Как сделать литиевый аккумулятор из ячеек 18650 и 21700?

• Размеры аккумуляторов
• Выбираем типоразмер: 18650 или 21700
• Выбираем между большой емкостью и токоотдачей
• Схема соединения
• Пример расчета Li-ion батареи
• Алгоритм сборки АКБ
• Пайка вместо точечной сварки

Аккумуляторную батарею Li-ion типа можно собрать из элементов любых размеров и формы: цилиндров, призматиков, пакетов. Но в каждой сборке важно использовать одинаковые «банки» – с идентичными рабочими параметрами, одного размера и химического состава. Перед соединением аккумуляторы обязательно сортируются по внутреннему сопротивлению и емкости. Это позволяет избежать разброса по характеристикам и проблем при использовании АКБ.

Размеры аккумуляторов

При всем разнообразии Li-ion аккумуляторов наиболее распространенными остаются цилиндрические модели форм-фактора 18650. Но в последнее время с ними активно конкурируют цилиндры формата 21700. Сегодня эти типоразмеры считаются мировыми стандартами и используются повсеместно – от фонариков до электромобилей.

В 5-значном обозначении форм-фактора зашифрованы геометрические параметры «банки»:

• 2 начальные цифры – диаметр в мм;
• 2 последующие цифры – длина в мм;
• последний 0 – цилиндрическая форма.

Конечно, для сборки аккумуляторной батареи можно взять незащищенные элементы любых других размеров. Но из-за массового распространения именно форм-факторы 18650 и 21700 радуют огромным ассортиментом. Это позволяет выбрать элементы Samsung, Tesla, LG, Panasonic и других брендов под любые задачи – хоть высокотоковые, хоть с максимальным запасом емкости.

Выбираем типоразмер: 18650 или 21700

Чтобы решить, из каких «банок» лучше собирать литиевую АКБ в конкретном случае, нужно оценить их общие черты и различия.

Вывод: Аккумуляторы 21700 немного крупнее и примерно на 20 г тяжелее моделей 18650, поэтому и запас емкости у них больше (если сравнивать «банки» с одинаковым типом химии). В остальном модели обоих типоразмеров идентичны и одинаково хорошо подходят для сборки АКБ.

Выбираем между большой емкостью и токоотдачей

В зависимости от того, где и для чего будет использоваться аккумуляторная батарея, на первый план выходит или увеличенный запас емкости, или высокие нагрузки по току. От этого выбора зависит, какой тип химии вам нужен:

1. IMR – литий-ионные аккумуляторы с марганцем. При скромной емкости и ресурсе около 700 циклов они впечатляют допустимыми токовыми нагрузками – до 10С и даже до 40С в импульсном режиме. Это те самые высокотоковые модели, рассчитанные на стабильную токоотдачу в устройствах с активным энергопотреблением. Они отлично подходят для оснащения персонального электротранспорта, портативного электроинструмента, медицинской техники.
2. ICR – «банки» с кобальтом, рекордсмены по удельной емкости. Токоотдача у них скромная – 1С. Ресурс хороший – 500–1000 циклов. Такие элементы питания применяются в устройствах с незначительным потреблением тока, например, в ноутбуках и фотоаппаратах.
3. INR или NMC– универсальные модели с никелем, марганцем и кобальтом. Характеристики у них сбалансированы: хороший запас емкости, высокая токоотдача, ресурс свыше 1000 циклов и широкий температурный диапазон.
4. NCR или NCA – емкие модели с никелем, кобальтом и оксидом алюминия. Рассчитаны на небольшие токовые нагрузки – около 1С. Сохраняют исходные характеристики в течение 500 циклов и более. Востребованы в медицине и промышленности.

Схема соединения

Чтобы собрать аккумуляторную батарею своими руками, нужно определить оптимальную схему соединения ячеек. Она зависит от того, какими должны быть емкость и вольтаж готовой АКБ, и какие характеристики у используемых вами элементов питания. Напряжение у Li-ion «банок» всех размеров одинаково и составляет 3,6 или 3,7 В. Оно ниже только у моделей подвида LiFePO4 (3,2 В) и LTO (2,3–2,4 В). Емкость аккумов бывает разной – в зависимости от их размеров и химического состава. Допустимые разрядные токи также зависят от типа химии.

