Делаю мини бесперебойник (ИБП) на 12 вольт. Есть ли у вас замечания или предложения?

Question

[Рома]

Нагрузка: 3D принтер Anycubic Photon Mono 4K (фотополимерный, монохромный LCD)

Максимальный потребляемый ток - 2.5А, в среднем - 1.3А.
Производитель не дает информации, касательно приемлемого диапазона напряжений, но родной БП (якобы 12V 5A) под нагрузкой 2.5A проседает с 12.35v до 10.9V (иногда выше иногда ниже).

Перебои в сети 220V случаются редко и не на долго, потому в качестве резервного источника питания я решил использовать 4 последовательных li-ion 18650 (из одной партии) через понижающий dc-dc XL4015 до напряжения чуть ниже, чем у БП (чтобы приоритет всегда отдавался БП), а на защитной плате отсечка 12V (3V на каждой ячейке).

У защиты от переразряда (на полевике) и DC-DC есть саморазряд, но каждый раз отдельно включать/отключать АКБ от схемы такое себе решение (легко забыть). Поэтому я планирую установить зарядку всей сборки на 14.4V (по 3.6V на каждую ячейку), которая будет работать постоянно от сети. По идее это решит проблему - зарядная плата будет отдавать ток на питание защитной платы и DC-DC, и в то же время каждая ячейка будет поддерживаться на уровне 3.6V. Нужно лишь периодически проверять на разбаланс.
Емкости ячеек с 3.6 до 3.0V должно хватить на час работы.

Меня беспокоит просадка напряжения. Она у БП и так не маленькая, напруга на выходе резервного источника питания должна быть ниже, и на диоде теряется еще 0.5V.

Как вариант думаю заменить БП на 16V, чтобы:
1. В связке с еще одним XL4015 стабилизировать напряжение на отметке 12V
2. На XL4015 от АКБ выставить напряжение в районе 11.8V
3. Без использования отдельного БП запитать третью плату XL4015 для зарядки аккумуляторной сборки напряжением 14.4V

Извиняюсь за свое paint творчество)

На "схеме" 2 диода Шоттки SR540 (5А, 40В). Нужны ли они вообще при использовании DC-DC XL4015 ?

Не уверен на сколько это критично, но в моей домашней сети разные мультиметры показывают до 260V, когда на БП написано: 100-240V

Answer 1

[Григорий Боев]

1) 1й и 3й DCDC можно заменить на один, поставив его в конце, после диодов. Но не факт, ктстати, что он вообще нужен, принтер должен нормально и от 14,5 вольт работать, разница от номинала - 20%
2) 2й настраивается на номинальное напряжение всей сборки и на номинальный ток зарядки, тут смотрим даташит на АКБ. Либо сразу купите БП для зарядки лития, и потребность в это DCDC отпадёт

Comments

[Рома]

Спасибо! вот я пень.. действительно.
БП заменю на 16 вольт, думаю дс-дс лишним уже не будет.
Акб заряжается до 14.4 но мне нужно будет отдельно от бп через диоды отвести основное питание. тк у БП большой ток, а на dc-dc заряжающий акб всего 1А, в противном случае аккумуляторы будут разряжаться быстрее, чем заряжаться. Вроде вот так:

Answer 2

[Виктор]

Да, есть и замечания, и предложения. Главное из них - а где тут BMS? Ну т.е. контроллер батареи, её балансир и уберегатель от всяческих неприятностей.
Если его ввести в схему, то уже не нужно будет ограничиваться напряжением 3,6 вольт на элемент, и можно будет использовать литий по полной, до 4,2 (это в два-три раза увеличит располагаемую ёмкость). Вам уже не потребуется тратить своё внимание на то, чтобы периодически проверять на разбаланс - об этом тоже позаботится BMS. Защита по току заряда - тоже будет его забота (о защите по току разряда пусть заботится преобразователь 11,8 вольт). Ни к чему также станут развязывающие диоды, на которых теряется по полвольта. А главное - схема станет очень сильно проще:
Для ваших целей подойдёт любой из продаваемых на Али контроллеров для модернизации шуруповёртов (перевода их на литий), например, вот этот, с комбинированным входом-выходом (выход в такой схеме не используется). Ещё лучше будет найти BMS с отдельным входом заряда, тогда он возьмёт на себя заботу и о токе разряда (я искал очень поверхностно, поэтому не нашёл такого).

Comments

[Рома]

Спасибо! то что dc-dc нужно располагать прямо перед нагрузкой это точно.. не понимаю как я это упустил.

