Все об аккумуляторах 18650 и 21700: зарядка, BMS, схемы подключения

Всё о литий-ионных аккумуляторах

Современные реалии требуют, чтобы пользователь знал об аккумуляторах всё, я возьму на себя обязанность рассказать Вам всё, что знаю о них. В «тёплой DIY сообществе» в телеграмме постоянно одни и те же вопросы и ошибки, и чтобы этого не было — вот вам ликбез.

Самые популярные на сегодня литий-ионные аккумуляторы (далее LI) это формата 18650 и 21700. Из названия мы можем догадаться, что у 18650 диаметр 18мм (по факту 18.3) и длина 65мм. Так же и у 21700 это 21мм диаметр и длина 70мм. Разница у них только в ёмкости и размерах.

Ёмкость у формата 18650 от 1500мАч до 3500мАч. А у формата 21700 от 3000 до 5000мАч. Если кто-то вам продаёт например 18650 ёмкостью 5000мАч, то знайте — вас обманывают. Таких не бывает, или китайцы обманывают и пишут какую-то чушь.

Напряжение LI аккумуляторов:
Максимальное: 4.2В | Минимальное: 2.5В | Номинальное: 3.6-3.7В
Очень важно соблюдать эти напряжения!

Максимальное напряжение

Превышать максимальное напряжение ни в коем случае нельзя! Даже на 1 сек, даже 1 раз, даже посмотреть, что будет. Будет очень плохо и вам, и аккумулятору — он начинает очень нагреваться и может загореться, при этом таким пламенем, которое не погасишь огнетушителем.

Так же и механические повреждения — нельзя ронять, пробивать, замыкать, мочить. От этого эффект совсем не предсказуемый.

Минимальное напряжение

Переступать порог напряжения 2.5В на LI можно, но если вам дорог аккумулятор — то не надо. После глубокого разряда меньше 2.5В аккумулятор может не восстановиться и навсегда умереть.

Поэтому все современные платы защиты отключают нагрузку при напряжении 2.8-3В — меньше этого значения не получится разрядить аккумулятор никогда.

Номинальное напряжение

На аккумуляторах постоянно пишут или 3.6В или 3.7В, чем же они отличаются? Ничем. Каждый производитель как хочет так и пишет номинальное напряжение. Номинальное напряжение — это своего рода «паспортное» значение, которое используется для маркировки и расчётов, поскольку напряжение литий-ионного аккумулятора постоянно меняется в зависимости от его заряда.

А также это напряжение при котором надо хранить аккумулятор длительное время. Например если это повербанк и вы им не собираетесь пользоваться длительный срок, то лучше разрядить его до 75% заряда, а это и есть примерно 3.7В. Когда Вы храните аккумулятор в постоянно заряженном состоянии длительный срок, то в нём начинаются необратимые процессы которые приводят к уменьшению ёмкости, росту внутреннего сопротивления.

Внутреннее сопротивление (ESR)

ESR (Equivalent Series Resistance) — это эквивалентное последовательное сопротивление аккумулятора. Простыми словами: это показатель того, насколько легко аккумулятор отдаёт энергию.

Нагрев: Чем выше сопротивление, тем больше энергии превращается в тепло во время работы. Высокий ESR = сильный нагрев под нагрузкой.

Проседание напряжения: Под большой нагрузкой аккумулятор с высоким ESR резко «проседает» по напряжению, из-за чего устройство может отключиться, хотя заряд ещё есть.

Состояние аккумулятора: ESR — это главный индикатор старения. Со временем сопротивление растёт из-за химической деградации.

У каждого производителя можно в мануале на аккумулятор найти нормальные значения ESR для LI, но если аккумулятор без логотипа или надписей — чтобы понять насколько это хороший аккумулятор, можно измерить его ESR. Измерить ESR обычным мультиметром не получится. Для этого есть специальные миллиомметры.

Видов их много, я показал на фото самые популярные. Итак если вы измерили внутреннее сопротивление аккумулятора, которое измеряется в миллиомах (далее мОм), то что значит это значение:

ESR	Состояние аккумулятора
8-17 мОм	Новый хороший высокотоковый аккумулятор
18-35 мОм	В хорошем состоянии, ещё послужит, но высокие токи снимать не получится
36-50 мОм	Последние циклы работы, больше мёртвый чем живой
51+ мОм	Для утилизации или экспериментов

Каждый аккумулятор также имеет определённое количество циклов заряда-разряда — это примерно 600 циклов. Поэтому аккумуляторы и выходят из строя, теряют ёмкость, растёт ESR и так далее. Если пользоваться аккумуляторами например в фонарике небольшом, то эти 600 циклов растянутся на дольше, чем если бы он был например в детской машинке где на него шло большая нагрузка.

