Воздушный катод для игрушек
Обновлено: 26.04.2024
Воздушно-алюминиевые батареи вырабатывают электричество посредством реакции кислорода в воздухе с алюминием. У них – одно из самых высоких значений плотности энергии среди батарей всех типов, но они все еще не получили широкого распространения из-за сложностей с высокой стоимостью анода и удаления побочных продуктов при использовании традиционных электролитов. Это ограничивает их использование, в основном, до военных отраслей. Однако, у электромобиля с алюминиевыми батареями есть потенциал, восьмикратно превышающий возможности ионно-литиевые аналоги, при этом у них – гораздо меньший вес.
Воздушно-алюминиевые батареи относятся к первичным (неперезаряжаемым) элементам. Как только алюминиевый анод истрачивается в ходе реакции с атмосферным кислородом и катодом в водном электролите для формирования гидратного оксида алюминия, батарея больше не может вырабатывать электричество. Однако, есть возможность механической перезарядки батареи с помощью новых алюминиевых анодов, сделанных из переработанного гидратного оксида алюминия. Подобная переработка может стать важной, если воздушно-алюминиевые батареи будут широко применяться.
Электромобили с питанием от алюминиевых батарей последние несколько десятилетий находятся на стадии обсуждения. Гибридизация уменьшит расходы, а в 1989 году было сообщено о проведении дорожных испытаний электромобилей с гибридной воздушно-алюминиевой/свинцово-кислой батареей. В 1990 году в Онтарио была проведена демонстрация гибридного электромобиля класса «минивэн» с питанием от алюминиевой батареи.
В марте 2013 года израильская компания «Phinergy» опубликовала видео демонстрации электромобиля с использованием воздушно-алюминиевых элементов, проехавшего 330 км при помощи специального катода и гидроксида калия. 27 мая 2013 года 10 канал Израиля в выпуске вечерних новостей показал автомобиль с батареей от «Phinergy» в багажнике. Было заявлено, что он может проехать более 2 000 километров (1 200 миль), прежде чем потребуется замена алюминиевых анодов.
Электрохимия
Полуреакция окисления анода выглядит так: Al + 3OH - Al(OH)3 + 3e - + 2.31 В.
Полуреакция восстановления катода выглядит так: O2 + 2H2O + 4e
Общая схема реакции выглядит так: 4Al + 3O2 + 6H2O 4Al(OH)3 + 2.71 В.
За счет этих реакций становится возможной выработка 1,2 В напряжения, что на практике достижимо за счет использования в качестве электролита гидроксида калия. Соленая вода в качестве электролита помогает достичь напряжение в 0,7 В на элемент.
Коммерциализация
Проблемы
Алюминий в качестве «топлива» для автомобилей был изучен Шаохуа Иеном и Гарольдом Найклом. Они пришли к следующим выводам:
«Система воздушно-алюминиевых батарей может вырабатывать достаточно энергии и мощности для дальности пробега и ускорения, аналогичного машинам с ДВС… стоимость алюминия в качестве анода может составлять ниже 1,1 доллара за килограмм, пока продукт реакции подлежит переработке. Общий КПД в ходе циклического процесса в электромобилях с воздушно-алюминиевыми батареями может составить 15 % (нынешний этап) или 20 % (проект), сравнимый с КПД автомобилей с ДВС (13 %). Плотность энергии концепта батареи составляет 1 300 Вт*ч/кг (нынешнее время) или 2 000 Вт*ч/кг (проектный образец). Был проведен анализ цикла долговечности электромобилей с воздушно-алюминиевыми батареями по сравнению с аналогами со свинцово-кислыми и никелевыми гибридными (никелево-марганцовых) батареями. Только электромобили с воздушно-алюминиевыми батареями могут получить диапазон перемещений, сравнимый с аналогами с ДВС. Согласно результатам анализа, данный тип электромобилей является наиболее перспективной по сравнению с автомобилями с ДВС в плане диапазона перемещений, цены покупки, расходов на топливо и срок службы».
Остается решить ряд технических проблем для того, чтобы сделать воздушно-алюминиевые батареи более пригодными для электромобилей. Аноды из чистого алюминия подвержены коррозии со стороны электролита, поэтому алюминий обычно сплавляют с оловом или другими элементами. Гидратная окись алюминия, появляющаяся в результате реакции элемента, формирует гелеобразную субстанцию на аноде и уменьшает выработку электричества. К этой проблеме обращаются на стадии разработки воздушно-алюминиевых элементов. К примеру, были разработаны добавки, формирующий оксид алюминия в виде порошка, а не геля.
