12 шагов по профессиональной сборке АКБ

• Шаг 1 – выбор параметров АКБ
• Шаг 2 – выбор элементов питания
• Шаг 3 – поиски оптимальной схемы
• Шаг 4 – сортировка элементов питания
• Шаг 5 – комплектовка батареи
• Шаг 6 – выбор BMS платы
• Шаг 7 – выбор способа электрического соединения
• Шаг 8 – точечная сварка
• Шаг 8а – пайка
• Шаг 9 – добавление БМС платы
• Шаг 10 – тестирование батареи
• Шаг 11 – упаковка и герметизация
• Шаг 12 – подключение

Литий-ионные батареи используются повсеместно: в электронных гаджетах и персональном электротранспорте, светотехнике и источниках бесперебойного питания, складской и клининговой технике. Они обеспечивают автономное питание радиоуправляемых моделей и средств индивидуальной мобильности, лодочных моторов и медицинской техники, портативных электроинструментов и многих других полезных изобретений.

Аккумуляторную батарею с подходящими техническими характеристиками можно купить, изготовить на заказ или собрать своими руками. Сегодня мы подробно расскажем, как изготовить самодельную литиевую АКБ в домашних условиях. Приведем алгоритм, максимально приближенный к профессиональной сборке батарей, но доступный для самостоятельной реализации. Он состоит из 12 шагов.

Шаг 1 – выбор параметров АКБ

Перед тем как собирать АКБ, нужно выяснить, какими должны быть ее характеристики:

1. Напряжение – должно соответствовать вольтажу электромотора.
2. Емкость в ампер-часах – от нее зависит способность батареи накапливать и отдавать энергию. Чем выше емкость, тем больше энергии способна вместить АКБ.
3. Мощность или энерговооруженность в ватт-часах – произведение напряжения и емкости. Именно по этой характеристике судят о возможностях аккумуляторной батареи. Например, при энергоемкости 500 Вт·ч она будет способна выдавать мощность 500 Вт в течение часа или обеспечивать работу 250-ваттного мотора около 2 часов.
4. Допустимые токи разряда. Батарея должна обеспечивать токоотдачу, равную потребностям конкретного электромотора. Чтобы рассчитать ее значение, нужно разделить мощность мотора на его рабочее напряжение. Для электроинструмента, транспорта на электротяге и другой техники с активным потреблением тока нужны высокотоковые аккумуляторы – модели с низким внутренним сопротивлением и большой токоотдачей.
5. Размеры и вес. Эти факторы особенно важны, если батарея будет устанавливаться в аккумуляторный отсек, или когда нужно избежать значительного утяжеления конструкции.

Шаг 2 – выбор элементов питания

Можно сделать АКБ из цилиндрических аккумуляторов, призматиков или пакетов. Массово распространены цилиндры типоразмеров 18650 и 21700, но выбор ими не ограничен. Кроме формы и размеров, большое значение имеет тип химии. Например, при сборке тяговых батарей часто используют элементы питания на основе литий-железо-фосфата – LiFePO4.

Благодаря стабильной химической структуре они не греются при высоких токовых нагрузках, максимально безопасны в использовании, эффективно работают и в жару, и на морозе, да еще и отрабатывают более 2000 циклов. Еще одно их отличие от остальных литиевых элементов – напряжение 3,2 В на ячейку.

Что касается Li-ion аккумуляторов со стандартным напряжением 3,6 или 3,7 В, среди них также есть подвиды:

1. IMR – высокотоковые модели с марганцем и акцентом на большие разрядные токи. Подходят для аккумуляторных шуруповертов, электровелосипедов, медицинской техники и других устройств с высокими значениями потребляемого тока.
2. ICR – емкие накопители с кобальтом, рекордсмены по удельной емкости. Применяются в ноутбуках и других устройствах со скромным потреблением энергии.
3. INR, NMC– представители «золотой середины» с комбинированным составом из никеля, марганца и кобальта. Они одновременно и достаточно емкие, и готовы к интенсивным нагрузкам.
4. NCR, NCA – емкие аккумы со скромными способностями к токоотдаче. Имеют формулу с никелем, кобальтом и оксидом алюминия.

