Menu
Wyszukiwarka
Zaloguj się
Baza Wiedzy: ZRÓB TO SAM - BUDUJEMY AKUMULATOR LI-ION
ETAP I - ustalenie parametrów
Zanim zaczniemy budowę, musimy najpierw ustalić czego tak naprawdę potrzebujemy. Pierwsze pytanie na jakie należy odpowiedzieć to: jakie parametry ma urządzenie, które ma być zasilane. Na potrzebę artykułu skupimy się na konkretnym przykładzie: silnika o mocy 250W zasilanego napięciem nominalnym 36V (sterownik 36V). Miejsce na baterię ma wymiary 7cm x 8cm x 20cm. Dwie pierwsze dane są niezbędne w celu ustalenia wymaganych parametrów budowanego pakietu, natomiast wymiary znacząco wpływają na ostateczną konfigurację.
Jedno ogniwo Li-Ion ma napięcie nominalne 3.6V. Jeżeli silnik ma być zasilany 36V to znaczy, że będziemy potrzebować 10 ogniw połączonych szeregowo (36V / 3.6V = 10) zwanych również celami. W ten sposób otrzymujemy pierwsze oznaczenie - 10s (s od series - z ang. szeregowy). Następnie musimy obliczyć jaką wydajność prądową ma mieć akumulator. Silnik ma moc 250W więc aby móc go zasilić pakiet musi mieć conajmniej ~7A prądu rozładowania (250W / 36V = ~7A). Jest to parametr minimalny, jednak jeśli zbudujemy pakiet z wydajnością dokładnie 7A oznacza to, że będzie on pracował cały czas z pełną mocą. Nie trudno się domyślić, że doprowadzi to do skrócenia życia akumulatora. Dlatego aby bateria posłużyła jak najdłużej jej wydajność powinna być ok. 2 razy większa niż zapotrzebowanie (a im większa tym lepiej- nie ma górnej granicy). W naszym przypadku będzie to 14A (7A x 2 = 14A). Prąd rozładowania zwiększamy poprzez podłączenia równoległe w każdej z (w naszym przypadku) dziesięciu cel. Jeśli w celi będzie jedno ogniwo, pakiet będzie miał wydajność taką jak to jedno ogniwo. Jeśli w celi będą 2 ogniwa połączone równolegle to akumulator będzie miał wydajność tyle co suma wydajności dwóch ogniw. Jeśli 3 ogniwa to trzech ogniw i tak dalej. UWAGA każda cela musi być identyczna. Cel jest 10 więc mając po 2 ogniwa równolegle w celi akumulator będzie zbudowany z 20 ogniw. Jeśli po 3 to z 30 ogniw i tak dalej. W ostatecznej konfiguracji ilość ogniw w celi określamy parametrem p (a ang. parallel - równoległy). Należy również wspomnieć, że wraz z parametrem p wzrasta również pojemność pakietu.
Przy projektowaniu pakietu należy również wziąć pod uwagę wymiary. Bardzo często miejsce na baterię jest ograniczone więc będzie ono miało ostatecznie wpływ na finalną konfigurację. W naszym przypadku mamy 7cm x 8cm x 20cm. Jedno ogniwo ma ~18mm średnicy i 65mm wysokości. Wysokością nie musimy się martwić bo mieści się w pierwszym parametrze (7cm). Następnie 10 szeregowych cel 18mm x 10 = 18cm - pozostaje nam jeszcze zapas 2cm zapasu. Ostatni parametr 8cm jeśli podzelimy przez średnicę ogniw otrzymamy najwyższą możliwą ilość ogniw w celi (8cm / 1.8cm = 4.(4)) czyli w naszym przypadku 4. To oznacza że pakiet do naszego pakietu może mieć konfigurację 10s1p, 10s2p, 10s3p lub 10s4p.
PODSUMOWANIE:
Napięcie akumulatora musi być odpowiednie ze sterownikiem oraz zapotrzebowaniem silnika. Napięcie się zwiększa/zmniejsza poprzez dodawanie/odejmowanie cel połączonych szeregowo.
Ilość cel połączonych szeregowo wyrażona jest parametrem s. Napięcie nominalne akumulatora = (ilość cel połączonych szeregowo) x (napięcie nominalne pojedynczej celi, to jest 3.6V)
Minimalną wydajność prądową pakietu otrzymujemy poprzez podzielenie mocy silnika przez napięcie zasilające. Ostateczna wydajność powinna być 2 x większa.
Wydajność prądowa akumulatora = (ilość ogniw połączonych równolegle w celi) x (prąd rozładowania pojedynczego ogniwa). Ilość ogniw w celi wyrażona jest parametrem p.
ETAP II - wybór ogniw
Na rynku jest wiele róznych modeli ogniw o różnych parametrach. Wszystkie ogniwa Li-Ion typu 18650 mają dwa wspólne podstawowe parametry - napięcie oraz wymiary. Akumulatory te różnią się natomiast przede wszystkim: pojemnością, prądem ładowania oraz wydajnością prądową (prądem rozładowania). Wszystkie parametry ogniw możemy znaleźć w specyfikacji producenta, którą bez problemu można znaleźć w internecie wpisując w wyszukiwarkę model ogniwa i słowo datasheet lub pdf. Jak odczytywać specyfikacje opisujemy szczegółowo w osobnym artykule (->link)
Pojemność ogniwa jest głównym wyznacznikiem tego jak długo będzie działać urządzenie na jednym ładowaniu. Im większa pojemność akumulatora tym dłuższy czas pracy, ale także zazwyczaj i wyższa cena. Uwaga, należy wystrzegać się chińskiej produkcji niemarkowych ogniw (takich jak Bailong czy Ultrafire) o obiecujących pojemnościach rzędu 8000mAh a nawet 10000mAh. Niestety te ogniwa są przeznaczone dla niczego nieświadomych laików, a ich realna pojemność rzadko przekracza 1000mAh-2000mAh. Zdecydowanie bardziej radzimy wybrać ogniwa producentów takich jak: Samsung, Sony/Murata, LG, Sanyo, Panasonic czy Molicel z wiarygodnego źródła (podróbki flagowych producentów są szeroko dostępne np. na Aliexpress). Pojemność pakietu wzrasta wraz ilością ogniw w celi na zasadzie takiej jak prąd rozładowania - jest iloczynem ilości ogniw i pojemności pojedynczego ogniwa. Nie ma górnej granicy określającej ilość ogniw w celi, więc i pojemność możemy zwiększać w nieskończoność (a przynajmniej na tyle na ile pozwala nam miejsce i budżet). Nie ma jednoznaczej odpowiedzi na pytanie jakiej pojemności ogniwo powinno się wybrać, gdyż jest to zależne od potrzeby indywidualnej użytkownika i budżetu.
Następny parametr poróżniający ogniwa to prąd ładowania. Wysokość prądu ładowania wzrasta wraz z ilością ogniw w celi na takiej samej zasadzie co prąd rozładowania czy pojemność. Parametr ten powinien być określony w specyfikacji choć zazwyczaj standardowy wynosi 1C (1 x pojemność nominalna). Na ostateczną wartość prądu ładowania akumulatora należy zwrócić uwagę przy wyborze ładowarki. Ładowarka nie może ładować prądem większym niż pozwala na to pakiet.
Ostatnim i najważniejszym parametrem jest prąd rozładowania, który w specyfikacji producenta może być podzielony na prąd ciągły i chwilowy (impulsowy). Nas interesować będzie maksymalny prąd ciągły. Wracając do naszego przykładu budowany pakiet ma mieć wydajność prądową conajmniej 14A. Na rynku są dostępne modele ogniw o prądzie rozładownia nawet 20A czy 30A więc wystarczyłoby po jednym ogniwie w celi (10s1p). Jednak cena akumulatorków rośnie nie tylko wraz ze wzrostem pojemności ale także i wydajności prądowej. Dlatego często bardziej opłaca się wybrać ogniwa mniej wydajne prądowo np. 10A (w tym wypadku potrzebowalibyśmy po dwa ogniwa w celi - 10s2p), a nawet np. 5A (po trzy ogniwa w celi - 10s3p). Tak jak było już wcześniej wspomniane nie ma górnej granicy określającej ilość ogniw w celi, więc wydajność (a zarazem pojemność i możliwy prąd ładowania) możemy zwiększać w nieskończoność (a przynajmniej na tyle na ile pozwala nam miejsce i budżet).
