以 18650 取代鉛酸電池儲存太陽能板電能

上週稍微研究了一下鉛酸電池作法, 覺得雖然原理簡單製作容易, 但覺得有許多缺點, 尤其鉛是有毒金屬, 鉛酸電池壞了若隨意丟棄將造成重金屬汙染. 其次, 鉛酸電池自耗電現象較明顯, 壽命僅約 2~3 年左右, 體積龐大笨重, 雖然價格便宜, 但放電效率較低. 反觀現在廣用於電動自行車的鋰離子電池 18650 電量高達 3600 mAh, 只要兩顆便可與一般最小的鉛酸電池之 7 Ah 容量匹敵了, 而且內阻小 (低於 35 毫歐姆), 自耗電極小, 放電效率高. 因此我考慮將我的 10W 實驗用的小型太陽能板改為以 18650 並聯組成蓄電池組來儲存電能.

我的 10W 太陽能板額定輸出是 18V, 我在露天找到下面這款非常合用的穩壓模組, 其輸入電壓最高容許 35V, 額定輸出 1A (最高 1.2A), 非常適合物聯網終端供電 :

# L7805 LM7805 三端穩壓器模組 5V穩壓模組 5V穩壓電源模組 $45

此模組以 L7805 穩壓晶片為主體, 可提供穩定的 5V 電壓輸出, 其電路圖如下 :

Source : kenwilliam's blog

由於輸入端為橋式整流器, 因此就算接錯太陽能板的極性也沒有關係, 當然接入峰值 35V 以內的風機交流輸出也是可以的. LM7805 內阻極低, 低於 17 毫歐姆, 詳細規格參考 :

# http://datasheet.octopart.com/L7805CV-STMicroelectronics-datasheet-7264666.pdf

如果自行製作模組更便宜, 大概不到 20 元就可以了, 主要零件如下 :

# 全新原裝ST L7805CV 1.5A 三端穩壓電路 TO-220 1個一拍 w2 $6
# 1N4007 整流 二極管 （10個一拍） $3
# 直插鋁電解電容 100V 100UF 10*16MM體積 一個起拍 $2*3=6

下面這個影片介紹如何利用 L7805C 製作手機充電器, 其技法值得學習 :

# HOW TO MAKE A FREE ENERGY EMERGENCY MOBILE PHONE CHARGER

不過 L7805 最高只能輸出 1.2A, 如果需要較大驅動能力的話 (例如 30W 以上的太陽能板), D可以考慮下列這款固定 5V 輸出, 具有 3A 輸出能力的模組 :

# DC-DC電源模組3A降壓模組 小體積 24V-12V 9V 轉5V 固定輸出 W72 $39


接下來需要一個鋰電池充電保護板, 目前最常用也最便宜的是以 TP4056 晶片為基礎的充電保護板 (過充過放保護), 此晶片標準輸入電壓 5V, 最低 4V, 最高 8V, 因此剛好可接 L7805 穩壓模組的輸出. TP4056 充電電流最高為 1A (更換板上 Rprog 電阻可調充電電流, 1.2K 歐姆時為 1A), 板上有兩個顯示 LED, 藍燈亮表示充電中, 充飽後改為紅燈亮, 輸入介面還包括一個 Micro USB 插座或 Mini USB, 如果陰天沒有太陽時, 也可用一般手機充電器給 18650 充電 :

# Micro Mini USB 充電板 TP4056 1A 鋰電池 充電模組 $9
# 1A鋰電池專用充電板 充電模塊 TP4056鋰電池充電器 高精度 移動電源 Micro USB $8
# [鋰鐵鋰]TP4056 1A鋰電池專用充電板 充電模塊 鋰電池充電器 MICRO USB $20
# (2個)TP4056 1A 超小尺寸 鋰電池充電板 充電模組 充電電流可調 Mini USB介面 $29

下面這款還提供 Micro USB 或 Mini USB 插座兩款可選 :

# Micro Mini USB 充電板 TP4056 1A 鋰電池 充電模組 充電器 鋰離子電池 $9

上面那個 8 元的說明裡有列出板上 Rprog 電阻與充電電流之關係. 不過我覺得最好不要去改充電電流, 因為 SMD 貼片電阻要自己換挺麻煩的, 就固定用 1A 充電就好. 根據說明, 充電電流最好是電池容量的 0.37 倍, 因此若以 1A 充電, 則換算此充電板適合之鋰電池容量是 1000 mA/0.37=1702, 亦即此板適合使用 2600 mAh 以下的鋰電池.

