Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Это компактное и мощное автомобильное пусковое устройство с номинальным напряжением 13,2 В способно выдать ток до 360 А (10 секунд) при температуре от -30 ºC до +55 ºC. Емкость 8 А·ч и пологость разрядной характеристики железо-фосфатного аккумулятора обеспечивают несколько попыток запуска автомобиля с разряженной АКБ на одном заряде джамп стартера. Устройство также имеет функции повербанка (19800 мА·ч, 5В) с поддержкой QC3.0/QC2.0 (USB Type A), QC4.0/PD3.0 (USB Type-C), оборудовано гнездом автомобильного прикуривателя и самим прикуривателем. Поддержка буферного режима зарядки позволяет использовать устройство в качестве аккумуляторного блока для ИБП. Безопасность постоянного хранения в автомобиле обеспечивается применением в устройстве лучших на рынке аккумуляторов LiFePO4. Термостабильные банки Lithium Werks (ранее A123 Systems) не взрываются и не горят при протыкании гвоздем, раздавливании под прессом, закорачивании, перезаряде/переразряде (сертификаты+тест EUCAR), имеют ресурс ≥15 лет и количество циклов заряд-разряд > 4000.

В обзоре я подробно расскажу об изготовления и тестировании такого джамп стартера.

После выполнения стационарной установки в автомобиль системы гарантированного запуска, построенной на базе суперконденсаторного джамп стартера, освободилось место в моем аварийном кейсе для нового бустера. Зачем его делать, спросите вы, если один джамп стартер уже есть? Дело в том, что функционал и возможности суперконденсаторного и аккумуляторного пускового устройства достаточно отличаются. Они не взаимоисключают друг друга, а скорее взаимодополняют. Например, параллельное соединение ионисторного и железо-фосфатного бустера позволяет получить гибридную морозоустойчивую батарею большой емкости с очень большим импульсным током. Такая гибридная батарея мгновенно заряжается, постоянно готова к работе и позволяет провести десятки запусков двигателя без необходимости ее подзарядки. Джамп стартер на лифере (LiFePO4) имеет также возможности, которые отсутствуют у суперконденсаторного собрата — например, функция повербанка и регулируемого источника питания. При необходимости LiFePO4 бустер можно забрать из машины и использовать дома как портативный мощный 12 вольтовый аккумулятор, например, чтобы накачать матрас или колеса велосипеда автомобильным компрессором через имеющееся в бустере гнездо прикуривателя.

Как обычно, вначале я опишу процесс изготовления девайса. Дополнительная информация (спецификация использованных в устройстве аккумуляторов, о безопасности разных типов литий-ионных аккумуляторов, насколько безопасно постоянно хранить устройство с такими аккумуляторами в автомобиле) будет приведена под спойлером в конце обзора.

Параметры девайса, которое мы будем сейчас делать, должны получиться такими:

Характеристики:

— номинальное выходное напряжение 13,2 вольт;

— максимальный кратковременный ток 360 ампер (10 секунд);

— максимальный длительный ток 150 ампер, реально ≈47 ампер (ограничен сечением используемого провода 10 мм2);

— емкость ≈8 ампер·часов (при разряде с 13.8 вольт до 8 вольт);

— энергия 99 ватт·часов;

— саморазряд менее 1% за 8.5 месяцев.

Установленные опции и функции:

— силовой выход: разъем EC5;

— выход зарядки: USB Type A + USB Type-C;

— гнездо автомобильного прикуривателя с плавким предохранителем + прикуриватель;

— выключатель / автоматический предохранитель;

— индикация заряда (графическая шкала и проценты) и выходного напряжения;

— функция повербанка с поддержкой QC3.0 / QC2.0 (USB Type A), QC4.0/PD3.0 (USB Type-C) с поддержкой протоколов Huawei SCP/FCP, OPPO VOOC, Apple 2.4A, Samsung AFC, one plus DASH, VIVO 9V2A, MediaTek PE2.0;

емкость в режиме повербанка (расчетная):

19800 миллиампер·часов (5 вольт)

11000 миллиампер·часов (9 вольт)

8250 миллиампер·часов (12 вольт)

— функция регулируемого источника питания (с помощью внешнего QC или PD триггера):

диапазон выходного напряжения: 3,6 -12 вольт с шагом 0.2 вольт (QC3.0 триггер) или 0.02 вольт (PD3.0 триггер)

— возможность использования в качестве аккумуляторного блока для бесперебойного источника питания (UPS):

