7 шагов по сборке самого безопасного литий-ионного аккумулятора своими руками

• Шаг 1 – выбор аккумуляторов
• Шаг 2 – выбор схемы соединения
• Шаг 3 – тестирование и сортировка аккумуляторов
• Шаг 4 – комплектовка
• Шаг 5 – соединение элементов
• Шаг 6 – присоединение силовых проводов и BMS
• Шаг 7 – проверка и упаковка

Собрать из Li-ion аккумуляторов исправно работающую батарею – вполне выполнимая миссия. Причем изготовить литиевую АКБ можно своими руками, в домашних условиях и под любые задачи – хоть для питания портативного шуруповерта, хоть для получения переносной электростанции. Для этого нужно выполнить всего 7 шагов, описанию которых и посвящена данная статья.

Шаг 1 – выбор аккумуляторов

От назначения АКБ напрямую зависит, какие элементы питания нам понадобятся. Литиевые аккумуляторы бывают разных подвидов:

1. Высокотоковые модели с типом химии IMR – благодаря содержанию марганца они легко выдерживают токовые нагрузки до 10С, а в импульсном режиме и до 40С. Это отличная начинка для АКБ, используемых в персональном электротранспорте, медтехнике и портативном электроинструменте.

1. «Запасливые» аккумуляторы категории ICR – содержание кобальта обеспечивает им максимальную удельную емкость. Для интенсивной токоотдачи такие накопители энергии не подходят, зато они востребованы в экономичных электронных устройствах.

1. «Универсалы» с типом химии INR или NMC – формула с никелем, марганцем и кобальтом обеспечивает им баланс между солидным запасом емкости и интенсивной токоотдачей.
2. Емкие модели подвида NCR или NCA – формула с никелем, кобальтом и оксидом алюминия обеспечивает им уклон в сторону увеличенной емкости. Такие накопители подходят для устройств с небольшим потреблением энергии – в пределах 1С. Например, аккумулятор емкостью 3000 мА·ч может обеспечивать токоотдачу до 3 А.

В таблице приведены примеры Li-ion аккумуляторов форм-фактора 18650 и их характеристики:

Шаг 2 – выбор схемы соединения

Принцип соединения литиевых аккумуляторов универсален и подходит для сборки батарей любых размеров. Вначале выполняется параллельное соединение элементов в секции, а затем эти секции соединяются последовательно. При параллельном наборе «банок» суммируется их емкость и возрастает максимальная токоотдача, а при последовательном соединении образованных серий набирается необходимый вольтаж.

В результате из литий-ионных элементов с напряжением 3,6 или 3,7 В можно собрать АКБ на 12, 24, 36, 48, 60 В и т.д. Аналогично можно нарастить и емкость. Например, берем «банки» форм-фактора 18650 емкостью 2500 мА·ч и соединяем их по схеме 10S2P: последовательно соединяем 10 секций, в каждой из которых – пара параллельно соединенных элементов. В итоге получаем сборку на 36 В с запасом емкости 5000 мА·ч.

В целом при выборе схемы учитываются:

• необходимый вольтаж АКБ – от него зависит, сколько будет последовательных соединений (обозначается числом возле S);
• желаемый запас емкости – определяется количеством параллельно соединенных «банок» в каждой секции (обозначается числом возле Р);
• мощность батареи в ватт-часах – рассчитывается умножением ее номинального напряжения в вольтах на емкость в ампер-часах;
• допустимые размеры и масса АКБ – например, для установки на электровелосипед или электросамокат нужна литий-ионная батарея со сбалансированным соотношением емкости и компактности.

Шаг 3 – тестирование и сортировка аккумуляторов

Для соединения в батарею нужны литиевые аккумуляторы, одинаковые по внутреннему сопротивлению и емкости. Желательно использовать элементы не только одного бренда и модели, но и одной серии. Тогда все они будут работать на равных, и вам не придется ремонтировать или менять батарею из-за того, что какая-то ячейка не справляется со своими задачами и делает неработоспособной всю АКБ.

Количество необходимых «банок» зависит от схемы сборки. Чтобы рассчитать его, просто умножаем указанные в схеме числа. Например, для изготовления литий-ионной батареи 4S3P необходимо 12 элементов. Это должны быть незащищенные аккумуляторы – без собственных плат защиты. Для отслеживания рабочих параметров у них будет общая БМС плата.

Шаг 4 – комплектовка

Собираем АКБ по подходящей для конкретного случая схеме (условно – xSyP), используя отсортированные ранее «банки». Набираем х секций, в каждой из которых будет y параллельно соединенных элементов. Затем эти секции соединяем последовательно. Это универсальный алгоритм, как собрать АКБ из литий-ионных аккумуляторов. Параллельно продумываем, как нам лучше расположить «банки», чтобы рационально использовать пространство корпуса.

Шаг 5 – соединение элементов

Собирать литиевые аккумуляторы можно по-разному: с помощью неодимовых магнитов, соединительных пластин и болтов, пайки или точечной сварки. Последний вариант наиболее универсален и практичен. Нужно только нарезать полосы никелевой ленты, правильно наложить их на контакты и приварить, используя аппарат контактной сварки. В результате получаем надежное соединение без риска перегрева.

В домашних условиях вместо точечной сварки обычно используют паяльник на 80–100 Вт и активный флюс ЛТИ-120. Его аккуратно наносят кисточкой или ватной палочкой на предварительно зашкуренные контакты. Лужение выполняют кратковременно, 2–3 секунды, чтобы не допустить перегрева. Провода вначале нагревают жалом паяльника, а потом быстро припаивают. Излишки флюса удаляют растворителем.

Проще всего собрать литиевую АКБ из элементов питания LiFePO4 с предусмотренным монтажным крепежом. Таким аккумуляторам не нужна ни пайка, ни сварка. У них предусмотрены резьбовые клеммы и крепежные болты. Для соединения используются переходные пластины, которые быстро и надежно фиксируются болтами.

К тому же, литий-железо-фосфатные АКБ – самые безопасные из литиевых батарей. Они морозоустойчивы, имеют ресурс более 2000 циклов заряд-разряд и обеспечивают стабильно высокую токоотдачу. Но напряжение у них ниже, чем у остальных литий-ионных элементов, и составляет 3,2 вольта.

Шаг 6 – присоединение силовых проводов и BMS

Для подключения зарядного устройства и нагрузки АКБ нужны силиконовые AWG провода с разъемами ХТ60. Для отслеживания параметров работы и их поддержания в безопасном диапазоне батарея дополняется BMS платой. Это она отключает АКБ от нагрузки или зарядки, когда напряжение достигает граничного значения. Конечно, функционал БМС контроллера этим не ограничивается и включает дополнительные возможности.

Шаг 7 – проверка и упаковка

Готовую батарею нужно зарядить и проверить, как она работает под нагрузкой. Если все сделали правильно, температура в норме и никаких переделок не требуется, упаковываем и герметизируем полученную сборку, используя широкую термоусадочную трубку.

Ранее мы опубликовали в блоге VirtusTec.ru статью об автономных передвижных источниках питания.