Что внутри аккумулятора 18650 и почему это важно?
- Что внутри аккумулятора 18650 и почему это важно?
- ПТК (PTC)
- УПТ (CID)
- Соединение отдельных ячеек
- Как же все собирается?
Что внутри аккумулятора 18650 и почему это важно?
У сборщиков электробайков бум сборки собственных батарейных блоков из популярных аккумуляторов с ячейкой 18650 (длина 18мм, ширина 65мм), и я хочу поделиться своими находками о внутренностях 18650, чтобы вы поняли больше о правильных методах сборки самодельных батарейных блоков.
Зачем кому-то делать свою собственную сборку?
Поставщики существующих батарейных блоков производят (и держат на складе) только те блоки, которые они могут продать в достаточном количестве, ради которых стоит рисковать деньгами. Потому у них будут блоки только определенных размеров, форм и со специальными малобюджетными ячейками.
Никто не делает блоки именно под вашу форму и размер, а форма корпуса сильно отличается от одной модели к другой. И если сборщик остановился на покупке готового решения блока, в нем будет меньше вольт, меньше ампер, или меньше и того, и другого. Фото пожарного Барри Морфил (Barry Morfill) в Шрусбери, Великобритания.
Но… что если вы хотите блок с другими ячейками? Или, может, очень индивидуальную форму? Нет ничего «неправильного» в готовых решениях блоков, но… предполагая, что каждый, кто готов на проблемы и затратность собственной сборки, скорее всего хочет максимальной производительности. В конце концов, зачем идти на затраты и проблемы сборки, чтобы улучшить производительность до среднего уровня в стандартной сборке? Они уже существуют и становятся все более доступными. (Для индивидуальной сборки чаще всего используют сварочный аппарат для самодельных ячеек за 250$!)
Изображение индивидуальной сборки аккумулятора для определения максимального количества ячеек, фото Аллекса (Allexa) из Швеции. Я думаю, он мог бы поместить еще несколько ячеек, если бы перебросил поршень амортизатора к переднему краю
Третья причина (после «индивидуальных особенностей», и использования особых ячеек), это на данный момент международная доставка большого аккумулятора для электробайка вызывает большие трудности (а нормы и требования скорее всего будут только ужесточаться со временем). А что если вы живете в стране, куда основные поставщики аккумуляторных блоков для электробайков не смогут доставить продукцию? Тогда… вы не сможете достать ЛЮБОЙ готовый аккумуляторный блок. Вы можете достать все компоненты и собрать свой, но… возможности купить готовый аккумуляторный блок у вас нет.
Отрицательный корпус и короткое замыкание плеча
Я говорю об этом факте про ячейку 18650 в первую очередь потому, что… Я до сих пор встречаю людей, которых удивляет этот факт, когда они узнают, что короткое замыкание в корпусе ячейки 18650 может стоить вам проблем и денег. Это может разрушить весь дорогой блок и… даже привести к ПОЖАРУ!
«Плюс» и «минус» ячейки 18650. Единственное электрическое разделение между этими двумя компонентами — это черная пластиковая прокладка, показанная здесь, слева. ДА, вся боковая поверхность и низ ячейки это однопроводная металлическая оболочка, которая и является «минусом». Обычно он покрыт Поливинилхлоридом / ПВХ — «термоусадочной» оболочкой, где напечатана информация продавца.
Я видел несколько колпачков и оболочек, рекламируемых как нержавеющая сталь, но… вот цитата из поставщика деталей 18650:
«Корпус и колпачок изготовлены из никелированной стали A3, а изоляционная прокладка выполнена из нейлона»
Несмотря на то, что «возможно» провести ток с отрицательного плеча ячейки 18650 (чтобы «плюс» и «минус» были выведены из того же конца ячейки), это также означает, что вы используете бока корпуса как проводник. Оболочка из стали и ее проводимость примерно в 10 раз меньше меди, потому… неразумно называть стороны корпуса 18650 «резистором».
Я видел два способа в самодельных батарейных блоках, чтобы предотвратить короткое замыкание плеча, это… добавить самоклеящуюся изоляционную шайбу на «плюс» и… добавить
Если вы целенаправленно используете ток по бокам корпуса, это означает, что вы тратите мощность батареи на нагрев корпуса. Потраченная впустую мощность и нагрев ячейки это плохой дизайн. Всегда тяните «минус» от нижней части 18650, используя то, что имеет лучшую проводимость, чем сталь (алюминий или медь, как необработанные, так и никелированные).
