Бортовой велоаккумулятор

Февраль 24, 2013 в Нубская технозона, Электроника

Предисловие

Я не слишком люблю ездить ночью, и уж особенно — в темноте. Ещё катаясь на Ардисе, я сделал из подручных материалов велофару на два светодиода с питанием от свинцового аккумулятора 12В 1.2 Ач. Эта фара светила двумя трёхваттными светодиодами luxeon распространённого вида star-type, каждый из которых был запитан от индивидуального понижающего импульсного стабилизатора на MC34063. Сама фара была довольно тяжёлой, крепилась к рулю с помощью сантехнических хомутов и стальных крепёжных деталей. Аккумулятор, замотанный в противоударную тряпочку, подключался к системе ножевыми «автомобильными» клеммами и лежал в сумке на багажнике, а вдоль рамы на стяжках была проложена бортовая сеть из чорного провода, которая оканчивалась двумя круглыми разъёмами, знаете, такие, как в роутерах например. В фаре было два соответствующих гнезда. Суммарный вес системы уверенно превышал килограмм.

Использовал я эту фару всего несколько раз, и, в принципе, она лучше, чем ничего. Но ещё тогда я убедился, что круглые разъёмы питания крайне надёжны в условиях дорожной тряски (+жёсткая вилка Ардиса!), ну и, конечно, я был уверен, что попадание под дождь с такими открытыми всем невзгодам климата электрическими соединениями кончится печально.

Потом я купил себе фонарик Fenix HL21, который до сих пор считаю лучшим налобным фонарём всех времён по сумме характеристик — цена, мощность, вес, надёжность, элементы питания. Он мне очень пригождался во всех походах, нередко и просто дома или на работе при необходимости что-то делать в темноте, ну и, конечно, реально спасал во время ночного катания. Мощность этого фонаря по сравнению с велофарами невелика, но он очень лёгкий, и благодаря креплению на один ремешок вокруг головы без особых неудобств одевается вместе с велошлемом, а светового потока коллимированого луча хватает, чтобы уверенно различать дорогу на пару десятков метров впереди, чего при моём матрасном катании со средней скоростью в 14 км/ч и максимальной 20-25 вполне достаточно.

Однако, «достаточно» не означает «комфортно» :) К тому же, количество энергии в одной АА батарейке невелико, а фонарь в режиме максимальной яркости выедает её очень быстро. Ещё одним недостатком является малая площадь яркого светового пятна, из-за чего при сложной дороге приходится постоянно «сканировать» лучом фонаря пространство перед собой, а это болтание головой несколько утомляет, если ехать нужно долго.

Короче, после нескольких покатушек в темноте я уверился в том, что маленький налобник однозначно гарантирует выживание, но — выживание, а не комфортное существование. Поэтому захотел сделать себе велофару своими руками. Статей «как сделать велофару» в интернете миллион, и два миллиона — где её за неимоверные деньги купить, так что описывать конструкцию собственно светильника я не вижу смысла.

А вот про мой вариант оформления велоаккумулятора, мне кажется, стоит рассказать: возможно, кто-то найдёт эту конструкцию полезной для себя.

Итак, обдумывая питание велофары и вообще создание нормальной бортовой электросети (хотелось иметь на борту ещё и обыкновенные 5 Вольт в USB-A для зарядок), я столкнулся со следующими проблемами:

1. Выбор размера, ёмкости и типа готового недорого аккумулятора.

2. Аккумулятор должен надёжно соединяться с сетью и легко от неё отсоединяться для зарядки.

3. Соединение аккумулятора с сетью, разъёмы подключения фар и прочих устройств должны исключать возможность переполюсовки; эти разъёмы также должны быть более-менее защищены от влаги, грязи и пыли.

4. Аккумулятор должен быть достаточно защищён от влаги, пыли и конденсации влаги, а также не бояться умеренных ударов.

Рассмотрим решение этих проблем по порядку.

Выбор аккумулятора

В деле покупки дешёвых аккумуляторов нет равных дилэкстриму :) Если вы ещё не знаете, что такое dx.com, загляните. Вообще многие вещи выгодно и удобно покупать на DX и ebay, поэтому, если у вас ещё нет платёжной карты и аккаунта paypal — вы не пожалеете, заимев себе всё это.