下面這部影片有詳細的性能測試 :

# Charging a Lithium 18650 Cell using the TP4056

不過現在已有新版具有鋰電池保護功能的模組推出了, 改成 Micro USB 輸入插槽, 參考 :

# 現貨 NX|18650鋰電池保護3.7v 3.6V 4.2V鋰電池充電板1A 過沖過放保護（2個） $26
# 18650 3.7v 3.6V 4.2V 鋰電池充電與保護一體板充電保護二合一 過充過放保護 $30

新版模組多了 ML8205 與 DW01x 這兩顆充電保護 IC, 前者是一顆雙併的 MOSFET 晶片, 作為鋰電池供電輸出的閘門, 具有低於 25 毫歐姆的內電阻; 而 DW01x 則是用來控制 ML8205 閘門的啟閉以達到保護鋰電池的功能, 參考下面的影片 :

# New TP4056 Lithium Cell Charger Module with Battery Protection

TP4056 是一款恆流恆壓的單一 (Single) 線性鋰電池充電晶片, 內建的 PMOSFET 架構可以阻斷來自電池的逆向回充電流, 因此不須外接二極體. 充電電壓固定在 4.2V, 充電電流可透過一個外部電阻調節, 最高 1A. 當電池電壓到達 4.2V, 充電電流降低到設定值的 1/10 以下時 (設定 1A 的話就是低於 100 mA) 後即為浮充狀態, TP4056 將自動停止充電. 參考規格書 :

# https://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Prototyping/TP4056.pdf

18650 鋰電池是接在 B+ 與 B- 端子上, 注意, 接線不可太細. 負載則接在 +OUT 與 -OUT 上. 下面這個商品說明裡有接線說明 :

# buy360-ic 1A 電池充電與保護一體板 充電+保護 二合一 18650電池充電板 $45

由於 18650 標稱電壓為 3.7V, 充飽為 4.2V, 因此若要供電給一般 5V 或 12V 負載, 必須在 OUT 後面加一個升壓板, 例如下面這塊 :

# DC-DC升壓模塊(0.9V~5V)升5V 600MA USB 升壓電路板 行動電源升壓 W2 $17

至於 18650 鋰電池, 我上回買過下面這款, 還蠻好用的 :

# 特價批發全新18650 印刷3800MAH充電鋰電池 強光手電筒最佳搭配充電池 (無帶保護板) $30

高雄可自取的賣家參考 :

# 《耀升》18650 2200mAh充電電池 鋰電池 $50
# {名森自行車}X-FREE【保護板設計】可充電尖頭鋰電池 2600mAh【18650】 $50
# 2016自行車零配件-X-FREE 可充電尖頭鋰電池 $60

關於 18650 知識參考 :

# 18650鋰電池知識全解析

下面影片介紹如何利用 TP4056 製作 18650 充電模組 :

# How to make Balanced Battery Charger at home

也可以購買現成電池盒, 一節才 7 元 :

# 18650 電池盒 單節電池盒 1節充電座　18650電池盒 帶線 （1個一拍） $7
# 18650電池盒 ABS外盒 彈片接點 插針 單顆 $10

下面這個影片就是使用單節電池盒 :

# DIY: Lithium 18650 Cells Charger By Using TP4056 Modules

也可以使用多節電池盒, 但要注意串並聯問題, 要買各節獨立沒有串並聯鐵片的 :

# 【鋰鐵鋰】 4顆 18650電池盒 ABS外盒+ 彈片接點 非彈簧 鉚釘 (有尺寸) $50
# DIY 帶插針18650 4槽電池盒 w55 $62

下面是另一個範例 :

# Battery Charger for 18650 Lithium Cells

綜合以上調查評估, 系統架構如下圖 :

上圖中 L7805 即已輸出穩定的 5V, 因此也可以直接將 5V 的負載加在此處, 但是只有在有陽光的時候才能驅動. 如果需要驅動 12V 的 LED 照明燈或澆水的小幫浦, 則可在 L7805 輸出端加上一組 12V 升壓模組.


參考 :

# MPPT 5A太陽能控制器 DC-DC恒壓恒流降壓模組 多功能數位雙顯 $409
# MPPT 5A太陽能控制器 DC-DC降壓模組 帶數顯 恒壓恒流 $373
# MPPT 5A太陽能充電板 電瓶充電反接保護防回流低功耗(C3B5) $416
# Solar-Powered 3.7V Lithium Battery Charger (youtube)
# HOW TO MAKE A SOLAR POWER BANK FROM USED LAPTOP BATTERY (youtube)
# 鋰電池太陽能控制器 11.1V 3A 充18650鋰電池三串太陽能控制器
# 鋰電池充電器設計技巧：從太陽能電池獲取更大功率
# 求助各位版友...太陽能充電式投射燈具

# 改裝電動自行車電池 (鉛酸電池→磷酸鋰鐡電池)

# Inexpensive Solar 18650 Battery Charger

# 除硫器 延壽器 再生器 修復器 脈衝器(鉛酸電池電瓶) $340
# 太陽能電池板 單晶 6V2W 高效 太陽能板 2瓦A級光伏板 $149

2017-11-13 補充 :

今天在 Youtube 看到下面這部影片, 提供了許多 18650 知識, 原來其名稱來自直徑 18mm, 長度 65mm, 而且容量超過 3400 mAh 者都是誇張騙人的 :

# DIY18650充電站