чем соединить литиевые аккумуляторы
Ультрабюджетная точечная сварка литиевых аккумуляторов дома
В жизни каждого «радиогубителя» возникает момент, когда нужно сварить между собой несколько литиевых аккумуляторов — либо при ремонте сдохшей от возраста АКБ ноутбука, либо при сборке питания для очередной поделки. Паять «литий» 60-ваттным паяльником неудобно и страшновато — чуть перегреешь — и у тебя в руках дымовая граната, которую бесполезно тушить водой.
Коллективный опыт предлагает два варианта — либо отправиться на помойку в поисках старой микроволновки, раскурочить её и достать трансформатор, либо изрядно потратиться.
Мне совершенно не хотелось ради нескольких сварок в год искать трансформатор, пилить его и перематывать. Хотелось найти ультрадешёвый и ультрапростой способ сваривать аккумуляторы электрическим током.
Мощный низковольтный источник постоянного тока, доступный каждому — это обычная б.у. АКБ от машины. Готов поспорить, что он у вас уже есть где-то в кладовке или найдётся у соседа.
Чтобы сваривать аккумуляторы током от батареи, нам нужно будет выдавать ток короткими импульсами в считанные миллисекунды — иначе получим не сварку, а выжигание дыр в металле. Самый дешёвый и доступный способ коммутировать ток 12-вольтовой батареи — электромеханическое реле (соленоидное).
Проблема в том, что обычные автомобильные реле на 12 вольт рассчитаны максимум на 100 ампер, а токи короткого замыкания при сварке в разы больше. Есть риск, что якорь реле просто приварится. И тогда на просторах Алиэкспресс я наткнулся на мотоциклетные реле стартера. Подумалось, что если эти реле выдерживают ток стартера, причём много тысяч раз, то и для моих целей сгодится. Окончательно убедило вот это видео, где автор испытывает аналогичное реле:
Моё реле было куплено за 253 рубля и доехало до Москвы меньше, чем за 20 дней. Характеристики реле с сайта продавца:
Агрегат порадовал качеством — под контакты выведены два омеднённых резьбовых соединения, все провода — залиты компаундом для водонепроницаемости.
На скорую руку собрал «тестовый стенд», контакты реле замыкал вручную. Провод использовал одножильный, сечением 4 квадрата, зачищенные наконечники фиксировал клеммником. Для подстраховки снабдил одну из клемм к АКБ «страховочной петлёй» — если бы якорь реле решил бы пригореть и устроить короткое замыкание, я бы успел сдёрнуть клемму с АКБ за эту верёвку:
Испытания показали, что машинка работает на твёрдую пятёрку. Якорь очень громко стучит, а электроды дают чёткие вспышки; реле не пригорает. Чтобы не тратить никелевую полосу и не практиковаться на опасном литии, мучил лезвие канцелярского ножа. На фото вы видите несколько качественных точек и несколько передержанных:
Передержанные точки видны и на изнанке лезвия:
Едем дальше. Как показал эксперимент на лезвии, выдержать необходимую длину импульса для сварки вручную невозможно, надо делать управление от тактовой кнопки или на микроконтроллере.
Сначала нагородил простую схему на мощном транзисторе, но быстро вспомнил, что соленоид в реле хочет кушать аж 3 ампера. Порылся в ящике и нашёл взамен транзистору MOSFET IRF3205 и набросал простую схему с ним:
Схема довольно нехитрая — собственно, MOSFET, два резистора — на 1К и 10К, да диод, предохраняющий цепь от индуцированного соленоидом тока в момент обесточивания реле.
Сначала пробуем схему на фольге (с радостными щелчками жжёт дырки насквозь через несколько слоёв), потом достаём из загашника никелевую ленту для соединения аккумуляторных сборок. Коротко жмём кнопку, получаем громкую вспышку, и рассматриваем прожжённую дыру. Блокноту тоже досталось — прожгло не только никель, но и пару листов под ним 🙂
Даже сваренную двумя точками ленту разделить руками не выходит.
