Контакты
Главная / Уход

Чем спаять аккумуляторы. Ультрабюджетная точечная сварка литиевых аккумуляторов дома. Инструменты и расходники, необходимые для пайки

Когда дело доходит до переделки аккумулятора на 18650 (у шуруповёрта с Ni-Cd/Ni-MH или бытового аварийного DIY-питания в доме по типу Tesla Powerwall), то многие руководства и инструкции умалчивают о способах соединения элементов питания. Для долговечности и даже безопасности годятся далеко не все из них.


Можно ли паять аккумуляторы 18650?

При сборке нескольких ячеек для ноутбука или в состав большой батареи (под различные цели обеспечении автономности вплоть до транспортных средств) ставится задача по соединению аккумуляторов 18650. И одним из вариантов многие любители DIY-поделок рассматривают пайку.


Запомните, литий-ионные аккумуляторы (18650 и любые другие Li-Ion) при нагреве от паяльной станции (и даже маломощного паяльника) разрушаются в своей структуре и безвозвратно теряют часть ёмкости!


То есть паять аккумуляторы 18650 не следует без крайней необходимости. Либо вам придётся мириться с изменением химического состава и ухудшением характеристик. Кроме того, место соединения с помощью пайки ненадёжно в случае перегрева элемента питания. Метол непрактичен и для компактной сборки из-за случайных форм припоя и уязвимости перед внешним воздействием.


Сами монтажники в комментариях справедливо отмечают, что при температурном воздействии на литий-ионный аккумулятор вы подвергаете риску деформации ещё и предохранительный клапан . Этот ключевой элемент безопасности батареи 18650 расположен под плюсовым контактом и изготовлен из полимера, который выдерживает максимальную рабочую температуру не более 120°C .


Чем пользуются профессионалы, чтобы правильно соединить 18650?

Добиться надёжности и безопасности в сборке батареи из нескольких элементов питания можно профессиональными методами или хотя бы доказавшими свою практичность и безопасность.


Как правильно соединить аккумуляторы 18650:
контактной сваркой (точечной);
с помощью фабричных держателей (холдеров);
магнитами из неодима (мощные вечные магниты);
склейкой;
жидким пластиком.


Профессионалы используют метод точечной сварки - этот способ рекомендуется и для промышленной сборки изделий с аккумуляторами 18650. Пример бюджетной точечной сварки для дома в деталях разбирался не так давно на Geektimes .


В DIY-сообществах популярны магниты из редкоземельного неодимового сплава, которые крепко прижимают контакты и позволяют быстро конструировать временные или небольшие бытовые изделия. Для долгосрочных и компактных проектов лучше всего подходит жидкий пластик или даже клей.


Чтобы быстро собрать конфигурацию из нескольких аккумуляторов 18650 можно купить холдеры с пластмассовым корпусом и заводскими контактами для ручной пайки без боязни перегрева литий-ионных элементов питания.


Лишь в отдельных случаях, когда иные варианты не подходят, либо непрактичны (в зависимости от условий), пайку должны выполнять профессионалы. На их ответственность выпадает выбор низкотемпературного припоя, а также гарантия работоспособности и безопасности аккумулятора при дальнейшей эксплуатации.

Чтобы собрать простейшую схему, работающую от батарейки, нам приходится прибегать к различным ухищрениям, чтобы провода плотно прилегали к полюсам самой батарейки. Кто-то обходится изолентой и скотчем, кто-то придумывает различного рода прижимные устройства. Но контакт в таком случае будет несовершенным, что в конечном итоге влияет на работоспособность собранной схемы. Нередко контакт пропадает либо получается неплотным, и устройство работает с перебоями. Чтобы избежать этого, лучше всего просто припаять провода к полюсам. В нашей статье мы расскажем, как припаять провода к батарейке так, чтобы контакт получился совершенным.

Самый простой пример устройства

Самым простым прибором, работающим от батарейки, является обыкновенный электромагнит. На его примере и будем проверять работоспособность нашей ученической пайки. Берем обыкновенный гвоздь, например сотку, наматываем на него медный провод плотными рядами. Изолируем витки сверху изолентой. Электромагнит готов. Теперь остается лишь запитать устройство от батарейки.