Шаг 3 – поиски оптимальной схемы

Сколько аккумуляторов понадобится для изготовления нужной вам батареи – зависит от схемы, по которой они будут соединяться. Ее универсальное обозначение – xSyP, где x и y означают соответственно количество последовательных и параллельных соединений. Например, схема 5S3P говорит о том, что нужно последовательно соединить 5 секций, каждая из которых содержит 3 параллельно соединенные «банки».

Меняя схемы соединения аккумуляторов, можно получить практически любые значения вольтажа и емкости:

• при параллельном наборе наращивается емкость АКБ и увеличивается ее устойчивость к токовым нагрузкам;
• при последовательном соединении ячеек наращивается вольтаж.

Оптимальная схема позволяет получить нужные значения емкости, вольтажа и токоотдачи без критического увеличения массы и размеров сборки. Например, на электровелосипедах с бортовым напряжением 48 В обычно используют батареи, собранные из Li-ion элементов по схемам 13S4P, 13S5P, 13S6P, 14S4P или 14S5P. К примеру, если взять Li-ion аккумуляторы 18650 SONY VTC6 емкостью по 3000 мА·ч и напряжением 3,7 В и собрать АКБ по схеме 13S6P, то получим суммарную емкость 18 А·ч, вольтаж 48 В и энерговооруженность 864 Вт·ч.

Шаг 4 – сортировка элементов питания

В составе общей батареи должны быть аккумуляторы-близнецы – идентичные по размеру, бренду, типу химии и всем техническим параметрам. Поэтому на производствах элементы питания тщательно сортируют по внутреннему сопротивлению и емкости. При сборке АКБ своими руками эта процедура также обязательна. Для измерения внутреннего сопротивления, емкости и вольтажа аккумуляторов удобно воспользоваться мультиметром или тестером. Перед сборкой отобранные элементы нужно зарядить до одного уровня.

Шаг 5 – комплектовка батареи

Аккумуляторный блок комплектуется согласно выбранной схеме: собираются параллельные группы, а затем они соединяются последовательно. При компоновке важно правильно расположить аккумуляторы, чтобы в дальнейшем было удобно обеспечить их электрическое соединение между собой и с БМС платой.

Например, при использовании схемы 13S6P берем 6 «банок» первой параллельной группы и размещаем их плюсовыми контактами вверх. Следующие 6 элементов устанавливаем рядом отрицательными контактами вверх и т.д. Последнюю группу размещаем плюсами вверх. Для предварительного соединения ячеек можно воспользоваться пластиковыми держателями – холдерами.

Шаг 6 – выбор BMS платы

Для управления аккумуляторной батареей и поддержания оптимальных рабочих параметров используется специальная электронная система – BMS плата. Она:

• контролирует все параллельные серии в АКБ и отключает ее от зарядного устройства, когда напряжение достигает установленного максимума – 4,2 В на ячейку;
• не допускает глубокого разряда – отключает батарею от нагрузки при низком уровне остаточного заряда;
• равномерно балансирует вольтаж всех ячеек;
• оберегает элементы питания от короткого замыкания, перегрева, перегрузок по току и других опасных состояний.

При выборе БМС платы в первую очередь учитывается число последовательных соединений (2S, 3S, 4S и т.д.) и максимальное значение тока разряда (например, 10, 20, 25, 30, 100 А). Также обращают внимание на граничные значения напряжения. Обычно BMS платы для Li-ion аккумуляторов имеют верхнюю границу срабатывания 4,25–4,35 В и нижнюю 2,3–3 В.

Шаг 7 – выбор способа электрического соединения

Для электрического соединения Li-ion аккумуляторов обычно используют никелевые полосы или толстую проволоку. Желательно применять материал с минимальным сопротивлением. Так, между полосами из никелированной стали и чистого никеля, лучше выбрать второй вариант. Никелевые полосы дороже, зато они обеспечивают эффективное электрическое соединение и не греются при прохождении высоких токов.

Для присоединения переходных полос используют точечную сварку или пайку. Первый способ предпочтителен, т.к. при использовании паяльника есть риск перегрева аккумуляторов и ухудшения их работы. Но если аппарата точечной сварки у вас нет, можете по-простому припаять никелевые полосы или проволоку, используя мощный паяльник (на 80–100 Вт) и воздействуя им на контакты не более 2 секунд.

