Топ-5 ошибок при пайке аккумуляторных сборок и как их избежать

Сборка аккумуляторной батареи из ячеек 18650 или другого форм-фактора – это интересное и полезное занятие. Главное – учесть возможные ошибки и не допускать их, чтобы избежать повреждения аккумуляторов и других рисков. При использовании качественных компонентов и четком соблюдении технологии сборки Li-ion батареи радуют высокой эффективностью и долгим сроком службы.

Собрать литий-ионную АКБ можно для разных устройств, например, для портативного электроинструмента, источника бесперебойного питания, переносной зарядной станции, электросамоката, электровелосипеда и т.д. Схема соединения ячеек (универсальное обозначение – xSyP) может быть любой и зависит от того, во сколько раз нужно увеличить значения их напряжения (коэффициент x) и емкости (коэффициент y).

Для увеличения напряжения используется последовательное соединение (S), для суммирования емкости и возрастания допустимых токовых нагрузок – параллельное (P). Если же нужно нарастить и вольтаж, и емкость, используется смешанная схема (xSyP). Например, элементы питания вначале соединяют параллельно, а затем полученные линии – последовательно. На первый взгляд все просто, и это действительно так. Но есть некоторые нюансы, которые важно учитывать при проектировании и изготовлении литиевых АКБ.

Ошибка №1 – некачественные компоненты

Характеристики собираемой Li-ion батареи во многом зависят от параметров используемых компонентов:

1. Аккумуляторы (ячейки). Для электрического соединения в аккумуляторную батарею нужны незащищенные элементы питания (без собственных плат защиты) с подходящим типом химии. Например, высотоковые INR, IMR, NCR, IFR ячейки отлично подходят для питания мощных устройств и устойчивы к перегреву при высоких токовых нагрузках. Если же вместо большой токоотдачи нужна высокая плотность энергии, предпочтительны емкостные ICR ячейки.

В любом случае, аккумуляторы должны быть одинаковы по всем параметрам – от типоразмера до формулы катодного материала и значения внутреннего сопротивления. Желательно использовать ячейки из одной партии. И даже в этом случае их нужно тщательно тестировать, отбирая полностью идентичные. Использовать старые элементы питания не рекомендуется, т.к. собрать из них емкую и долговечную батарею не получится. Со временем Li-ion аккумуляторы теряют исходные характеристики, даже если они не использовались и не выработали свой ресурс.

2. Никелевая лента или провод для электрического соединения. Ленту желательно брать из чистого никеля, а не из никелированной стали. Иначе из-за большего электрического сопротивления при зарядке и разрядке АКБ будет выделяться больше тепла, а высокие температуры Li-ion аккумуляторам не полезны. Также важно выбирать размеры никелевых полос по номиналу тока. Если используете провод, тоже берите достаточно толстый, соответствующий будущим нагрузкам – с 3-кратным запасом относительно расчетного значения.
3. BMS плата. Защитную плату нужно выбирать по типу соединяемых элементов (Li-ion или LiFePO4) и количеству последовательных соединений в сборке, с учетом рабочего тока и допустимых пиковых нагрузок. Например, если вы собираете АКБ из высокотоковых Li-ion ячеек, диапазон их рабочих напряжений составляет от 2,55–2,75 до 4,2 В на элемент, долговременный рабочий ток может достигать 10С, а кратковременные нагрузки – 30С. Если батарею из таких элементов оснастить БМС платой с меньшими значениями допустимых токов, при повышенных нагрузках она будет понапрасну уходить в защиту и не даст полноценно использовать возможности АКБ.

Ошибка №2 – нарушение технологии сборки

Один из самых распространенных и спорных вопросов – можно ли паять аккумуляторные «батарейки» Li-ion типа? Если выбирать между паяльником и аппаратом для точечной сварки, предпочтителен второй вариант. Пайку использовать нежелательно, чтобы не перегревать ячейки, т.к. перегрев нарушает их внутреннюю структуру, снижает технические характеристики и даже может спровоцировать возгорание.

Но можно ли паять аккумуляторы 18650 и других форм-факторов так, чтобы не навредить им и себе? При отсутствии аппарата для контактной сварки это допустимо, но только так, чтобы и ячейки не перегревались, и соединения получались надежные, без проблем выдерживающие рабочие токи. Будьте внимательные и аккуратны при соединении контактов. Четко следуйте выбранной схеме. Чтобы исключить риск короткого замыкания, исключите случайные касания контактов никелевыми полосами.