Конечно, можно просто прижать по проводку с каждого конца батарейки, и устройство уже начнет работать. Но пользоваться им неудобно. Поэтому лучше всего обеспечить постоянный контакт проводов с источником питания. Это можно осуществить, добавив в сеть обыкновенный выключатель (тумблер) и припаяв провода к полюсам батареи напрямую. Устройство станет более надежным, им будет удобнее пользоваться, а в случае ненадобности его всегда можно выключить, разомкнув цепь при помощи выключателя, чтобы не садилась батарея. Но как припаять провода к батарейке, чтобы они не отвалились через пять минут использования устройства?

Инструменты и расходники, необходимые для пайки

Для того, чтобы осуществить надежное припаивание проводов к полюсам батареи, нужен необходимый набор инструментов. Так как припаять провод к батарейке - задача посложнее, чем просто спаять между собой пару медных проводов, делать будем все в точности с инструкцией, размещенной ниже. А пока приготовим все нужное:

  1. Обычный бытовой ручной паяльник. Им и будем припаивать провода к полюсам батареи.
  2. Наждачка или напильник, чтобы зачистить жало паяльника от шлака и нагара.
  3. Острый нож. Им будем зачищать провода, если они в оплетке.
  4. Флюс либо канифоль. Какой флюс для пайки подойдет в данном случае? Тут голову ломать не будем, возьмем простую паяльную кислоту, она продается в любом магазине, торгующем радиотоварами. Ну а канифоль хоть по цвету и оттенку нередко отличается, но по свойствам всегда одинакова.
  5. Кисточка для нанесения флюса.
  6. Припой. Его можно приобрести там же, где и флюс.

Припаиваем провода к обычной батарейке

Итак, как припаять провода к батарейке 1,5V? Задача эта несложная, если все, что нужно, уже под рукой. Действуем по следующей инструкции:


Все, провода качественно припаяны к батарее.

Припаиваем провода к кроне

Как припаять провод к батарейке типа «Крона»? Здесь пайка осуществляется почти так же, как и в случае с обычным элементом питания. Единственная разница в том, что в батарейке "Крона" 9V плюс и минус находятся рядышком с одной верхней стороны элемента питания. Нюансы заключаются в следующем:

  1. В случае с флюсом обрабатываем кислотой контакты "Кроны" с противоположных сторон. Там и будем осуществлять припаивание проводов.
  2. В случае с канифолью потребуется залудить контакты "Кроны" и тоже с противоположных сторон. Почему с противоположных? Потому что в этом случае риск замыкания между проводами практически сводится к нулю.
  3. У батарейки "Крона" 9V контакты (полюса) очень неудобные для пайки. Кверху они раскрываются вширь, а потому для качественного лужения и припаивания с боковой стороны такого контакта нужно, чтобы жало у паяльника было более узким или заостренным.

В целом же весь процесс схож с предыдущим. Обрабатываем контакты и края проводков кислотой (или залуживаем в случае с канифолью), прижимаем провода к контактам, берем паяльником немножко припоя и припаиваем. Процесс завершен.

Батарейки четырехугольные на 4,5 V

К таким батарейкам припаять провода еще легче. У них имеются плоские отгибающиеся контакты, которые с легкостью можно залудить. И припаивание к ним осуществляется легче и быстрее. Главное - не шевелить проводки в процессе припаивания. Иначе они попросту оторвутся.

Здесь можно и вовсе не держать провод, а обмотать его вокруг плоскости контактной планки. И затем уже, набрав олово паяльником, осуществить пайку.

Батарейки типа «аккумулятор»

Батарейки-аккумуляторы лучше не паять, а изготовить для них специальный контейнер, в котором контакты элементов будут плотно соприкасаться с полюсными контактами контейнера. Материал батареек-аккумуляторов состоит из сплавов, которые поддаются пайке еще хуже, чем обычные литиевые. Но если очень приспичило, то пайка осуществляется, как и в случае с обычной 1,5 V батарейкой, только воспользуйтесь флюсом, а ни канифолью. Плюс ко всему пайку следует производить как можно быстрее, сведя прикасания паяльника к полюсам к минимуму, поскольку такие батарейки боятся перегрева.

Заключение

Из двух вариантов - канифоль или флюс - лучше выбрать именно флюс. Он обеспечит пайке большую долговечность и надежность. Такая пайка не отвалится даже в случае, если прибором будут пользоваться очень часто. Единственный нюанс - пары кислоты, выделяющиеся при пайке, очень вредны, поэтому вдыхать их не рекомендуется, а после процедуры следует тщательно вымыть руки.

