Привет народ.
Сегодня хочу рассказать о сборке литий-ионной батареи на номинальное напряжение 7,2 В. Такие батареи используются, например, для питания велосипедных фонарей. Но прежде, чем приступить непосредственно к сборке, немного теории.
Схема сборки 2S2P
Батарея собирается по схеме 2S2P, то есть она будет состоять из двух последовательно соединённых блоков, в каждом из которых по две параллельно соединённых ячейки.
Так как литий-ионные ячейки работают в диапазоне от 3 В до 4,2 В, то среднее значение 3,6 В и является номинальным напряжением. Когда мы соединяем две ячейки параллельно, их номинальное напряжение остаётся то же (3,6 В), а ёмкость увеличивается в 2 раза.
Если же мы соединяем две ячейки последовательно, ёмкость не изменяется, а номинальное напряжение увеличивается в 2 раза, и получается 7,2 В. При этом рабочий диапазон напряжений также увеличивается в 2 раза, и в нашем случае составит от 6 В до 8,4 В.
Плата BMS
Перезаряд литий-ионной ячейки выше 4,2 В или переразряд ниже 3 В приведёт к её деградации и выходу из строя, поэтому на литий-ионных батареях используется BMS (battery management system, система управления батареей), которая следит за напряжениями и прерывает процесс зарядки или разрядки в нужный момент.
Кроме того, BMS имеет функцию балансировки (хотя и не всегда). Она нужна для того, чтобы выравнивать напряжения на ячейках батареи. Если напряжение на какой-то из ячеек выше остальных, к ней подключается балансировочный резистор, который подразряжает её. На фото
балансировочные резисторы имеют маркировку "101", то есть сопротивление 100 Ом.
Если BMS не имеет функции балансировки, а ячейки не самого высокого качества, при зарядке батарея будет отключаться по самой заряженной ячейке, а при разрядке - по самой разряженной, и в итоге диапазон рабочих напряжений батареи снизится, а значит уменьшится и её ёмкость.
Такое встречается на дешёвых литий-ионных батареях для электровелосипедов, которые собираются в Китае. Кроме того, эти батареи часто не рассчитаны на ту нагрузку, с которой эксплуатируются, и деградируют от перегрева ячеек довольно быстро - за 1-2 сезона. Но это уже совсем другая история, достойная отдельной статьи.
В нашем случае выбрана BMS на ток 10А, так как нагрузка будет относительно мощная. В случае с велосипедным фонарём будет достаточно BMS на 3А, которая, к тому же, более компактная и дешёвая.
Выбор литий-ионных ячеек
Для сборки батареи я буду использовать новые ячейки ёмкостью 3000 мАч, имеющие внутреннее сопротивление менее 30 мОм. Не буду говорить об их происхождении, чтобы это не было рекламой. Для питания велосипедного фонаря подойдут и другие, с более высоким внутренним сопротивлением, так как там не такая уж большая нагрузка по току.
Если использовать б/у ячейки, необходимо убедиться, что у них одинаковая ёмкость, внутреннее сопротивление, а также одинаковое напряжение на момент сборки.
Для измерения ёмкости и выравнивания напряжения на ячейках подойдёт зарядное устройство для аккумуляторов 18650, например LiitoKala Lii202.
Типоразмер "18650" означает, что диаметр элемента 18 мм, длина 65 мм. И если не ошибаюсь, "0" в конце обозначает, что это элемент цилиндрической формы.
А вот для измерения внутреннего сопротивления нужен уже более серьёзный аппарат, например iCharger X8. Хотя, если аккумулятор планируется использовать с относительно низкой нагрузкой, например, с фонарём, то внутреннее сопротивления ячеек уже не играет такой важной роли.
Сборка батареи
Итак, приступаем к сборке. Основные компоненты, которые нам потребуются, это 4 ячейки типоразмера 18650 и плата BMS 2S.
Сначала необходимо склеить ячейки. Для этого будем использовать циакрин (он же цианоакрилат, или суперклей), купленный в Леруа. Достаточно несколько капель в местах соприкосновения ячеек.
Ячейки склеиваются так, чтобы на одной стороне было два плюса и 2 минуса, как на фото.
Так как у меня есть доступ к аппарату точечной сварки, я буду использовать его. Некоторые умельцы в домашних условиях используют мощный паяльник (от 100 Вт), но я бы не рекомендовал пайку из-за опасности перегреть ячейку, и, как следствие, испортить. Но тут каждый принимает решение самостоятельно и берёт на себя соответствующую ответственность.
Подготавливаем контакты: два слева пойдут на плюс и минус, квадратный - на соединение между ячейками, и узкий - для балансирного вывода.
Привариваем контакт, соединяющий все четыре ячейки. Чтобы точечная сварка обеспечила надёжное соединение, должны быть правильно подобраны настройки сварочного аппарата, а свариваемые контакты - чистыми и обезжиренными.
Затем переворачиваем ячейки и привариваем плюсовой и минусовой контакты. При этом нужно быть аккуратным, чтобы случайно не замкнуть плюс с минусом.
Чтобы BMS смогла балансировать ячейки (выравнивать напряжения), привариваем балансирный контакт.
Затем приклеиваем синтофлекс - специальный изоляционный материал, чтобы разместить на нём BMS плату.
Подпаиваем балансирный провод, так как он пройдёт под BMS, и позже подпаивать его будет уже неудобно. На провод для большей надёжности надеваем стеклоармированную изоляционную трубку.
Прикидываем расположение платы BMS и убеждаемся, что контакты B+ и B- попадают на плюсовой и минусовой контакты ячеек соответственно. При необходимости их немного подрезаем.
Подпаиваем контакты B+, B- и балансировочный контакт, обозначенный на плате маркировкой "BM".
Теперь готовим выходной разъём - я использовал XT60, которые себя хорошо зарекомендовали. Для того, чтобы при подпаивании контакт не расплавил пластик, надеваем ответный разъём.
На батареях используются разъёмы "мама", чтобы снизить вероятность случайного короткого замыкания, а на потребителях, соответственно, разъёмы "папа".
После подпаивания надеваем термоусадочные трубки (красная на плюс, чёрная на минус, чтобы было проще ориентироваться) и на провода - стеклоармированные трубки, для большей надёжности.
После этого подпаиваем провода к плате - контакты P+ и P-.
Обклеиваем батарею со всех сторон синтофлексом...
... и усаживаем сверху термоусадочную трубку подходящего диаметра.
На этом сборка батареи завершена, осталось проверить её в работе. Для зарядки такой батареи нужно зарядное устройство на напряжение 8,4 В (дважды по 4,2 В).
Надеюсь, было интересно.
До встречи в новых статьях и с наступлением календарной весны!!!