Ошибка №3 – проблемы с пайкой аккумуляторов

В вопросе, как правильно паять аккумуляторы 18650 или другого типоразмера, есть несколько важных моментов:

1. Чистота соединяемых поверхностей, отсутствие на них пыли, окислов, признаков коррозии и других загрязнений. Для очистки контактов и никелевых полос можно воспользоваться специальным очистителем или изопропиловым спиртом.
2. Нанесение на контакты флюса – для качественной адгезии и недопущения появления окислов.
3. Использование проверенных припоев, табу на сомнительные сплавы. Это важно для получения хорошего контакта, надежных и долговечных соединений, профилактики коррозии и распайки под нагрузкой.
4. Корректная дозировка припоя – использование минимально необходимого количества, с постепенным нанесением. В таком случае и контакт будет хорошим, и не будет избыточного припоя, провоцирующего КЗ. На плюсовые клеммы можно предварительно наклеить кусочки изоленты с предварительно прорезанными отверстиями в местах пайки, чтобы исключить попадание припоя на окружающие области.
5. Пайка мощным паяльником (100 Вт и более) с крупным медным жалом и опцией контроля температуры. Иначе нагрев будет медленным, и возрастет риск перегрева.
6. Секундные касания жала – чтобы исключить распространение тепла вглубь ячеек.

Ошибка №4 – непродуманная схема соединения ячеек

Перед непосредственной пайкой или точечной сваркой литиевых элементов нужно продумать, как их лучше расположить для реализации выбранной схемы. Это особенно важно, если будущая батарея должна поместиться в имеющийся корпус или аккумуляторный отсек.

При последовательной коммутации элементов положительная клемма каждой предыдущей ячейки соединяется с отрицательной клеммой последующей. При параллельном соединении коммутируются однополюсные клеммы всех ячеек. Для реализации смешанных схем есть 2 метода:

1. Вначале выполняются последовательные соединения, а затем полученные цепочки соединяют параллельно.
2. Вначале составляют линии-параллели, а потом их соединяют последовательно.

Например, мы собираем Li-ion батарею из цилиндрических ячеек типоразмера 18650 номинальным напряжением 3,7 В и емкостью 3500 мА·ч. Чтобы получить вольтаж 48 В и емкость 14 мА·ч, используем схему сборки 13S4P. Значит, для формирования аккумуляторного блока с такими параметрами нужно последовательно соединить 13 серий, в каждой из которых параллельно соединено 4 ячейки. Суммарно нужно корректно расположить и соединить 13х4=52 ячейки. Делаем это так:

1. Размещаем первую серию из 4 ячеек плюсовыми контактами вверх. Для удобства используем холдеры.
2. Вторую серию из 4 ячеек устанавливаем ниже первой, минусовыми клеммами вверх.
3. Продолжаем в аналогичной последовательности: все нечетные линии устанавливаем, как первую, все четные – как вторую.
4. Нарезаем никелевые полосы нужной длины.
5. Выполняем электрическое соединение ячеек. Вначале соединяем четверки-параллели, а затем последовательно объединяем их в единую АКБ. Соединяем минусовой вывод 1-й четверки-параллели с плюсовым выводом 2-й четверки, затем минусовой вывод 2-й линии – с плюсовым выводом 3-й четверки-параллели и т.д.
6. Присоединяем БМС плату.

Ошибка №5 – пренебрежение рисками

При сборке АКБ необходимо соблюдать правила безопасности. Работать нужно в очках, диэлектрических перчатках и маске для лица, в помещении с нормальной вентиляцией, на чистом столе с хорошим освещением и удобным расположением всех необходимых инструментов, комплектующих и расходных материалов. Важно строго соблюдать требования к быстрой пайке и идентичности соединяемых ячеек, следить за соблюдением полярности, быть внимательным и сосредоточенным.

На собранную батарею необходимо установить подходящую по всем параметрам BMS плату. Перед эксплуатацией аккумуляторную батарею важно протестировать: проверить, как она ведет себя при зарядке и питании нагрузки, не перегревается ли, выдает ли расчетную емкость. Для защиты от внешних воздействий готовую литиевую АКБ нужно поместить в термоусадочную трубку большого диаметра и в прочный корпус. Его можно купить или напечатать на 3D принтере.

Выводы

Итак, мы привели наиболее важные рекомендации о том, как нужно и как не нужно собирать «батарейки» Li-ion типа. Залог успеха в этом деле зависит от 3 основных составляющих: качественные комплектующие с подходящими параметрами + правильно подобранная схема + соблюдение технологии сборки.

Что касается непосредственно пайки, она допустима, но только при условии кратковременного (секундного) воздействия на контактные площадки Li-ion элементов. Иначе, в лучшем случае, нагрев приведет к снижению рабочих характеристик аккумуляторов, а в худшем – произойдет тепловой разгон и возгорание перегретой ячейки.

Ранее в блоге VirtusTec.ru вышла статья о тяговых батареях для складской техники со сравнением гелевых и литиевых моделей.