поддержка буферного режима (напряжение 13,8 вольт)

— температурный диапазон:

разряд: от -30 ºC до +55 ºC

хранение: от -40 ºC до +60 ºC

заряд: от 0 ºC до +55 ºC

— размеры бустера 250*80*70 мм

Основные компоненты для сборки этого бустера показаны на фото:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

  • Аккумуляторы Lithium Werks (former A123 systems) ANR26650M1-B LIFEPO4 2500mAh ru.nkon.nl/rechargeable/li-ion/26650/a123-systems-anr26650m1b-a-grade-3-3v-a-grade.html
  • Держатели для аккумуляторов 26650 2x aliexpress.com/item/32901206711.html
  • Пластиковый корпус 250*80*70 мм aliexpress.com/item/32958756775.html
  • Один разъем мама из комплекта разъемов EC5 в сборе (5 мам и 5 пап) из прошлого заказа aliexpress.com/item/990207098.html
  • Понижающий преобразователь QC4.0 QC3.0 6-35V USB Type A+Type-C aliexpress.com/item/33021491527.html
  • Индикатор заряда и выходного напряжения aliexpress.com/item/32881703221.html
  • Размыкатель/автоматический предохранитель на 200 ампер aliexpress.com/item/32797342228.html
  • Гнездо прикуривателя + прикуриватель, наконечники 10 мм² х М6, 6,0 мм² х М5, провод ПуГВ (ПВ3) 10 мм² (покупал в оффлайне)

Платы балансировки ставить не стал. Почему, об этом чуть ниже.

Проверка и настройка компонентов перед сборкой

Аккумуляторы были получены в середине июля 2019 г. и сразу было измерено их напряжение. Оно оказалось 3.325 вольт. На каждом из двенадцати аккумуляторов было одинаковое напряжение с точностью до одной тысячной вольта! Неплохо для начала)

Все аккумуляторы были из одной партии и каждый аккумулятор имел свой уникальный серийный номер (фото кликабельно):

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Второй раз я удивился через восемь с половиной месяцев, в конце февраля этого года, когда стал собирать джамп стартер. На каждом из двенадцати аккумуляторов по-прежнему было одинаковое напряжение с точностью до одной тысячной вольта! Поэтому купленные платы балансировки я решил не ставить – смысла в них пока нет. Буду периодически контролировать напряжение на элементах сборки и, при необходимости, установлю эти платы.

За эти восемь с половиной месяцев хранения напряжение упало менее чем на 1%.

Видео измерения

За такую отличную повторяемость параметров и низкий саморазряд производитель заслуживает, пожалуй, небольшой похвалы. Да и в целом характеристики аккумулятора не самые плохие по рынку (полностью даташит можно посмотреть под спойлером в конце обзора):

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Теперь быстро проверим понижающий преобразователь QC4.0 QC3.0 6-35V USB Type A+Type-C:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

В целом нагрузку держит, напряжение сильно не просаживается, протоколы QC и PD работают, выходное напряжение регулируется с шагом 0.2 вольт. Быстрая зарядка на моем телефоне Google Pixel 3 также работает (там протокол PD). Даже выходное 20 вольт поддерживается, правда входное напряжение при этом должно быть чуть больше 20 вольт.

Настраиваем индикатор заряда и выходного напряжения.

Выбираем тип аккумулятора: F (LiFePO4) и количество последовательно соединенных ячеек: 04. Минимальным напряжением LiFePO4 ячейки этот индикатор видимо считает 2.5 вольт:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Затем выбираем и сохраняем остальные опции:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

S1: напряжение и процент заряда циклически показываются по 2 секунды

S2: выключение дисплея через 10 секунд

S3: включение подсветки

S4: при включении этой опции ничего не меняется

S5: при включении этой опции ничего не меняется

Черточки заряда показывают их статус -вкл или выкл. Например, у меня включен S1 и S3.

Приступаем к сборке

Схема джамп стартера:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Хорошо разогретым мощным паяльником залуживаем участки пайки на выводах банок. Я использовал 100-ваттный советский паяльник. Флюс типа ФНА, длительность контакта паяльника 2-3 секунды. Рекомендуемая процедура пайки аккумуляторов A123 Systems есть например здесь: komar.in/files/A123packassy.pdf Точечная сварка не подойдет, т.к. токи слишком большие.