ПТК (PTC)
Сразу под колпачком положительно электрода находится устройство «Положительного температурного коэффициента», это тонкий и компактный способ ограничить ток отдельной ячейки, когда величина тока вызывает нагрев верхней части аккумулятора.
ПТК это проводящая шайба, но при нагреве ее сопротивление значительно возрастает, так что меньший ток может пройти через ПТК. То есть, это почти самовозвратный прерыватель. Возникает вопрос, насколько он должен нагреться для активации?
Один вроде как надежный источник утверждает, что точка троттлинга тока активируется при 134C (273F). Если это правда для большинства аккумуляторов, я не представляю ситуацию, когда ПТК поможет …Возможно это позволяет дефектному аккумулятору нагреться до температуры газообразования электролита, и фактически рост давления газов активирует УПТ, обеспечивающий защиту. Тот же источник утверждает, что ПТК возвращается к исходным характеристикам тока, когда аккумулятор остывает.
Есть несколько ссылок, в которых говорится, что любая ячейка 18650 не должна нагреваться до температуры 60C (140F), если вы хотите сохранить долгий срок службы ячейки. Если вы знаете кого-то, чей блок нагрелся до большей температуры, и он гордится фактом все еще работающего блока, он может не осознавать, что существенно сократил потенциальный жизненный цикл дорогого блока батарей.
Tesla дает 8-летнюю гарантию на свои блоки, и они не только спроектировали блок, никогда не нагревающийся при нормальных условиях зарядки и разрядки, они также добавили систему охлаждения блоков, как сделали в Chevrolet Volt. Nissan Leaf был представлен без жидкостного охлаждения теплообменной системы для батарей, и они зависят от охлаждения атмосферным воздухом, что вызвало проблемы в летний период в регионах с очень жаркой погодой. Система Tesla охлаждает цель до 55C (131F), что соответствует общепризнанной безопасной максимальной температуре 60C (140F). Если они достигают срока службы своих блоков батарей более восьми лет, значит
УПТ (CID)
Это означает «Устройство прерывания тока». Это простое и компактное устройство, которое «щелкает» при достаточном давлении внутри аккумулятора, и расположено сразу под устройством ПТК. Есть несколько вариантов конструкции. Они действуют по одному принципу, но немного отличными способами. Единственная причина увеличения давления внутри аккумулятора — преобразование части электролита из вязкого геля (почти сухого) в газ под действием излишнего тепла.
Если это произошло… Я бы не восстанавливал УПТ и не пытался использовать этот аккумулятор снова (ячейки дешевы, и нет необходимости добавлять рискованную ячейку к дорогому блоку). УПТ не восстанавливается самостоятельно, но иногда… это можно сделать вручную. Я бы использовал такой аккумулятор в фонарике, но не в блоке для электровелосипеда. Минуту … в принципе … я бы выкинул этот мусор. Мне не нужны вспыхивающие фонарики. У меня есть доступ к множеству новых 18650, и я не хочу тратить даже минуту на смертельную борьбу со страховым агентом из-за пожара в доме.
УПТ в аккумуляторе 18650. На этом рисунке ПТК это темно-зеленая шайба между белым УПТ и красным колпачком (положительный электрод). Все внутри золотистого изолирующего уплотнителя это «плюс», а остальное серое вокруг — «минус».
УПТ это тонкий диск листового метала между колпачком положительного катода и остальными внутренностями аккумулятора. УПТ имеет углубление в центре, которое прижимается к другому металлическому диску, что создает проводник тока при нормальных условиях.
Разрывной диск с бороздкой
Обычные аккумуляторы НЕ имеют «разрывного диска». Если они нагреются до температуры кипения электролита и затем расширятся от растущего давления, их корпус расколется …
При боковом разрыве тепло будет направлено на соседний аккумулятор, что увеличивает вероятность неуправляемого термического расплавления (и возгорания). Вот исследование НАСА о «разрывных дисках», если
Цитата продавца комплектующих для изготовления 18650: «Предохранительный клапан откроется при 2.8МПа (клапан откроется для сброса внутреннего давления свыше 2.8МПа во избежание взрыва контейнера)»
МПа = мегапаскаль, 2.8 МПа = 406 фунтов на квадратный дюйм. Однако разрыв произойдет из-за разницы давления между тем, что внутри аккумулятора и снаружи. Я имею в виду, если вы в горах, где давление атмосферы ниже, аккумулятор разорвется при меньшем внутреннем давлении. Давление на уровне моря примерно 14.5 фунтов на кв. дюйм / 100 килопаскалей / 100 КПа.