На DX я выбрал литий-ионные аккумуляторы размера 18650 — как по мне, максимальный из разумных размеров портативных аккумуляторов — производителя Trustfire, ёмкостью 2400 мАч.

li-ion1

Эти аккумуляторы имеют внутри схему защиты от переразряда, что очень важно, потому что li-ion аккумуляторы категорически нельзя разряжать ниже определённого порога. Также в этой модели аккумулятора есть ещё защита от короткого замыкания — она ограничивает ток разряда до 1-2 А, и схема защиты от перезаряда. Все схемы размещены внутри корпуса аккумулятора на маленькой круглой плате, которая расположена со стороны минуса.

Для питания фары, по расчётам, мне должно было хватить 1-2 таких аккумуляторов, и я склонялся к одному — надёжность системы выше, а меньшее количество энергии всегда можно компенсировать, заранее взяв с собой запасной, если предполагается длительное использование.

Соединение аккумулятора с потребителем и выбор разъёмов

Для аккумуляторов размера 18650 на DX продаются специальные холдеры (хотя тогда, когда я покупал первые образцы аккумов, холдеров в продаже не было), но если вставить в одинарный холдер банку легко, то выковыривать назад весьма трудно, в двойном чуть легче, но всё равно неудобно. Провода холдера очень тоненькие, 0,35 кв.мм или даже меньше, поэтому для моей цели — обеспечения питания бортовой сети, которая может потреблять значительный ток — холдер, как способ подключения аккумулятора, не подходил.

Я решил припаять к аккумулятору разъём, которым бы мог подключать его к сети. Паяться к литиевым аккумуляторам было, честно говоря, поначалу страшновато — наслушался историй про взрывающиеся банки :) поэтому паял перегретым до 400-420 градусов мощным паяльником. Как ни парадоксально, но контакты аккумулятора при этом перегреваются меньше, потому что для залуживания площадки требуется очень короткое время; потом я давал контакту остыть, после чего прикладывал уже залуженный многожильный провод сечением 0,5 кв.мм., и большой каплей сильно нагретого припоя так же быстро припаивал провод к предварительно залуженной площадке. Надо сказать, что страшно паять только плюсовой вывод, так как минус этого аккумулятора не имеет теплового контакта с самой банкой — это вывод с платы со схемами защиты. Схему, конечно, повреждать не хотелось, поэтому паял тоже быстро. Разумеется, пайку проводил в защитных очках — в них я вообще стараюсь делать всё, что хотя бы теоретически может привести к разлёту веществ в пространстве :)

Итак, я получил аккумулятор с двумя припаянными проводами. Теперь нужен был разъём.

Есть замечательный производитель разъёмов с высокой степенью климатической защиты — Amphenol. Эти разъёмы можно смело топить в воде, мазать грязью и проч., они не подведут. Однако, они весьма дороги, и купить их в количестве 1-2 штук часто бывает проблематичным. Обычные же распространённые разъёмы мне не нравились: разнообразные круглые разъёмы для постоянного тока ненадёжны в условиях вибрации и не защищают от пыли, сюда же относится и USB; неплохие по защите места контакта и надёжные в условиях вибрации DВ-9 мне нравились, но на велосипеде выглядели бы глупо громоздкими. Да и вообще все более-менее распространённые подходящие разъёмы (кроме круглых) мне казались слишком огромными для скромной бортовой электросети велосипеда. Решение я придумал такое — сделать разъём своими руками. Все вы видели металлические контакты в разъёмах питания компьютерных жёстких дисков и CD-приводов — такие белые разъёмы с четырьмя контактами в вариантах папа и мама. Сам разъём огромен, но вот его контакты имеют скромные размеры, хорошо напрессовываются на провод — особенно если пропаять место зажатия, выдерживают довольно много циклов коммутации и способны передавать большой ток.

Если взять отдельно эти контакты обоих видов — мама и папа — обжать и припаять к ним проводочки, после чего затянуть в термоусадочную трубку, получатся вот такие привлекательные заготовки:

li-ion2

Далее из них можно сделать разъёмы. Традиционно разъём, который подводит энергию, выполняется так, чтобы его трудно было коротнуть — в виде розетки, гнезда, короче типа «мама», а разъём, который энергию потребляет закоротить не страшно, поэтому он делается в виде вилки, штыря — «папы». В разъёмах постоянного тока, к тому же, важна полярность подключения, поэтому разъём конструктивно должен быть выполнен так, чтобы сделать невозможным (при разумном использовании и без приложения напильника, молотка и т.п.) подключение в неправильной полярности.