Устанавливаем банки в держатели и стягиваем сборку двумя винтами в термоусадке через просверленные в держателях отверстия. Выемка сверху сделана под установку преобразователя, выходного разъема EC5 и выключателя:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Выключатель по длине не помещается в корпус, поэтому отрезаем лишнее. Рисуем схему соединения банок, примеряем. Теперь все влазит)

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Делаем платформу для установки преобразователя и фиксации разъема EC5. Я использовал обрезок пластикового подоконника) Примеряем, размечаем, вырезаем. В корпусе делаем отверстия под разъем EC5 и выходы преобразователя:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Готовим оснастку и силовые провода под пайку в разъем EC5. Для этого я использовал газовую мини-горелку. Если интересно, можно посмотреть видео такого процесса пайки из одного из предыдущих обзоров www.youtube.com/watch?v=eXV-cW0vm6M После пайки защелкиваем гильзу в разъеме используя ответную гильзу для центровки. Минусовой провод распускаем на 3 части для припайки к банкам, а плюсовой обжимаем наконечником для подключения к шпильке выключателя. Делаем плюсовой коллектор из 3-х проводов сечением 4 мм2, обжимаем наконечником и изолируем термоусадкой. Получился такой забавный человечек)

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Обматываем платформу для установки преобразователя и разъема EC5 каптоновым скотчем, преобразователь фиксируем двумя стяжками к платформе, к минусовому проводу припаиваем минусы преобразователя, индикатора и прикуривателя, изолируем термоусадкой и каптоновым скотчем. Последовательные соединения 4S секций паяем проводом 4 мм2, а параллельные проводом 1 мм2. Плюсовые провода припаиваем к 4S секциям банок:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Припаиваем минусовые провода и изолируем термоусадкой. Монтируем выключатель, затягиваем корончатой гайкой плюсовой наконечник:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Провода прикуривателя дополнительно изолируем каптоновым скотчем, ставим автоклеммы под выводы гнезда прикуривателя, изолируем термоусадкой и каптоновым скотчем. Из электрокартона делаем защитный экран для аккумуляторов и дополнительно обматываем каптоновым скотчем. Подключаем и проверяем все нагрузки:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Силовой модуль для установки в корпус готов:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Размечаем крышку, вырезаем отверстия, примеряем…

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Все готово!

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Рядом с суперконденсаторным джамп стартером:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Зарядка суперконденсаторного джамп стартера от LiFePO4 джамп стартера:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Проверка перед полевыми испытаниями на автомобиле

Проверяем работу прикуривателя. Измеряем лампочки 5 Вт и 10 Вт для проверки точности шунта на малых токах. Делаем проверку нагрузочной вилкой.

Тестер параметров аккумуляторов aliexpress.com/item/33041641691.html в связке с 200 амперным шунтом показал ток 99.2 ампер и мощность 1.1 киловатт. Напряжение при таком токе упало с 13.1 вольт до 11.2 вольт. Полученные результаты считаю вполне приемлемыми.

Запуск автомобиля без АКБ с помощью LiFePO4 джамп стартера

Тестовый автомобиль с бензиновым двигателем 1.6 л и стартером 1.4 КВт.

Запуск автомобиля без АКБ делается для создания максимальной нагрузки на джамп стартер. При обычной схеме подключения бустера параллельно исправной, но разряженной АКБ, запустить двигатель будет еще легче. Для запуска без АКБ я использую стартовые провода без диодов, чтобы избежать возможного повреждения генератора и остального электрооборудования автомобиля. При обычной схеме подключения (т.е. параллельно АКБ) используются стартовые провода с диодами.

Проведено 2 запуска (оба успешные), с интервалом примерно 10 минут, без подзарядки джамп стартера. Вообще я планировал делать запуски до полной разрядки джамп стартера, чтобы подсчитать количество запусков на одном заряде. Но человек предполагает, а природа располагает). Начался снегопад и планы пришлось поменять.

Максимальный ток, зафиксированный тестером, составил 142 ампера. На каждый запуск было потрачено около 1 ватт·часа энергии, для моего автомобиля. А энергия джамп стартера 99 ватт·часов. Чисто теоретически получается, что количество запусков на одном заряде может быть не один десяток. Но это надо проверять на практике и при возможности я это сделаю, т.к. самому интересно.

Также видно, что после запуска двигателя и начала работы генератора начинается зарядка джамп стартера током примерно 30 ампер. Это порог длительного максимального тока заряда 30 ампер (3 х 10 ампер) и не превышает максимальный кратковременный ток заряда (10 секунд) 60 ампер (3 х 20 ампер), для конфигурации 4S3P.