Или у этого аккумулятора не было разрывного диска, или … отводы были запаяны так, что растущее давление не могло вырваться в направлении, как задумали дизайнеры. Попробуй объясни это жене когда ваш дом сгорит дотла…
Здесь техническая статья о случаях неуправляемого нагрева. Для меня самым интересным было то, что медная фольга в «рулете» расплавилась и образовались капли, то есть внутренняя температура достигала свыше 1085C (1985F).
Соединение отдельных ячеек
Этот раздел может показаться лишним, поскольку не описывает ничего ВНУТРИ ячейки 18650, но … важной причиной написания этой статьи является необходимость вступления к допустимым методам домашней сборки батарейных блоков с использованием ячеек 18650 [в следующей статье. Вставить ссылку здесь после публикации статьи].
Фото ниже это крупный план блока электромобиля Тесла. Электроды ячеек 18650 присоединены плавкой проволокой к толстой никелированной медной шине. Эти проволоки присоединены к полюсам ячеек ультразвуковой установкой для пайки (высокочастотной вибрацией), которая не нагревает даже верхний слой ячейки, а уж тем более и электролит.
Плавкая проволока присоединяет каждую ячейку Panasonic к шине Tesla.
Автомобили Tesla спроектированы извлекать «низкие амперы» из каждой ячейки (для обеспечения длительного срока работы и большого расстояния), поэтому…на удивление тонкий провод служит хорошим проводником тока (для получения высокой силы тока мотором, используются тысячи таких). Маленький диаметр плавкого провода означает, что в случае автомобильной аварии и короткого замыкания в одной (или больше) ячейке, любая ячейка подающая высокую силу тока нагреет плавкую проволоку достаточно … для очень быстрого расплавления предохранителя.
Внутреннее замыкание в ячейке очень маловероятно, но … какой бы ни была причина высокой силы тока, тепло расплавит плавкую проволоку, что отделит конкретную ячейку от блока. Одна из моделей Tesla содержит 74 ячейки в каждой из параллельных групп, значит…если в одной ячейке сработает предохранитель, эта параллельная группа будет нормально работать на оставшихся 73 ячейках.
Есть довольно много видео на youtube про использование дешевых б/у с малым пробегом ячеек 18650 и их сборки в систему хранения электричества для неэлектрифицированного дома. Предохранители менее необходимы в стационарной системе (дома не сталкиваются), но… это может быть простым и дешевым дополнением к вашему проекту, будь то дом или транспорт.
Если вы дочитаете дальше, вы увидите, что я НЕ рекомендую пайку к отрицательному аноду ячейки (плоский торец), но … в принципе … с правильными инструментами и технологией? Пайка плавкого провода к положительному катоду очень простая и довольно безопасная, без риска повреждения ячейки перегревом. После аварии поврежденная ячейка может быть легко отпаяна и заменена.
Подготовьте поверхности, нанесите немного паяльной пасты, установите плавкую проволоку в желаемое место и прижмите на секунду толстым жалом 100 Вт паяльника (тонкое жало остывает слишком быстро). Или используйте паяльную станцию, о которой я вскоре напишу. У вас есть аппарат для точечной сварки? Плавкая проволока может быть точечно приварена на положительный полюс любой ячейки 18650 (закрепите в двух точках).
Если вы хотите использовать плавкую проволоку в своем проекте, можно сплющить кончики плавкой проволоки для улучшения площади контакта с выступом положительного полюса 18650. Чтобы получить одинаковую толщину кончика плавкой проволоки, положите листы стали по бокам от плавкой проволоки и ударьте молотком. Лист металла для определенной толщины сплющенного кончика плавкой проволоки должен быть толщиной примерно от половины до трети диаметра сечения проволоки.
Индивидуальный предохранитель ячеек не связан с внутренним устройством 18650, но … эта мера предосторожности легко и дешево применяется в блоке ячеек 18650. Если вернуться выше к внутренней конструкции положительного полюса ячейки, вы увидите, что положительный конец электрода может немного нагреться без риска повреждения.