Для меня важно чтобы на ячейках было 3.6V (с таким напряжением они будут храниться 99% времени, и через пару лет будут почти как новые. Заряженными до 4.2в, они будут сильно деградировать, тем более летом когда температура за 30, По вашей ссылке БМС не имеет балансировки, но найти с балансировкой думаю не проблема. На бмс нужно подавать зарядное напряжение и с ограничением тока зарядки а не напрямую с БП ибо он сгорит, можно конечно подать те же 14.4v (опять же через второй DC-DC) но в моем случае смысла в БМС уже нет, единственное, что он сделает - защитит от переразряда, а защиту от переразряда я уже собрал и настроил на отсечку 12V или 3V на ячейку (т.к. разряжать с помощью БМС до 2.3в тоже нет желания. Емкость мне как таковая не нужна, лишь бы редкий 10-минутный перебой покрыл во время печати или обновление прошивки принтера, которая тоже занимает 10 минут.

Проверять на разбаланс в моем понимание - вольтметром 1 раз в год, и то я больше чем уверен что там будут до сотых одинаковые показания.

У меня есть опыт работы с этой бмс (собирал электровелосипед на 12S, выдает 60A продолжительно), но разрядку я всегда делаю в обход бмс, т.к. торможение осуществляется мотором, и нельзя потерять тормоза в ответственный момент (если бмс уйдет в защиту или выйдет из строя, а они это любят), так что я использую БМС только для зарядки и контроля напряжения и температуры групп в приложении. Защита от переразряда осуществляется контроллером мотора. Разбаланса во время разряда нет, проверял много раз. Все же высокотоковые ячейки 21700 из одной партии с низким внутренним сопротивлением (14мОм пропусканием AC частотой 1кГц)

[Рома]

Вот на таком варианте сейчас:
Без диодов не обойтись, тк если вывести питание только от аккумулятора то он будет разряжаться быстрее чем заряжается (тк ток зарядки 1 ампер, а среднее потребление принтера - 1.3А, максимальное вообще 2.5А, ну а зарядка li-ion током 3А (2.5 + какой-то запас для принтера) тоже приведет к снижению ресурса аккумулятора

[Виктор]

Рома,

Для меня важно чтобы на ячейках было 3.6V (с таким напряжением они будут храниться 99% времени, и через пару лет будут почти как новые. Заряженными до 4.2в, они будут сильно деградировать, тем более летом когда температура за 30,

Вы не то считаете важным, что действительно важно. Пояснительный пример: владелец авто надел чехлы на сиденья, тщательно чистит их, стирает, пылесосит - в результате, когда полностью износился мотор и насквозь проржавел кузов, сиденья выглядят как новенькие.

По вашей ссылке БМС не имеет балансировки

Если так, то да, мой косяк. Но найти правильные балансиры действительно несложно.

На бмс нужно подавать зарядное напряжение и с ограничением тока зарядки а не напрямую с БП ибо он сгорит, можно конечно подать те же 14.4v (опять же через второй DC-DC)

Неверно. На BMS надо подавать напряжение с превышением максимального Uбат на 1...2 вольта, со всем остальным он справится сам. Что реально не нужно - это преобразователь после БП (см. мою схему), это совершенно лишний элемент схемы. Ограничение тока заряда не требуется, BMS сам следит за этим, и при достижении уровня полного заряда (безразлично каким током, большим или маленьким) отключает зарядную цепь.

защиту от переразряда я уже собрал и настроил... Без диодов не обойтись,.. Вот на таком варианте сейчас:

Моё дело - дать совет, как стоило бы делать, если делать по общепринятым правилам. Ваше дело - послать все советы и правила лесом и делать как считаете нужным. Остальное рассудит практика.

[Рома]

Виктор, на моем электровелосипеде есть БМС, 100 раз через него заряжал, я подключаю к нему специальное зарядное устройство (не стандартный БП) его выходные напряжение и ток зависят от состояния аккумулятора, в процессе заряда, если зарядник выдаёт 50.4V, 0.5A то и на выходе БМС будут теже самые 50.4V 0.5A, а ток балансировки 50мА (идет по тоненьким проводочкам). БМС не имеет dc-dc преобразователя и в этом плане он ничего сам не делает. В БМС есть только защита от кз (по предельному току), вольтметр ячеек и полевики (по сути ключи, которые смыкают/размыкают цепь) + балансировка 50 мА.

Я ведь объяснил, почему не хочу использовать БМС - параметры БМС в моем случае не подходят, я не хочу так сильно заряжать и разряжать ячейки, оно мне просто не нужно. Поэтому мне проще использовать самодельную защиту от переразряда на полевом транзисторе вместо бмс. Регулировка тока зарядки очень даже полезная функция. По даташиту ячейки можно заряжать и 3амперами, но это быстрая зарядка, приводящая к быстрой деградации, 1 ампер - номинальная зарядка. БМС вообще не смотрит каким током и напряжением она заряжает, за это отвечает зарядное устройство под конкретный аккумулятор или аккумуляторную сборку. У меня же нет зарядного устройства, но есть куча dc-dc с регулировкой тока. БП в связке с dc-dc с регулировкой тока является тем же самым зарядным устройством.

Если сделать всё по вашей схеме, в лучшем случае бмс или бп уйдут в защиту (бмс по слишком высокому напряжению, а бп по слишком высокому току), ну а в худшем - сгорит бп, и если поставить очень мощный бп, то от высокого тока заряда может произойти сильный разогрев и возгорание ячеек.

Я ценю, что вы уделили мне время, но глупо просто принимать на веру всё, что рекомендуют. Иногда есть смысл вступить в спор. Я ведь тоже что-то в этом понимаю, иначе делал бы всё в точности по инструкции с ютюба или ещё от куда не задавая лишних вопросов

[Виктор]

Рома,

Если сделать всё по вашей схеме, в лучшем случае бмс или бп уйдут в защиту (бмс по слишком высокому напряжению, а бп по слишком высокому току), ну а в худшем - сгорит бп, а если поставить очень мощный бп, то от высокого тока заряда может произойти сильный разогрев и возгорание ячеек.

Вот тут вы неправы. Видимо, по недостатку общения с литием. На стыке между аккумулятором и зарядником напряжение всегда задаёт не зарядник, а аккумулятор (ввиду его чрезвычайно низкого внутреннего сопротивления), а ток - зарядник, а не аккумулятор. Чтобы так было, зарядник доложен представлять собою настроенный на фиксированное значение источник тока, а не напряжения, как все прочие обычные БП. Напряжение в заряднике должно не фиксироваться, а только лишь ограничиваться сверху, на уровне выше на 1...2 вольта, чем максимальное напряжение батареи (впрочем, об этом я уже писал, а вы, видимо, не приняли во внимание). При таких условиях никаких описанных вами катастроф не произойдёт.
Ну и на финал нашего обсуждения повторюсь: моё дело - дать совет, как надо делать, а ваше дело - послать все советы и правила лесом и делать как считаете нужным. Остальное рассудит практика.

[Рома]

Виктор,

Напряжение в заряднике должно не фиксироваться, а только лишь ограничиваться сверху, на уровне выше на 1...2 вольта, чем максимальное напряжение батареи (впрочем, об этом я уже писал, а вы, видимо, не приняли во внимание)

Справедливости ради, вы вообще не говорили о зарядном устройстве (которого у меня даже и нет), вы говорили о блоке питания на 16 вольт.
У бмс есть вольтметры, он может определить напряжение зарядного устройства еще до начала процесса заряда и сразу же уйдет в защиту.

моё дело - дать совет, как надо делать

В вашем совете все верно, кроме блока питания, его нужно заменить на подходящее зарядное устройство с ограничением по току.
Но тут вы забываете, что я делаю источник бесперебойного питания для принтера, так что, по вашему я должен питать принтер от зарядного устройства? или мне нужно использовать и блок питания и зарядное устройство? Так а не проще ли тогда использовать DC-DC как в моей споследней схеме?

Давайте опустим наш спор по поводу напряжений. тут все понятно - вы считаете что li-ion нужно заряжать до 4.2V и разряжать до 2.3V, я считаю что в ИБП будет лучше заряжать до 3.6 и разряжать до 3.0. Но ок, будь по вашему. Тогда конечно можно поставить БМС.
Но ведь наличие БМС не отменяет необходимость в DC-DC. посколько блок питания нельзя подключать к АКБ (с БМС или без). Так в чем же эта схема не верна?

[Виктор]

Рома,

Справедливости ради, вы вообще не говорили о зарядном устройстве (которого у меня даже и нет), вы говорили о блоке питания на 16 вольт.

Это верно, я прямо об этом не упомянул. Крайний слева элемент на вашей картинке, обозначенный как БП, я скопировал в свою, сохранив обозначение БП. По принципу работы там, разумеется, подразумевался именно зарядник (стаб. тока), и конечно, обозначение БП сбило вас с толку, а я это упустил.

У бмс есть вольтметры, он может определить напряжение зарядного устройства еще до начала процесса заряда и сразу же уйдет в защиту.

Неверно понимаете. Повторяю ещё раз: напряжение на выходе зарядника фиксируется не зарядником, а аккумулятором! Не заряжен - оно низкое, заряжается - оно повышается, и при пересечении границы 4,25 вольт BMS отключает заряд. Всё это время до отключения в аккумулятор течё стабильный зарядный ток на уровне, задаваемом зарядником. Конечно, BMS заодно измеряет и ток, но только для предохранения от превышения опасного порога (обычно несколько десятков ампер), всё остальное ему пофигу.