Батареи и аккумуляторы

При питании радиоаппаратуры от батареек и аккумуляторов полезно знать распространённые схемы соединения батарей и аккумуляторов. Дело в том, что каждый вид батареек имеет допустимый разрядный ток.

Разрядный ток – наиболее оптимальное значение тока, который потребляется от батареи. Если потреблять от батарейки ток, превышающий разрядный, то надолго этой батарейки не хватит, она не сможет полностью отдать свою расчётную мощность.

Наверное, замечали, что для электромеханических часов используются “пальчиковые ” (формата АА) или “мизинцевые ” (формата ААА) батарейки, а для переносного лампового фонаря батарейки побольше (формат R14 или R20 ), которые способны отдать значительный ток и имеют большую ёмкость. Размер батарейки имеет значение!

Иногда требуется обеспечить батарейное электропитание прибора, который потребляет значительный ток, но стандартные батареи (например R20 , R14 ) не могут дать необходимый ток, он для них выше разрядного. Что делать в этом случае?

Ответ прост!

Необходимо взять несколько однотипных батареек и соединить их в батарею.

Так, например, если необходимо обеспечить значительный ток для аппарата применяют параллельное соединение батареек. В таком случае общее напряжение составной батареи будет равно напряжению одного элемента питания, а разрядный ток будет во столько раз больше, сколько батареек применяется.

На рисунке составная батарея из трёх 1,5 вольтовых батареек G1, G2, G3. Если учесть, что среднее значение разрядного тока для 1 батарейки формата АА 7-7,5 mA (при сопротивлении нагрузки 200 Ом), то разрядный ток составной батареи составит 3 * 7,5 = 22,5 mA. Вот так, приходится брать количеством.

Бывает, что необходимо обеспечит напряжение 4,5 – 6 вольт, применяя батарейки на 1,5 вольта. В таком случае нужно соединить батарейки последовательно, как на рисунке.

Разрядный ток такой составной батареи составит значение для одного элемента, а общее напряжение будет равно сумме напряжений трёх батареек. Для трёх элементов формата АА (“пальчиковых”) разрядный ток составит 7-7,5 mA (при сопротивлении нагрузки 200 Ом), а суммарное напряжение – 4,5 Вольт.

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.

Подсказываю - лучший способ обзавестись старой АКБ задаром - это

дождаться морозов. Подойдите к бедолаге, у которого не заводится машина - он скоро побежит за новым свежим аккумулятором в магазин, а старый отдаст вам просто так. На морозе старая свинцовая АКБ может и плохо работает, но после заряда дома в тепле выйдет на полную ёмкость.


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:

  • Предназначено для мотоциклов с двигателем 110 или 125 кубов
  • Номинальный ток - 100 ампер сроком до 30 секунд
  • Ток возбуждения обмотки - 3 ампера
  • Рассчитано на 50 тыс. циклов
  • Вес - 156 граммов
Реле приехало в аккуратной картонной коробочке и при распаковке отдало дикой вонью китайской резины. Виновник - резиновый кожух поверх металлического корпуса, запах не выветривается уже который день.

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:

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.

Пользователь Ютуба AvE тестирует скорострельность реле стартера в сравнении с SSR Fotek на осциллографе


Дополняем схему - вместо нажатий кнопки вручную доверим отсчёт миллисекунд Ардуине. Нам понадобятся:
  • собственно Arduino - сойдёт Nano, ProMini или Pro Micro,
  • Оптопара Sharp PC817 с токоограничивающим резистором на 220Ом - чтобы гальванически развязать Ардуино и реле,
  • Понижающий напряжение модуль, например XM1584 , чтобы превратить 12 вольт от батареи в безопасные для Ардуины 5 вольт
  • также нам понадобятся резисторы на 1K и 10K, потенциометр на 10К, какой-нибудь диод и любой buzzer.
  • Ну и, наконец, нам будет нужна никелевая лента , которой сваривают аккумуляторы.
Собираем нашу нехитрую схему. Кнопку спуска подключаем к пину D11 Ардуино, притянув к «земле» через резистор на 10К. MOSFET - к pin D10, «пищалку» - к D9. Потенциометр подключил крайними контактами к пинам VCC и GND, а средним - к пину А3 Ардуино. При желании можете подключить к пину D12 яркий сигнальный светодиод.

