для квадрокоптера.

На этом этапе нужно собрать все компоненты и разобраться с размерами коробочек, которые надо будет напечатать на 3D принтере или подобрать по размеру из готовых.

Штекер с проводом от зарядки квадрокоптера я укоротил. Получилось так:

 

Тестирование

 

Итого на сегодняшний день

Вес сборки с блоком зарядки 0т 860 до 880 грамм. Блок зарядки нагревается, поэтому в корпусе с зарядными модулями обязательно нужно сделать вентиляционные щели. Сборка не нагревается, как при зарядке током 5А, так и при разрядке всеми подключенными модулями. Модуль зарядки квадрокоптера не работает на максимальном напряжении сборки, но если подключить нагрузку в виде смартфона и других аккумуляторов, то через некоторое время напряжение упадёт до рабочего уровня.

А если посмотреть на титульное фото, то можно увидеть, что все зарядки я максимально уменьшил, перепаковав их в новые корпуса, напечатанные на 3D принтере.

Со временем максимальное напряжение сборки после зарядки уже не дотягивает до 16,8В, значит ёмкость тоже снижается – это нормально.

 

PD триггер

Вариант для путешественников и тех, кто не хочет много паять 🙂 Берём мощный павербанк на 30000 mAh (111 Вт*ч, вес 530 г) с протоколом PD (для зарядки ноутбуков). Подключаем к нему PD триггер на 15В и вуаля – у нас эстетичный павербанк с выходом 15В 3А (Baseus 65W 30000mAh PD). К выходу PD триггера подпаиваем любую автомобильную зарядку, а остальные USB потребители втыкаем в свободные порты павербанка. Для зарядки этого павербанка можно взять мощную GAN зарядку с выходом PD 3.0 и подзаряжать его в кафешках и хостелах.

 

Как сравнивать и рассчитывать ёмкости аккумуляторов

Мы привыкли к ёмкостям в mah (мА*ч), но эта единица измерения зависит от напряжения аккумулятора. Если все аккумуляторы имеют усреднённое напряжение 3,7В, то тут легко посчитать, а если напряжение разное, то нужно все ёмкости привести к единицам в Вт*ч. Для этого нужно значение мА*ч разделить на 1000, чтобы получить значение в А*ч, а теперь А*ч умножить на напряжение в Вольтах.

Например посчитаем ёмкость нашего павербанка из 8 банок ёмкостью 5100 mah и напряжением 3,7В:

5100/1000 = 5,1 А*ч

5,1 * 3,7 = 18,87 Вт*ч (ёмкость одной банки)

18,87 * 8 = 150,96 Вт*ч (ёмкость сборки 4S2P из банок 26650 в Вт*ч)

5100 * 8 = 40800 мА*ч (mah) (ёмкость сборки 4S2P из банок 26650 в привычных цифрах для сравнения с другими павербанками)

Ёмкость одного аккумулятора квадрокоптера DJI MINI 2 составляет 17,32 Вт*ч (на нём написано), значит:

150,96 / 17,32 = 8.7 – теоретически столько раз можно зарядить один аккумулятор квадрокоптера MINI 2 от нашей сборки, минус потери в модулях преобразования и потери на саморазряд в течении времени, то есть около 8 раз точно можно полностью зарядить.

По этим примерам можно примерно посчитать ёмкость павербанка(ов), требуемую на автономный выход, зная ежедневный расход в количестве аккумуляторов.