Но тут вы забываете, что я делаю источник бесперебойного питания для принтера, так что, по вашему я должен питать принтер от зарядного устройства?

Именно это я и предлагаю. Цель такого подхода - резкое упрощение схемы, уменьшение числа элементов и поэтому увеличение надёжности. Вот вы пишете, что ваша нагрузка потребляет максимальный ток 2,5 ампера. Ну и настройте зарядник на выдачу такого тока. Тогда при максимальном потреблении всё идет в нагрузку, на заряд аккумулятора не остаётся ничего. При уменьшении тока нагрузки часть этого тока освобождается для подзаряда аккукмулятора. При отключении нагрузки на заряд идёт весь ток, который прекращается вмешательством BMS по достижении максимального напряжения 4,25 вольт на элемент, и всё это хозяйство переходит в дежурный режим. А напряжение на его выходе всё это время поддерживает на уровне 14...16,8 вольт сам аккумулятор. Поскольку нагрузке нужны стабильные 12 вольт, после аккумулятора требуется поставить 12-вольтовый стабилизатор, который нарисован и на моей, и на вашей картинке. Всё это предельно просто, нет лишних элементов с развязывающими диодами, и всё это чётко работает без надуманных проблем.

вы считаете что li-ion нужно заряжать до 4.2V и разряжать до 2.3V

4,2 - соглашусь, а вот 2,3 - категорически нет. Напряжение 2,3 больше характерно для аккумуляторов Li-Fe, а для обычных литий-ионных (или литий-полимерных) категорически не допускается опускать напряжение на элементе ниже 2,7 вольт, а лучше и до него не доводить, оставляя на уровне 2,9...3 вольт. Тогда для достижения полного срока службы с минимальной деградацией не потребуется такая варварская мера, как снижение максимального напряжения до 3,6 вольт, чреватого двух-трёх-кратным снижением ёмкости.

Впрочем, вы уже отметили решением другой ответ, так что не вижу нужды в дальнейшем обсуждении.

[Рома]

Виктор, Нет тут никакого упрощения. у меня нет зарядника, тем более на котором я могу выставить ток, у меня есть блоки питания, есть дс-дс с регулировкой тока, нет никаких проблем с тем, чтобы на заряд акб добавить дс-дс который стоит буквально копейки, получить тоже самое зарядное устройство и при этом не мучить акб зарядом 2.5 ампера (по факту 3а, т.к скачек на принтере может быть и выше 2.5, глупо не оставлять никакого запаса потоку).

в акб пойдут все амперы, ведь после того, как в сети вновь появится электричество, принтер может быть выключен или на паузе, а даже если он работает, 66% времени ток потребления составляет 0.5А).

В описании к бмс которую вы скинули, да и к другим аналогичным, сказано:

Напряжение переразряда: 2,3-3,0 ± 0,05 В

Я это понимаю так, что на клемах акб после разряда вполне может оказаться 2.3 вольта

Впрочем, вы уже отметили решением другой ответ, так что не вижу нужды в дальнейшем обсуждении.

Я не мог отметить ваш ответ решением, т.к. в нем схема с ошибкой, кто-нибудь повторил бы и удивился, почему у него БП сгорел. Но вы конечно не обязаны мне отвечать, лично мне эта тема просто интересна, поэтому я и общаюсь с вами.

[archichi]

Роман на значимой технике всегда должен быть ибп хорошей емкости. Все что вы хотите сделать по схеме выше это конечно хорошо но много ибп и капризный литий при разбалансировке которого все будет печально и как всегда не вовремя. Поставьте обычный кислотный акб на 12в с платой контроля заряда акб она и будет периодически включать. выключать (реле размыкает 220) подзарядку акб в ваших пределах напряжений на акб. Плюсы: простота данной схемы в сети ничего постоянно не включено, акб не менее 75А.ч (обычный авто акб) +++ не задумываетесь о времени отсутствия света дома. Вы со временем придете к данному конструктиву потому как это уже мы проходили. А стабильное питание это сохраненные нервы время и деньги.

[Рома]

archichi, Уже пол года активно использую, 4 банки 18650, отлично работает, примерно час в автономном режиме, конечно, с защитой от переразряда, но у меня и перебои с электричеством - большая редкость, изредка может пропасть на минуту. Банки за пол года остались на уровне 3.6в, потому что был 1 полный цикл разряд заряд, плюс пара кратковременных отключения сети. 4 ндикаторных светодиода наличие 230, состояние ИБП (вкл/выкл), уровень заряда АКБ, и 1 LED на случай если нагрузка превышает 1А

Мне больше всего была нужна подстраховка на время обновления прошивки, тк она занимает 5 минут, и перебой может превратить принтер в кирпич. Если точнее напряжение на банках 3.597, 3.594, 3.600, 3.605), так что я вполне доволен этой поделкой