Na potrzeby naszego projektu wybieramy ogniwa Panasonic NCR18650B o pojemności nominalnej 3350mAh i maksymalnym prądzie rozładowania 2C (6.7A).
PODSUMOWANIE:
Wybór pojemności zależy od indywidualnych potrzeb i budżetu. Pojemność pakietu zwiększamy poprzez dodanie ogniw do cel.
Prąd ładowania pakietu jest zależny od ilości ogniw w celi. Wybrana ładowarka nie może mieć tego parametru wyższego niż akumulator.
Prąd rozładowania rośnie wraz ilością ogniw w celi, których ilość jest dowolna o ile ostateczna wydajność prądowa pakietu powinien jest nie mniejszy niż zapotrzebowanie urządzenia.
ETAP III - budowa pakietu
Parametry wybranych przez nas ogniw wskazują, że pakiet w konfiguracji 10s2p będzie miał 13.4A prądu rozładowania co jest mniej niż wcześniej wyliczone 14A, ale różnica jest na tyle mała że powoduje jedynie nieznaczny akceptowalny wzrost obciążenia na pojedyncze ogniwo. Jednak załóżmy, że my potrzebujemy akumulatora o pojemności bliskiej 10Ah, co uzyskamy po połączeniu 3 ogniw w każdej z cel. Ostatecznie nasz pakiet zbudujemy w konfiguracji 10s3p
Poza 30szt. ogniw do budowy pakietu potrzebować będziemy holdery (dostępne tu -> LINK) na górę i na dół (w sumie 60 miejsc) oraz taśmę niklową (dostępną tu -> LINK) w ilości 8cm na ogniwo czyli do naszego projektu ok. 240cm.
Pierwszym etapem jest sprawdzenie ogniw pod względem uszkodzeń mechanicznych i następnie napięcia. Wszystkie ogniwa powinny mieć takie samo napięcie, a ewentualna dopuszczalna różnica wynosi 0.1V. My zbalansowaliśmy wszystkie ogniwa do nominalnego 3.6V. UWAGA można pakietować ogniwa gdy są w pełni naładowane (do 4.2V) lecz jest to bardziej niebezpieczne w przypadku np. zwarcia.
Następnie układamy holdery w kształt jaki ma posiadać pakiet. W naszym przypadku holdery układamy w kształt prostokąta w układzie 3 x 10. Takich zestawów będziemy potrzebować dwóch - na góre i na dół. Należy pamiętać, że przy bardziej skomplikowanych kształtach góra musi być odbiciem lustrzanym dołu. Sprawdzone ogniwa wkładamy w holdery pamiętając o odpowiednim ustawieniu cel - wszystkie ogniwa pierwszej celi biegunem dodatnim do góry, następnie wszystkie ogniwa drugiej celi biegunam dodatnim do dołu, dalej wszystkie ogniwa trzeciej celi do góry biegunem dodatnim i tak dalej na przemian aż do dziesiątej celi, która jeśli prawidłowo włożyliśmy ogniwa powinna być skierowana biegunem dodatnim do dołu. Ogniwa powinny umieszczone w holderze powinny być stabilne i nie mogą się przemieszczać. Jeśli tak nie jest należy obkleić ogniwo taśmą izolacyjną tak aby wypełnić wolną przestrzeń. Czynność powtarzamy dla obu końców ogniwa po czym od góry nakładamy drugi zestaw holderów. W razie problemów z prawidłowym osadzeniem holderów sprawdź czy warstwa taśmy izolacyjnej nie jest za gruba następnie przykryj pakiet np. deską która zakryje go całą powierzchnią i delikatnie uderzając młotkiem wciśnij holdery na ogniwa.