В целом, результаты полевых испытаний считаю также вполне приемлемыми.

Результат проекта

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

DIY джамп стартер на LiFePO4

● Гарантированный многократный запуск, без подзарядки джамп стартера, автомобилей с бензиновым двигателем ≤1.6 л и стартером ≤1.4 КВт, как с разряженным исправным аккумулятором, так и без аккумулятора вообще. Запуск более мощных автомобилей также возможен, но на практике не проверялся.

● Джамп стартер может быть использован для увеличения резервной емкости АКБ, т.е. времени движения автомобиля с вышедшим из строя генератором.

● Возможность использования в качестве портативного повербанка, регулируемого источника питания или аккумуляторного блока для ИБП.

● Не требует никакого обслуживания в течение длительного времени в связи с низким саморазрядом (менее 1% за 8.5 месяцев). Во время хранения желательна периодическая проверка напряжения не реже 1 раза в год.

● Морозоустойчивый (хранение при температуре до -40 ºC).

● Безопасен при хранении и эксплуатации в автомобиле от -30 ºC до +55 ºC…

Джамп стартер входит в такой портативный набор для гарантированного запуска двигателя в случае разрядки АКБ:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Также в этот набор входят:

— Стандартные стартовые провода сечением 5,26 мм2 (10AWG) с диодами;

— Усиленные стартовые провода сечением 10 мм2 — обзор;

— Кабель заряда джамп стартера от прикуривателя;

— Кейс.

Спасибо за просмотр этого обзора! Буду рад, если какая-то информация из него вам пригодится.

Главный консультант проекта)
Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC
Дополнительная информация
О компании Lithium Werks

Lithium Werks это датско-американский производитель литиевых аккумуляторов и аккумуляторных модулей. Сайт компании lithiumwerks.com В марте 2018 г. Lithium Werks купил производственные предприятия A123 Systems в г. Changzhou (Китай) по изготовлению цилиндрических LiFePO4 аккумуляторов у текущего владельца A123 Systems, компании Wanxiang Group (Китай). A123 Systems сейчас по-прежнему производит LiFePO4 аккумуляторы, но только призматические ячейки. Вместе с этими заводами и их персоналом A123 Systems также передал Lithium Werks все технологии, разработки, ноу-хау и патенты на цилиндрические LiFePO4 аккумуляторы. Сейчас Lithium Werks в совокупности владеет более чем 420 патентами на материалы катодов, техпроцессы и конструктивы ячеек и модулей, полученными от A123 Systems и Valence (производитель LiFeMgPO4 и LiFePO4 модулей, также приобретенный компанией Lithium Werks).

Спецификация LiFePO4 аккумуляторов Lithium Werks ANR26650M1B

Основные параметры аккумуляторов приведены на сайте производителя lithiumwerks.com/power-cells/ Полную спецификацию в PDF можно получить после заполнения опросника (ссылка придёт на указанный при заполнении email). Или воспользоваться полученной мной ссылкой

https://firebasestorage.googleapis.com/v0/b/lithiumwerks-fceaf.appspot.com/o/pdf%2Fdatasheets%2F26650-Power-Cell-022819.pdf?alt=media&token=037b2bcf-f036-483e-ba0a-d14ea95f8118

Ресурс LiFePO4 аккумуляторов A123 Systems

Срок службы аккумулятора определяется до момента уменьшения его емкости до 70-80% от первоначальной. При этом количество циклов заряда-разряда банки 26650 (ток 1C-1C соответственно) при 100% глубине разряда (DOD) – более 10 тысяч. Для автомобильного применения срок службы LiFePO4 аккумуляторов A123 Systems оценивается как 15 лет и более. Эти данные приведены на стр. 3 документа Nanophosphate® Basics: An Overview of the Structure, Properties and Benefits of A123 Systems’ Proprietary Lithium Ion Battery Technology

Насколько безопасно постоянно хранить такое устройство в автомобиле?

При нормальной эксплуатации устройства с литиевыми аккумуляторами безопасны. Основная потенциальная опасность лития – пожароопасность. Она возникает при нарушении установленных условий эксплуатации (перезаряд, переразряд, закорачивание, несоблюдение температурного диапазона заряда/разряда/хранения) и механических повреждениях аккумулятора (раздавливание, протыкание аккумулятора металлическим предметом). Описанные факторы приводят к резкому неконтролируемому росту температуры аккумулятора (thermal runaway) из-за возникновения внутреннего короткого замыкания, его воспламенению и, для некоторых типов лития, взрыву аккумулятора.