Для увеличения емкости элементы соединяются параллельно, а для получения нужного вольтажа выполняется последовательное соединение этих серий. Количество последовательных соединений указывается цифрой возле буквы S, а число параллельных соединений в отдельно взятой серии – цифрой возле буквы Р. Например, схема 3S10P означает, что в батарее последовательно соединено 3 серии, в каждой из которой параллельно собрано по 10 аккумов.

Аккумулятор VIPOW 18650 Li-ion 3,7 Вольт 1500 мА*ч

Артикул:2436

В наличии

172

В корзину

Аккумулятор Tesla 2G 21700 Li-ion 3,7 Вольт 5000 мА*ч

Артикул:2467

В наличии

497

В корзину

Аккумулятор Sanyo NCR18650GA Li-ion 3,7 Вольт 3500 мА*ч

Артикул:2481

В наличии

560

В корзину

Аккумулятор DLG 18650 Li-ion 3,7 Вольт 3200 мА*ч

Артикул:2953

В наличии

392

В корзину

Пример расчета Li-ion батареи

Предположим, что вы хотите сделать своими руками из аккумуляторов Tesla 21700 напряжением 3,7 В и емкостью 4800 мА·ч батарею с характеристиками 48 В и 24000 мА·ч. Получаем:

• 24000/4800=5;
• 48/3,7≈13.

Значит, нам подходит схема сборки 13S5P. Для получения заданных характеристик нужно последовательно соединить 13 серий, в каждой из которых будет параллельно соединено по 5 «банок». Всего для сборки понадобится 13х5=65 элементов. Мощность такой АКБ составит 24 А·ч х 48 В = 1152 Вт·ч.

Алгоритм сборки АКБ

Опишем пошагово, как сделать из аккумуляторов 18650, 21700 или другого типоразмера Li-ion батарею:

1. Решаем, какие «банки» будем использовать: какого размера и бренда, с каким запасом емкости и допустимыми нагрузками по току.
2. Рассчитываем схему сборки.
3. Отбираем необходимое количество элементов с одинаковыми значениями внутреннего сопротивления и емкости. Выравниваем их вольтаж, используя зарядку.
4. Подготавливаем никелевую ленту, аппарат для точечной сварки, BMS плату, паяльные принадлежности, силиконовые AWG провода с разъемами ХТ60-мама, выключатель и индикатор заряда. Для упаковки будущей батарейки подготавливаем стеклотекстолит толщиной около 2 мм, термоусадочную трубку подходящих размеров и промышленный фен.
5. В соответствии с выбранной схемой сборки компонуем батарею.
6. Нарезаем никелевую ленту на полосы нужной длины, с запасом около 1 см.
7. Накладываем их на контакты элементов. Проверяем, правильно ли расположены полосы, и аккуратно привариваем их.
8. К выходам АКБ припаиваем BMS плату. Она будет отслеживать рабочие параметры, не допуская перегрузок по току, глубокого разряда, перезаряда, КЗ и других опасных состояний.
9. Припаиваем AWG провода с разъемами ХТ60-мама – для подключения батареи к зарядному устройству и потребителям тока.
10. Устанавливаем индикатор заряда и выключатель.
11. Проверяем, как работает готовая батарея – заряжаем ее и выполняем несколько циклов разряд-заряд, контролируя температуру элементов и соединений. В идеале – используем нагрузочный стенд и строим график разряда по результатам испытаний под заданной нагрузкой.
12. Исправно работающую АКБ упаковываем в стеклотекстолит и термоусадочную трубку. Помещаем в нее батарею и нагреваем материал феном, чтобы он дал усадку и обеспечил надежную герметизацию. Затем помещаем АКБ в нейлоновую сумку или ударопрочный корпус.

Пайка вместо точечной сварки

Для сборки самодельных батарей в домашних условиях нередко используют обычный паяльник и соединительные провода. Такой метод допустим, но важно избежать перегрева элементов. Для этого необходимо контролировать температуру и свести к минимуму время воздействия паяльника на ячейки. Для быстрой и качественной пайки обычно используют флюс для алюминия.

Ранее в блоге VirtusTec.ru вышла статья об источниках бесперебойного питания с возможностью подключения солнечной панели.