Температурный режим: Нежелательно разряжать аккумуляторы при температуре ниже -5°C и заряжать при температуре меньше 0°C и выше +50°C. Это тоже приводит к необратимым процессам.

Соединение аккумуляторов

Соединять аккумуляторы можно как параллельно, так и последовательно, а также смешанно.

Параллельное соединение

Например у нас есть 4 одинаковых аккумулятора 18650 ёмкостью 2500мАч. Перед соединением надо чтобы каждый аккумулятор был заряжен до одинакового напряжения, с погрешностью не больше 0.05В.

Если этого не сделать, то при таком соединении более заряженные аккумуляторы начнут отдавать максимальный ток аккумулятору с меньшим напряжением — это приведёт к необратимым процессам и даже могут выйти из строя сразу.

Это проще сделать процессом заряда до полного одинаковым зарядным устройством. И что мы получаем: напряжение на выходе такое же как и у одного аккумулятора (4.2-3В), но ёмкость в 4 раза больше (10000мАч). Эта сборка называется 4P (P — параллель). Если один аккумулятор может отдать 2А без нагрева, то эта сборка уже сможет отдать 8А без нагрева.

Последовательное соединение

Берём те же аккумуляторы и соединяем так. Эта сборка уже называется 4S (sequentially — последовательно). На выходе мы получим уже напряжение 4.2×4=16.8В максимальное и 3×4=12В минимальное. А ёмкость останется та же. Если один аккумулятор может отдать 2А без нагрева, то такая сборка тоже 2А отдаст. А если надо больше — то делается смешанная сборка.

Смешанное соединение

Такая сборка уже называется 4S2P — 4 последовательно и 2 параллельные. Такая сборка уже может выдать ток 4А при напряжении 16.8В. Сборки бывают разные — как и 2S, и множество в параллель, и даже 16S.

Чем заряжать аккумуляторы LI

Обычный аккумулятор 1шт можно заряжать от TP4056. Аккумуляторы можно заряжать током до 1.2А, иногда есть несколько видов которые можно заряжать током 2А.

Если вы начнёте заряжать аккумулятор током выше — он будет уже сильно нагреваться и тоже может взорваться!

Плата TP4056 заряжает током 1А.

Алгоритм CC/CV:
CC (Constant Current — постоянный ток): На первом этапе зарядное устройство поддерживает стабильную силу тока, пока напряжение на аккумуляторе не поднимется до 4.2В.

CV (Constant Voltage — постоянное напряжение): Когда напряжение достигло 4.2В, оно фиксируется, а сила тока постепенно падает. Зарядка считается завершённой, когда ток опустится до 3-10% от начального значения.

Вот именно плата TP4056 и заряжает по такому принципу. Эта плата может зарядить аккумулятор ёмкостью 2500мАч за 2,5 часа. Если будет сборка 2P — то уже за 5 часов. И чем больше в параллели, тем больший время зарядки.

Если надо ускорить заряд — есть плата IP2312, она может заряжать током как 2А, так и 3А. Аккумулятор ёмкостью 2500мАч можно заряжать током 1А. А вот аккумулятор ёмкостью 1500мАч уже нельзя заряжать током 1А — для него рекомендуют 750мА. То есть берём ёмкость, делим на 2, и получаем ток заряда.

Чтобы уменьшить ток зарядки на TP4056 — надо заменить резистор R3:

То есть для аккумулятора 1500мАч надо уже ставить резистор сопротивлением 1.66кОм или 1.5кОм.

А как же заряжать сборки?

Сборку например 3S уже ни в коем случае нельзя заряжать такими платами!

Есть 2 варианта как безопасно заряжать такие сборки. Например у нас сборка 3S3P из аккумуляторов 2500мАч. Выходное максимальное напряжение такой сборки 12.6В, а минимальное 9В.

Вариант 1: Модуль повышения напряжения

Такой модуль работает от разъёма Type-C 5В и повышает напряжение до 12.6В и правильно заряжает алгоритмом CC/CV. Такие модули бывают с током заряда 1А, 2А, 4А. Для нашей сборки 3S3P я бы выбрал ток 2А. Пусть меньшая скорость и больший время заряда, но аккумуляторы дольше проживут.

Вариант 2: Зарядный блок

Самый популярный вариант — такие зарядные блоки. Это не обычный блок питания, а зарядное устройство: во-первых он заряжает принципом CC/CV, и имеет как раз выходное напряжение 12.6В. Ток заряда у них тоже бывает разный — от 1А и до 10А, больше наверное также есть, но не видел. Для нашей сборки 3S3P я бы выбрал 2А или 3А зарядку.

