Чем заменить Li-ion на морозе?

[Саахов]

Привет всем!   

Пришел к вам из радиолюбительского форума, где мы не смогли решить данную задачу.
На первый взгляд она простая  -  заменить одну банку Li-ion морозоустойчивым аккумулятором.
Решая ее, мы последовательно перебрали все мыслимые и немыслимые типы аккумуляторов -
- Свинцовые
- NiCd
- NiMh
- LiFePo4
- LTO
и пр.

И оказалось, что практически ни один для нашей задачи не подходит, кроме (с натяжкой) свинцового модели Delta DT 401.

В чем, собственно, возникшая сложность:

1. Аккумулятор должен быть легким, около 100 грамм
2. Подзаряжаться от солнечной батареи.
3. Аккумулятор вместе с нагрузкой (для простоты назовем ее смартфоном)  находится в недоступном месте и  должен проработать хотя бы лет 10 без обслуживания.
4. И наконец, самое сложное: аккумулятор должен быть морозоустойчивым, и работать хотя бы от -30 градусов.
Причем - не только на разряд, но и на заряд, что оказалось самым недостижимым.

Потому что морозоустойчивых аккумуляторов на разряд полно, а вот на заряд, что бы там не писали в википедиях, реально ничего не нашлось, кроме LTO.
Но у LTO другая печаль - две банки существенно превышают 3.7 В, а одной не хватает.

Остается упомянутый  Delta DT 401, но у него всего 5 лет работы, и нижняя температура разряда -15, заряда -10, а еще верхнее напряжение доходит до 5 Вольт, что небезопасно для смартфона.
Т.е. по большому счету и он тоже не удовлетворяет нашим требованиям.

Так что, образно говоря, мы "приплыли"  и обращаемся за помощью к вам, знатокам источников питания.

В завершение выскажу несколько сумасбродную идею: использовать LTO (который по морозам и сроку службы проходит на ура) в режиме недозаряда.
Т.е., взять 2 банки, и заряжать их не до конца,  а скажем, до 4 Вольта - как только достигается этот предел, контроллер заряда отключает зарядку.
Но как к этому режиму отнесется LTO - неизвестно 

PS. Создал эту  тему вне подфорумов, потому что пока она не относится ни к одному из видов аккумуляторов.

[tmiaer]

[user]Саахов[/user], а условному смартфону хорошо будет при -30 градусах?

У титаната 2 вольта - близко к полному разряду, так что заменить двумя банками одну кобальтовую никак не выйдет.

Вариант понижать напряжение двух банок титаната дисишкой до приемлемого для устройства значения не рассматривается? Либо подать их суммарное напряжение, которое как раз будет 5В +\-10%, непосредственно на условный usb вход условного смартфона?

Утеплить аккумулятор и организовать ему лёгкий подогрев во время зарядки резистором на N сотен милливатт от той же солнечной панели, не?

[Саахов]

а условному смартфону хорошо будет при -30 градусах?

Не беспокойтесь, это условно говоря, "милитари смартфон", и не такое выдержит 

У титаната 2 вольта - близко к полному разряду, так что заменить двумя банками одну кобальтовую никак не выйдет.

Вы, верно,  хотели сказать "литий-ионную", но не столь важно.  А вот насчет 2 вольт в титанате как "почти полный разряд" позвольте усомниться: 2 Вольта для него это вполне рабочее напряжение.
Источников информации по титанатам навалом, даже не знаю, на какой лучше ссылаться. ну пусть хотя бы на этот - этот, где приводятся такие данные:

номинальное напряжение – 1,9 – 2,4 В, предельное разрядное – 1,5 В – 1,7 В;

Дисишки, утепление и т.д. конечно обсуждали, но это все полумеры, которые усложняют и утяжеляют конструкцию, а к ней требование - максимально легкая.

Либо подать их суммарное напряжение, которое как раз будет 5В +\-10%, непосредственно на условный usb вход условного смартфона?

Идея ценная, поскольку USB-вход для подзарядки там действительно есть. Но проблема в том, что этот USB-вход и последующая схема зарядки рассчитаны на Li-ion акумм, который как раз и нужно выбросить из-за его профнепригодности при морозах.
И возникает тот же вопрос - а что же поставить вместо него?

[илс]

Дисишки, утепление и т.д. конечно обсуждали, но это все полумеры, которые усложняют и утяжеляют конструкцию, а к ней требование - максимально легкая.

Да ладно, нынешние дисишки ничего не весят.
Вот напр:
https://www.aliexpress.com/item/MT3608-2A-Max-DC-DC-Step-Up-Power-Module-Booster-Power-Module-For-Arduino-3-5V/32675974827.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.27424c4dbf8XkK
Заказал себе такую. Весит 5 грамм. Если убрать потенциометр, всего 4. 

