Создаем powerbank для своего ноутбука в домашних условиях

Портативные внешние аккумуляторы, или «повербанки», как их кличут в народе, хороши всем, кроме выходной мощности, к тому же они не могут заряжать ноутбуки без USB Type-C и Power Delivery. Приходится таскать с собой зарядное устройство, а то и сменный аккумулятор. Меня это не устроило, так что я решил сделать «банку» помощнее. А коль уж мощность позволяет — пусть и телефоны заряжает! Сейчас я расскажу, как повторить это незамысловатое устройство

Требования

Кратко обрисую требования, которые я предъявлял к своей самоделке.

Зарядка от штатного ноутбучного БП. Через Micro-USB заряжать такой емкий аккумулятор — мазохизм, кабеля Type-C в доме нет ни одного, а делать отдельный зарядник специально для своей самоделки не кошерно, хочется иметь возможность зарядиться от чего угодно. 220-вольтовое гнездо требует довольно габаритной схемы понижения и выпрямления, которая, к тому же, нуждается в охлаждении даже при использовании импульсного трансформатора. Поэтому на вход будет стандартное гнездо 5,5 × 2,5 мм, куда можно вставить любой зарядник с напряжением от 13 до 32 В.
Большая емкость для продолжительной автономной работы. Таскать с собой увесистую штуку, которая сядет через минут двадцать, — удовольствие посредственное. Если уж делать, то делать довольно емкий, чтоб потом не бегать глазами вокруг в поисках розетки.
Выход — стандартный штекер 5,5 × 2,5 мм. Само собой, если ты решишь повторить эту самоделку и у тебя другой разъем — его легко заменить любым другим.
Кнопка‑выключатель, для удобства и чтобы не расходовать заряд батареи током холостого хода выходного преобразователя и индикаторами.
USB-выход с поддержкой быстрой зарядки для смартфона.
Высокая выходная мощность для нормальной зарядки ноутбука.
По возможности — регулируемое выходное напряжение для безболезненной перестройки под другой ноутбук при необходимости.

Материалы

Здесь все стандартно для такого рода гаджетов. Собственно аккумуляторные ячейки, плата BMS, входной понижающий и выходной повышающий преобразователи, контроллер быстрой зарядки для USB-выхода и расходники для корпуса.

С аккумуляторами тоже все традиционно: литий‑ионные ячейки типоразмера 18650 прочно засели в арсенале самодельщиков и позиции сдавать не собираются. Они емкие, удобны для создания батарей, относительно недороги, и их можно за копейки (а то и бесплатно) набрать в сервис‑центрах из дохлых ноутбучных батарей. Емкость в таком случае оставляет желать лучшего, но зато это крайне доступный вариант для деревенских нищебродов вроде меня.

Плата BMS (Battery Management System) нужна всегда, если последовательно соединяется больше одной ячейки. Дело в том, что даже произведенные в одной партии аккумуляторы имеют слегка различные характеристики, в частности — емкость. При последовательном соединении ячеек разной емкости они будут разряжаться неравномерно, то есть минимум одна ячейка уйдет в переразряд. А, как ты знаешь, переразряд для литиевых банок — это не просто плохо, а очень плохо.

Обратное произойдет при зарядке такой батареи: менее емкие ячейки зарядятся быстрее, и дальнейшая зарядка приведет к неконтролируемой реакции горения, в простонародье зовущейся взрывом. Горящие литиевые аккумуляторы, раскидывающие вокруг куски адского неугасимого пламени, конечно, выглядят красиво, но это небезопасно, так что давай не будем доводить их до такого состояния, а просто воспользуемся BMS.

Грамотные BMS имеют в составе балансировщик ячеек и схему защиты, которая отключит батарею в случае перегрузки, перезаряда или переразряда, и стоят при этом всего пару баксов. Впрочем, сильно экономить на защите не следует, так что перед покупкой все же почитай отзывы. Попадались платы, в которых заявленный балансировщик не работал или вообще отсутствовал.

Понижающий DC-DC-конвертер по входу нужен для получения стабильного рабочего напряжения зарядки аккумуляторов из неизвестного (хоть и заведомо более высокого) входного. Его важные особенности — наличие хоть небольшого радиатора, так как вся входная мощность будет проходить через него, и, опционально, присутствие ограничителя по току, чтобы с ходу не убить преобразователь мощным током при зарядке в ноль севших аккумуляторов.

