Модули на TP4056, MT3608 + реле и щепотка компонентов.
Из-за этой щепотки и решил написать статью.
Предыстория
Недавно я ездил на свою малую родину - в деревню.
Примерно год назад там поставили вышку сотовой связи, менее чем в 2х километрах от дома. Наконец-то стало возможным нормально общаться с родными и появился мобильный интернет.
Ну как появился. Он и до этого был. Но менее быстрый и стабильный. Через репитер.
В эту поездку я попал на плановые отключения электроэнергии. В назначенный день свет отключили, и надолго, образно до ночи.
Мне, по совпадению, в этот день нужно было быть на связи. Вышка не работала и соответственно связи тоже не было.
Пришлось выезжать за пределы деревни в поисках связи. Хоть дома был репитер.
До установки местной вышки он работал с вышкой соседнего села. Будь у репитера питание - не пришлось бы выезжать в поле ради связи.
Питается он 5В <1А. Можно было бы и от повербанка запитать. Но его с собой в этот раз у меня не было.
В общем засада. Было проще и быстрее доехать до района обслуживания соседней вышки.
При этом в городе у меня есть горсть ждущих своего часа б/у аккумуляторов 18650.
Еще в запасах есть зарядные модули на TP4056 и DC-DC повышающие преобразователи на MT3608.
Так не приспособить ли это все во что-то полезное?
Собственно, так и появилась идея собрать для репитера импровизированный ИБП на 18650.
Почему бы не взять готовый дешевый повербанк?
На самом деле это было второе, что пришло в голову.
Питание у нас 5В, ток менее 1А. Большинство повербанков, даже небольших и дешевых, должны потянуть.
Но я отверг идею по двум основным причинам.
- А как же горсть б/у 18650?
Да, большая часть уже навряд ли найдет вторую жизнь (с остатком то по емкости в 500-800мА). Их правильнее утилизировать. Но есть часть и достаточно живых, которые жалко, чтобы просто лежали в коробке. - Специфика.
Повербанки рассчитаны на разовый заряд до 100%. Никто ведь не держит их месяцами на зарядке. Для li-ion вредно долго находится под высоким напряжением (думаю нужно чуть углубиться).
Особенности li-ion
Речь далее о большинстве формата 18650.
О напряжении
Таким батареям вредно находится под высоким или низким напряжением.
Напряжение выше 4.1В создает высокое химическое напряжение внутри ячейки. Если аккумулятор постоянно находится на "зарядке" при 4.2В, катод коррозирует, а слой SEI (пассивирующая пленка на аноде) утолщается, поглощая свободный литий (о механизмах старения: J. Vetter et al., "Ageing mechanisms in lithium-ion batteries").
Это ведет к необратимой потере емкости.
Обращаю внимание еще раз, речь даже не о перезаряде!
При перезаряде же начинает осаждаться металлический литий на поверхность анода, активно выделяется газ, растут дендриты. Из-за них позже происходит короткое замыкание (пробивают пористый сепаратор и собой закорачивают ячейку), заканчивая все пиротехническим представлением.
Речь выше о простом нахождении у верхней границы напряжения батареи.
Т.е. просто нахождение в зоне 4.1-4.2В уже будет вызывать ускоренную деградацию! В некоторых случаях - с нагревом, выделением газов и прочим аналогичным перезаряду.
Для такого типа аккумуляторов оптимальным является нахождение в зоне 20-80% по заряду.
Края диапазона - опасная зона, без необходимости в нее лучше не влезать.
Микротоки тоже вредны
Речь о постоянной подзарядке или буферном режиме.
Для привычных свинцово-кислотных аккумуляторов это вполне приятный режим. Ставим напряжение чуть ниже максимального, чтобы электролит не кипел, но выше того, при котором начинается сульфатация.
Сутки или год в таком режиме - деградация будет минимальной.
А вот для лития тот же трюк не подходит.
Производители ячеек категорически запрещают непрерывный подзаряд (trickle charge) или буферный режим.