Шаг 8 – точечная сварка

При контактной сварке отрезы никелевой полосы накладываются на контакты аккумуляторов согласно схеме и аккуратно привариваются – по 4 точки на каждое соединение. Полосы должны покрывать контакты с запасом в 1 см. Для параллельного соединения применяются полосы, соответствующие длине серий. Для последовательного соединения нарезаются короткие полоски. С их помощью отрицательный контакт первой параллельной серии присоединяется к плюсовому контакту второй серии, минус второй серии – к плюсу третьей и т.д.

Перед сваркой необходимо настроить параметры аппарата в зависимости от толщины используемых полос. Вначале нужно проверить результат сварки на старых аккумуляторах или батарейках. Если приваренную никелевую полоску сложно оторвать, значит, сварной шов надежный. Если же она легко отстает, нужно увеличить ток в настройках аппарата.

Шаг 8а – пайка

При работе паяльником соблюдайте меры предосторожности:

1. Минимизируйте время соприкосновения жала паяльника с аккумуляторами. Чтобы получать мгновенный эффект, используйте мощный паяльник – на 80–100 Вт.
2. Хорошо зашкурьте обрабатываемые поверхности.
3. Наносите на полюса достаточное количество флюса для быстрого течения припоя.
4. Лужение выполняйте быстрым касанием жала паяльника, чтобы избежать перегрева.
5. Провода предварительно нагревайте паяльником, а затем быстро фиксируйте на полюсах.

Шаг 9 – добавление БМС платы

Подключение BMS платы выполняется согласно прилагаемой к ней схеме. Вначале выбирается оптимальное место для ее установки – как можно ближе к отрицательному полюсу батареи В-. Для электрической безопасности используется прокладка из стеклотекстолита или другого негорючего материала.

Плата имеет площадки для пайки: B-, B1, B2, … и B+. К площадке B- подключается шина минусовых клемм первой параллельной серии. К площадке B1 – шина ее плюсовых клемм. Аналогично распайка шлейфа выполняется на каждую параллель. Чтобы минимизировать нагрев при интенсивной нагрузке, токосъемник с отрицательного полюса батареи нужно сделать с большой площадью контакта. Также на токосъемниках и выводах нужно использовать провода достаточного сечения – в соответствии с расчетной токовой нагрузкой, плюс запас.

Чтобы не навредить электронным компонентам на микросхеме BMS платы, распайку шлейфа нужно производить, не подключая его провода к BMS. После распайки нужно вначале подключить шлейф с B+. Для включения БМС достаточно подключить батарею к зарядному устройству.

Шаг 10 – тестирование батареи

Собранную аккумуляторную батарею нужно проверить на отсутствие нагрева при работе и способность накапливать и отдавать энергию. Для этого выполняется несколько циклов разряд-заряд. На производствах испытания проводятся на специальном нагрузочном стенде с построением графика разряда. Но в домашних условиях можно выполнить тестирование без него. Главное – убедиться, что батарея полноценно работает, а ее компоненты, провода и места соединений не перегреваются под нагрузкой.

Шаг 11 – упаковка и герметизация

После успешного тестирования батарея упаковывается с применением стеклотекстолита, промышленного фена и термоусадочной трубки большого диаметра. Она имеет отличные электроизоляционные свойства и плотно облегает аккумуляторный блок, обеспечивая ему герметизацию и защиту от воздействий извне.

Чтобы защитить АКБ от механических повреждений, ее нужно поместить в ударопрочный корпус. Его можно купить, взять от старой батареи или изготовить самостоятельно, например, с помощью 3D принтера.

Шаг 12 – подключение

Для подключения нагрузки и зарядного устройства применяются силиконовые AWG провода с разъемами ХТ60-мама. Для отслеживания уровня заряда можно добавить соответствующий индикатор и тумблер для его включения/выключения. Токопроводящие части обязательно изолируются термоусадочной трубкой. Готовый аккумуляторный блок устанавливается в батарейный отсек, крепится на раму электровелосипеда или размещается в другом выделенном для него месте. Все зависит от назначения конкретной батареи и условий ее использования.

В предыдущей статье блога VirtusTec.ru мы рассказали о портативных АКБ для садового оборудования.