«Защищенная» цепь ячеек
Электровелосипедные блоки батарей делаются из НЕзащищенных ячеек, потому что система управления батареей и контроллер определяют сколько ампер будет извлечено. Я добавляю этот раздел статьи потому, что картинки в некоторых веб каталогах не показывают, что защищенные ячейки отличаются. Если вы покупаете ячейки для сборки блока для электровелосипеда, убедитесь, что вы не заказываете ячейки с защитной схемой.
Защитная схема на ячейке 18650 для продуктов без любых ограничений тока.
Защищенные ячейки также немного длиннее, чем 18650 без защитной схемы. этот ограничитель тока крепится к отрицательному электроду, и затем ток проходит через очень тонкую проводящую полоску по боковой стороне корпуса к положительному электроду (полоска показан на рисунке выше). Эта полоска обычно крепится к изнанке ложного колпачка, который надевается поверх заводского колпачка положительного электрода.
Верхняя часть плоская или с выступом
Некоторые фонарики (или другие коммерческие устройства) имеют цилиндрическое углубление внутри, где выступ «плюса» прижимается к контакту устройства. Это предотвращает любой контакт отрицательного электрода, если аккумулятор вставлен наоборот пьяным пользователем (Чего уставились? Я говорю не о себе…*не выдерживает и всхлипывает «Почему вы бросили меня… ПОЧЕМУ?»).
Такое защитное углубление означает, что аккумулятор 18650 с плоским полюсом также не будет подключен, даже при правильной установке. Для таких устройств нужно заказывать аккумулятор с выступом. У него есть дополнительный узкий колпачок, который выпирает чуть дальше. Это также делает 18650 с выступом длиннее, то есть его не стоит заказывать для сборки блока электровелосипеда.
18650 верх плоский и с выступом. Электровелосипеды используют аккумуляторы с плоской верхушкой.
Рулет
Если вы захотите разрезать аккумулятор 18650, тогда сначала … нужно полностью разрядить его для безопасности. Один из способов это прицепить его к лампе накаливания, например 12В автомобильной лампе заднего фонаря.12В светодиодная лампа не сработает, потому что ей нужно довольно точное напряжение, а вам нужно разрядить вольтаж до нуля. А очень большая лампа (как старая головного света) может вызвать перегрев аккумулятора, так что … маленькая 12В лампа накаливания безопаснее.
Конечно это также означает, что маленькая лампа накаливания будет дольше разряжать аккумулятор. Когда не будет видно ни малейшего свечения лампы, можно опустить ячейку в солевой раствор на ночь, чтобы убедиться в полной 100% разрядке.
Разрез спиральной намотки цилиндрической ячейки.
Чтобы разрезать металлический корпус 18650, я рекомендую дремель с тонким абразивным диском вместо трубореза. Труборез оставляет вмятины по краю разреза, что затрудняет удаление рулета. Когда вы достанете и начнете разворачивать рулет, вы заметите медную фольгу как основу химреагентов анода и алюминиевую фольгу как основу химреагентов катода.
В середине есть тонкий углеродный стержень, который соединяет край рулета и положительный катод (#13 на изображении патента ниже).
Полностью разрядите аккумулятор, наденьте перчатки и защиту для глаз, организуйте хорошую вентиляцию. Плюс … дождитесь, когда вашей жены не будет дома, и не говорите своей маме.
Внутри нижней части корпуса, Анод
После вскрытия аккумулятора вы увидите, что между рулетом и дном металлического корпуса есть только изолирующая шайба из тонкого пластика.
Одна из самых важных идей, которую я хочу донести в этой статье, при сборке множества ячеек в блок отрицательный анод (по бокам и снизу) наиболее чувствителен к нагреву.
Как же все собирается?
Вот пара изображений, которые помогут изложить суть. Они из официального патента Samsung на аккумулятор 18650. В верхней части над электролитом в рулете расположено много деталей, а внизу? Только тонкая пластиковая шайба … старая добрая #11.
Патент Samsung «US 20090117451 A1»
Если вы дочитали до этого места, вот еще статья о конструкции аккумулятора 18650 и технике безопасности от Д-ра Вэсселмарк (Wesselmark), которая имеет степень доктора наук в прикладной электрохимии, из Королевского института технологий, Стокгольм…в соавторстве с Томом О’Хара, имеющим более чем двадцатилетний опыт научно-исследовательской работы с батарейками Energizer.
Д-р Вэсселмарк или Том, вы прочли это? Я должен вам пиво, как Нильс Бор.
