Jednoduchá nabíječka Li-Ion akumulátorů

      12.10.2016 V současné elektronice se používají převážně Li-Ion / Li-Pol akumulátory. Postupně se mi jich tu pár nashromáždilo a používám je i v některých svých bastlech. Vyvstala tak potřeba je něčím nabíjet. K tomu lze použít i laboratorní zdroj s omezením proudu (klasická CC-CV charakteristika), ale už delší dobu jsem si chtěl postavit nějakou malou přenosnou nabíječku. Čínan sice nabízí levné modulky, ale bez nastavení proudu. Jednou z možností je zneužít klasický stabilizátor napětí LM317, avšak dnes se k tomuto účelu nabízí obrovské množství specializovaných integrovaných obvodů. Vybral jsem si obvod Torex XC6802 za 1,7 $ pro své jednoduché zapojení a vcelku rozumně pájitelné SMD pouzdro SOT23-5, které pro menší proudy postačí. IO má koncové nabíjecí napětí pevně nastavené na 4,20 V s přesností ±0,7 %. Vstupní napětí musí být v rozsahu 4,25 - 6 V, což vyhoví pro připojení k USB portu nebo micro USB adaptéru na telefon. Pomocí odporu mezi pinem Isen a zemí lze nastavit max. nabíjecí proud do 800 mA. Já jsem si tam dal 3 odpory, z nichž 2 lze připínat pomocí 2-pólového DIP spínače a vybrat tak 1 ze 4 kombinací (100, 313, 550 a 770 mA). IO má i funkci trickle charge, kdy zcela vybitý článek začne nabíjet menším proudem (asi 1/10 nastaveného), dokud napětí nestoupne nad 2,9 V. Indikace stavu nabíjení článku je přes LEDku připojenou na pin CHG#, který má vnitřní proudové omezení na 20 mA.

XC6802 schematic

      Plošný spoj jsem si vyrobil doma fotocestou. Layout vystačí s jednostrannou deskou, ale pro lepší chlazení IO jsem zvolil oboustrannou desku a obě strany propojil pomocí 3 "prokovů" z tlustého Cu drátu. Při osvitu fotocitlivé desky s modrou fólii z GM jsem narazil na problém s nedostatečnou expozicí. Nejprve jsem svítil 125W UV výbojkou asi 1/2 hodiny ze vzdálenosti 25 cm, ale motiv se nějak nedařilo vyvolat, i když jsem měl NaOH vývojku čerstvě namíchanou. Zkusil jsem vyměnit 3mm krycí sklo ze scanneru za horní část plastového obalu na CD, sesadit předlohu a znovu osvítit další 1/2 hodiny. Jelikož ale prve osvícený motiv nebyl na vrstvě fotorezistu prakticky vidět (u dříve používané fotocitlivé desky byl motiv po osvitu celkem dobře rozeznatelný), nepovedlo se mi správně sesadit film a vyvolaly se jaksi 2 motivy přes sebe. Na druhý pokus jsem nechal desku osvicovat přes 3mm sklo asi 3/4 hodiny ze vzdálenosti 14 cm a pak už se konečně vyvolání podařilo, ale trvalo to pár minut, zatímco dříve stará deska reagovala na vývojku během pár vteřin. Uživatel Jenys na ebastlírně popisoval podobnou zkušenost, že jeho desce stačil ze začátku kratší čas a po nějaké době skladování jej musel skoro 3x prodloužit, jako by fotorezist nějak stárnul. Mě ta deska ležela v šuplíku možná 2 roky. Prostě je dobré si to u neznámé desky na malém kousku předem vyzkoušet.