Вы, верно,  хотели сказать "литий-ионную", но не столь важно

Это, как раз важно. 
Использовать корректную терминологию.
И титанат и ЛЖФ и общепринятый кобальт,  являются именно литий-ионными аккумами.   

[Саахов]

Вот напр: ссылка

Понимаете, дисишки порождают 2 проблемы - если импульсные, вроде вашей, то они порождают помехи, и их до конца не задавить ничем, потому что в этом проекте счет идет на (вдумайтесь) сотые доли микровольта.
Т.е. эфир должен быть чистейшим, и помеховая обстановка должна быть не выше указанного уровня.

Если дисишка аналоговая, то у нее неизбежен низкий КПД, а здесь это тоже важно.
За такой детской рекомендацией мы к вам не обращались бы, влепили бы аналоговую DC, да и дело с концом.
Конечно, в крайнем можно пойти и на это, но это уже компромисс, проигрыш, а мы ищем идеальное решение.

[tmiaer]

Вы, верно,  хотели сказать "литий-ионную", но не столь важно.

Важно. Аккумуляторы с номинальным напряжением 3.7В имеют в составе соединения кобальта, определяющие их основные характеристики, и являются лишь одним из типов литий-ионных. В число которых входят в том числе литий-железофосфат и литий-титанат.

  А вот насчет 2 вольт в титанате как "почти полный разряд" позвольте усомниться: 2 Вольта для него это вполне рабочее напряжение.

При котором уровень заряда процентов 20 хорошо если.

Но проблема в том, что этот USB-вход и последующая схема зарядки рассчитаны на Li-ion акумм, который как раз и нужно выбросить из-за его профнепригодности при морозах.

Для встроенного аккумулятора фактически это будет просто хранение при напряжении 4.2В и температуре -30. Ведь при постоянно подключённом внешнем питании ни разряжаться, ни заряжаться он не будет.
Высокое напряжение - это не очень хорошо, а вот низкая температура как раз на пользу. Летом в жару ему будет гораздо хуже.

Понимаете, дисишки порождают 2 проблемы - если импульсные, вроде вашей, то они порождают помехи, и их до конца не задавить ничем, потому что в этом проекте счет идет на (вдумайтесь) сотые доли микровольта.

А все преобразователи внутри смартфона аналоговые, можно подумать.

Да даже если с линейным, надо понизить напряжение всего с 5 вольт до 4-х, это 80% кпд, что вполне приемлемо. Используемый запас энергии из двух титанатных аккумуляторов при этом будет всё-равно заметно выше, чем при использовании их напрямую.

Фосфат вообще никак не подойдёт, с ним те же проблемы, даже хуже. Одна банка - всё ещё слишком мало, две банки - слишком много для непосредственного включения и для линейного понижения. Хотя с этим можно поспорить, потому что энергоёмкость у него в два раза выше, чем у титаната. Но зарядку на морозе они тоже недолюбливают.

[Саахов]

С остальным более-менее с вами согласен, но тут вы, извините, нагородили 
Впечатление, что писали не вы, профи, а совсем другой человек, новичок -

Для встроенного аккумулятора фактически это будет просто хранение при напряжении 4.2В и температуре -30. Ведь при постоянно подключённом внешнем питании ни разряжаться, ни заряжаться он не будет.
Высокое напряжение - это не очень хорошо, а вот низкая температура как раз на пользу. Летом в жару ему будет гораздо хуже.

Да даже если с линейным, надо понизить напряжение всего с 5 вольт до 4-х, это 80% кпд, что вполне приемлемо.

Какое у солнечной батареи может быть стабильное +5 или другое?  Напряжение в ней скачет в широчайших пределах, на порядки.

[tmiaer]

Какие аргументы против?

Какое у солнечной батареи может быть стабильное +5 или другое?  Напряжение в ней скачет в широчайших пределах, на порядки.

Так я не понял, речь про преобразование от панели до аккумулятора или от аккумулятора до телефона? Я имел ввиду второе. В сравнении с другими вариантами.

А проблема с преобразованием напряжения панели в напряжение аккумулятора будет существовать для всех типов аккумуляторов, поэтому в сравнительном анализе, наверно, не стоит обращать на неё много внимания.

[Blik86]

Напряжение в ней скачет в широчайших пределах, на порядки.

Поставьте задачу технически грамотно от и до...
Диапазон рабоих напряжений зарядки и нагрузки примерную требуемю емкость... может вам пары ионисторов за глаза...
По проводу зарядки от солнечной батареии: Есть специализированные БМС на 1-2S с широким входным диапазоном напряжений (типа TP5000 и др.).
По поводу USB и схемы зарядки  рассчитаные на Li-ion акумм... Без внутреннего аккумулятора "смартфон" не включается?

[Саахов]

А вот насчет 2 вольт в титанате как "почти полный разряд" позвольте усомниться: 2 Вольта для него это вполне рабочее напряжение.

При котором уровень заряда процентов 20 хорошо если.

Можете привести график количества заряда в LTO в зависимости от напряжения на нем?
Ищу такой, но что-то не попадается...
Добавлено 07 Апр 2019 в 18:13

Поставьте задачу технически грамотно от и до...

Да, действительно, предоставил мало инфы и сам запутался.Сейчас исправлю.

Без внутреннего аккумулятора "смартфон" не включается?

Не совсем понял вопрос...

[Саахов]

Поставьте задачу технически грамотно от и до..

Итак, "смартфон" с солнечной батарей, аккумулятором и прочими плюшками заброшен с рогатки  на вершину горы Арарат и оттуда уже никуда не денется, поэтому конструкция должна быть легкой, дешевой и прослужить как можно дольше.

В основном "смартфон" молчит (90% времени), и в этом режиме ожидания потребляет около 15 мА.
Иногда он куда-то звонит, или наоборот, ему звонят, и тогда он активируется и потребляет ток около 1000 мА.
Звонки непродолжительные, до 30-60 секунд.

На вершине горы то жуткий холод, то невыносимая жара.
Будем считать, что электроника к этому приспособлена, осталось дело только за морозо-жаро-устойчивым и сверхдолговечным акумом.

[tmiaer]

Можете привести график количества заряда в LTO в зависимости от напряжения на нем?
Ищу такой, но что-то не попадается...

Тут есть. Если зайти в описания элементов, там есть графики


Вот целая простыня по титанату, в частности ключевая фраза оттуда:

опыт тестирования  элементов, а также снятые графики, показывают  - банка отдает свою номинальнуемкость 30aH в диапазоне от 2,45В до 1,9В , именно этих рабочих напряжений я рекомендую придерживаться.

Как-бы тонко намекает, что ниже двух вольт ловить там нечего.

[Саахов]

Тут есть.

Что-то не нашел я там графиков, видно, браузер у меня неправильный 

Как-бы тонко намекает, что ниже двух вольт ловить там нечего.

Так я и не собирался опускаться ниже 2 Вольт. Просто tmiaer утверждал, что при 2 Вольтах будет уровень заряда около 20%, в чем я и засомневался и стал искать графики Q от V. А наш FAQ прочел вдоль и поперек, но он не дал ответы на все вопросы.

Эх, чувствую, что данную задачу без DC-DC действительно никак не решить ни на одном из известных видов аккумуляторов 
В таком случае лучше выберу Литий-Титанат - он и мороустойчивый как при разряде, так и при заряде, и имеет огромный срок службы, а для уменьшения веса обойдусь одной банкой LTO. Тогда останется только найти для него приличный Up-преобразователь.

Подскажите, уважаемые достойный up DC-DC для банки LTO, чтобы на выходе давал 3.7 - 4.2 Вольта при токе 2 Ампера 

Пока нашел TPS63070 от Texas Instruments, вроде приличная микра, но к сожалению, готовых модулей из  нее не нашел.
Есть еще популярный MT3608, но он довольно древний, и недостатков в нем хватает.

Может, уже появилось что-то получше из up DC-DC, чтобы идеально вписались под баночку LTO? 

[tmiaer]

Что-то не нашел я там графиков, видно, браузер у меня неправильный 

[Саахов]

[user]tmiaer[/user], спасибо, только это зависимость напряжения от времени, а мне нужно заряд от напряжения, чтобы проверить ваше утверждение "2 В - это 20%)

[tmiaer]

[user]Саахов[/user], при разряде постоянным током время прямо пропорционально заряду.
И с 20% я немного погорячился, там по факту процентов пять или даже меньше)

[Саахов]

Да-да, я тоже поторопился - 2-й график показал, что вы правы. и опускаться до 2 Вольт нет никакого смысла.
А вот всего при 2.1 В уже гораздо веселее 

Так что там с эффективным DC-DC для банки титаната? Не может быть, чтобы такое уже не успели придумать.
Или мне лучше другую тему для него открыть?

[tmiaer]

Да-да, я тоже поторопился - 2-й график показал, что вы правы. и опускаться до 2 Вольт нет никакого смысла.
А вот всего при 2.1 В уже гораздо веселее 

Если вам приглянулась самая нижняя кривая, то она снята под током нагрузки 5С, то есть с дикой просадкой.
Фактически вас интересует вот эта синяя кривая, отсутствующая на графике, которая будет соответствовать очень малому разрядному току (<0.1C), там всё не очень весело ни на 2.1, ни даже на 2.2.

Впрочем, как видно из этих графиков и графиков темы, ссылку на которую я дал, титанат бывает немного разный, но в любом случае основной рабочий диапазон у всех модификаций лежит выше 2.2

Так что там с эффективным DC-DC для банки титаната? Не может быть, чтобы такое уже не успели придумать.
Или мне лучше другую тему для него открыть?

Полный алиэкспресс.