Значит, мне нужно было сделать два разъёма — маму и папу — и так, чтобы вставить одно в другое можно было только одним способом. Сделал я это вот так:

li-ion3

Первой я сделал маму. Сместив две заготовки с гнёздами (на рисунке внизу) друг относительно друга примерно на 5-6 мм, я вложил между ними кусочек пластиковой стяжки, чтобы гнёзда не прижимались плотно друг к другу, после чего затянул оба гнезда в общую термоусадочную трубку. Термоусадки бывают разные, и среди них бывают такие, что с клеем внутри — замечательная вещь! В Киеве их можно купить на радиорынке, лоток находится неподалёку от торгового места Имрада возле входа на рынок. Клей, плавящийся при нагревании термоусадки, прочно склеивает всё внутри.

Потом, для красоты, я одел сверху ещё один отрезок термоусадки — на этот раз обыкновенной, без клея, но усадил только ту её часть, которая ближе к проводам — на рисунке видно, что внешняя чёрная оболочка затянута как раз там. Таким образом у меня получился как бы внешний мягкий кожух, закрывающий нижнее по рисунку утопленное в него гнездо. Закоротить контакты такого самодельного разъёма весьма тяжело :)

Потом я воткнул в гнёзда загововки со штырями — чтобы разъём получился точным, и повторил те же действия — вложил кусочек стяжки, обсадил сначала термоусадкой с клеем, а потом внешней без клея. Разъёмы вставляются друг в друга вот так:

li-ion9

li-ion4

li-ion8

Ещё чуть дожать — и чёрные внешние термоусадки заходят друг на друга, надёжно закрывая контактные пары. Разъём вышел по ширине и толщине размером с mini-USB, по длине немного больше. Но, в отличие от mini-usb, соединение очень жёсткое — для рассоединения приходится приложить значительное усилие, и, конечно, защищённость выше. Цена — копейки, хотя придётся потратить немного времени на изготовление.

Защита аккумулятора от внешних воздействий и способ зарядки

Аккумулятор с двумя припаянными проводами выглядел очень уязвимым. Хотелось чем-то защитить банку, учитывая суровые реалии велосипедного катания. И тут мне на глаза попалась жёсткая труба из ПВХ диаметром 20 мм. Эта труба продаётся в строительных магазинах (я купил в Эпицентре 2 метра этой трубы за 1,5 доллара или около того) и применяется для стационарной прокладки кабелей. Для кабелей она является превосходной, но и для аккумулятора оказалась хорошим корпусом. Отпилив кусок трубы длиной 80 мм (длина аккумулятора размера 18650 — 70 мм (когда я догадался измерять аккум штангенциркулем, я заодно невольно проверил схему защиты от КЗ — работает!)), я поместил туда аккумулятор с проводами. Внутренний диаметр трубы как раз подходит для того, чтобы затолкать туда банку 18650 и ещё один провод, в моём случае это был провод от минусового контакта.

Далее я тщательно залил трубу с обеих концов термоклеем — расплавленным полиэтиленом — и у меня получился вот такой герметичный бокс с аккумулятором внутри, напоминающий… аккумулятор.

li-ion5

На аккумуляторе установлен разъём «мама», а на потребителе — ответный. Конструкция пока не выявила существенных недостатков.

Для зарядки литий-ионных аккумуляторов я давно купил специализированное зарядное устройство (его можно купить на том же DX). Подключить же мой герметизированный самодельный велосипедный аккумулятор к этому зарядному устройству можно с помощью вот такого нехитрого приспособления из ПВХ-трубы, термоклея, изолетны, кусочков фольгированного текстолита и проводов:

li-ion6 li-ion7

Переходник включается в зарядку как обычный 18650 (цвет проводов помогает поставить его в верной полярности), а дальше разъём «папа», припаянный к переходнику, вставляется в аккумулятор — и процесс пошёл!

Аккумулятор, благодаря толстой оболочке из ПВХ и герметизации термоклеем, не боится ни пыли, ни влаги, а за счёт небольшого веса и инерции вполне устойчив к разумной силы вибрациям и ударам. Его можно как прятать в сумочки-чехольчики на раме, так и крепить хомутами или иным способом без всякого дополнительного внешнего кожуха. Разъёмы показали себя достаточно надёжными механически и электрически, и не слишком чувствительными (особенно по сравнению с незащищёнными круглыми, USB и проч.) низковольтными разъёмами постоянного тока.

Заключение

В таком герметизированном виде мой самодельный велосипедный аккумулятор оказался удобным не только для использования на велосипеде, но также и просто как портативный источник энергии. Если вы всё ещё не придумали, как электрифицировать свой велосипед своими же руками и за наименьшие деньги, я надеюсь, что эта заметка натолкнёт вас на полезные идеи.