PCB layout top side homemade etched PCB assembled PCB top assembled PCB

      Vyleptání 2 destiček v chloridu už proběhlo bez problémů. S osazením SMD IO a pasiv velikosti 0805 mikropájkou jsem neměl žádný problém. Akorát ten micro USB konektor má malou rozteč pinů a navíc byly trochu schované pod krycím plechem. Na to se dobře hodil pájecí hrot s tenkou ostrou špičkou. DIP spínač a 2-pinový konektor jsem osadil také z horní strany. Se spodní stranou jsem se moc nemazal, leptání by bylo zbytečně zdlouhavé a tak jsem potřebné izolační čáry kolem pinů THD součástek projel frézkou. Nakonec jsem destičky přestříknul ochranným lakem. Nabíječka funguje podle očekávání, nastavené proudy sedí docela přesně. Ze začátku nabíjení, když teče největší proud 770 mA, tak IO docela topí (má samozřejmě tepelnou ochranu), ale prst se na něm chvíli udržet dá. Ohřeje se i okolní měď, která odvádí teplo do okolí. Na nabíjení baterek z mobilů a pod. to bohatě postačí.

      23.4.2017 Abych mohl nabíjet a testovat různé Li-Ion akumulátory z mobilů a PDAček, zbastlil jsem si jednoduchou univerzální fixturu. Základem je prkénko a pár profilů vyřezaných z plexiskla ze starého LCD monitoru. Jako kontakty slouží 2 páry pružných pogo pinů připájených na oboustranná pájecí očka. Ty se zafixují pomocí vrutů do měkkého dřeva na míru daného akumulátoru.

fixtura na Li-Ion akumulátory fixtura na Li-Ion akumulátory-kontakty


Repase akupacku do vrtačky Black & Decker

      11.7.2017 Už asi 6 let spokojeně používám akuvrtačku/šroubovák Black & Decker EPC14, zejména při budování na chatě dost intenzivně. Akorát mě v poslední době začala zlobit výdrž akumulátoru. Podle měření na tom ještě není s kapacitou tak špatně - 868 mAh, ale už není schopen dodat dostatečný proud a trpí rychlým samovybíjením (po týdnu od nabití je už nepoužitelný). Když jsem si na Heuréce vyhledal náhradní nový akupack A14E, tak mi docela spadla čelist, nejlevnější jsem našel za 1437,80 Kč, tedy dražší než celá vrtačka.
      Akupack obsahuje 12 standardních NiCd článků 23 x 34 mm, které by se daly sehnat na eBay kolem 600 Kč. Pak mě ale napadlo zaměřit se na modelářské Li-Pol akumulátory, které bývají dimenzované na docela extrémní proudy a vzhledem k rostoucí popularitě RC modelů je jich všude plno. Nakonec jsem podle max. rozměrů vybral 4-článkový Li-Pol akumulátor ZOP Power 14,8 V / 1800 mAh 65C 4S XT60 Plug z eBay za 427 Kč. Reálná změřená kapacita je 1598 mAh (o 11,2% nižší) a energie 24,59 Wh, takže to není vyloženě šméčko. Výhody Li-Pol jsou jasné: mnohem větší energetická hustota (na váhu i objem), téměř žádné samovybíjení a paměťový efekt. Naopak životnost lze očekávat asi nižší než 6 let. Další nevýhoda je nutnost použít speciální nabíječku s napěťovým balancérem, která zabrání přebíjení jednotlivých článků v sériovém zapojení. Také je nutno hlídat, aby se články hluboce nevybíjely cca pod 3 V, protože stejně jako přebíjení přes 4,2 V je to dost ničí. Při manipulaci je třeba dát pozor na to, že akumulátor nemá žádnou integrovanou ochranu proti zkratu a dá tak velký zkratový proud (možná by i nastartoval menší auto :), že může snadno přepálit vnitřní páskové propojky mezi články. Akuvrtačkou točí teda pořádně. Už mám objednanou univerzální nabíječku s balancérem, viz článek níže.

repase akupacku do vrtačky Black & Decker repase akupacku do vrtačky Black & Decker

      28.5.2022 Po 5 letech mi v akupacku odešel 1 článek. Baterie se normálně nabila, na prázdno dávala 16,4 V, ale akuvrtačku neroztočila, neboť napětí ihned spadlo skoro na 0. Měřením na jednotlivých článcích jsem zjistil, že 3. článek má velký vnitřní odpor, takže se při zatížení baterie přepóluje. Zkusil jsem ho samostatně vybít a nabít, ale nepodařilo se (i při nejnižším nabíjecím proudu 0,1 A napětí hned vyskočilo a nabíječka hlásila nabito. Baterku jsem rozkuchal, poškozený článek odpojil a dal místo něj propojku. Nechám ji tak dožít, na točení vrtačkou to pořád stačí.

      12.7.2023 V baterce odešel další článek a kapánek se nafoukla. Sloužila tedy celkem 6 let, což není špatné. Jelikož se cena po letech zvýšila na 556 Kč, zkusil jsem najít nějakou levnější alternativu na AliExpressu a vybral Hobby Hub 14,8  V / 1500 mAh 40C 4S XT60 Plug za 418 Kč. Baterku jsem změřil a reálná kapacita je o 19,4% nižší.

Univerzální nabíječka akumulátorů iMAX B6

      17.7.2017 Už kdysi dávno jsem si chtěl postavit vlastní nabíječku řízenou MCUčkem, ale nebyl čas. Kamarád Michal, který též používá Li-Polky v různém bateriovém nářadí, mi doporučil osvědčenou nabíječku iMAX B6, kterou jsem koupil na eBay za 390 Kč. Umožňuje nabíjet akumulátory typu Li-Ion / Li-Pol / Li-Fe až o 6 článcích, dále NiCd / NiMH až o 15 článcích a Pb až o 8 článcích. Nechybí funkce balancéru napětí pro Lithiové baterie (nutno připojit odbočky z jednotlivých článků na druhý vícepinový konektor k tomu určený - typu JST XHP-x) a možnost nastavení nabíjecího proudu a limitní kapacity. Umožňuje též vybíjení baterií na definovanou úroveň. Vstupní napětí 10 - 20 V DC si nabíječka upravuje vnitřním spínaným měničem podle potřeby. Lze ji jednoduše napájet adaptérem k notebooku, z PC zdroje nebo z autobaterie. Ovládání je snadné pomocí 4 tlačítek a 2-řádkového LCD. Různé stavy jsou indikovány opticky i akusticky (lze vypnout).
      Podobné zapojení a design nabíječky iMAX B6 využívá celá řada klonů. Původní verze byla postavená na MCU Atmel ATmega32, novější verze pak využívá Nuvoton ARM Cortex-M0 M0517LBN, který je patrně custom verzí M0516. V mé nabíječce je MCU s vybroušeným značením, ale podle počtu pinů (44) odpovídá ATmeze (M0517LBN má 48 pinů) s krystalem 12 MHz. Více informací o nabíječce najdete zde a zde. Za zmínku stojí, že pro ní vznikl alternativní opensource firmware, který umožňuje individuální kalibraci, ale zas nepodporuje všechny původní funkce. Dá se snadno naprogramovat přes LPT a AVRDude nebo v případě MCU Nuvoton pomocí OpenOCD a ST-LINKu či jeho levných klonů. Zatím se ale do přeflashování pouštět nebudu, nabíječka zdá se funguje dobře. Nabíjení 4-článkového Li-Pol packu ukončila (měřeno DMM) při 16,83 V a napětí na jednotlivých článcích byla: 4,21 V, 4,21 V, 4,20 V a 4,21 V.
      Dále bych zmínil, že některé varianty nabíječek iMAX B6 je možné připojit k PC a např. pomocí programu LogView sledovat průběh nabíjení a grafy. K připojení se využívá konektor pro externí teploměr, jehož zapojení je zde. TX výstup UARTu má TTL úrovně, takže budete potřebovat nějaký převodník na RS232 nebo USB. Data chodí rychlostí 9600 baudů proprietárním binárním protokolem. V menu USER SET PROGRAM->|USB/Temp select je potřeba nejprve zapnout USB. Bohužel když jsem to zkusil, tak mi ven žádná data nechodila (na výstupu TX nebylo žádné napětí). Po chvilce hledání jsem zjistil, že u klonů iMAX B6 má tento problém více uživatelů. Otevřel jsem tedy znovu svoji nabíječku a propípal to multimetrem. Zjistil jsem, že TX pin konektoru vede přes 2kΩ odpor na MCU pin 21 (PC2/TCK) a pin 10 (TX/PD1) MCUčka vede na D1 pin LCD, takže není divu...