Выходной DC-DC-преобразователь — это то, на чем я решил сэкономить, и горько об этом пожалел, но об этом чуть позже. Его задача — обеспечить требуемое стабильное выходное напряжение из напряжения нашей батареи. В идеале он должен иметь защиту от коротких замыканий и перегрузки, чтобы потом не думать, чем его заменить. Ну и хоть небольшой радиатор, по опыту, точно не повредит.

Быстрая зарядка — отдельная тема. Как ты знаешь, она использует линии данных в USB, чтобы устройство могло договориться с зарядником о напряжении и токе зарядки. Стандарт простой, и ты можешь даже сам реализовать зарядное с его поддержкой, если руки растут из нужного места. Но для меня было дешевле и проще купить готовую плату с контроллером, бонусом получил поддержку не только Quick Charge 3.0, но и полдюжины других протоколов.

На Хабре была хорошая статья об использовании умных зарядников в своих целях. Там же описан протокол, что поможет тебе создать соответствующее спецификации зарядное устройство самостоятельно.

Расходники есть в гараже у любого уважающего себя технаря. Это гнезда 5,5 × 2,5, провода, припой, оргстекло или пластик, кнопка, диоды и всякое такое.

У гнезда, как ты помнишь, три контакта: один внутренний (+) и два внешних (–). Внешние я соединил перемычкой для снижения нагрузки. Если не хочешь проблем, тебе стоит сделать так же.

Схема

Есть два сильно разных варианта. В одном мы получим online UPS с двойным преобразованием и защитой от плохого питания на входе, а во втором — просто аварийный источник питания в параллель с основным. Естественно, я выбрал первый. Обе схемы представлены на рисунках ниже.

Разница этих двух схем, как видишь, только в прямой связи между входным и выходным разъемами, но эта разница накладывает довольно ощутимые ограничения, которые вынудили меня отказаться от использования второй схемы.

Во‑первых, при одновременной зарядке и использовании нашей «банки» напряжение источника питания должно быть равно требуемому выходному. При зарядке только своего ноутбука и только его штатной или совместимой зарядкой это не становится проблемой, но у меня в доме четыре ноутбука, у трех из которых разные входные напряжения от 16 до 19,5 В. Разбежка может показаться некритичной, но уже от 18 В (требуется 19) мой Asus заряжаться отказался.

Во‑вторых, без диода между входом и выходом выходное напряжение будет попадать и на входное гнездо, а это нехорошо, так как включится на зарядку понижающий преобразователь, который будет впустую тратить драгоценный заряд. С диодом мы получим падение напряжения минимум 0,3–0,4 В, даже при использовании диодов Шоттки. С обычными диодами все еще хуже, и напряжение на выходе может упасть ниже нужного для ноутбука.

При этом у схемы с объединенным входом и выходом есть одно значительное преимущество, которое вынудило меня упомянуть ее здесь. При разряженных аккумуляторах нашей самоделки их зарядка будет потреблять значительную мощность, при этом потребление ноутбука предсказать невозможно. В таком случае суммарная мощность, требуемая для зарядки собственных батарей и питания подключенного ноутбука, может превысить допустимую для входного понижающего преобразователя. Перемычка между входом и выходом здорово улучшит дело, ведь основная мощность пойдет через нее прямо от зарядного в ноутбук, а через преобразователь будет проходить только мощность, требуемая для зарядки аккумуляторов, которую к тому же можно ограничить на самом преобразователе.

В дальнейшем я буду описывать только схему без перемычки. Если ты читаешь эту статью — два провода, очевидно, сможешь припаять сам.

Где взять комплектующие?

Конечно, у себя в ящике с электронным хламом! Или у деда на рынке. Именно там можно за бесценок найти оргстекло или листовой пластик, диоды, переключатель, провода на любой вкус, а иногда и аккумуляторы (впрочем, обычно только кислотно‑свинцовые, но это уже детали).

Плату BMS, контроллер быстрой зарядки и DC-DC-преобразователи лучше взять в Китае: суммарно это обойдется в 5–7 баксов, зато избавит от головной боли и откровенного колхоза с самопальными преобразователями, а платы будут выглядеть по‑взрослому и опрятно. Впрочем, некоторые китайские конвертеры можно и нужно прокачать перед использованием. Гугли нечто вроде «xl4005e1 доработка», чтобы найти подробную инструкцию.

Детали, которые брал я:

Вот тут все‑таки не стоит слепо повторять за мной, потому что выходной DC-DC-конвертер я взял низкокачественный, без хорошего охлаждения он быстро перегревается. И мощность, конечно, заявленной не совсем соответствует. Так что стоит присмотреться к более продвинутым представителям этого класса преобразователей, чтобы был запас мощности.

Кстати о мощности: как ты знаешь, самое опасное для повышающих преобразователей — не короткое замыкание, а перегруз. При КЗ ток ограничивается падением напряжения на диоде, а микросхема при этом отключается. А вот если с защитой какие‑то проблемы, то при перегрузке микросхема умрет либо от перегрева, либо от превышения тока силового транзистора.

В общем, чтобы не пришлось преждевременно заменять выходной преобразователь, рекомендую поставить туда что‑то более мощное. А мой вариант можно использовать, только если мощность для зарядки твоего ноутбука требуется небольшая, не выше 40 Вт.

Собираем

Предположим, что нужные для сборки компоненты у тебя уже имеются.

Особое внимание я уделю аккумуляторам, а точнее — их подключению. Они очень не любят перегрева, и в заводских условиях их соединяют точечной сваркой. У меня такого гаджета нет, так что я воспользовался старым добрым паяльником на 80 китайских ватт. Нужно чем‑нибудь острым немного поцарапать контактные площадки на банках, хорошо залить канифолью поцарапанные места и как можно быстрее пропаять место, ни в коем случае не перегревая аккумулятор. При нагреве он необратимо меняет свою внутреннюю структуру и теряет емкость, так что процедуру нужно выполнить настолько быстро, насколько это возможно. Если не хочется заниматься таким, есть альтернативные способы.

Точечная сварка. Сварочный аппарат можно купить или сделать самостоятельно из трансформатора от микроволновки. Самый правильный и надежный способ.
Магниты. Годятся скорее для временных конструкций, которые не требуют высокой надежности, дешевы и быстро собираются. Используют обычно маленькие плоские круглые магниты, которые в изобилии представлены на AliExpress и других площадках.
Холдеры. Действительно, зачем вообще насиловать аккумулятор, если его можно просто вставить в специальный пластиковый держатель? Это очень просто в сборке, а при необходимости поврежденный или непонравившийся элемент можно легко и быстро заменить. Минусы — добавляют лишние несколько миллиметров с каждой стороны, стоят не такие уж копейки, и подводящие провода на больших нагрузках могут заметно греться. Качественные же холдеры стоят еще дороже — по цене они сопоставимы с дешевыми аккумуляторами.
Изначально приваренные продавцом никелевые ленты. Они позволяют припаяться к аккумулятору легко и без перегрева. Наверное, наиболее годный вариант после сварки.

Так как в мою деревню нормальные магазины не завезли, пришлось колхозить из чего было. У меня валялось шесть штук розовых банок Samsung по 2600 мА ⋅ ч и три безымянные новые (без следов пайки или сварки) банки по 3000 мА ⋅ ч. Для батареи я выбрал конфигурацию 3S3P, где вся батарея собрана из трех одинаковых блоков (две банки Samsung и одна безымянная), чтобы емкость сегментов была приблизительно одинаковая. Все банки были спаяны и надежно замотаны красной изолентой.

Теперь нужно подцепить их к BMS.

Батареи собираются немного необычно для новичков, но если подумать — все становится очевидно.

При этом емкость можно увеличить, до бесконечности добавляя параллельно еще ячейки.

И нагрузка, и зарядка подключаются к единственным оставшимся площадкам с метками P+ и P-. Минус будет у всей схемы общий, его можно сразу припаивать к выходу понижающего модуля на входе, а вот с плюсом стоит повременить.

Дело в том, что экономные китайцы решили не ставить диод на выход понижающего модуля. Из‑за этого, пока выход модуля подключен к батарее, на нем всегда светится индикаторный диод, а на входе платы (и на входном гнезде) появляется напряжение батареи. И если постоянно светящийся светодиод можно попросту выпаять, то напряжение на входе — это совсем не по фэншую, надо исправлять. Желания городить свой преобразователь не было, так что я просто взял мощный диод и поставил его в разрыв плюсовой линии от зарядного модуля к плюсу BMS. Решение грязное, но рабочее. Можно было воткнуть диодную сборку Шоттки из компьютерного блока питания, но пусть пока так. Хотя, конечно, падение напряжения у нее было бы меньше, как и нагрев.

Дальше нужно подключить выходной преобразователь. Его питаем через кнопку, чтобы на выходе не было напряжения постоянно. На саму микросхему стоит наклеить радиатор — греться он должен и будет. По выходу добавил красивый советский конденсатор на 25 В / 470 мкФ.

Провода я использую толстые медные многожильные с сечением 1,2 мм, чтобы точно не грелись. Из них же скручиваем выходной провод к штекеру для зарядки самого ноутбука. Я сделал 25 см — хватает.

Чтобы в критический момент не гадать, сколько осталось зарядки в нашей гальванической банке, и своевременно ее заряжать, я заказал простой индикатор уровня оставшегося заряда. Мой экземпляр настраиваемый, у него можно выбрать, сколько ячеек соединено последовательно, но если надумаешь брать не такой, как у меня, — убедись, что он рассчитан на соединение 3S. Его минус я подпаял к общему, а плюс — после кнопки, чтобы он не горел все время. К тому же он довольно яркий и кушает ненулевой ток, так что еще и из соображений энергосбережения стоит поступить, как я.

Вообще, изначально я думал поставить электронную измерительную головку с вольтметром и амперметром, при этом амперметр подключить в разрыв выходной цепи после повышающего преобразователя. Вольтметр же сделать переключаемым, чтобы при желании можно было смотреть напряжение на батарее до преобразователя, а остальное время — напряжение на выходе, который на зарядку ноутбука. Потом сообразил, что поздновато об этом подумал, перспектива ждать еще два месяца меня не прельщала, и от идеи я отказался, поставив изначально купленный индикатор.

Теперь последний модуль — быстрая зарядка. Входное напряжение для него — 12 В, так что я подал питание прямо от батареи через ту же кнопку, что и выход ноутбука. На вход — импортный электролитический конденсатор 16 В / 470 мкФ, но можно и без него.

Настройка

Настройка крайне проста. Мой мультиметр немного модернизирован, чтобы были щупы‑крокодилы, что сейчас оказалось очень удобно. Один щуп я посадил на общий минусовый контакт, второй — сразу после диода, на провод, идущий к BMS. От плюса BMS провод пока что следует отпаять. Теперь подключаем ноутбучное зарядное ко входу понижающего модуля и крутим ручку напряжения до получения 12,6 В на мультиметре. Отключаем щуп, припаиваем провод на место к BMS.

Теперь положительный щуп вешаем на выход повышающего преобразователя, предварительно выставив на нем минимальное напряжение. Включаем кнопку, мультиметр должен показать напряжение батареи. Крутим ручку напряжения на выход, пока не получим требуемый ноутбуком (у меня 19 В). Отключаем кнопку и снимаем оба щупа мультиметра. Настройка завершена.

Все, с электронной начинкой совсем закончили. Осталось только положить это в какой‑нибудь корпус.

Корпус

Промдизайнер из меня крайне слабый, я предпочитаю делать так, чтобы просто работало. Поэтому я просто засунул все в коробку от шурупов, которая удачно попалась на глаза при сборке.

В ней я прорезал отверстие под входное гнездо и посадил его на термосопли. Такая же участь постигла модуль быстрой зарядки, он расположился вверх дном над аккумуляторами и был надежно залит все теми же соплями.

Отверстие под кнопку было прорезано задней левой ногой, иначе я не могу объяснить собственную косорукость. Еще одна прорезь была выцарапана прямо в месте контакта крышки и боковой стенки. Она по высоте ровно как сложенный вдвое провод, а по ширине как одинарный. Сам провод я не приклеивал туда, чтобы его можно было убрать в небольшое свободное место внутри сбоку, когда он не нужен. В том же свободном месте расположился индикатор уровня зарядки.

Плата BMS была приклеена прямо сверху на аккумуляторы, рядом с ней — плата входного понижающего преобразователя с радиатором. Она немного упирается в крышку, но это почти незаметно.

Выходной конвертер я поместил возле кнопки в свободное место между аккумуляторами. Как ты помнишь, у меня девять ячеек 18650, но расположил я их в два слоя: пять в нижнем и четыре в верхнем. В оставшееся место прекрасно влез повышающий модуль.

Что ни в коем случае забывать нельзя (и о чем я благополучно забыл вначале) — радиатор повышающего преобразователя (да и понижающего тоже) не должен касаться аккумуляторов, иначе тебе грозит перегрев и взрыв! Радиатор можно отделить фольгой, но вместо этого я переклеил его чуть выше, чтобы он не касался банок. Во время работы я просто открываю крышку, чтобы радиатор нормально охлаждался. Колхоз? Нет, не слышал!