В даташитах на 18650 от Samsung, Panasonic и LG написано:
- прямым текстом "No continuous charge. Cut-off 1/20C, recharging 4.10V" (перевод: "Без непрерывной зарядки. Отключение заряда при токе 1/20 от емкости, подзарядка от 4.1В)
- или менее явным "Charge： constant voltage/constant current, 4.2V, max. 885mA, 60mA cut-off" (перевод: "Зарядка: постоянное напряжение/постоянный ток, 4,2 В, макс. 885 мА, отключение при 60 мА.")
- или даже так "Contact and discuss with LG Energy Solution, if trickle charging is required to maintain fully charged state (ex. Trickle or floating charge)" (перевод: "Если для поддержания полного заряда требуется подзарядка малым током (например, поддерживающая зарядка), свяжитесь с компанией LG Energy Solution и обсудите этот вопрос.").
Все, потому что даже, казалось бы, при безопасном напряжении в 3.8В все еще происходят негативные явления: утолщение пленки SEI и потеря свободного лития. Для аккумуляторов на основе фосфата железа (LFP) буферный режим вообще вызывает фазовое расслоение материалов катода (когда в структуре возникают зоны с разной концентрацией лития, неоднородность создает напряжение кристаллической решетки, это приводит к микротрещинам и механически разрушает ячейку).
Литию нужно движение, нужны циклы заряд-разряда, причем с четкими отключениями тока.
Температура
Относительно нее тоже есть правила и рекомендации.
Ниже 0°C - разряжать можно, но часто не ниже -20°C (зависит от химии).
А вот заряжать нужно строго выше 0°C (оптимально от 10 до 35°C).
При зарядке на морозе скорость внедрения ионов лития в графитовый анод (интеркаляция) критически падает. Ионы не успевают проникать внутрь графита и начинают осаждаться на его поверхности в виде металлического лития (lithium plating). Это необратимый процесс, который навсегда снижает емкость и может привести к росту дендритов, короткому замыканию внутри ячейки (Battery University: BU-410). Производители в даташитах обозначают 0°C как жесткий предел. Поэтому в ГОСТ Р МЭК 62133-2-2019 (стандарт безопасности портативных литиевых батарей) нижняя граница для проведения тестов на зарядку установлена на уровне 0°C.
Правила и рекомендации, описанные выше - обобщенное среднее по аккумуляторам типа 18650. Все сильно зависит от "химии" (INR, IMR, ICR, LFP, NCA), технологии и производителя.
Например, описанные 4.1-4.2В смертельны для LFP18650! Типоразмер тот же, но для LiFePO4 максимальное напряжение 3.6В.
Потому изучайте документацию от производителя.
Компоненты для сборки
У меня нашлись:
- Зарядный модуль TP4056 с защитой и type-c разъемом
- DC-DC повышающий преобразователь на MT3608
- Реле 5В (для переключения между питанием нагрузки от батарей и сети)
- Пара держателей по 4 батареи 18650 от прошлого проекта
- 4 аккумулятора по 1000мАч и еще 4 по 2200мАч из ноутбуков
Дополнительно я решил добавить выключатель на линию питания нагрузки от сети. Позже объясню зачем.
Но кое-чего не хватало. Той самой щепотки компонентов.
Мод для модуля TP4056
Начнем с того, что модуль защищает от переразряда и КЗ (версии с DW01), а микросхема TP4056 не просто ограничивает ток заряда и максимальное напряжение. Там все чуть хитрее.
В начале заряда она работает в режиме ограничения тока (установка обычно 1А, можно менять). Причем если батарея сильно разряжена (<2.9В), то сначала предзаряжает малым током (130мА).
Когда напряжение достигнет 4.2В - переходит в режим стабилизации напряжения, пока ток не упадет до примерно 100мА (в случае установки в 1А, т.е. 1/10).
Ток упал - микросхема отключает выход на батарею (то самое четкое отключение) и зажигает на плате светодиод окончания заряда.
Следующее включение произойдет при V_FLOAT-V_RECHRG, где в среднем V_FLOAT=4.2, а V_RECHRG=0.2, т.е. при 4В. В моем экземпляре TC4056 - 4.1В (V_FLOAT=4.25, V_RECHRG=0.15).
Получается, что модуль заряда при подключенном питании постоянно будет держать напряжение на аккумуляторе в опасной зоне. Да, с отключениями и периодической подзарядкой. Но всегда у верхнего предела!
В каком-нибудь фонарике или повербанке - не проблема. Дождались окончания заряда и сняли с зарядки. С ними и цель подключения к сети - зарядить до полного. Но вот для бесперебойника - очень опасно, ведь нахождение под высоким напряжением будет не часы, а сутки-месяцы.
Решений видится два
Первое и самое простое - снизить максимальное напряжение заряда. Например, поставить диод шоттки от 5 ножки. Заряд будет идти через диод и максимальное напряжение, с учетом падения на диоде, будет около 4В. Но при зарядном токе до 1А сложно найти диод на пару ампер, который при 100мА (к моменту отключения) имел бы падение 0.2В. Скорее всего получится найти что-то типа B220A, у которого будет 0.3В.
Получается на аккумуляторе будет 3.9В, что уже мало. Особенно с учетом V_RECHRG. Примерный диапазон получается 3.9-3.7В (75-40% заряда), т.к. попадаем на крутой участок кривой заряда.
Да, ресурс и безопасность будет лучше, но получаем аккумулятор, который большую часть времени будет заряжен примерно на половину.
Думаю, будет не лишним объяснить, почему я называю это "примерно на половину", хотя по вольтажу кажется, что батарея почти заряжена. Всё дело в кривой OCV (напряжения без нагрузки). Она гораздо более сглажена и линейна, чем кривая под нагрузкой (где ярко выражена полка), и резкий обрыв напряжения у OCV только в самом конце разряда (около 0%). Но всё же наклон не идеален: самые верхние проценты забирают большой шаг напряжения, а начиная примерно с 3.8В кривая становится более пологой.
В итоге, согласно таблице OCV, диапазон 3.9-3.7В охватывает около 35% емкости. И саморазряд эти 35% "съест" очень нескоро. В среднем аккумуляторы 18650 имеют саморазряд около 5% в месяц. Т.е. до подзарядки (без переподключения к сети) пройдет больше полугода!
При этом 3.9...3.8В - это 10% емкости, а 3.8...3.7В - целых 25%. Потому в зоне 55% заряда аккумулятор будет находиться заметно дольше. И это при том, что мы и так теряем 30% от доступной емкости из-за недозаряда.
Да, можно сделать схему на p-канальном мосфете и ловить эти 0.2В, но у меня была еще одна идея.
Второй вариант.
Немного подумав, я решил модифицировать модуль так, чтобы увеличить V_RECHRG примерно до 0.4В. Т.е. оставить штатную логику заряда до полного, но подзаряжать реже.
Тогда диапазон получается от V_FLOAT (в идеале 4.2В, но об этом ниже) до 3.85В, который составляет от 100...70%. Мы получаем примерно те же 30% на саморазряд, но со средним зарядом выше - около 85% (в этой части график между точками линейный). По сравнению с первым вариантом это +30% емкости!
Для того чтобы так сделать понадобится схема типа RS-тригера, т.к. нужно завязываться не только на напряжение аккумулятора, но и на состояние TP4056.
Отключение зарядки я решил делать тоже логическими сигналами. Вместо разрывания питания TP4056 p-мосфетом решил управлять через пин 8 - CE (Chip Enable).
Алгоритм такой:
- Подключили питание. Состояние после подачи питания разрешает работу. Начинает заряжаться аккумулятор.
- При достижении 100% появляется сигнал на 6 (STDBY#) и мы выключаем микросхему через пин 8 (CE) с запоминанием состояния (после отключения микросхемы сигналы STDBY# и CHRG# сбрасываются, потому нам необходимо самим запоминать).
- Когда напряжение падает до 3.85В срабатывает сброс состояния триггера - мы разрешаем работу.
Уже в первый же вечер получилась такая схема:
Хотя не сразу в таком виде. Изначально хотел использовать TL431 для четкого срабатывания по уровню и для стабильности по температуре. Но тогда либо сильно увеличивалось количество компонентов, либо был риск, что выходного уровня не будет хватать для полного отключения TP4056. Пришлось остановиться на варианте выше.
Как это работает?
По окончании заряда база pnp-транзистора Q1 подтягивается к земле (сигнал STDBY#). npn-транзистор Q3 к этому моменту уже открыт (напряжение батареи высокое). Через открытый Q3 ток течет к базе Q2 (npn), он открывается и коллектором притягивает пин 8 (CE) к земле, запрещая работу TP4056. Запоминание состояния обеспечивается резистором R9 (330к) от коллектора Q2 к базе Q1. Для устойчивости параллельно R9 установлен конденсатор C3 на 1нФ. Такая емкость не влияет на время переключения, но делает триггер более стабильным, устойчивым к помехам.
Во время разряда напряжение на делителе падает. В установленный момент (заданный резисторами делителя) транзистор Q3 закрывается, следом закрывается Q2, пин CE отпускается к питанию (работа разрешена), триггер сбрасывается. Начинается новый цикл заряда.
Правда такая схематическая реализация имеет плавающий от температуры порог сброса. Но чуть позже оценим, насколько это проблема.
Изготовление мод-платы и тесты
Я решил упростить себе задачу и сделать только мод-плату, а не целиком плату модуля заряда или тем более бесперебойника.
Получилась вот такая мелочь:
Поднял 8 ногу, подпаялся к точкам и... ничего не заработало. Вернее как, плата модуля запускалась и работала. Но V_RECHRG остался прежним. Буд-то мод всегда считал, что напряжение достаточно для разрешения работы. Дело в делителе напряжения и нужно подобрать номиналы? Не-а! Все интереснее.
Мой экземпляр имел микросхему с маркировкой "4056 F2345X", это один из многочисленных клонов TP4056. И конкретно ему было абсолютно безразлично, что делают с его восьмой ногой.
Весь проект встал под угрозу завершения на полпути.
Пришлось изрядно поискать в запасах. Удалось найти один старый модуль на TC4056. Поднял восьмую ногу и без особых надежд подключил питание. Модуль стал то зажигать, то гасить светодиоды, при замыкании на землю гасил все. Оно!
Пересадил микросхему на первоначальную плату с type-c и подключил плату-мод.
При достижении 4.25 на зарядной плате все погасло.
Начал плавно опускать напряжение, примерно при 3.5В светодиод загорелся и пошла зарядка.
Работает!
Осталось только подобрать номиналы резисторов делителя и погонять как на лабораторном источнике питания, так и на реальном элементе 18650, чтобы убедиться, что пороги переключения правильные и в момент переключения ничего не зависает в промежуточном состоянии.
На лабораторном источнике питания мне удалось пару раз поймать моменты, когда светодиод переключался в полнакала, а модуль не отключался полностью. Похоже это происходит из-за конфликта систем стабилизации. Лабораторный источник пытается жестко держать выставленное напряжение, модуль TP4056 подает ток заряда. Напряжение в линии поднимается, триггер пытается переключиться, а лабораторный источник "отдергивает" напряжение вниз, не давая триггеру зафиксировать состояние, что и вызывает "звон". Нехорошо.
Подключил реальные аккумуляторы (сначала один, после проверил и на сборке из 8 штук) и такого не поймал. Аккумулятор сам по себе - огромный конденсатор, который сглаживает просадки и скачки, позволяя триггеру переключаться четко. В общем, здесь зеленый свет.
Помните про влияние температуры?
Падение напряжения на открытом pn-переходе (база-эмиттер) кремниевого биполярного транзистора имеет отрицательный температурный коэффициент и уменьшается примерно на 2 мВ при повышении температуры на каждый °С, из-за чего уровень срабатывания плавает вместе с температурой.
Достал тепловизор и решил провести 3-4 измерения, чтобы получить экспериментальные значения. При 23°C подзарядка (с номиналами со схемы) включилась при 3.86В, еще три точки были примерно на одной линии, грубо: T=324-78*U, где T в °C, а U в В.
Из-за удачного наклона получился приятный эффект.
Чем выше температура, тем менее охотно схема будет разрешать заряд.
Так заряженный до 50% аккумулятор схема не начнет подзаряжать пока не спадет 35°C жара.
Получается, что стимулироваться подзарядка будет похолоданием.
Нравится.
Хотя стоит отметить, что это ни разу не температурная защита.
Если питание будет подано при 35°C, а аккумулятор будет на 70%, то подзарядка все же случится, т.к. после подачи питания состояние по умолчанию - разрешение работы. Так что это не более чем приятный бонус.
Для тепловой защиты у TP4056 есть отдельный первый пин (TEMP) со своей логикой диапазона рабочих температур.
Моделирование корпуса, финальная сборка и тест
В полной схеме нет ничего интересного. Она примитивная.
Обмотка реле питается от сети (5В, через разъем зарядной платы). Нормально замкнутый контакт подключен к выходу зарядной платы (батарея), нормально разомкнутый - к сети. Переключающий контакт - на вход повышающего DC-DC на MT3608, а его выход - на репитер.
Пока сеть есть, реле питает нагрузку сетью напрямую. Когда сеть пропадает, контакты реле переключаются на аккумулятор.
Зачем такая сложность с реле? Почему не диод?
У TP4056 есть критическая особенность: микросхема не различает ток, уходящий в батарею (на заряд), и ток, уходящий в нагрузку. Если подключить нагрузку параллельно батарее, TP4056 никогда не увидит падения тока до 100мА и не завершит заряд - она будет "висеть" в режиме стабилизации 4.2В бесконечно.
Представим постоянное подключение модуля MT3608 к модулю TP4056 с диодом от сети к выходу на репитер.
Ток будет течь через TP4056 с понижением напряжения до 4.2В, как на линейном стабилизаторе, при токе около 1А получим почти 1Вт в тепло. А "обходной" диод фактически не будет работать из-за падения напряжения на нем.
Чтобы диод заработал в такой схеме пришлось бы занижать выходное напряжение преобразователя ниже того, что после диода. Условно до 5В(сеть)-0.6В(максимальное падение на диоде под нагрузкой)-0.1В(запас)=4.3В. А там плюс падение на проводе и разъемах.
И доходило бы до репитера всего 4В, что совcем не интересно.
Мое решение с реле решает главное условие для нормальной работы TP4056 - на время заряда аккумулятора нагрузка физически отключается от модуля и переводится на питание только от сети.
Корпус
Взял из старого проекта держатели батарей, накидал пару моделек, другие нашел в интернете. Прикинул расположение и сделал простенький корпус.
Почти все крепится на клей. Реле, дополнительные выходные конденсаторы, плата dc-dc (крепления только для позиционирования, удерживали они слабо), мод-плата. Только зарядная плата получила печатное жесткое крепление с защелками.
Для теста я установил все 8 аккумуляторов. Перед установкой они были все заряжены до 100% и выровнены по напряжению. Получилось 4 одной модели (зеленые, сильно деградировавшие, каждая примерно по 1000мАч) и 4 розовых (еще здоровые, в среднем по 2300мАч). Общая расчетная емкость составила 13200мАч.
Соединять параллельно разные аккумуляторы - идея так себе. Заряжаться и разряжаться они будут с разной скоростью, токи распределятся неравномерно (кто живее, у того ниже внутреннее сопротивление и тот будет брать/отдавать больше тока). Но в моем случае - не страшно.
Максимальный зарядный ток составляет 1А (примерно 0.5С для одного розового аккумулятора), а разрядный через преобразователь - 2-2.5А (около 1С), т.е. даже один сможет работать в рамках своих спецификаций.
Учитывая, что одинаковых аккумуляторов по 4 штуки, то эти токи разделятся между четырьмя параллельными, и на каждую придется еще более малый и вполне безопасный ток.
В таких условиях заряд/разряд не будет опасен перегрузом даже для самой живой ячейки.
Решил проверить максимальное время работы.
Зарядил до полного, подключил нагрузку в 1А, отключил сеть и оставил на ночь. Утром лампа (которая была нагрузкой) погасла. Получилось 8ч.
Нагрузка 5Вт, емкость батареи условно 13.2Ач*3.7В=48.84Втч, расчётное 9.768ч работы, т.е. КПД почти 82%. Для DC-DC на MT3608 как раз где-то 80-85% должно было получиться в таком режиме. Ну и отлично.
Этот тест - моделирование наилучшего сценария, когда отключение света произошло сразу после цикла подзарядки до 100%. В худшем случае (свет вырубили прямо перед началом цикла подзаряда, когда батарея разряжена до порога 70%) время работы будет пропорционально меньше.
Зарядка заняла гораздо дольше - около 18 часов. При этом нагрузка на это время была отключена, чтобы лишний раз не греть компоненты.
Из наблюдений - добирались последние мВ до 4.25В больше часа. Мне это не очень нравится, но похоже такой экземпляр TP4056. В заявленные +-1.5% он укладывается. А другого на замену у меня нет.
Хах, чуть не забыл про выключатель сбоку. Это не отключение сети или выхода. Это переключатель логики выхода. Он включен в разрыв линии нормально разомкнутого контакта реле. Т.е. если его выключить, то пока сеть есть на выходе напряжения не будет.
И да, это связано с тем самым из начала статьи. Это необходимо, чтобы можно было выбрать между "работать бесперебойно" и "включать репитер только когда отключили электричество".
Второй режим хорош тем, что репитер не будет мешать новой вышке и нагрузка на блок питания будет ниже, т.к. будет работать только на зарядку. Думаю, он будет основным.
Выводы
Повторять такое так не надо. И вот почему (по большей части касается моей реализации):
- DC-DC на MT3608 и зарядный модуль не имеют запаса. Рекомендуемый предел MT3608 по входу 2А, но для выхода в 5Вт (5В и 1А) и 80% КПД максимальный ток (при напряжении отключения микросхемы защиты зарядного модуля DW01 - 2.4В) составляет 2.6А! Да, максимальный ток ключа 4А. Да, реальное потребление нагрузкой будет меньше 1А по 5В. Да, тест пережило. Но это не отменяет того факта, что запаса нет.
- Питать работающим в МГц диапазоне DC-DC преобразователем репитер (без серьезных фильтров) - опасная идея. Такие помехи по питанию могут серьезно мешать работе репитера. Да, дополнительные конденсаторы стоят, но только смягчение, а не решение.
- Подавать на вход DC-DC (MT3608) то же напряжение, что и хотим на выходе. При питании от 5В и установкой 5В на выходе преобразователь фактически будет работать на компенсацию падения напряжения на диоде. Такой режим не стабилен, т.к. у ШИМ управления преобразователя есть пределы. На малой разнице напряжений преобразователь может начать "дрожать" между включением на минимальном заполнении ШИМ и отключением выхода из-за чего будут создаваться дополнительные низкочастотные помехи по питанию. А если БП на выходе выдаст большее напряжение, то все, за вычетом падения на диоде, уйдет и в нагрузку. Да, в качестве "костыля" можно поднять напряжение выхода до 5.3-5.5В, но это лишь немного скроет проблему (и добавит риска из-за повышенного напряжения питания нагрузки).
- Ассорти аккумуляторов как гирлянда из петард с длинным фитилем. Между аккумуляторами нет предохранителей. Несмотря на то, что токи заряда/разряда в моем случае безопасны для каждой отдельной банки, разные внутренние сопротивления приводят к неравномерному распределению токов. Токи утечки тоже становятся общими: если одна банка сильно "течет", она будет высасывать заряд из соседних, ускоряя саморазряд сборки и, соответственно, увеличивая количество циклов подзаряда, что для б/у батарей не есть хорошо. Другой момент в том, что если один из аккумуляторов выйдет из строя и его газовый клапан не отработает (отключив его от сборки), то все остальные дружно максимальными токами попытаются разрядиться в него. Пиротехнические эффекты не исключены.
- Периодический заряд до 100%. Для б/у это риск. Безопаснее было бы пожертвовать емкостью, заряжая до 4, вместо 4.2В. Пока расчет на большие интервалы подзарядок.
- Работающие на пределе компоненты (модули) нагревают аккумулятор. У меня среди греющихся: зарядный модуль с линейным понижением напряжения, повышающий преобразователь (неудачно расположенный достаточно близко к элементу), реле (постоянно включенное при питании от сети). В корпусе есть решетка для естественной вентиляции, но все же.
- Нет тепловой защиты аккумулятора. Вход у TP4056 под датчик есть. Но это снова пришлось бы поднимать ножку, искать NTC-термистор и припаивать его с парой резисторов. А в клонах нет уверенности, что этот вход не будет таким же неиспользуемым как CE.
- Моя мод-плата имеет риск подвесить TP4056 в промежуточном положении, из-за чего максимальные 4.25В могут продержаться долго. Возможно, слишком долго, вплоть до преждевременного пламенного выхода из строя батареи. Хоть в тестах (буквально 4-5) с аккумуляторами этого не поймал, но гарантию дать не могу.
- Гистерезис реле дает кратковременную просадку при переключении. Несмотря на расположение реле перед преобразователем и дополнительный емкий электролитический конденсатор на выходе просадка при переключении есть. Не все потребители смогут ее пережить без сброса. Но для репитера думаю не критично.
- Li-ion ("классические" и типоразмера 18650) по своей природе не подходят для ИБП. Проще, да и правильнее, было бы взять свинцово-кислотный аккумулятор. В простейшем случае, когда ток нагрузки примерно известен, стабилен и невелик достаточно взять зарядку для детского электротранспорта. Такие зарядки относительно дешевые и имеют как ограничение по току, так и по напряжению. При необходимости - подстроить в ЗУ ограничение напряжения до указанного на аккумуляторе как standby. С аккумулятора поставить DC-DC преобразователь. Все! Ни диодов, ни реле, а уж тем более транзисторов с построением на них элементов цифровой логики. И в плане безопасности лучше, риск в основном только в парах кислоты, но и это решается выбором AGM/GEL типа.
Подытожим
Работа с li-ion требует аккуратности. Не то напряжение, не тот ток, не то время, температура - деградация элемента или выход из строя, причем с риском возгорания.
Совет шире: если сомневаетесь в решении - посмотрите, как это реализуют в коммерческих устройствах.
Задайтесь вопросом: "Почему именно так и из этих компонентов". Можно, если и не понять какие грабли, то хотя бы нащупать, где они подстерегают. А позже избежать их прилета в свой лоб.
В идеальном мире коммерческой разработки совет звучал бы так: "Используйте только проверенные компоненты, следуйте даташитам и не отклоняйтесь от референс-дизайнов". И это абсолютно правильно, когда на кону гарантия, сертификация, логистика и цена в партии из ста тысяч. Но думаю, большинство из нас здесь не из этого мира.
Мы - DIY-сообщество. Наши ограничения - это не требования вендоров, а содержимое наших коробок с б/у и другими специфическими компонентами. Наш потенциал ограничен только тем, что мы можем получить в свои руки, знаниями и фантазией. Наши устройства единичные. Потому они могут простить "неоптимальность" решений. Мы делаем их под себя.
Только мы можем позволить себе собрать что-то из костылей и клея, что закроет нашу потребность.
Учиться на чужих ошибках - хорошо. Но кто осмелится утверждать, что в самостоятельном преодолении трудностей нет своего специфического удовольствия? 😉
Так что читайте даташиты, смотрите на коммерцию, но не забывайте обмениваться своим опытом друг с другом.
Я вот только что поделился)