Как соединить аккумуляторы 18650 между собой

33

Изготовление сменного батарейного блока к запасному Li-Ion аккумулятору для Ni-Cd шуруповерта, с использованием холдера для 18650 Li-Ion аккумуляторов

Это 2-я часть обзора о запасном Li аккумуляторе для Ni-Cd шуруповерта Black&Decker. В 1-й части я делал корпус аккумулятора с защелками, ставил в него плату защиты, вольтметр-пищалку и адаптер для работы с Li-Ion батарейным блоком от шуруповерта DeWALT. Сегодня я расскажу о новом захватывающем DIY проекте – сменном батарейном блоке на базе холдера (кассеты) для 18650 Li-Ion аккумуляторов. А также — какие холдеры можно, на мой взгляд, использовать в шуруповертах и почему (немного теории). Как доработать правильный холдер (практический пример).
UPD: Незапланированный тест холдера на устойчивость к короткому замыканию и его результаты

Холдеры (они же кассеты, держатели, или боксы) – это самый простой и безопасный способ соединить между собой цилиндрические Li-Ion аккумуляторы. Простой, потому что не требуется оборудование точечной сварки (стандартный промышленный способ соединения Li-Ion банок в сборке). Безопасный, потому что ни варить, ни паять сами банки не нужно. Не имея опыта пайки лития, есть серьезный риск убить достаточно дорогие аккумуляторы. Чтобы паять литий, нужна набитая рука, мощный паяльник и соблюдение правильной техники для исключения перегрева корпуса банок в процессе пайки. Также холдеры имеют весомый плюс по сравнению с пайкой или сваркой, создающей неразъемное соединение элементов – в холдере все банки можно легко и быстро заменить.

Из-за удобства их применения холдеры давно и успешно используют во всяких DIY проектах: пауэрбанках, зарядках, источниках автономного питания и пр. Так же давно холдеры пытаются использовать и для переделки шуруповертов на литиевое питание, но результаты получаются положительными не всегда.
В чем же проблема с использованием холдеров для аккумулятора шуруповерта? Во-первых, при высоких рабочих токах шуруповерта контакты холдера сильно нагреваются. Из-за этого пластиковый корпус холдера плавится, что приводит к его разрушению и выходу аккумулятора из строя. Во-вторых, шуруповерт теряет мощность, т.к. значительная часть энергии банок уходит на нагрев контактных проводников холдера. Особенно это касается холдеров с круглыми пружинами, на которых заметно падает напряжение из-за большой длины и малого сечения пружинок. Итак, общее проблемное место всех холдеров — это их контакты, что ограничивает возможности использования холдеров в устройствах с высоким током потребления.

Означает ли это, что использовать холдеры для шуруповерта в принципе нельзя?

Утверждать столь категорично я бы не стал. Некоторые типы холдеров, после несложной доработки, использовать вполне возможно. Но обязательно нужно учитывать максимальный ток шуруповерта, с которым их планируется применять.

Какие бывают холдеры (кассеты) для 18650 Li-Ion аккумуляторов?

Чаще всего встречаются такие.

Я условно пронумеровал их как №1, 2, 3.

№1 это холдер с круглыми пружинами.

№ 2 и 3 по сути один и тот же холдер с плоскими пружинами, различие только в форме выводов. У № 2 они узкие, а у № 3 широкие. Рядом с этими холдерами я добавил изображения их контактных ламелей.

Почему греются контакты холдера при высоких токах?

При прохождении по проводнику электрического тока происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока (закон Джоуля-Ленца, Q = I2rt).

Представим, что это контакт холдера (как отрезок проводника, включенный в общую цепь). Если в каком-то месте цепи сопротивление (r, Ом) будет выше, то проводник в этом месте будет греться сильнее.

От чего зависит сопротивление проводника? В основном от 2-х факторов (в дебри уходить не будем, это все же DIY обзор, а не научная статья) – от геометрии проводника и его удельного электрического сопротивления. Вот формула.

где r — сопротивление отрезка проводника; ρ — удельное сопротивление проводника; l — длина проводника; S — сечение проводника.

На какие мысли наводит эта формула?