      23.7.2017 Dnes jsem měl na chatě s nabíječkou zajímavou příhodu. Chtěl jsem nabít akupack, tak jsem ji připojil na autobaterku, kterou si dobíjím ze solárního panelu a po pár vteřinách v nabíječce něco hlasitě bouchlo s mírným dýmovým a smradovým efektem. Ještě překvapivější bylo, že displej zůstal normálně svítit, jako by se nic nestalo. Nabíječku jsem rychle odpojil a následně rozebral. Zjistil jsem, že bouchnul elyt pod LCD panelem (viz foto vpravo dole), který jsem podle zbytků seškvařené obalové fólie identifikoval jako 100 µF / 16 V. Multimetrem jsem změřil, že tento kondenzátor na sobě vidí plné napájecí napětí (až 20 V), takže je evidentně napěťově poddimenzovaný. Proč ale bouchnul už při nějakých 13,5 V z autobaterky, to opravdu netuším, možná byl od výroby poškozený. Nabíječka nabíjela dál i bez tohoto elytu a zdá se být plně funkční. Každopádně doporučuji preventivní výměnu alespoň za 25V elyt.

nabíječka akumulátorů iMAX B6 nabíječka akumulátorů iMAX B6 nabíječka akumulátorů iMAX B6-pravý bok nabíječka akumulátorů iMAX B6-levý bok

nabíječka akumulátorů iMAX B6-PCB nabíječka akumulátorů iMAX B6-PCB-top nabíječka akumulátorů iMAX B6-PCB-bottom nabíječka akumulátorů iMAX B6-PCB-exploze elytu 100uF-16V

      11.10.2017 Dále jsem zkoušel nabíječkou nabíjet NiMH baterii složenou z 5 článků AAA proudem 0,2 A (i 0,3 A) a zjistil jsem, že nefunguje ukončení nabíjení podle delta peaku. Napětí dosáhlo maxima 7,54 V a dále klesalo na 7,44 V (tj. pokles 20 mV na článek), přičemž už byly články na dotek pěkně teplé, takže jsem radši nabíjení přerušil. I když jsem na nabíječce nastavil nejvyšší citlivost delta peaku 5 mV na článek, tak se to nevyplo. Naštěstí lze ještě nastavit omezení na dobu nabíjení a prošlý náboj. Tak by mě zajímala zkušenost dalších uživatelů, jestli na jejich verzích iMAX B6 detekce delta peaku funguje správně.


Pokus o oživení vybité autobaterie

      12.3.2019 Přes zimu autem moc nejezdím a tak se mi stalo, že když jsem za lepšího počasí zašel auto projet, tak startér ani neškytnul a chudák baterka měla napětí pouhých 9,5 V. Ve vybitém stavu je v akumulátoru nízká koncentrace kyseliny sírové a hrozí jeho zamrznutí (naštěstí letos moc mrazů nebylo) a také dochází k sulfataci. Na téma sulfatace a desulfatace bylo napsáno mnoho příspěvků a vyrobeno mnoho různých více či méně úspěšných elektronických desulfátorů. V podstatě se lze setkat se 3 různými postupy: nabíjení krátkými či delšími proudovými pulsy, vybíjení krátkými proudovými pulsy (str. 24) a pomalé nabíjení malým proudem za stavu plynování článků.
      Jelikož mám autobaterku BOSCH Silver Plus S5 teprve 4,5 roku, rozhodl jsem se ji pokusit oživit. První nabíjecí-vybíjecí cyklus jsem provedl menším SS proudem kolem 2 A, avšak stavu plynování článků bylo dosaženo předčasně, už asi po 20 Ah. Nechtěl jsem zbytečně vyvařit elektrolyt a tak jsem baterku odpojil a provedl měření vybíjecí charakteristiky pomocí dataloggeru. Celkem nepřekvapivě jsem se dostal na pouhých 19,41 Ah, protože to jeden z článků zabalil moc brzo a nechtěl jsem ho dál trápit. Dále jsem zkoušel baterku nabíjet pulsně podle jednoduchého zapojení výše z 12VAC trafa. Střední hodnota proudu byla kolem 1,6 A a něco přes 8 A špičkově. Nabíjení trvalo déle, ale mnoho náboje baterka nepobrala, když začla plynovat. Druhý cyklus dopadl jen chlup lépe: 19,86 Ah.

odvrtané komůrky autobaterky BOSCH Silver Plus S5 průběh proudu pulsního nabíjení měření vnitřního odporu zátěží 0,2R
provrtaná baterka proud při pulsním nabíjení měření vnitřního odporu, Rl=0,2 Ω

      Pak jsem dal na radu kolegy a úžasně bezúdržbovou baterku shora provrtal, abych mohl dolít postižené články destilovanou vodou (během nabíjení jsem jim ještě přidal trochu koncentrované H2SO4). Zejména krajní článek naproti motoru vykazoval úbytek elektrolytu, byť ještě vršky desek nekoukaly nad hladinu. Také jsem si půjčil hustoměr, abych mohl sledovat hustotu, resp. koncentraci kyseliny v průběhu nabíjení, viz tabulka. Nejprve jsem nabíjel menším SS proudem kolem 2 A, po dosažení plynování článků jsem proud stáhnul na 0,5 A a nechal dál nabíjet, dokud se za víkend baterkou neprotlačilo asi 70 Ah. Baterka si pěkně bublala, ale díky otvorům mám přehled, že nebudou desky na suchu.

Hustota elektrolytu článků (číslováno od + k -) během nabíjení a po vybití [g/cm3]:

čl./Q: 25Ah 40Ah 60Ah 0Ah
#1 1,11* 1,20 1,22 1,07
#2 1,19 1,24 1,26 1,09
#3 1,21 1,24 1,26 1,10
#4 1,20 1,24 1,26 1,10
#5 1,20 1,25 1,25 1,10
#6 1,10* 1,20 1,23 1,07
date: 8.3. 9.3. 10.3. 11.3.
* dolito konc. H2SO4 na 1,15 g/cm3

      Třetí cyklus konečně přinesl výrazné zvýšení kapacity na 49,90 Ah, tj. 82% jmenovité hodnoty. Nakonec jsem ještě změřil vnitřní odpor při pulsní zátěži 0,2 Ω, kdy napětí baterie pokleslo o 0,41 V při proudovém zatížení 62 A, z toho vychází vnitřní odpor 6,6 mΩ. Vyvrtané otvory jsem shora přelepil černou lepicí páskou 3M. Startování je zatím bez problémů jako dříve, tak snad baterka ještě pár let vydrží. Na obrázku níže je oscilogram poklesu napětí baterky při startu. Na další zimu jsem dal do auta za okno malý solární panel, který přes cigareťák baterku jemně dokrmoval, takže k hlubokému vybití už znovu nedošlo.

battery start pulse voltage drop

      30.6.2023 autobaterka definitivně chcípla a už nebyla schopná nastartovat. Vzhledem ke stáří 9 let jsem ji už dál neoživoval a zajel koupit novou Vartu Blue Dynamic D59 60 Ah.



Zpět

Aktualizováno 29.5.2022 v 4:03