Заливаем в Arduino немудрёный код:

Const int buttonPin = 11; // Кнопка спуска const int ledPin = 12; // Пин с сигнальным светодиодом const int triggerPin = 10; // MOSFET с реле const int buzzerPin = 9; // Пищалка const int analogPin = A3; // Переменный резистор 10К для выставления длины импульса // Объявляем переменные: int WeldingNow = LOW; int buttonState; int lastButtonState = LOW; unsigned long lastDebounceTime = 0; unsigned long debounceDelay = 50; // минимальное время в мс, которое надо выждать до срабатывания. Сделано для предотвращения ложных срабатываний при дребезге контактов спусковой кнопки int sensorValue = 0; // считываем значение, выставленное на потенциометре в эту переменную... int weldingTime = 0; // ...и на его основе выставляем задержку void setup() { pinMode(analogPin, INPUT); pinMode(buttonPin, INPUT); pinMode(ledPin, OUTPUT); pinMode(triggerPin, OUTPUT); pinMode(buzzerPin, OUTPUT); digitalWrite(ledPin, LOW); digitalWrite(triggerPin, LOW); digitalWrite(buzzerPin, LOW); Serial.begin(9600); } void loop() { sensorValue = analogRead(analogPin); // считываем значение, выставленное на потенциометре weldingTime = map(sensorValue, 0, 1023, 15, 255); // приводим его к миллисекундам в диапазоне от 15 до 255 Serial.print("Analog pot reads = "); Serial.print(sensorValue); Serial.print("\t so we will weld for = "); Serial.print(weldingTime); Serial.println("ms. "); // Для предотврещения ложных срабатываний кнопки убеждаемся сначала, что она зажата минимум в течение 50мс, прежде чем начать сварку: int reading = digitalRead(buttonPin); if (reading != lastButtonState) { lastDebounceTime = millis(); } if ((millis() - lastDebounceTime) > debounceDelay) { if (reading != buttonState) { buttonState = reading; if (buttonState == HIGH) { WeldingNow = !WeldingNow; } } } // Если команда получена, то начинаем: if (WeldingNow == HIGH) { Serial.println("== Welding starts now! =="); delay(1000); // Выдаём три коротких и один длинный писк в динамик: int cnt = 1; while (cnt <= 3) { playTone(1915, 150); // другие ноты на выбор: 1915, 1700, 1519, 1432, 1275, 1136, 1014, 956 delay(500); cnt++; } playTone(956, 300); delay(1); // И сразу после последнего писка приоткрываем MOSFET на нужное количество миллисекунд: digitalWrite(ledPin, HIGH); digitalWrite(triggerPin, HIGH); delay(weldingTime); digitalWrite(triggerPin, LOW); digitalWrite(ledPin, LOW); Serial.println("== Welding ended! =="); delay(1000); // И всё по-новой: WeldingNow = LOW; } else { digitalWrite(ledPin, LOW); digitalWrite(triggerPin, LOW); digitalWrite(buzzerPin, LOW); } lastButtonState = reading; } // В эту функцию вынесен код, обслуживающий пищалку: void playTone(int tone, int duration) { digitalWrite(ledPin, HIGH); for (long i = 0; i < duration * 1000L; i += tone * 2) { digitalWrite(buzzerPin, HIGH); delayMicroseconds(tone); digitalWrite(buzzerPin, LOW); delayMicroseconds(tone); } digitalWrite(ledPin, LOW); }
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 :

  • При сварке в стороны могут разлетаться микроскопические брызги металла. Не выпендривайтесь, одевайте защитные очки, они стоят три копейки.
  • Несмотря на мощность, реле теоретически может «пригореть» - якорь реле приплавится к месту контакта и не сможет вернуться обратно. Вы получите короткое замыкание и быстрый разогрев проводов. Заранее обдумайте, как вы в такой ситуации будете сдёргивать с АКБ клемму.
  • Вы можете получать разные степени сварки в зависимости от заряда АКБ. Во избежание сюрпризов настраивайте длину сварочного импульса на полностью заряженной АКБ.
  • Заранее подумайте, что вы будете делать, если продырявите литиевый аккумулятор 18650 - как вы будете хватать раскалившийся элемент и куда его закинете догорать. Скорее всего, у вас такого не произойдёт, но с видео последствий самовозгораний 18650 лучше ознакомьтесь заранее. Как минимум, приготовьте металлическое ведро с крышкой.
  • Контролируйте заряд вашей автомобильной батареи, не допускайте её сильного разряда (ниже 11 вольт). Это не полезно батарее, да и соседа, которому срочно потребуется «прикурить» машину зимой, не выручите.