Чтобы уменьшить r, нужно значение числителя (верхняя часть дроби) сделать как можно меньше, а знаменателя — как можно больше. С ρ мы ничего сделать не можем, что есть, с тем и работаем. А вот L можно уменьшить, сделав путь тока как можно короче. Применительно к плоскому ламелю холдера, это означает, что паять перемычку нужно как можно ближе к месту контакта ламеля с полюсом банки. Холдер с круглыми пружинами имеет большую длину L и соответственно повышенное сопротивление. Однако определяющее значение для выбора правильного холдера имеет сечение S контактного ламеля. Чем больше сечение, тем больший ток может выдержать холдер. На первый взгляд это просто, но есть и нюансы.

На фото холдеров вы наверно обратили внимание, что сечение ламеля на разных участках его длины разное. Что из этого следует? В той области, где сечение меньше, ламель будет греться больше. Кстати, на этом строится принцип работы плавкого предохранителя – где тонко, там и рвется.

А вот еще пример, из области автоэлектрики.

Несложно догадаться, что произойдет с тонким проводком при включении мощного потребителя.

Становится понятно, что соединять ламели холдера между собой нужно в их широкой части — от места контакта ламеля с полюсом банки до места сужения профиля ламеля.

Такой нестандартный способ соединения ламелей нужен только для работы на высоких токах. Для работы в пауэрбанке, например, штатного соединения (т.е. нижнего по рисунку) будет более чем достаточно.

А теперь отвлечемся на минуту от скучных формул.

На какой предмет похож контакт холдера № 2? Мне, как бывшему слесарю-сборщику РЭАиП, он напоминает бутылку (ну кто б сомневался).

Кстати, это наглядная визуализация английского термина bottleneck («узкое место»), применяемого в технических и других науках. Термин произошел из аналогии с узким горлышком бутылки, из-за чего не получается вылить или высыпать всё её содержимое сразу, даже если её перевернуть. При увеличении ширины горлышка увеличивается и скорость, с которой бутылка опустошается. Таким образом, «бутылочным горлышком» называют любой компонент системы, мощность (пропускная способность) которого меньше, чем потребность в нем.

Вот мы и подобрались вплотную к ответу на вопрос, какой тип холдера, с точки зрения банальной физики, лучше всего подходит для использования с шуруповертом. Таблица ниже поможет сделать выбор.

Холдеры с круглыми пружинами отбрасываем сразу. Самое малое сечение контактов из всех 3-х типов, это раз. Большая длина пружинок, значительное падение на них напряжения, это два. Популярная доработка (припаивание медного провода ко 2-му витку пружинок) ничего кардинально не изменит. Холдер №1 можно использовать только для сравнительно небольших токов, порядка 1 ампера, например, в пауэрбанках. Для питания шуруповертов они совершенно непригодны.

Теперь самое интересное. Какой холдер лучше, №2 или №3?

№2 имеет узкие выводы с сечением 0,62 кв.мм, немногим больше чем у холдера №1 (0,38 кв.мм). Такого сечения для питания шуруповерта также явно недостаточно, о чем красноречиво говорит проплавленный корпус холдера на фото ниже. Необходимо использовать нестандартное соединение в широкой части контакта. Плюс холдера №2 – самая большая площадь сечения (в широкой части контакта).

Холдер №3. С одной стороны, он имеет широкие выводы. Но вся их ценность смазывается заужением профиля в середине ламеля (помните про плавкий предохранитель?). Если соединять штатно, эффективное сечение будет всего лишь 1,08 кв.мм. Второй недостаток — сечение даже широкой части контакта холдера №3 на целых 39% меньше такого же сечения холдера №2. 1,9 кв.мм и 2,64 кв.мм соответственно.

Поскольку нагрев контактов сильно зависит от силы тока через них (помните про квадрат тока из формулы Джоуля-Ленца?), то для противодействия ему каждый дополнительный мм2 сечения контактов становится на вес золота. Поэтому лучшим холдером для высоких токов из 3-х перечисленных является тот, который имеет наибольшее сечение контактов в местах их соединения между собой.

Вывод: Для токов шуруповерта лучше подойдет холдер №2, при условии, что соединительные провода будут припаяны к его широкой части.