Przystępujemy do łączenia ogniw. Najlepszym na to sposobem jest przygrzewanie blaszek niklowych za pomocą zgrzewarki. Nie jest to jednak jedyny sposób. Owe blaszki można do ogniw również przylutować. Istnieje opinia wg. której ogniw nie wolno lutować ze względu na wysoką temperaturę. Nie jest to jednak prawda. Ogniw nie wolno nagrzewać dlatego działanie wysokiej temperatury przez krótki okres czasu nie spowoduje uszkodzenia. Dlatego też do lutowania będziemy potrzebować dobrej stacji lutowniczej z grotem średnicy o średnicy minimum 3mm oraz mocy conajmniej 50W.
Rozpoczynamy od ocynowania każdego ogniwa. Najlepiej sprawdzi się tu cyna w drucie z topnikiem. Małą ilość cyny rozprowadzamy w formie "placków" o średnicy ~5mm. Następnie docinamy taśmę niklową na długość celi z zapasem 2cm dla pasków, które będą łączyć bieguny dodatnie. W naszym przypadku będzie to ok. 6cm do łączenia biegunów dodatnich oraz ok. 4cm do łączenia biegunów ujemnych. UWAGA wyjątkiem jest ostatnia cela, w której bieguny ujemne będziemy łączyć dłuższą blaszką. W sumie potrzebujemy 11 długich pasków i 9 krótkich.
Zaczynamy od pierwszej celi w której ogniwa są skierowane biegunem dodatnim do góry. Przylutowujemy blaszkę (tę z 2cm zapasem) do pierwszego ogniwa tak aby zapas wystawał tylko z jednej strony. Następnie nanosimy kroplę cyny na blaszkę dokładnie nad miejscem gdzie będzie przylutowane do ogniwa. Umożliwi to sprawne przekazywanie ciepła z grotu na taśmę, na cynę pod blaszką i cynę na ogniwie. Następnie każde z tych miejsc grzejemy lutownicą ok 3-4 sekund jednocześnie dociskając blaszkę do ogniwa np. śrubokrętem. Czynności powtarzamy dla każdej z dziesięciu cel od góry i od dołu pakietu pamiętając o odpowiedniej długości blaszek oraz aby zapas był z tej samej strony pakietu (ułatwienie do późniejszego podłączenia BMS). Pamiętaj aby w ostatniej celi bieguny ujemne równieży były połączone dłuższą blaszką.
Gdy mamy już każdą z cel połączonych równolegle możemy przystąpić do łączenia ich szeregowo.
UWAGA! Jest to etap najniebezpieczniejszy gdyż łatwo można przez przypadek doprowadzić do zwarcia. Efektem zwarcia w najlepszym wypadku może być spalenie blaszki, a w gorszych wypadach uszkodzenie ogniwa, pożar, a nawet wybuch. Dlatego należy zachować szczególną ostrożność. Pamiętaj o usunięciu jakiejkolwiek biżuterii z okolicy rąk oraz pracuj zawsze w okularach ochronnych.
Zaczynamy od połączenia mostkiem bieguna - (ujemnego) pierwszej celi z biegunem + (dodatnim) drugiej celi, następnie biegun + drugiej celi z biegunem - trzeciej celi, dalej biegun + trzeciej celi z biegunem - czwartej celi i tak dalej. Sposób lutowania jest analogiczny do poprzedniego etapu. Nie ma znaczenia przy, którym ogniwie w celi będzie mostek. Ważna jest natomiast ilość mostków. Dobrze jest przyjąć zasadę aby na jeden mostek nie przypadało obciążenie większe niż 15A. Nasz pakiet będzie miał wydajność 14A więc jeden mostek na łączenie wystarczy, ale dla bezpieczeństwa lepiej jest zostawić większy zapas dlatego zastosujemy dwa mostki. Jeśli pakiet został prawidłowo zgrzany biegun dodatni pierwszej celi i biegun ujemny ostatniej celi nie powinny być połączone z żadną inną celą i stanowią bieguny nowopowstałego akumulatora 10s3p (tzw. główny plus i główny minus). Po podłączeniu woltomierza w tych miejscach otrzymamy aktualne napięcie pakietu - w naszym przypadku 36V.
ETAP IV - podłączanie BMS
PAMIĘTAJ: bezawaryjność akumulatora zależy od twojej staranności pracy. Mocuj wszystkie przewody, przewiduj miejsca niepewne, zabezpieczaj przewody przed przetarciem, lutuj pewnie i z naddatkiem. Nie da się zabezpieczyć za dobrze, ale da się za słabo.
UWAGA: Od teraz pracujesz pod stusunkowo wysokim napięciem. Pracuj na czystym stanowisku, dobrze oświetlonym, powoli, bez nacisku, ostrożnie. Myśl nad każdym podłączeniem. Używaj multimetru (miernika) w sytuacji niepewności. Pomyłka może wiele kosztować oraz może być niebezpieczna.
Akumulator zgrzany zgodnie z instrukcją będzie posiadał 11 wyprowadzeń (wystające poza pakiet blaszki) wychodzących po jednym z każdej z cel od strony biegunów dodatnich oraz jedno z głównego minusa. Zasada jest taka, że każdy akumulator, niezależnie od ilości "s" zawsze będzie posiadać "s+1" wyprowadzeń do podłączenia BMS.
Przystępujemy do lutowania złącz balansujących do poszczególnych wyprowadzeń cel. UWAGA kolejność podłączania ma znaczenie. Jeśli korzystamy z przewodów podłączonych do BMS przed rozpoczęciem lutowania należy je rozłączyć. Jeśli używamy BMSa przystosowanego do pracy z akumulatorami o różnej ilości s, wykorzystujemy s+1 przewodów licząc od głównego minusa BMS (zwykle czarnego przewodu ale może być również poprostu opisany). Pozostałe niewykorzystane przewody należy zostawić niepodłączone i zabezpieczone.
W naszym projekcie użyjemy BMSa uniwersalnego 7s-13s. Zgodnie z wcześniejszą informacją odliczamy 11 (10s+1) przewodów licząc od czarnego i pozostałe 3 zabezpieczamy. Lutowanie rozpoczynamy od przewodu nr 1 czyli skrajnego, minusa (czarny przewód), który łaczymy z głównym minusem pakietu. Przewód nr 2 przylutowujemy do wyprowadzenia celi nr 2. Przewód nr 3 do wyprowadzenia celi nr 3 i tak dalej aż do głównego plusa BMSa który przylutowujemy do głownego minusa akumulatora. Wyprowadzenie do ładowarki i do sterownika możemy podłączyć bezpośrednio do głownego plusa akumulatora (nie musi wychodzić z BMSa) i najczęściej używa się w tym celu przewodów w kolorze czerwonym. Należy zwrócić uwagę aby obciążalność przewodów wyprowadzających była odpowiednia z wydajnością pakietu. Informacja o obciążalności powinna być podana przez producenta w specyfikacji.
Kolejnym etapem jest izolacja pakietu. Najlepiej w tym posłużą preszpan i taśma kaptonowa. Zwróć uwagę na wszelakie miejsca potencjalnie wrażliwe takie jak zagięcia przewodów na krawędziach. W tych miejscach istnieje wyższe ryzyko ich przetarcia co może spowodować awarię. Dlatego warto w tych miejscach zastosować dodatkowe zabezpieczenia.
INNE ARTYKUŁY:
CO TO WŁAŚCIWIE JEST TEN LI-ION
ZASTOSOWANIE AKUMULATORÓW LI-ION
ZALETY I WADY AKUMULATORÓW LI-ION
LI-ION - PORADY I WIEDZA UŻYTKOWA