Очевидно, что схема работает, дело за тонкой настройкой «выдержки и экспозиции». Если верить экспериментам с осциллографом того же товарища с YouTube, у которого я подсмотрел идею с реле стартера, то на срыв якоря уходит около 21мс — от этого времени и будем плясать.
Дополняем схему — вместо нажатий кнопки вручную доверим отсчёт миллисекунд Ардуине. Нам понадобятся:
Заливаем в Arduino немудрёный код:
Затем подключаемся к Ардуине с помощью Serial monitor и поворотами потенциометра выставляем длину сварочного импульса. Я опытным путём подобрал длину в 25 миллисекунд, но в вашем случае задержка может быть иной.
По нажатию на спусковую кнопку Ардуино несколько раз пропищит, после чего включит на мгновение реле. Вам потребуется извести небольшое количество ленты перед тем, как вы подберёте оптимальную длину импульса — чтобы и сваривалось, и не прожигало дыры насквозь.
В результате имеем простую бесхитростную сварочную установку, которую легко разобрать:
Несколько важных слов о технике безопасности:
Особенности соединения и зарядки литиевых аккумуляторов
Есть два варианта соединения аккумуляторов, последовательное и параллельное. При последовательном соединении суммируется напряжение на всех аккумуляторах, при подключении нагрузки с каждого аккумулятора идет ток, равный общему току в цепи, в общем сопротивление нагрузки задает ток разряда. Это вы должны помнить со школы. Теперь самое интересное, емкость. Емкость сборки при таком соединении по хорошему равна емкости аккумулятора с самой маленькой емкостью. Представим, что все аккумуляторы заряжены на 100%. Смотрите, ток разряда у нас везде одинаковый, и первым разрядится аккумулятор с самой маленькой емкостью, это как минимум логично. И как только он разрядится, дальше нагружать данную сборку будет уже нельзя. Да, остальные аккумуляторы еще заряжены. Но если мы продолжим снимать ток, то наш слабый аккумулятор начнет переразряжаться, и выйдет из строя. То есть правильно считать, что емкость последовательно соединенной сборки равна емкости самого малоемкого, либо самого разряженного аккумулятора. Отсюда делаем вывод: собирать последовательную батарею нужно во первых из одинаковых по емкости аккумуляторов, и во вторых, перед сборкой они все должны быть заряжены одинаково, проще говоря на 100%. Существует такая штука, называется бмс, бэттери мониторинг систем, она может следить за каждым аккумулятором в батарее, и как только один из них разрядится, она отключает всю батарею от нагрузки. Теперь что касается зарядки такой батареи. Заряжать ее нужно напряжением, равным сумме максимальных напряжений на всех аккумуляторах. Для литиевых это 4.2 вольта. То есть батарею из трех заряжаем напряжением 12.6 в. Смотрите что происходит, если аккумуляторы не одинаковые. Быстрее всех зарядится аккумулятор с самой маленькой емкостью. Но остальные то еще не зарядились. И наш бедный аккумулятор будет жариться и перезаряжаться, пока не зарядятся остальные. Переразряда я напомню литий тоже очень сильно не любит и портится. Чтобы этого избежать, вспоминаем предыдущий вывод. Но ещё существует такая штука, как балансировка ячеек. Специальный зарядный контроллер грубо говоря имеет доступ к каждой ячейке и персонально заряжает ее на 100% независимо от остальных. В интернете есть куча схем на стабилитронах и прочей рассыпухе, но мы здесь с вами не для этого, мы паять не любим. Для двух и трех аккумуляторов есть модуль защиты зарядки и балансировки, но я опять же собрал вас здесь сегодня не для этого.
Перейдем к параллельному соединению. Емкость такой батареи равна сумме емкостей всех аккумуляторов в нее входящих. Разрядный ток для каждой ячейки равен общему току нагрузки, деленному на число ячеек. То есть чем больше акумов в такой сборке, тем больший ток она может отдать. А вот с напряжением происходит интересная вещь. Если мы собираем аккумуляторы, имеющие разное напряжение, то есть грубо говоря заряженные до разного процента, то после соединения они начнут обмениваться энергией до тех пор, пока напряжение на всех ячейках не станет одинаковым. Делаем вывод: перед сборкой акумы опять же должны быть заряжены одинаково. Иначе при соединении пойдут большие токи, и разряженный акум будет испорчен, и скорее всего может даже загореться. В процессе разряда аккумуляторы тоже обмениваются энергией, то есть если одна из банок имеет меньшую емкость, остальные не дадут ей разрядиться быстрее их самих, то есть в параллельной сборке можно, но не очень желательно использовать аккумуляторы с разной емкостью. И то же самое касается зарядки. Можно абсолютно спокойно заряжать разные по емкости аккумуляторы в параллели. То есть балансировка не нужна, сборка будет сама себя балансировать. Делать так опять же не очень желательно, но можно.
Перейдем к делу. Допустим мы хотим использовать аккумуляторы последовательно, для увеличения напряжения. По хорошему, чтобы правильно использовать такую сборку, аккумуляторы должны быть одной емкости, желательно из одной партии на производстве, а также перед соединением они должны быть заряжены до одного напряжения. Такую идеальную сборку можно заряжать напряжением, равным сумме максимальных напряжений для лития, то бишь 4.2В. для этого подойдут готовые блоки питания, вставил в розетку и заряжаешь. Либо понижающий модуль, настроенный на нужное напряжение? Или например лабораторный блок пиатния. Но в мире нет ничего идеального, поэтому более правильно будет заряжать через бмс, которая отключит батарею если один из аккумуляторов зарядится на 100%. А еще более правильно будет использовать зарядник с балансировкой ячеек, который тоже стоит денег.
Никелевые ленты или чем соединяют аккумуляторы в сборках
Не так давно я видел упоминание, что не хватает обзоров необычных товаров и сегодня у меня именно такой обзор. Хотя я бы сам товар не назвал бы необычным, но подобные обзоры мне не попадались, собственно потому я и решил написать.
Неоднократно встречал вопросы, чем варят аккумуляторные сборки. Понятно что это делается специальной лентой, но какие они бывают, чем отличаются и какую лучше использовать, сегодня я и постараюсь рассказать.
Для начала небольшая оговорка по поводу цены, указанной в заголовке. Лента продается чаще всего либо на вес, либо на метраж. В данном случае покупались лоты весом в 1кг, цена такого лота около 52-53 доллара вне зависимости от ширины и толщины, исключение составляет широкая лента, ее стоимость за 1кг выше и о ней я также сегодня расскажу.
Насколько мне известно, существует несколько материалов для лент, Никель и сталь покрытая никелем. Второй вариант по понятным причинам стоит несколько дешевле, но имеет свои недостатки:
1. Сопротивление немного выше.
2. Подверженность коррозии.
Если по поводу сопротивления особой разницы нет, то вот материал может быть критичен. При подготовке аккумуляторных сборок для электросамокатов, велосипедов и прочей подобной техники (как раз куда идет много ленты) следует учитывать особенности эксплуатации. Дело в том, что никель сам по себе химически малоактивен, соответственно не подвержен коррозии. Стальную ленту также покрывают никелем в тех же целях, но остаются торцы ленты и особенно места сварки. И если в батарее для ноутбука (к примеру) это не важно, то у какого нибудь Сигвея батарея эксплуатируется в условиях повышенной влажности и рано или поздно может просто проржаветь место контакта.