Не все типы литиевых аккумуляторов одинаково опасны при нарушении правил эксплуатации. Например, вот поведение разных типов лития при термическом разгоне:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Источник, стр. 16

В документе «Безопасность литий-ионных аккумуляторов», подготовленном европейской ассоциацией RECHARGE проведено сравнение всех типов литиевых аккумуляторов, в том числе и по их безопасности (стр. 8):

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Из нее можно сделать вывод, что LiFePO4 и LTO являются самыми безопасными из всех литиевых аккумуляторов.

Таким образом, при создании литиевого джамп стартера необходимо выбрать тип лития, подходящий для автомобильного применения (широкий температурный диапазон и минимальный риск пожароопасности) и обеспечить достаточную механическую и электрическую защиту аккумуляторов в корпусе устройства.

С точки зрения конструкции описываемого джамп стартера, он имеет выключатель / автоматический предохранитель, обеспечивающий одновременное отключение силового выхода и всех внутренних потребителей. Гнездо прикуривателя защищено отдельным предохранителем и отделено от аккумуляторов теплозащитным экраном (электрокартон+ термостойкий каптоновый скотч). Соединительные провода достаточного сечения имеют в критичных областях двух и трехслойную изоляцию (ПВХ+термостойкий каптоновый скотч+термоусадка). Джамп стартер собран в прочном пластиковом корпусе с толщиной стенок 3 мм и успешно выдерживает вес взрослого человека (проверялось). Для сравнения, толщина пластикового бензобака автомобиля не намного больше – в среднем 5 мм.

С точки зрения элементной базы джамп стартера, аккумуляторы Lithium Werks ANR26650M1B имеют сертификаты на соответствие стандартам безопасности и тестовым протоколам — UL 1642 (американский стандарт) и IEC 62133-2 (европейский стандарт).

Уровень безопасности конкретно для автомобильного применения, полученный после проведения испытаний аккумуляторов Lithium Werks ANR26650M1B по методике EUCAR – 4 балла и меньше (меньше лучше). Для автомобильного применения безопасным считается рейтинг EUCAR4 и меньше.

Поскольку к нашему сценарию использования устройства методика EUCAR имеет наиболее близкое отношение, расскажу о ней более подробно.

EUCAR (European Council for Automotive Research and Development) – это Европейский Совет по исследованиям и разработкам в автомобилестроении. EUCAR входит в состав ACEA (Ассоциация Европейских производителей автомобилей). Членами EUCAR являются BMW Group, DAF Trucks, FIAT Chrysler Automobiles, Ford of Europe, Honda R&D Europe, Hyundai Motor Europe, Iveco, Jaguar Land Rover, PSA Group, Renault Group, Toyota Motor Europe, Volkswagen Group, Volvo Cars и Volvo Group. Сайт организации www.eucar.be

Разработанная организацией EUCAR шкала определения уровней опасности литий-ионных аккумуляторов для автомобильного применения широко используется в настоящее время, позволяя описать типы потенциальных рисков, связанных с такими аккумуляторами. Ее можно посмотреть в том же документе «Безопасность литий-ионных аккумуляторов», стр. 19.

Детальный рейтинг аккумуляторов Lithium Werks ANR26650M1B по шкале EUCAR следующий:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Ниже мой перевод с комментариями:

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

Я также сделал перевод и самой шкалы EUCAR для лучшего понимания:

Шкала уровней опасности EUCAR

Джамп стартер на LiFePO4 – храним в машине, используем при минус 30 – плюс 55 ºC

В общем, выводы можно сделать такие:

● Постоянное хранение/использование в автомобиле большинства типов литиевых аккумуляторов не рекомендуется из-за риска пожароопасности. За исключением LiFePO4 (литий-железо-фосфат) и LTO (литий-титанат).

● LiFePO4 и LTO являются самыми безопасными из массово выпускаемых литиевых аккумуляторов на сегодняшний день.

● Фирменный LiFePO4 аккумулятор ANR26650M1B производства Lithium Werks, успешно прошедший полный цикл испытаний и сертифицированный по жестким европейским и американским стандартам безопасности, в том числе и для автомобильного применения, вполне может быть использован при изготовлении автомобильного пускового устройства с постоянным хранением в автомобиле в диапазоне рабочих температур от -30 ºC до +55 ºC.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: