Как я переделал бесперебойник со свинца на литий и зачем

Если работа в офисе ещё может обеспечить стабильность систем и связи, то в домашней обстановке таких гарантий нет. Даже в многоквартирных домах могут быть проблемы с электричеством в самый важный момент. Поэтому я решил, что можно озаботиться собственным ИБП, и делюсь своим опытом его переделки на литий. О том, почему выбрал не свинец и не готовую батарею, о калибровке и диагностике рассказываю в статье.

Зачем это всё?

Пара слов о себе: меня зовут Константин Глейник, я FuSa-инженер в компании Luxoft. 

Я окончил Киевский политех по специальности «инженер-электрик». Перед тем, как прийти в Luxoft, я занимался производством систем автоматики для дизельных и бензоэлектростанций. Я разработал контроллер на микропроцессоре  и отвечал за производство, продажи и обслуживание систем на его основе. Поэтому опыт создания и апдейта оборудования у меня есть.

Как и многие сотрудники, я второй год работаю удалённо, из дома, где у меня организовано рабочее место. Из основного оборудования: мощный ноутбук Dell с док-станцией, два монитора, сервер для вычислений с потреблением около 500 Вт. Также есть два маршрутизатора и радиомост, так как интернет приходит из соседнего здания по воздуху.

Я живу в многоквартирном доме, особых проблем с электричеством нет, но время от времени оно может пропасть или мигнуть. Один раз оборвали ноль, и на моей линии было 380 В вместо 220 В. Если на работу ноутбука это не влияет, то мониторы, интернет и сервер зависят от сетевого питания. А главное, проблемы всегда возникают в самый неподходящий момент. Поэтому я задумался о достаточно мощном источнике бесперебойного питания (ИБП).

Немного изучив вопрос и оценив свои потребности, я начал рассматривать модели мощностью около 2 кВА и «чистым синусом». Необходимую мощность оценивал из соображения запаса в 50% для постоянной нагрузки, время работы от батареи должно было быть около 10 минут. По характеристикам меня бы устроила современная модель ИБП, похожая на Smart-UPS SRT2200RMXLI. Смутило, что батарея в ИБП на 72 В, а это сборка из шести свинцовых АКБ (аккумуляторных батарей), которые надо менять раз в три–четыре года.  

Ещё раз подумав над возможными вариантами, поискав на OLX (online exchange), я решил взять б/у ИБП — снятую с производства модель Smart-UPS SURT2000XLI. Её отличие — чуть меньшая мощность и батарея 48 В. Саму батарею решил заменить на литиевую сборку: она легче, мощнее и, теоретически, более живучая.

Основные причины, по которым я решил изготовить литиевую батарею своими руками:

• срок службы в несколько раз больше, чем у свинцовой;

• значительный показатель плотности запасённой энергии у литиевого АКБ; 

• понимание, из каких элементов батарея сделана: ёмкость и ток разряда;

• возможность получить необходимые габаритные размеры для внутреннего размещения;

• ремонтопригодность и стоимость.

Если попытаться поставить четыре купленных литиевых батареи 12 В на место свинцовых последовательно, комбинация не будет работать нормально. Контроллер заряда должен быть общим, нужна одна литиевая батарея на 48 В.

Недорого, но качественно

В итоге я купил комплектующие со следующими характеристиками: 

Итого бюджет составил 255 $ + время.

Добавлю пару мыслей про выбор комплектующих:

BMS 13S (13 последовательных банок) был выбран ещё до того, как у меня появилась возможность сделать замеры на зарядном блоке, и с учётом того, что ИБП рассчитан на 48 В. Сейчас я бы попробовал взять 14S, так как напряжение внутренней зарядки позволяет это сделать. Номинальный ток батареи в 60 А был выбран исходя из мощности ИБП с запасом (13*4,2*60 > 3 КВт).

Аккумуляторы высокотоковые 20 А в формате 18650. Можно было взять любые другие удобного формата, тока и приемлемой цены. Мой выбор АКБ был ещё обусловлен наличием удобных выводов для пайки. 

Для того, чтобы собранная батарея была долговечной, параметры параллельно включённых элементов должны быть максимально близки. Производитель рекомендует не превышать расхождение ёмкости в 20 мА·ч. Поэтому все АКБ были пропущены через процедуру «заряд/разряд» током в 1 А, подписаны и отсортированы по три, с минимальным различием ёмкости (не более 20 мА·ч). Сортировка заняла около недели. 

Обновлённый ИБП: собираем, паяем, калибруем

При сборке сложностей не возникло: батарею я собрал, используя специальные пластиковые держатели. «Ушки» паял паяльником 40 Вт: перегреть АКБ с приваренными «ушками» почти невозможно. А в стандартный лоток ИБП при желании можно поместить и две такие сборки, что увеличит ёмкость вдвое. Сама сборка была обмотана обычным скотчем, а отводы сделаны проводом 8 мм².

Шлейф BMS подпаивал к сборке, «прозванивая» каждый проводок балансира тестером, и только в конце подключил к плате. Очень важно всё перепроверить семь раз до подключения.

Литиевая батарея дополнительной настройки не потребовала. Параметры, установленные в BMS, меня устроили, и я их не корректировал. Подключиться к BMS можно при помощи UART-TTL переходника или купив bluetooth-модуль сразу с BMS. 

А вот COM-порт на задней стенке ИБП оказался не так прост. Он требует специальной распиновки (PN-940-0024C). Мне было проще и быстрее спаять его самому. Как оказалось, со стандартным COM-шнуром он работать не будет!  

Для калибровки и диагностики UPS я использовал программу UpsDiag. Она отображает текущую нагрузку, заряд батареи и другие полезные параметры ИБП. Также в ней можно выполнить некоторые настройки. На картинке ниже показан внешний вид окна программы.

UpsDiag показывает, как ИБП видит своё состояние, нагрузку, параметры сети, свою «свинцовую» батарею (, хотя она уже литиевая). Программа позволяет выполнить некоторые калибровки. Но мне они в итоге не понадобились. Я запустил, прогнал пару циклов («заряд / разряд / горячий пуск»), мне всё понравилось, так и работает :)

Результат

Из недостатков моей переделки: при диагностике ИБП видит батарею как не полностью заряженную (на 90%), индикация на передней панели тоже не доходит до 100%. 

Время автономной работы получилось близким к заводскому. Собранная батарея — это эквивалент четырёх свинцовых АКБ увеличенной ёмкости на 9 А·ч (стандартные — 7 А·ч). BMS во время работы не греется. При пиковой нагрузке первым в защиту уходит ИБП — это говорит о том, что силы тока батареи достаточно.

Помимо того осталась возможность увеличить время автономной работы вдвое, собрав второй пакет АКБ. Место в пластиковом лотке как раз позволяет это сделать. 

На данный момент пользуюсь ИБП уже полгода, с нагрузкой 500–800 Вт. Не выключая. Полёт нормальный.