Сборку 3S можно заряжать только этим блоком зарядки. Для сборок 4S и других тоже есть свои блоки заряда. Например для 5S выход с блока заряда уже будет 4.2В × 5 = 21В.

BMS — контроллер заряда и разряда

BMS — это плата которая защищает ваш аккумулятор от разряда ниже 2.8В и перезаряда больше 4.2В. Это её основное применение.

Также есть BMS с балансировкой. Аккумуляторы одной партии даже с одинаковым ESR могут иметь разную ёмкость. Например если написано на аккумуляторе 2500мАч, то один может быть 2480мАч, а другой 2504мАч, а третий может даже быть 2450мАч.

И когда вы собираете такие аккумуляторы в сборку 3S или любую другую, то один из аккумуляторов разрядится быстрее чем другой. И потом когда вы поставите сборку на зарядку, то один аккумулятор зарядится до 4.2В, другой до 4.1В, а третий до 4В. В результате на следующую разрядку уже будет меньшая ёмкость — так как аккумулятор 4В разрядится быстрее чем те 2 других и появится разбаланс напряжения.

Балансировка: Чтобы разбаланса не было, надо ставить плату BMS с пассивным балансиром, ток балансировки как правило небольшой — до 100мА. Для больших сборок (например 3S5P) есть активные балансиры — они выравнивают напряжение током от 1А. Чем больший разбаланс — тем больший ток балансировки.

Подключение к BMS для каждой платы разное, но принцип одинаковый у всех. Обязательно к BMS подключается общий «−» аккумулятора и + с каждого аккумулятора. Плата BMS следит за напряжением на каждом элементе и в случае превышения или понижения порога напряжений — она сразу отключает нагрузку.

На плате BMS есть ещё надпись в 60А. То есть эта плата ещё отключит нагрузку при превышении тока в 60А.

Как выбрать BMS по току:
Например, вы делаете сборку под мощный повербанк который максимально потребляет 5А. Надо ещё запас взять, чтобы при макс нагрузке плата BMS не отключала. Поэтому я бы выбрал плату 10А.

Если надо питать двигатель который потребляет до 8А — я бы выбрал плату BMS 20А. Потому что в момент пуска двигателя ток может кратковременно превысить 10А и в результате плата BMS 10А отключит мотор и он у нас не включится никогда.

Соединение аккумуляторов

Если мы делаем сборку любую, даже 1S, и надо соединить аккумуляторы последовательно или параллельно — есть 2 самых популярных варианта соединения:

Пайка
Точечная сварка

Обязательно всегда используйте картонные наклейки на + аккумулятора! Они стоят копейки, но с ними вы будете спать спокойно. На конце аккумулятора там где + внутри — по краю по диаметру есть −, и если сверху класть провод, то он может расплавить или перетереть изоляцию — и будет КЗ. А эти наклейки не боятся нагрева и их очень трудно перетереть.

Также если собираете аккумуляторы не в холдере — используйте держатели из которых можно собрать любую конфигурацию. Они нужны чтобы между аккумуляторами был зазор и минус одного аккумулятора не коснулся другого минуса в сборке. А также чтобы хорошо охлаждались и был поток воздуха между ними. Для малых токов поток воздуха совсем не надо, а вот на больших токах надо обязательно.

1. Пайка

Категорически против этого соединения, но если прям надо и ничего под рукой нет — то можно, но с некоторыми особенностями.

Обязательно наклейку на + аккумулятора! Общий процесс пайки провода не должен превышать 2-3 сек. Если перегреть любой пятак аккумулятора — от необратимых процессов до взрыва, всё что угодно может случиться.

Также для лужения не пользуйтесь активными кислотами, а если и надо — обязательно смывайте её. Провод для соединения должен выдерживать ток под ваши нужды.

2. Точечная сварка

Это самый популярный способ соединения аккумуляторов любых. Его преимущество — что электроды сварки пропускают через ленту большой ток и припаивают пластину к пятаку аккумулятора, и это всё за доли секунд. Для соединения используются ленты никелированные, или стальные с никелевым напылением, или даже медные — в зависимости от тока нагрузки.

Надеюсь эта статья поможет Вам разобраться с вашей сборкой и убережёт Вас и вашу семью от неприятных сюрпризов от аккумуляторов.

И главное при работе с любым аккумулятором: это терпение, аккуратность и чистый стол перед сборкой. И также на сборке аккумулятора нельзя экономить ни на чём!

Автор: Ardu_miha