Следующий важный вопрос – какой ток, ограниченный допустимым нагревом, может на практике выдержать доработанный холдер №2? Такой эксперимент проводил уважаемый kirich в одном из своих обзоров. Вот его результаты.

Судя по термограмме, можно осторожно предположить, что и 20 ампер длительно не являются пределом для данного холдера, однако здесь мы уже упираемся в ограничения по максимальному току самих Li-Ion аккумуляторов форм-фактора 18650 (как правило, 30 ампер длительно).

Как альтернативный вариант, для увеличения токовой отдачи можно также использовать параллельно-последовательное соединение аккумуляторов в холдере. Например, xS2P соединение увеличивает отдаваемый батарейным блоком ток вдвое, xS3P — втрое, и т.д.

Кстати, многие думают, что чем мощнее аккумуляторный шуруповерт, то тем больше у него рабочие токи. Это не всегда так, бывает скорее наоборот. Вот пример. Посмотрите на таблицу со спецификациями моторов ф. Leshi Motor, которые ставились в Ni-Cd шуруповерты.

Мы видим, что 7.2В мотор имеет макс. ток 14,8А и мощность 67,5 Вт.
А 18В мотор имеет макс. ток 8,6А и мощность 113,7 Вт.
Удивительно, правда? Почему так? Здесь при меньшем макс. токе мощность больше за счет повышения напряжения питания (по формуле мощности P=IU).

Поскольку для холдеров критичным является именно ток, а не напряжение, это обстоятельство может в некоторых случаях расширить возможности применения холдеров для переделки на литий мощных 18 вольтовых Ni-Cd шуруповертов.

Ну и наконец, практическая часть.

Изготовление сменного батарейного блока на базе холдера №2

Напомню, что моем шуруповерте Black&Decker CD12C, для которого я делаю этот батарейный блок, стоит 12V двигатель с максимальным рабочим током 9.7А. Провода питания к этому двигателю имеют сечение 0,823 кв.мм (18AWG). Допустимую длительную токовую нагрузку проводов с разным сечением по стандарту AWG можно посмотреть здесь

Это холдер с аккумуляторами, которые я буду использовать. Ссылки на них привел в конце обзора.

Припаял выходные провода и перемычки к ламелям холдера в верхней части. Перемычки в точках 1S и 2S сделал из того же акустического медного провода сечением полтора квадрата, что и выходные провода. Для подключения точек соединения элементов к плате защиты и вольтметру припаял к перемычкам провода с наконечником типа РП-М (автоклемма).

Провода и перемычки не мешают установке аккумуляторов в холдер.

Для обратной совместимости с батарейным блоком от шуруповерта DeWALT DCD 710, который меньше по длине, сделал в адаптере разрезную фигурную вставку. Нижняя часть приклеена, а верхняя при установке холдера вынимается.

Оба блока рядом.

Батарейные блоки в адаптере меняются простой перестановкой.

Напоследок испытал новый батарейный блок в составе шуруповерта, закрутив и выкрутив без перерыва два десятка длинных саморезов, до отсечки на максимальном моменте трещотки. Ничего не задымилось и не расплавилось.
В каких же случаях можно использовать холдер вместо пайки/сварки банок? Мое личное мнение на этот счет таково: если холдер влезает в корпус старого аккумулятора и рабочий ток шуруповерта позволяет, тогда и можно ставить. А вот нужно ли ставить холдер или паять литий, каждый решает сам, в зависимости от своих убеждений и уровня подготовленности, здесь я рекомендовать ничего не могу. Для меня все определяется удобством и целесообразностью в каждом конкретном случае. Например, в корпус штатного Ni-Cd аккумулятора моего шуруповерта холдер не влезает и поэтому, если буду переделывать его на литий, то буду паять банки.

Заряжать вставленный в адаптер холдер с аккумуляторами можно теми же способами, что и батарейный блок DeWALT из прошлого обзора:

1) 12.6V зарядкой для 3S сборки литиевых аккумуляторов через штатный зарядный разъем шуруповерта. Например, зарядкой из обзора уважаемого kirich

2) Подходящей универсальной зарядкой для литиевых аккумуляторов через выходные клеммы или штатный зарядный разъем. Например, B6 mini.

3) Или можно вынуть аккумуляторы из холдера и зарядить их любой зарядкой для лития, вместе или по отдельности.

Список основных использованных материалов

UPD: Незапланированный тест холдера на устойчивость к короткому замыканию и его результаты

Хотя я и сделал защиту от себя дурака переполюсовки, в виде термоусадки разного цвета на наконечниках проводов (кроме силовых проводов адаптера, за что впоследствии и поплатился), но тем не менее на днях умудрился их перепутать. При нажатии кнопки шуруповерта послышался характерный «пшшш», сопровождаемый дымом и запахом горелой пластмассы.
Из видимых повреждений: в шуруповерте был пробит диод, а на плате защиты отпаялись силовые ключи и подгорели токоизмерительные резисторы. Таким образом, шуруповерт и плата защиты оказались выведены из строя. А вот с холдером ничего не случилось. Контакты холдера, провода с разъемами и аккумуляторы это испытание выдержали играючи.

СОЕДИНЕНИЕ ЛИТИЕВЫХ АКБ В ОДНУ БАТАРЕЮ

Литиевые аккумуляторы (например популярные 18650) можно соединять друг с другом как последовательно, так и параллельно. В зависимости от целей, каждое из этих решений имеет разные преимущества. Но в любом случае важно чтобы подключенные элементы:

• имели одинаковые параметры,
• имели одинаковый возраст,
• были заряжены до одинакового уровня,
• были механически хорошо соединены для выравнивания температур.

Последовательное соединение ячеек увеличивает напряжение в сборке, потому что результирующее напряжение является суммой напряжений каждого элемента. Емкость общего комплекта, выраженная в миллиампер-часах [мАч], будет такой же, как и у одиночного аккумулятора из этой сборки: получение постоянного тока от такого блока будет разряжать их одновременно с одиночным элементом. То есть и максимальный ток разряда будет таким же, как у одиночного элемента. А вот внутреннее сопротивление полученного таким образом блока увеличится, оно будет примерно равно сумме сопротивлений отдельных ячеек.

Параллельное соединение АКБ не изменяет напряжение схемы – оно будет как на одиночном элементе. Зато ёмкость общая будет больше, потому что такой блок сможет выдавать постоянный ток в течение более длительного времени, чем одна ячейка.

Максимальный ток разряда будет также увеличиваться, поскольку все элементы отдают ток одновременно. Внутреннее сопротивление полученного таким образом пакета будет меньше, примерно равным результирующему сопротивлению параллельного соединения внутренних сопротивлений отдельных ячеек. Формулы приводить не будем, чтоб упростить материал с сделать его более популярным.

И литий-ионные, и литий-полимерные аккумуляторы могут быть объединены в батареи. Напомним, что батарея – это сборка из нескольких элементов, потому и радиаторы отопления называют таким словом. А батарейка – это уменьшительное название от батареи. В случае же последовательно соединенных ячеек, для их правильной зарядки необходимо зарядное устройство с балансиром (например такое).

Зарядка параллельно соединенных ячеек теоретически не требует их отключения. Достаточно увеличить ток зарядки (но осторожно) или лучше подождать подольше, заряжаясь током как на одну ячейку в стандартном режиме.

Как подключить Li-Pol и Li-Ion элементы вместе

Подключение литиевых элементов параллельно и разрядный ток. Литиевые аккумуляторы можно подключать параллельно для увеличения разрядного тока. Если один элемент имеет допустимый ток разряда 1 А, то пакет из двух таких элементов может давать максимум 2 А. Правда должны быть соблюдены следующие условия:

• ячейки очень похожи должны быть, а желательно идентичны. Это должна быть такая же модель, тогда многие параметры будут одинаковыми.
• обе банки должны быть изношены в одинаковой степени, то есть старая не должна быть связана с новой. Чем старше элемент, тем больше будет его внутреннее сопротивление, поэтому он будет отдавать нагрузке меньший ток, чем новый.
• батареи должны быть заряжены в одинаковой степени. В противном случае АКБ с более высоким напряжением начнет неконтролируемо заряжать своего более слабого коллегу.
• температура ячеек должна быть максимально близкой. Если это не так, их внутренние сопротивления будут разными, и они начнут работать в неодинаковой степени. Лучше всего смотать их скотчем, чтобы они нагревались и охлаждались с одинаковой скоростью.

Чтобы получить более высокий ток разряда, например в электронных сигаретах или в квадрокоптерах, лучше подключать литий-полимерные (Li-Pol) элементы, чем литий-ионные (Li-Ion). У них гораздо более высокий допустимый ток разряда, порядка десятка или даже нескольких десятков ампер. Параллельно соединенные элементы можно заряжать, не отключая их предварительно. Если они имеют одинаковые параметры, зарядное устройство должно само правильно определить окончание процесса зарядки. Просто помните, что всегда время зарядки можно увеличить вдвое, если нельзя увеличить зарядный ток.

Для соединения ячеек чаще всего используют сварку и пластины соответствующего сечения. Помните, что литиевые элементы имеют высокие токи короткого замыкания, что может привести к возгоранию. Перегруженный элемент или перегретый могут взорваться или загореться. К счастью многие АКБ имеют встроенную тепловую защиту, а некоторые и электронную защиту от перезарядки и переразряда.

Изменение общей ёмкости батареи

Теперь стоит рассмотреть как изменяется емкость, выраженная в Вт · ч, при параллельном и последовательном подключении. Предположим у нас есть два литий-ионных АКБ 18650 на 2,2 Ач 3,7 В, выражая емкость элемента в Втч, мы умножаем 2,2 Ач х 3,7 В, значит емкость одного элемента составляет 8,14 Втч.

• Когда соединяем ячейки параллельно, получаем пакет 4,4 Ач 3,7 В, то есть 16,28 Втч.
• Когда соединяем ячейки последовательно, получаем пакет 2,2 Ач 7,4 В, то есть 16,28 Втч.

Как соединять АКБ

Вот несколько советов о том, как соединить литиевые аккумуляторы типа 18650:

• лучше брать батареи от приличных фирм Panasonic, LG, Samsung или Sanyo;
• никелевые полосы соединители лучше чем никелированные металлические;
• аккумуляторы нельзя перегревать, используйте точечную сварку или быструю пайку;
• перед соединением выравняйте напряжение на батареях с помощью зарядного устройства;
• лучше поставьте на сборку плату электронного балансира BMS.

Вот собственно и вся наука, а если что осталось неясным – можете пролистать наш форум по источникам питания и найти ответы на большинство вопросов.

Пайка Li-ion 18650 — как?

Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!

Войти

Уже есть аккаунт? Войти в систему.

Последние посетители 0 пользователей онлайн

Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу

• Уже зарегистрированы? Войти
• Регистрация

Главная

Активность

• Создать.

Важная информация

Мы разместили cookie-файлы на ваше устройство, чтобы помочь сделать этот сайт лучше. Вы можете изменить свои настройки cookie-файлов, или продолжить без изменения настроек.

Как сделать контактную сварку для аккумуляторов 18650 своими руками

Иногда нужно соединить несколько литий-ионных аккумуляторов в одну батарею. Это лучше всего сделать при помощи металлической полосы, привариваемой с помощью точечной сварки к банке. Если подобные операции приходится делать часто, можно собрать приспособление для точечной сварки аккумуляторов 18650 своими руками.

Чем опасна пайка для литиевых банок

Паять литий-ионные аккумуляторы не рекомендуется, так как при пайке банка может перегреться. Из-за этого АКБ теряет емкость и может выйти из строя. Кроме того в элементах 18650, под положительным выводом, устанавливается предохранительный клапан. Он изготавливается из пластмассы и его максимально допустимая температура равна 120 градусов.

Если другого выхода нет, то можно попробовать паять. При этом важно выполнить следующие условия:

• быть очень осторожным, уметь хорошо и быстро паять;
• использовать паяльник большой мощности, не менее 80 Вт;
• применять легкоплавкий припой;
• нельзя касаться аккумулятора дольше пары секунд.

Точечная сварка из конденсаторов

Простой аппарат контактной сварки для аккумуляторов 18650 можно собрать за час. Для этого нам понадобится:

• трансформатор, напряжение на выходе вторичной обмотки которого находится в диапазоне от 15 до 25 В;
• 4 конденсатора на 2200 мкФ рассчитанные на 35 В;
• кнопка;
• соединительные провода;
• толстая медная проволока для электродов;
• 4 диода для сборки выпрямителя или диодный мост.

Аппарат для точечной сварки будем собирать по следующей схеме:

Чтобы начать работать с данным устройством, нажимаем на кнопку. Когда конденсаторы зарядятся отпускаем кнопку. После этого кладем полосу на аккумулятор и прижимаем их сварочной вилкой. При этом произойдет короткое замыкание, между контактами пойдет большой ток и металлы приварятся друг к другу.

Пошаговая инструкция как собрать этот прибор:

• припаиваем конденсаторы параллельно друг к другу;

• к двум медным проводам припаиваем провода, идущие от конденсаторов;

• на провода надеваем пластмассовую заглушку и приклеиваем ее, чтобы провода не болтались;

• устанавливаем пластиковую трубку и сажаем ее на клей.

Чтобы сделать сварочный аппарат большей мощности, нужно увеличить суммарную емкость конденсаторов.

Аппарат для сварки аккумуляторов из трансформатора

Устройство для сварки 18650 аккумуляторов можно сделать из трансформатора микроволновки. Для этого нужно:

• аккуратно, чтобы не повредить первичную обмотку, удаляем вторичную, для этого спиливаем ее ножовкой по металлу с обеих сторон;

• высверливаем внутреннюю часть обмотки и с помощью отвертки избавляемся от остатков проводов;

• выбиваем перегородки между обмотками;

• из куска толстого сварочного провода делаем вторичную обмотку;

• первичная обмотка соединена с электрической сетью 220 В при помощи провода от микроволновки, но в разрыв ставим кнопку;

• из толстой медной проволоки делаем электроды и прикручиваем их к сварочным проводам, идущим от первичной обмотки;

• между электродами ставим пластиковую прокладку и заматываем все изолентой.

Для управления сварочным аппаратом и подачи напряжения в нужный момент подключите кнопку без фиксации с нормально-разомкнутыми контактами в разрыв одного из питающих проводов 220В. Тогда при нажатии на эту кнопку на трансформатор будет подаваться напряжение и будет происходить сварка. Если эту кнопку не поставить – вы не сможете контроллировать процесс сварки и на сварочных проводах всегда будет напряжение.

Чтобы сделать вторичную обмотку, необходимо намотать от 2 до 4 витков толстого провода. Чем их больше, тем выше напряжение на выходе и мощнее устройство.

Самый простой вариант – использовать автомобильный аккумулятор

Легче всего сделать сварочный аппарат из автомобильного аккумулятора. Для этого можно использовать:

• любой АКБ от машины;
• толстый многожильный провод;
• медный провод для электродов.

Сварочную головку можно сделать по любой схеме, приведенной выше, или сделать такую как показано на рисунке.

Концы многожильного провода одним концом, при помощи зажимов, крепятся к аккумулятору, а другим к сварочной головке. Теперь можно положить металлическую полосу на аккумулятор 18650 и варить.

При использовании аккумулятора на электродах постоянно присутствует напряжение, поэтому нужно быть внимательным и не допускать замыкания электродов через посторонние предметы.

Предлагаем посмотреть подробное видео о создании этой самоделки.

Как приварить полосы к аккумуляторам и соединить их между собой

Чтобы соединить аккумуляторы 18650 друг с другом, нужно взять металлическую ленту и расположить ее на АКБ. При этом батареи лучше предварительно примотать друг к другу изолентой или установить в холдеры. После этого располагаем металлическую ленту на батареи, прижимаем к ней электроды и пускаем ток.

При сварке следует учитывать, что при использовании прибора выдающего большую силу тока металлическую ленту легко прожечь.

Никелевая лента бывает разных размеров. Ее подбирают по току, который будет потреблять нагрузка из аккумуляторов. Ниже прилагаем таблицу для выбора ширины и толщины ленты по току.

Готовые решения на aliexpress

Если самому делать прибор не хочется, нет времени или есть иные причины, то можно купить готовый аппарат для точечной сварки на AliExpress. Приведем 5 наиболее популярных моделей.