Современные воздушные катоды состоят из реактивного слоя углерода с токосъемника с никелевой решеткой, катализатора (к примеру, кобальта) и пористой гидрофобной тефлоновой пленки, предотвращающей утечку электролита. Кислород в воздухе проходит через тефлон, затем – реагирует с водой для создания ионов гидроокиси. Эти катоды работают хорошо, но могут стоить очень дорого.
Стандартные воздушно-алюминиевые батареи имеют ограниченный срок хранения, так как алюминий реагирует с электролитом и производит водород, когда батарея протаивает, хотя этого уже нет в современных образцах. Данной проблемы можно избежать за счет хранения электролита в цистерне вне батареи и перемещения его в батарею при необходимости использования.
Данные батареи, к примеру, можно использовать в качестве резервных батарей в АТС или источников резервного питания. Воздушно-алюминиевые батареи можно использовать для питания ноутбуков и сотовых телефонов, уже сейчас разрабатываются модели для подобного вида работы.
Батареи с алюминием в основе
Были исследованы следующие типы алюминиевых батарей:
1. Хлорно-алюминиевая батарея была запатентована ВВС США в 1970-х годах и разработана, в основном, для использования в военных целях. Они используют алюминиевые аноды и хлор на катодах из графитовой подложки. Для работы им требуются повышенные температуры.
2. Алюминиево-серная батарея крайне заинтересовала американских исследователей, хотя очевидно то, что они все еще далеки от массового производства. В 2016 году в Мэрилендском университете была впервые проведена демонстрация перезаряжаемой алюминиево-серной батареи.
3. Алюминиево-железно-оксидные, алюминиево-медно-оксидные, алюминиево-железно-гидроксидная батареи были предложены некоторыми исследователями для военных ГТС. Их плотность энергии составляет 455, 440 и 380 Вт*ч/кг соответственно.
4. Батарея с алюминием и двуокись марганца использует кислотный электролит. Вырабатываемое напряжение составляет 1,9 В. Другая вариация использует основание (гидроксид калия) в качестве анолита и серную кислоту – в качестве католита. Две части отделены тонкой непроницаемой пленкой во избежание смешения электролита в каждом из элементов в половинах батареи. Эта конфигурация дает напряжение в 2,6-2,85 В.
5. Алюминиево-стеклянная система. Как было сообщено в итальянском патенте от Байокки, в области взаимодействия между силикатным стеклом и алюминиевой фольгой (нет потребности в других компонентах) при температуре, близкой к точке плавления металла, вырабатывается электрическое напряжение вместе с проходящим током, когда система замкнута на активной нагрузке. Феномен впервые был замечен Байокки, а затем – А. Дэлль’Эра и другие коллеги начали исследование и составление характеристики данной электромеханической системы.
1.JPG" />
Всем доброго времени суток.
Сегодня я хочу поделиться с вами своими впечатлениями о детском конструкторе — автомобиле, работающем на соленой воде. Все дети растут, взрослеют и на смену обычным плюшевым игрушкам приходят более сложные. Как-то раз я заметил, что моя дочурка заинтересовалась машинкой, которую привезли мои племянники, когда приезжали к нам в гости. Они все дружно катали свои машинки по квартире, причем девочке было так же интересно, как и мальчикам. Было это давновато, но сам факт показался мне интересным и отложился у меня в памяти. Потом, спустя некоторое время, просматривая странички eBay от нечего делать, я наткнулся на недорогой, но довольно интересный лот, в котором продавался конструктор — та самая машинка, которой и будет посвящен этот обзор.
Решив, что дочке будет интересно не только катать машинку по квартире, но и собрать ее самостоятельно, лот был оформлен и оплачен. Продавец отправил посылку снабдив ее треком, движение по которому можно посмотреть здесь. После получения посылка была спрятана в шкаф, где и была успешно забыта. Обнаружили мы ее совершенно случайно во время уборки :)
Поставляется конструктор в оригинальной заводской упаковке, который представляет собой целлофановый пакетик с закрепленной в верхней части картонкой на которой изображено то, что находится внутри, а так же есть множество надписей на китайском языке. :)
Обратная сторона упаковки мало чем отличается от лицевой.
После вскрытия пакетика можно более детально изучить ее содержимое. Внутри находятся черно-белая инструкция на китайском и плохо читаемом английском языках, две пластиковые пластины с нужными деталями и пакетик в который сложены составные части двигателя нашего автомобиля.
Инструкция двухсторонняя, если кому-то интересно, то вот ее обратная сторона.
Элементы конструктора прекрасно выламываются вручную, но в этом случае на них остаются заусенцы из пластика. Если с элементами кузова это не критично, то наличие таких заусенец на колесах к хорошему не приведут, так что для этих узлов лучше воспользоваться какими-нибудь кусачками. Если таковых нет, то можно воспользоваться пилочкой для ногтей, чтобы придать колесу круглую форму :) Мы воспользовались и тем и другим, что крайне расстроило мою жену :D.
Вот так выглядят все элементы конструкции.
В процессе сборки авто проблем не возникает, тут все интуитивно понятно. Но то, чтобы собрать кузов автомобиля дочке понадобилось примерно 10 минут. Папа помог вставить двигатель и установить идущие от него пластины. В этом тоже нет ничего сложного, единственное, что может вызвать затруднение — детальки довольно мелкие и ребенку может быть не очень удобно работать с ними. Так же следует обратить внимание на провода: — красный провод — плюсовой контакт, а черный — минусовой. В последующем в соответствии с расцветкой проводов будем размещать топливные элементы.
После того, как начинка автомобиля будет установлена на своих местах можно защелкнуть верхнюю часть корпуса и приступить к сборке топливного элемента, питающего наше авто.
В готовом виде машинка смотрится довольно симпатично, выглядит она вот так:
Размеры ее небольшие, как и вес. Для сравнения — фото автомобиля с аккумулятором 18650:
Схема сборки источника питания есть на инструкции, но перед тем, как описать этот процесс более детально, несколько слов о том, как работает наш чудо-автомобиль. Функционирование топливного элемента, питающего двигатель автомобиля основано на процессе электролиза, благодаря которому функционирует химический источник тока. Суть его каждый помнит из школьных уроков. Но на всякий случай освежим память, вот что говорит нам по этому поводу гугл:
«Основу химических источников тока составляют два электрода (отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель, и положительно заряженный катод, содержащий окислитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на отрицательном аноде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к положительному катоду, создавая разрядный ток, где они участвуют в реакции восстановления окислителя. Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному. Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. В современных химических источниках тока используются: — в качестве восстановителя (материал анода) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы; — в качестве окислителя (материал катода) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие; — в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей»
Схематично вольтов столб выглядит вот так:
Теперь, зная все это, можно приступать к сборке топливного элемента. Собирается он в отдельном корпусе, после чего вставляется в автомобиль.
Укладываем анод (должен касаться плюсового контакта на двигателе — красный провод):
После чего закрываем его специальной тканью, поставляющейся в комплекте, и накрывает все это дело катодом, который должен примыкать к минусовому контакту электродвигателя (синий провод):
На приложенном выше фото зеркальное отображение нашей схемы :) Потом пересобрал правильно.
Что самое примечательное, в комплекте имеются 2 кусочка ткани и 2 металлические пластинки, то есть потом можно будет пересобрать топливный элемент с новыми запчастями. А вот запасной пластины анода в комплекте нет :(
После того, как топливный элемент будет готов, настало время готовить «топливо» — раствор электролита. Для этого смешивает соль с водой в соотношении 1:5. Заправка двигателя осуществляется при помощи идущей в комплекте пипетки.
Капаем пару капель на топливный элемент, вставляем его в автомобиль и… Поехали! :) Машинка, реально, ездит. Причем если пускать ее по ровному твердому полу, то едет она довольно таки шустро. Заряда хватает минут на 15 беспрерывной работы, после чего топливный элемент нужно дозаправлять раствором соленой воды. В процессе выработки электричества пластины окисляются, причем довольно ощутимо. Поэтому перед повторной заправкой лучше их промыть в воде и высушить. Но я понимаю, работу машинки лучше увидеть, чем об этом прочесть, потому вот небольшое видео на котором запечатлены пробный запуск и то, как ездит уже собранная машинка:
Вот, собственно и все :) Подводя итог тому, что написано выше, могу сказать, что этот конструктор, однозначно, стоит внимания. Во-первых, он крайне бюджетный. Во-вторых, машинка действительно ездит, причем делает это хорошо. В-третьих, этот конструктор привлекает внимание ребенка к мелочам, с которыми приходится иметь дело в процессе сборки автомобиля. Ну и в-четвертых, он позволяет весело провести время родителям вместе с их ребенком, что бывает не так часто как того хотелось бы — лично мы собирали машинку всей семьей, а в процессе ее запуска принимал участие даже котик :)
1.JPG" />
Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о грамотной переделке питания радиоуправляемой машины с никеля на литий с учетом всех предыдущих костылей. Данный способ достаточно простой и достаточно бюджетный, поэтому кому интересно, милости прошу под кат…
Upd, добавлено несколько вариантов защиты электроники РУ модельки
Несколько месяцев назад я выкладывал небольшой обзорчик о переделке РУ модельки (ментовская машинка) на основе повышающего преобразователя MT3608, платы зарядки TP4056 со встроенной защитой и одного Li-Ion аккумулятора. Суть была проста: с аккумулятора с помощью преобразователя MT3608 поднималось напряжение до необходимого уровня, а «народная» платка TP4056 позволяла зарядить аккумулятор от любого источника с USB выходом. Схема соединений была очень простая:
В спаянном виде и с фиксацией термоклеем выглядело это следующим образом:
Зарядка машинки была простой и удобной:
Но в процессе эксплуатации выявились некоторые недочеты, а именно, при потреблении тока РУ моделькой более 1,5А отрабатывала защита и кратковременно пропадало питание. Это касалось, в основном, серьезных РУ моделек с более-менее мощными двигателями. В моем варианте, машинка в максимуме потребляла около 0,9А и сбоев в работе не было. Но при значительном снижении напряжения аккумулятора, у меня наблюдалась именно такая же ситуация – в пике нагрузки машинка дергалась. Поскольку машинкой пользовались нечасто, емкость встроенного АКБ была приличная, да и было банально лень заниматься этой темой, то все было оставлено как есть. При первых симптомах «дерганья», машинка просто ставилась на зарядку. Совсем недавно появилось свободное время и был придуман другой способ переделки. По затратам он чуть накладнее предыдущего, зато имеет некоторые преимущества, о которых будет рассказано ниже.
Для начала напомню о преимуществах литиевых источников питания (Li-Ion/Li-Pol) над никелевыми (NiCd). В нашем случае сравнение только с NiCd, ибо только они могут отдавать высокий ток. Для примера сравним родную батарею машинки и вариант после переделки:
— высокая плотность энергии. В машинке стоит одна кадмиевая батарея 5S 6V 700mah запасенная энергия 6*0,7=4,2Wh, а в варианте после переделки будут два литиевых аккумулятора 18650 3,7V 3350mah, соединенных последовательно. Запасенная энергия будет равняться соответственно 7,4*3,35=24,8Wh. Как мы видим, запасенная энергия в несколько раз выше, что позволяет работать машинке значительно дольше. Если сравнить лицом к лицу один NiCd и один Li-Ion/Li-Pol аккумулятор, то разница просто огромная
— отсутствие эффекта памяти, т.е. можно заряжать их в любой момент, не дожидаясь полного разряда
— меньшие габариты при одинаковых параметрах с NiCd (в сравнении со сборкой никеля)
— быстрое время заряда (не боятся больших токов заряда) и понятная индикация
— низкий саморазряд
Из минусов Li-Ion можно отметить только:
— низкая морозостойкость аккумуляторов (боятся отрицательных температур)
— требуется балансировка банок при заряде (в случае 2S и более) и наличие защиты от переразряда
Как видим, преимущества лития налицо, особенно для применения в домашних условиях, поэтому смысл переделки есть.
Коротко о переделываемой РУ модели:
Для тех, кто не видел прошлый обзор, коротко расскажу о машинке. На полицейском жаргоне она называется «линейка» и служит для доставки опергруппы (следственной бригады) к месту преступления, доставки задержанных к ОВД и для выполнения других распоряжений дежурного:
Несмотря на приятный внешний вид снаружи, внутри все уныло, провода тонкие и всё держится на соплях:
Питание стандартное для такого рода устройств – съемная батарея NiCd аккумуляторов 5S 6V 700mah (пять последовательно соединенных пальчиков по 1,2V 700mah):
Аккумулятор крупным планом:
Адаптер самый простой, рассчитанный на 6V 250ma, хотя тут бы не помешал на 500-600ma, ибо стоковым ЗУ аккум заряжается достаточно долго:
При заряде комплектным зарядным устройством нет индикации окончания заряда, да и вкупе с паразитным эффектом памяти использовать стоковые аккумуляторы и ЗУ очень неудобно, а иногда и опасно, особенно детям. Никакой защиты от перезаряда нет:
Питание пульта ДУ от 9V кроны, т.е. 6S АААА – 6 минибаночек по 1,5V каждая:
Итак, с описанием основных элементов и их недостатков разобрались, плавно переходим к доработке.
Итак, дубль два
Я не стал наступать на те же грабли, поэтому сразу определился на схеме из двух последовательно соединенных Li-Ion аккумуляторов с применением платы защиты 2S BMS. Основными минусами данной схемы является неравномерный разряд аккумуляторов в зависимости от их состояния и малая распространенность зарядных устройств под такое соединение, а также возможное повреждение электроники РУ модели от завышенного питающего напряжения. Плата BMS здесь обязательна, т.к. защищает аккумуляторы от переразряда, поэтому рекомендую не пренебрегать ей. А вот ситуация с зарядом на сей день, несколько улучшилась. Существует два простых бюджетных способа заряда литиевой 2S батареи:
1) Дикий колхоз в виде двух платок заряда TP4056 на каждый аккумулятор и два сетевых адаптера/БП для их зарядки. Если в хозяйстве имеются два более-менее нормальных адаптера с выходом 0,5-1А, то вариант вполне пригодный. Нужно будет немного потратиться на платки TP4056, но опять же, заряжать будет не очень удобно. Если в наличие нет сетевых адаптеров/БП, то как говорится, шкурка выделки не стоит и лучше отказаться от данного метода
2) Используем специализированные ЗУ для 2S-3S сборок. На площадках их сейчас предостаточно, стоят в районе $5. При этом в дальнейшем могут пригодиться, например, для одновременной зарядки различных Li-Ion/Li-Pol аккумуляторов, для переделки электроинструмента и т.д.
Необходимые компоненты для доработки:
Как можно заметить, каких-либо дорогих компонентов не требуется:
Главным мозгом системы является 2S BMS плата защиты XWS8232FR4, стоимостью около одного доллара:
Не трудно догадаться, что выполнена она на основе того же контроллера Seiko S8232U и силового мосфета:
Самым дорогим из всех компонентов является ЗУ 2S-3S ImaxRC B3, который стоит около 5 долларов:
Он представляет собой копию известного зарядника SkyRC e3, но с более скромными зарядными характеристиками:
У меня есть оригинал и еще один вариант, но на 4S, о которых я расскажу и сравню лицом к лицу в будущих статьях. К слову, данных копий достаточно много, по крайней мере, я видел 3 штучки, но на мой взгляд, схемотехника там похожая.
Следующим немаловажным звеном являются аккумуляторы. Я применил Li-Ion аккумуляторы Panasonic NCR18650BF из ПБ Xiaomi 10000mah, емкостью 3350mah каждый:
В данной реализации желательно применять современные высокоемкие банки, имеющие заниженный порог разряда в 2,5V. Моделей достаточно много (высокоемкие банки Sanyo/Panasonic/Samsung/LG), все что выше 2800mah обычно идет именно с порогом разряда в 2,5V. Народные Sanyo/Samsung 2600mah не очень подходят к данной платке, т.к. имеют несколько «завышенный» порог разряда в районе 2,75V. Небольшая трудность – подпайка питающих проводов к контактам аккумуляторов. Если заморачиваться с пайкой нет желания, то можно приделать одно/двухслотовый холдер/держатель под ф/ф 18650, например такой.
Для зарядки будущей РУ модельки понадобятся по одному разъему USB (папа и мама), а также 3-х контактный разъемчик для подключения к заряднику. Он часто встречается в процессорных кулерах. У меня в загашнике нашлись эти компоненты, USB «папа» откусил он наихудшего витого зарядного кабеля:
Все эти компоненты стоят копейки и возможно найдутся в чулане.
Тестирование платки:
Пара слов о платке защиты. Подключение очень простое, единственная трудность заключается в том, что ее размеры небольшие, поэтому припаивать провода нужно аккуратно. Схема подключения следующая:
Коротко поясню: зеленым цветом обозначены соединения, отвечающие за работу платы, а синим – места подключения к зарядному устройству. Желательно выходы от ЗУ подпаивать именно к контактам аккумулятора, во избежание дополнительных потерь, но в случае невозможности это сделать, сойдет и вариант подключения к плате защиты.
Данная платка является самой простой, поэтому если требуется аналог, то ищите на интернет-площадках по наименованию «2S bms» или «2S Li-ion Lithium Battery Protection Board»:
Самым важным для меня в платке был порог отключения АКБ. Для этого я сварганил небольшой стенд. Здесь в качестве одного АКБ выступает БП Gophert CPS-3010, обзор на который я недавно делал и обычный Li-Ion аккумулятор. Меняя напряжение на регулируемом блоке питания, можно узнать точный порог срабатывания платки. Напряжение второго АКБ 3,8V:
Если установить на БП выходное напряжение 4,2V, то на выходе получим 8V (4,2V + 3,8V), что можно увидеть на левом скрине. Мультиметр здесь замеряет напряжение на выходе с платы 2S BMS. Если выставить на БП 3,8V, то на выходе получим 7,6V (правый скрин):
Все работает в штатном режиме. Теперь смотрим порог срабатывания защиты. При установке 2,41V платка продолжает работать и на выходе суммарное напряжение с обоих банок (левый скрин), но как-только снижаем до 2,4V – срабатывает защита и платка отключает выходное напряжение (правый скрин):
Итого, порог срабатывания защиты по любому из двух аккумуляторов – 2,4V. Вот почему я писал, что «народные» аккумуляторы на 2600mah здесь не очень подходят. Присутствует блокировка, т.е. платка не «восстанавливается» сама. Ток защиты, к сожалению, не измерял, но он должен быть в районе 3А.
Непосредственная сборка:
Когда все необходимые компоненты в наличии, можно приступать. Первым делом собираем 2S сборку Li-Ion аккумуляторов. Это вариант для тех, кому не подходит вариант с держателями под 18650 банки, например, из-за габаритов. Для этого наклеиваем по две полоски изоленты на каждый АКБ. Это нужно для подстраховки от защиты КЗ, поскольку термоусадка аккумуляторов достаточно тонкая и может повредиться. Учитывая тот факт, что РУ модели обычно подвержены ударам, тряске и т.д. – лишней перестраховка не будет. После этого соединяем аккумуляторы полосками друг к другу и обматываем слоем изоленты (можно использовать другие изоляторы):
Далее можно приступить к пайке контактов. Я уже неоднократно описывал как это делать, поэтому повторяться не буду (будет подробное видео в обзоре переделки шуруповерта). Особого вреда пайка не приносит, главное долго не держать жало паяльника, ну и пользоваться активным флюсом, например паяльной или ортофосфорной кислотой. После нее не забываем протереть место пайки спиртиком!
Далее берем провод, по желанию зачищаем как на фото слева (можно и двумя проводами сделать) и спаиваем воедино соединение аккумуляторов и вход платки. Должно примерно получиться вот так:
Я не буду здесь подробно останавливаться, поскольку вариантов может быть много. Мне ближе вариант, когда аккумуляторы и платка защиты вместе, поскольку потери в проводах минимальны. Далее подпаиваем оставшиеся проводки согласно все той же схеме (см. выше):
На этом сборка 2S батареи завершена, но ведь ее еще нужно как-то заряжать. Для этого воспользуемся готовым недорогим зарядником, представляющим из себя аналог трех линейных зарядных контроллеров с независимым питанием на каждое плечо. Поскольку зарядник может заряжать сборки как 2S, так и 3S (оптимально для шурика), то он может пригодиться в дальнейшем не только для зарядки РУ моделек. Для заряда 2S сборки, нам нужен левый разъем:
В подтверждение замеры полярности:
На холостом ходу напряжение немного прыгает, но при зарядке АКБ, ограничение точно 4,2V на банку.
Для удобного подключения к заряднику, я спаял переходник из разъема USB «папа» и трехконтактного разъема, место пайки заизолировал термоусадкой:
Поскольку проводки хилые, то для повышения механической прочности обмотал все изолентой:
Разъем USB «мама» предназначен для РУ модели. Для этого проделываем соответствующее отверстие и вставляем USB разъем до упора (на конце разъем имеет упоры):
Для более надежной фиксации припаиваем три провода достаточной длины и фискируем термоклеем:
Далее один из важных этапов – соединение получившейся 2S сборки АКБ с контактами зарядника согласно схеме из раздела «Тестирование платки». Здесь следуем пословице — семь раз отмерь, один раз отрежь. Сверяем распиновку всех разъемов и припаиваем провода. Я не буду путать вас своими «соплями», ибо у всех они будут отличаться. Еще раз все проверяем и подключаем. Если все хорошо, укладываем все хозяйство и собираем РУ модельку. Сам аккумулятор оставляем в батарейном отсеке. Для предотвращения бултыхания аккумулятора кладем рядом пупырку или изолон. У меня получилось вот так:
Открываем дверцу машинки и подключаем зарядник. Если АКБ разряжены, то ЗУ начинает заряд, индикаторы при этом красного цвета. Если присутствует разбалансировка и какая-то из двух банок зарядится быстрее, ее заряд прекращается и индикатор меняется на зеленый (правый скрин):
Как только будут заряжены оба аккумулятора, все индикаторы будут зелеными:
По опыту эксплуатации могу сказать следующее, что данная бюджетная зарядка неплоха, ток заряда на плечо около 900ma (при 2S), плюс есть возможность заряжать как 2S, так и 3S сборки. Более подробные характеристики и сравнения с другими моделями, смотрите в будущих обзорах.
Реализация зарядки машинки получилась такая же, как и в прошлом варианте. Для зарядки сдвигаем дверь и подключаем, ничего разбирать не нужно:
Теперь о потребляемых токах.
В ждущем режиме плата машинки кушает 56ma:
Обычная езда – в районе 300ma:
Максимальный ток потребления – около 900ma:
Запускаем – все летает. Данный вариант нисколько не сложнее предыдущего, зато характеристики РУ модельки вырастут. Единственная опасность – сможет ли электроника игрушки переварить 8,4V.
На этом у меня все…
Дополнение 1:
Поскольку не все РУ модельки рассчитаны на высокое напряжение питания, то по желанию можно снизить напряжение отличным понижающим DC-DC преобразователем MP1584EN:
Единственное замечание – подстроечный резистор после регулировки необходимо зафиксировать лаком или клеем. Данный преобразователь имеет компактные размеры, высокий КПД и приличный рабочий ток около 3А. На площадках можно также найти другие варианты преобразователей. Гуглим по «DC-DC step down».
Второй вариант, как правильно заметили в комментариях, заключается в ограничении рабочего тока простым токоограничивающим резистором. Это необходимо для защиты двигателей от чрезмерного тока. Поскольку у меня вроде работает отлично, то я ничего переделывать не стал. Для тех, кому это необходимо, предлагаю небольшой расчет резистора для моего варианта. Для этого необходимо определиться с номиналами:
— U (пит) – напряжение питания со сборки. В нашем случае пусть будет 8V (два аккумулятора)
— U (электр) – напряжение питания электроники машинки (РУ модели). В нашем случае стандартное было 6V (5 последовательных NiCd АКБ )
— U (гасящ) – разница между «новым» питанием и «стандартным» до переделки
— I (раб) – ограничительный ток, т.е. максимальный для машинки. В моем варианте в максимуме машинка кушает 0,9А. Для защиты движков можно установить, предположим, 0,5А
— R (гасящ) – сопротивление токоограничивающего резистора (см. расчет)
— P (гасящ) – мощность резистора (см. расчет)
Итак, рассчитываем все согласно закону Ома: I = U / R
U (гасящ) = U (пит) — U (электр) = 8 – 6 = 2V
R (гасящ) = U (гасящ) / I (раб) = 2 / 0,5 = 4 Ohm
P (гасящ) = I (раб) * I (раб) * R (гасящ) = 0,5 * 0,5 * 4 = 1 W
Исходя из расчетов, нам нужен резистор на 4 Ohm и мощностью не менее 1 W. Лучше взять с запасом на 5 W, чтобы не перегревался:
Компания Phinergy первой в мире сумела изготовить воздушно-алюминиевую батарею, пригодную для эксплуатации в автомобиле. 100-килограммовая батарея Al-Air содержит достаточно энергии, чтобы обеспечить 3000 км хода компактного легкового автомобиля. Phinergy провела демонстрацию технологии с Citroen C1 и упрощённой версией батареи (50 пластин по 500 г, в корпусе, наполненном водой). Машина проехала 1800 км на одном заряде, останавливаясь только для пополнения запасов воды — расходуемого электролита (видео).
Алюминий не заменит литий-ионные аккумуляторы (он не заряжается от розетки), но великолепно дополняет их. Ведь 95% поездок автомобиль совершает на короткие расстояния, где достаточно стандартных аккумуляторов. Дополнительная батарея обеспечивает бэкап на случай, если аккумулятор разрядился или если нужно далеко ехать.
Воздушно-алюминиевая батарея генерирует ток за счёт химической реакции металла с кислородом из окружающего воздуха. Алюминиевая пластина — анод. С двух сторон ячейка покрыта пористым материалом с серебряным катализатором, который фильтрует CO2. Металлические элементы медленно деградируют до Al(OH)3.
Химическая формула реакции выглядит так:
Это не какая-то сенсационная новинка, а хорошо известная технология. Её давно используют военные, поскольку такие элементы обеспечивают исключительно большую плотность энергии. Но раньше инженерам никак не удавалось решить проблему с фильтрацией CO2 и сопутствующей карбонизацией. Компания Phinergy утверждает, что решила проблему и уже в 2017 году можно производить алюминиевые батареи для электромобилей (и не только для них).
Литий-ионные аккумуляторы Tesla Model S весят около 1000 кг и обеспечивают пробег 500 км (в идеальных условиях, в реальности 180-480 км). Скажем, если сократить их до 900 кг и добавить алюминиевую батарею, то масса машины не изменится. Дальность хода от аккумулятора снизится на 10-20%, зато максимальный пробег без зарядки увеличится аж до 3180-3480 км! Можно доехать от Москвы до Парижа, и ещё что-то останется.
В чём-то это похоже на концепцию гибридного автомобиля, но здесь не требуется дорогой и громоздкий двигатель внутреннего сгорания.
Недостаток технологии очевиден — воздушно-алюминиевую батарею придётся менять в сервисном центре. Наверное, раз в год или чаще. Впрочем, это вполне заурядная процедура. Компания Tesla Motors в прошлом году показывала, как аккумуляторы Model S меняют за 90 секунд (любительское видео ).
Другие недостатки — энергозатратность производства и, возможно, высокая цена. Изготовление и переработка алюминиевых батарей требует большого количества энергии. То есть с экологической точки зрения их использование только повышает общее потребление электроэнергии во всей экономике. Но зато потребление более оптимально распределяется — оно уходит из крупных городов в отдалённые районы с дешёвой энергией, там находятся ГЭС и металлургические заводы.
Неизвестно и то, сколько будут стоить такие элементы питания. Хотя сам алюминий — дешёвый металл, но катод содержит дорогое серебро. Phinergy не рассказывает, как именно изготовляет запатентованный катализатор. Возможно, это сложный техпроцесс.
Но при всех своих недостатках воздушно-алюминиевая батарея всё равно кажется очень удобным дополнением к электромобилю. По крайней мере, как временное решение на ближайшие годы (десятилетия?), пока не исчезнет проблема ёмкости аккумуляторов.
В Phinergy, тем временем, экспериментируют с «перезаряжаемой» воздушно-цинковой батареей. Она вообще работает тысячи часов без особой химической деградации, поскольку окисление цинка — обратимый процесс.
Наверняка у тех, кто имеет детей, накапливается куча старых сломанных игрушек. Где-то отломаны колеса, сломаны пульты. Дети в них уже давно не играют, и все это барахло валяется под ногами.
Дары китайской промышлености
Время от времени мы проводим ревизию игрушек и отбираем те, которые пойдут на разбор.
Внутри типичной китайской игрушки можно найти много полезных деталей:
Один-два мотора с редукторами
NiMh или LiIon аккумуляторы
Имея все эти запчасти и конструктор лего можно увлечь детей конструированием новых игрушек. Приведу пару примеров. Слева моторчик, вклеенный в кубик от лего-дупло. Справа к мотору с мощным редуктором я приклеил платформу от лего.
Тумблер в кубике от лего
Светодиоды оказались необычные. При подаче на них постоянного напряжения они начинают сами мигать разными цветами.
В основной массе китайских игрушек оказались стандартные моторчики, как на картинке выше. Они довольно слабосильные и не могут крутить колеса напрямую. К ним нужен редуктор. Вот, например, небольшой редуктор, сделанный из имеющихся деталей лего-техник. Рядом можно видеть батарейный отсек на платформе от лего.
На Али для таких моторчиков продается готовый редуктор с колесами.
Редуктор с Али
Сгоревший моторчик легко заменяется на запасной. У этого редуктора нет штатных мест крепления, поэтому я прикрутил к нему планку от лего-техник саморезами прямо в корпус.
Отдельного описания заслуживает плата управления. В основной массе китайских игрушек они на 4-5 каналов.
Мне попалась плата на чипе TXM8D423TS. Даташит на этот чип мне найти не удалось, но можно обойтись и без него. Я нашел на этой микросхеме 4 выхода, плюс еще один не распаянный.
На плате есть монтажные точки с надписями F,B,L,R - это выходы вперед, назад, влево, вправо. К ним напрямую можно подключать моторы.
На плате написано 40М, значит, этот приемник работает на частоте 40МГц. Был найден пульт, работающий на 40МГц, но он не смог управлять платой.
Плата управления
Я предположил, что плата настроена на какую-то неправильную частоту. В углу видна катушка с винтом для подстройки частоты приемника, но для начала надо определить частоту передатчика.
Берем осциллограф. Соединяем кончик щупа с его землей. Получается виток. Этот виток надеваем на антенну пульта, нажимаем на кнопки и видим на экране осциллографа несущую с частотой 40,7 МГц
Измерение частоты пульта
Затем внимательно смотрим на плату приемника в районе надпись ANT - это место присоединения антенны. Рядом есть транзистор. Если подать на плату управления питание 5 вольт и взяться щупом за одну из ног транзистора, то тоже можно увидеть какую-то частоту. При этом не обязательно нажимать на пульт. Вращая винт на подстроечной катушке можно получить частоту нашего пульта 40,7 МГц.
Сигнал на транзисторе рядом с антенной
Как только мы подстроили частоту, выходы F,B,L,R оживают. Изначально на них уровень "0". При нажатии на кнопки пульта на выходах устанавливается уровень питания.
Кстати, о питании. Я на плату управления подавал 8 вольт (2 Li-Ion аккумулятора) и она работала.
В итоге из платы управления и моторчиков дети собрали вот такую машинку на радиоуправлении
Читайте также: