电子/居家DIY(19):电脑UPS的完美方案

王志勇 发表于 2020年06月07日 10:32

请原谅标题用了“完美”2字。因为这是经过很多的动手、测试,得出的更好的方案,能给读者一点启发。本方案的优点是价格低,电池寿命真正超长。因为时间、空间等条件的限制,我这边也很少停电,所以暂时没有做出一套成品,但是该方案一定可行。

本文的主角是如下图的波士顿锂电池,3节就相当于一个UPS的电池。相同的电量,锂电池的重量约是铅酸电池的1/7,锂电池的寿命是铅酸电池的5~10倍以上,价格上锂电池会便宜一半以下。UPS大多是内置铅酸电池,铅酸电池使用一两年就自动报废。因为锂电池的UPS很少,所以完全可以自己制作锂电池的UPS。锂电池的安全性,后面再单独写一篇。

2009年我在电脑市场花了170元,买了一个全新的UPS。当时可供100W的电脑开机5分钟,还是挺好用的。里面内置12V 4.5Ah铅酸电池,铅酸电池有个特性是放着不用,一两年就会报废。这个UPS是内置12V转220V的逆变器,空载功耗很大。这个UPS没用过几次,现在可能在地下室。

本文的方案,是UPS,并非是长时间开机的电脑直流供电。如果是锂电池的电脑供电,前面也谈到一些,比如这篇,16节5300mAh波士顿锂电池储存的电量,理论上可以让N3150+24英寸显示器的台式机续航10小时左右,或者G1840+24英寸显示器的台式机续航8小时左右。

这个UPS,和电脑长时间开机的直流供电的原理是完全一样的,步骤如下:

前期准备:
1. 用功率表测试电脑主机开机的功率。如果是超过100W的带有高端独立显卡的游戏型电脑,则不太适用UPS,当然也可以用。
2. 怕停电数据丢失的电脑,可以再组装一台,使用G1840,或G4400等这样22nm、14nm的超低功耗的平台,(我的电脑机械硬盘使用2.5英寸硬盘更节电)。
3. 主板改用DC-ATX供电,12V输入,平时可用12V6A或12V8A供电。DC-ATX比220V的ATX电源,实测约节电8W~10W。

UPS实现的重点:
1. 用锂电池产生12V直流电,最好的方案,是4节三元锂电池串联得到16.8V,再用XL4015降到12V。我用这个XL4015降压到12V后,测试过电脑开机,很稳定

XL4015是大功率降压板,最大60W,约4元一个,是最便宜,且稳定的降压板,如果功率不够,可以多个并联。

三元锂电池,最便宜好用的是波士顿锂电池、21700、26650,安全性较好。不太推荐大单体软包锂电池(后面会讨论)。

2. 如果想更节省成本,代替上述的12V 4.5Ah铅酸电池,就用3串,然后接一个“升降压板”,得到12V。(但稳定性有可能不如4串+降压板。)

3. 四节三元锂电池串联的容量,例如:
波士顿锂电池的安全放电容量约60瓦时;
21700的安全放电容量约54瓦时;
26650的容量约是波士顿电池的1.1倍。
这个安全放电容量,指的是容量的75%,浅充浅放有助于延长电池寿命。

4. 因为浅充浅放,锂电池平时最好充电到4.15V以下,可使用TP4056充电,TP4056一般充到4.12V~4.16V就不再充了。

5. 4串锂电池,接XL4015输出。输出端,增加一个继电器,使其处于常闭状态,这样就不会耗电。一但停电,立刻自动给电脑供电。
电脑的DC-ATX的12V输入处,并联1~2个16V 10000uF的超大电容,一只一块多钱。作用是停电的瞬间,让供电无缝切换。

因为有这个继电器,来电后又立刻自动断开锂电池的供电。

这个自制的4串锂电池,和UPS的电量差不多。100W的电脑,约可开机40分钟左右。而铅酸电池+逆变器,因为空载功耗很大,只能开机5分钟左右。

G1840的电脑,约可开机1.2~1.8小时左右。

如果做成2并4串,则开机时间成倍增加。

成本和所需元件:
1. 4节超大容量三元锂电池,7~9元×4=28到36元。
2. DC-ATX,约20元左右。
3. XL4015降压板,约4元。
4. 锂电池的电池盒,1元×4。如果用点焊,成本接近0元,且更稳定。
5. 4串保护板,7~15元。锂电池凡是需要串联,必须接保护板(因为内阻不同,分压不同,没有保护板,在大功率环境中,可能会出现单节过烫、引发事故)。
6. TP4056充电板,1元×4。
7. 16V 10000uF电容,1.5元×2。
8. 12V6A电源裸板,约6~7元。
9. 5V继电器,2元多。

锂电池耐长期存放,所以这个自制的锂电池UPS,锂电池使用10~20年以上是不会有问题的。但锂电池怕过充过放,怕长期满电存放。如果想使它的衰减更慢,因为UPS偶尔才通电,可以充电至4V,长期保持在3.7V~4V之间,大约5年的容量衰减在5%以下或10%以下。

(平时用的锂电池,因为经常循环,所以可以充满电。)

为什么三元锂电池用4串,而不用5串、6串、7串?
5串、6串、7串,更多的串数转12V也是可以的。但是和12V输出的压差越小,额外耗电就越少(转换效率越高)。所以,和12V最接近的是4串,放电至3.6V为安全电压,4串的电压为14.4V~16.8V。

如果使用铁锂电池,就需要用5串转12V。

方案2:免改DC-ATX供电
如果想稍微更省事一点,主板不想改DC-ATX供电。那么可以考虑逆变器的方案,但是锂电池至少要增加到2并,即2并4串,防止锂电池的电流过大而对电池有损耗。

再增加一个12V转220V的逆变器。一个300W~600W的逆变器,修正弦波最低60元,纯正弦波最低120元左右。

同样,用上述的方法,用一个继电器,让锂电池平时处于断开状态,一旦停电,立刻自动供电;一来电,又立刻自动断开锂电池。

逆变器的转换效率,比DC-ATX低很多,逆变器有更多的额外损耗。

7条评论:
1   张波博客 2020-06-08 07:23
现在私人电脑很少有人会买UPS了吧,除了服务器上

自由勇 2020-06-08 07:55
嗯,好像很少听说有人在用UPS。我的UPS在2009年买的,几乎没用过。
开发时,尽量多保存,这么多年前来从来没有因为突然停电、没有UPS而丢失文件,平时也很少停电。

2   Gao Jie 2020-08-30 20:54
如何方便的实现正弦波逆变呢
3   JRQL 2021-04-09 10:41
这个思路成本确实低,而且感觉可以装进机箱里,不过我没懂改了DC-ATX还能继续用原来的ATX电源吗?

自由勇 2021-04-15 21:07
可以的,2个电源可以同时使用。接法是:

ATX的绿线和DC-ATX的绿线并联;
ATX的黑线和DC-ATX的黑线并联;

这样当DC-ATX开机时,ATX也开机;DC-ATX关机时,ATX也关机。

4   kkaai 2021-09-04 03:08
勇哥 两个这样的电容真的可以做到安全无缝切换吗 看完让我跃跃欲试

自由勇 2021-09-04 06:51
理论上完全可以,即使不加电容,DC-ATX电源板上的电容应该是够用的。
如果不放心,可以并联3~5个16V 10000uF个电容会有更好的效果。正好前天做继电器测试,9V的电压下,并联一个10000uF电容后,主干电流几乎没有增加,也就是在电源输出处,并联10000uF电容后,总功耗没有明显的增加。(有些电路并联电容后,总功耗会有明显的增加。)

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