Но кроме того не забываем, что если никель обычно идет в чистом виде, то сталь это сплав и что там намешали, никому неизвестно, думаю многие слышали про секретные рецепты сплава типа «фольга с картоном» 🙂
Доставка и упаковка. Здесь пять баллов, мало того что продавец все довольно неплохо упаковал, так еще и отправил при помощи DHL. Заказывалось в два захода по 2 кг в каждой посылке. Единственно к чему можно немного придраться, отправил он не очень быстро, но в любом случае дошло через весьма небольшой время.
Думаю что продавец просто собирает заказы на ленту разной ширины, затем отдает большой заказ на порезку и рассылает покупателям.
Лента была плотно замотана полиэтиленом, затем несколько раз обернута пупыркой и плотно вставлена в картонную коробку.
Лента предлагается в нескольких вариантах толщины/ширины:
0.1x5mm
0.1x6mm
0.1x8mm
0.1x10mm
0.15x5mm
0.15x6mm
0.15x8mm
0.15x10mm
0.2x5mm
0.2x6mm
0.2x8mm
0.2x10mm
0.15х7х27mm
Выше я выделил варианты, показанные в сегодняшнем обзоре.
Материал заявлен как Никель 99.96%, это я попробую проверить немного позже, а пока немного общей информации о товаре.
Как я уже писал, заказов было два, первый шел на меня, второй на товарища. Сама по себе лента мне лично была не нужна и заказ был разбит на две части отчасти из-за цены и из-за того, что я по получению проверил качество товара и только потом заказал вторую партию.
Начну с ленты 0.2x8mm и 0.15х7х27mm
Каждая катушка намотана на пластиковую вставку, диаметр катушек 165мм для узкой и 137мм для широкой. 
Намотана очень плотно, помимо общей упаковки каждая замотана еще и индивидуально.
Вес на мой взгляд честный, каждая катушка весит немного больше килограмма, т.е. учитывается не общий вес катушки, а вес материала.
Лента 0.2х8. Ширина/толщина соответствуют заявленному с учетом погрешности штангенциркуля.
А вот вторая лента куда интереснее, внешне она напоминает фотопленку.
Предназначена такая лента для более удобного соединения больших сборок, особенно актуальных в электротранспорте. Например четыре аккумулятора можно сварить одним куском, причем делать это будет и легче и надежнее. К сожалению компенсируется это в почти полтора раза большей стоимостью самой ленты.
Измеренные размеры ленты.
Измерения толщины проводились узкой частью губок штангенциркуля.
Чертеж от продавца. У меня получились немного другие размеры, особенно ширина внутренней поперечной части. По расчетам там должно быть 6мм (20.2-14.2=6), у меня вышло почему-то 7.22.
Перейдем к тестам.
Сначала я попробовал паять. Результат просто на отлично. Я паял используя лишь флюс самого припоя, пайка получается красивая, а паяется очень легко, просто взял припой, прикоснулся паяльником и получил результат как на фото.
Но пайкой на самом деле ничего не проверишь, сталь покрытая никелем скорее всего паяться будет точно также.
К сожалению я не химик, который при применении химикатов уже через минуту-две дал бы точный ответ что это такое, потому придется проверять несколько другими способами.
Способ номер 1.
Для начала отрезаем от каждой ленты кусок примерно 110-120см.
Затем маркером отмечаем на каждом куске метр длины так, чтобы с концов остались примерно одинаковые «хвостики».
К концам ленты подключаем регулируемый БП. Вообще можно просто подключить нагрузку через ленту, просто надо будет знать какой ток течет в цепи и понадобится скорее всего еще и амперметр, с регулируемым БП просто удобнее.
Щупы тестера подключаем к отмеченным ранее точкам и подаем ток.
Сначала я проверил при токе в 1 Ампер, потом при токе в 5 Ампер. В результате получил некое падение напряжение на ленте, в данном случае это 54.95 мВ при токе в 1 Ампер. При токе в 5 Ампер лента начинает нагреваться, а напряжение расти. Вообще чем ниже ток, тем лучше, но тогда нужен вольтметр с возможностью измерения очень малых напряжений, либо нужна лента большей длины.
Получается, что сопротивление метрового куска ленты составляет почти 55 мОм. Если вы используете другое значение тока, то просто делите измеренное напряжение на ток. Например получили 123мВ при токе 0.45 Ампера, 0.123/0.45=0.273 Ома или 273 мОм.
Также точно я измерил сопротивление второго куска, правда уже с несколько другими целями. У меня вышло соответственно 40.9 мОм.
Теперь приведем измеренное сопротивление к сечению в 1мм.кв. Узкая лента имела толщину 0.2мм и ширину 8мм, что дает на 1.6мм.кв (0.2х8=1.6). Сопротивление в 54-55 мОм умножаем на 1.6, получаем 86.4-88 мОм.
Смотрим в табличку и видим, что никель имеет сопротивление в 87 мОм на 1м при сечении 1мм.кв, что сходится с показанными выше измерениями.
Кстати насчет стали, о которой я говорил выше. В таблице видно что для нее указан диапазон сопротивлений, так как это сплав и соответственно сопротивление зависит от того,ч то там намешали.
Выше я попутно измерял сопротивление широкой ленты, но делал я это немного для другого, просто чтобы узнать ее сечение, так как подсчитывать его математически не очень удобно..
Сопротивление никеля 87мОм, соответственно лента при измеренных 40.4 мОм имеет сечение около 2.17 мм.кв.
Способ номер 2.
Также можно еще проверить материл по его плотности.
Для этого я отрезал от предыдущих «подопытных» кусочки длиной ровно 1 метр, благо на ней уже были метки, которые я ставил перед измерением сопротивления.
Затем просто взвесил на своих весах. Весы конечно не идеальные, но вполне точные для такого рода измерений.
Дальше пересчитываем объем взвешенной полоски. сначала приводим ленту к ширине 10мм, для этого 100см умножаем на ширину 0.79см, получаем 79см при ширине ленты 10мм.
Толщина ленты 0.2мм, умножаем на 79, получаем 1,58см или 15,8мм. Такая была бы толщина если бы мы нарезали нашу ленту шириной 10мм на полоски длиной по 10мм и сложили вместе.
Значит теперь вес 1м ленты надо разделить на 1,58 и получим плотность приведенную к 1 куб.см.
13,931,58=8,816
По найденной в интернете информации плотность никеля составляет 8.907, у меня вышло 8.816, что немного ниже, но здесь большую роли играют погрешности измерения, особенно толщины ленты. В любом случае это явно больше плотности стали, которая составляет от 7,7 до 7,9 г/см³.
Есть еще третий вариант относительно простой проверки, но его я уже не проводил. Дело в том, что никель магнитится, но точка Кюри для него составляет 358 градусов, а для стали более 800. Соответственно если нагреть полоску никеля до температуры выше чем 358 градусов, то он потеряет магнитные свойства.
На этом эксперименты я решил закончить, но товарищ пошел еще дальше. Его интересовало сколько же реально он получил чистого металла. Я не стал пытаться высунуть пластмассовую обойму, но он таки рискнул это сделать из спортивного интереса.
В итоге вышло, что она весит около 65 грамм. Общий вес катушки был 1053 грамма, чистый вес получается 988 грамм. Меньше заявленного, но на мой взгляд не критично.
Нот вот пришла и вторая заказанная пара катушек. Доставка была также при помощи DHL express, что при весе в 2кг не очень и дешево, насколько я понимаю.
Была заказана лента 0.1x5mm и 0.15x6mm, катушки с лентой весили 1070 и 1005 грамм соответственно. По первой небольшой перевес, по второй недовес, в среднем примерно по 1кг на катушку.
Дабы не тянуть все это домой и не проводить все повторно я просто попросил отрезать мне пару кусочков по 120см.
Дальше та же последовательность теста с измерением сопротивления. Могу отметить что при токе в 5 Ампер у ленты 0.1x5mm начинает сильно расти сопротивление. Еще бы, при токе в 5 Ампер на ней рассеивается около 4 Ватт и хотя на ощупь лента не нагревается, сопротивление ее растет.
Расчетное сечение первой ленты 0.5мм, второй 0.9мм, при этом измеренное сопротивление у первой 153х0,5=77 мОм, у второй 76.3х0.9=68.7 при норме 87, что-то странное.
Взвешиваем. Даже простая прикидка выдает, что видим мы немного не то, что должны. Дело в том, что сечение у лент получается 0.5 и 0.9мм, а вес отличается почему-то в два раза.
Измеряем и получаем, что первая лента имеет нормальные размеры, а вторая вместо ширины 6мм целых 7. У продавца в ассортименте нет такой ленты, после 6 идет сразу 8.
Вообще, я все время ждал, в чем же подвох, так как не бывает все так хорошо, чтобы и цена устроила, и доставка DHL и материал как заявлено. В итоге оказалось что у одной из лент накосячили с размером. Проблема не сильно большая, но если пересчитать к длине ленты, то выходит что ее примерно на 15% меньше.
А что же расчеты. Плотность примерно совпадает, а вот сопротивление у меня почему-то вышло даже ниже заявленных и составило 76 мОм у первой (0.1х5) и 73 у второй (0.15х7). В данном случае я грешу на точность измерений, так как толщина маленькая и возможны естественные погрешности, даже ошибка измерения в 0.01мм при измерении толщины 0.1мм дает уже 10% погрешности, что весьма много.
Но то, что это не сталь, покрытая никелем, я могу сказать с уверенностью, так как плотность больше чем у стали, сопротивление ниже, она не пружинит. 
Вторая часть экспериментов проводилась уже у товарища, где мы решили попробовать варить эти полоски к аккумуляторам.
Для эксперимента было взято пять полосок, четыре из обзора и плюс еще совсем мелкая, 0.1х4мм.
Еще на этапе подготовки товарищ показал мне небольшой «фокус», о котором я даже не задумался. Дело в том, что широкая лента мало того что предназначена для сварки сразу нескольких аккумуляторов, так ее размеры еще и рассчитаны так, что подходят к держателям аккумуляторов о которых я уже рассказывал и в итоге лента ложится четко в предназначенные пазы.
Аналогичная картина была и с лентой 0.1х5мм, которая куплена на али.
С большими аккумуляторами и более толстыми лентами результат был немного хуже, ленту получилось отодрать целиком. но товарищ пояснил, почему так произошло. Дело в том, что для нормальной сварки надо не только иметь некое удобство пользования аппаратом, а и хороший прижим, а так как аппарат стоял просто на столе и попутно я снимал видео, то получилось немного хуже, чем планировалось.
Хотя в целом результат достигнут, например на фото сборка 6P1S.
Сначала я подумал, что варить надо так, как показано слева, но товарищ сказал что нет, лучше результат если ставить контакты так, чтобы ток тек по линии показанной справа.
Попутно решил сделать групповое фото приспособлений, которые используются в работе. Каждая колодка ориентирована под определенные сборки аккумуляторов, электроинструмента, радиостанций и даже электробритв. Выше показана просто струбцина на случай работы с длинными сборками. Мало того, внешне одинаковые колодки отличаются еще и внутренним диаметром, потому как аккумуляторы должны вставляться с небольшим натягом, а иногда еще и иметь определенное положение относительно друг друга.
На этом наверное все. От себя могу сказать, что в общих чертах товар полностью соответствует заявленному, доставка быстрая, упаковка нормальная, цена явно ниже чем покупать по метражу. Единственно что немного ухудшило общее впечатление, это ошибка с шириной одной из лент, вместо 6мм было 7 🙁
Как обычно буду рад вопросам, что смогу, расскажу сам, что не знаю, спрошу у товарища.