Сборка тягового аккумулятора своими руками: пошаговое руководство с фото и схемой для LiFePO4 и лодочного мотора

Памятка: ключевые шаги сборки тягового аккумулятора

1. Подготовьте все необходимые инструменты и материалы: ячейки, никелевую ленту, BMS, мультиметр, точечную сварку.
2. Выберите аккумуляторы с одинаковыми характеристиками (напряжение, емкость, внутреннее сопротивление).
3. Проверьте напряжение каждой ячейки мультиметром и выровняйте их при необходимости.
4. Спроектируйте схему соединения (последовательно, параллельно или смешанно) в зависимости от требуемого напряжения и емкости.
5. Зачистите контакты ячеек и приварите никелевую ленту точечной сваркой, избегая перегрева.
6. Установите плату BMS, подключив балансировочные провода строго по схеме.
7. Соедините все компоненты (ячейки, BMS, силовые провода) и проверьте целостность цепи.
8. Поместите сборку в корпус (пластик, термоусадка) и зафиксируйте для защиты от вибраций.
9. Проведите финальное тестирование: измерьте общее напряжение, проверьте работу BMS под нагрузкой.
10. Соблюдайте меры безопасности: работайте в защитных очках, избегайте коротких замыканий и используйте огнестойкую поверхность.

Что понадобится?

Для сборки батареи из LiFePO4 аккумуляторов своими руками приготовьте:

• необходимое число аккумов с одинаковыми характеристиками, в идеале – из одной партии;
• принадлежности для их соединения, например, для призматиков с резьбовыми клеммами – переходные пластины и крепежные болты, для цилиндрических элементов – никелевую полосу и аппарат контактной сварки;
• БМС плату с подходящими характеристиками;
• балансировочные провода;
• измерительные приборы – вольтметр, омметр, мультиметр;
• клеммы-переходники;
• силовые клеммы;
• медный многожильный провод диаметром 6 мм;
• электроизоляционные материалы;
• кнопку включения-выключения АКБ;
• зарядное устройство, подходящее для собираемой литий-железо-фосфатной АКБ;
• штекер для зарядного устройства;
• индикатор зарядки;
• средства индивидуальной защиты – диэлектрические перчатки, защитные очки;
• термоусадочную пленку для герметизации созданной АКБ;
• аккумуляторный бокс или материалы для его изготовления.

Выбор аккумуляторов

Существует большое разнообразие батареек 18650 по различным ценам. Но какие из них лучше выбрать? Мы советуем покупать аккумуляторы 18650 от проверенных производителей, таких как Panasonic, Samsung, Sanyo, и LiitoKala.

Эти батареи отличаются подробно описанными характеристиками и строгим контролем качества. Хотя их стоимость может быть выше, чем у других вариантов, если вы собираетесь использовать их на протяжении длительного времени, то они точно оправдают свою цену.

Не советуем брать аккумуляторы с наименованиями, включающими слово «FIRE» (например, Ultrafire, Surefire, Trustfire). Эти изделия могут быть фабричным браком, которые были переупакованы и проданы под другими брендами. Некоторые перепакованные батареи получают новую этикетку, на которой указывается завышенная емкость до 5000 мАч, в то время как реальная емкость может быть всего от 1000 до 2000 мАч.

Дополнительным серьезным недостатком этих недорогих аккумуляторов является высокий риск повреждения и возгорания в случае перегрева во время зарядки или разрядки.

Напряжение и ёмкость

Для создания аккумуляторного блока необходимо определить его номинальное напряжение и емкость. Для достижения желаемой емкости ячейки соединяются параллельно, а затем эти параллельные группы соединяются последовательно для достижения требуемого напряжения.

Предположим, вам нужен аккумуляторный блок с параметрами 11,1 В и 15 Ач. Ячейки, которые мы используем, имеют характеристики 18650: напряжение 3,7 В и ёмкость 3000 мАч.

Особенности LFP аккумуляторов

Ячейки LiFePO4 бывают призматической и цилиндрической формы, разных размеров и емкости. Их номинальное напряжение составляет 3,2 В, а рабочий диапазон – от 2,1 до 3,65 В. Для сборки аккумуляторной батареи нужны одинаковые аккумуляторы: одного форм-фактора, с идентичными характеристиками (внутренним сопротивлением, напряжением, емкостью). Принцип их соединения зависит от формы клемм: если они плоские, используют точечную сварку и никелевые полосы, а элементы с резьбовыми клеммами соединяют с помощью монтажных пластин и болтов.

Каждую литиевую батарею обязательно снабжают BMS платой – для контроля напряжения, температуры, токовых нагрузок. Такой контроллер четко отслеживает рабочие характеристики и не позволяет им выходить за допустимые пределы. В частности, БМС плата отключает батарею от зарядного устройства, когда ей грозит перезаряд, и от нагрузки, когда возникает риск глубокого разряда. Для защиты от внешних воздействий батарею помещают в жесткий ударопрочный корпус, бокс или кейс.

Выбор правильной никелевой ленты

Для сборки аккумуляторного блока требуется соединить ячейки 18650 при помощи никелевых полосок или толстого провода. Наиболее распространенным выбором являются никелевые полоски.

Существуют два вида никелевых полосок: из никелированной стали и из чистого никеля. Рекомендуем отдавать предпочтение полоскам из чистого никеля, несмотря на их немного более высокую цену по сравнению с полосками из никелированной стали. Это связано с тем, что чистый никель имеет значительно меньшее электрическое сопротивление.

Меньшее электрическое сопротивление означает, что в процессе зарядки и разрядки аккумулятора будет выделяться меньше тепла. Это в свою очередь способствует увеличению срока службы аккумулятора.

Важно! Никелевые полоски различаются по размеру и длине. При выборе полосок следует ориентироваться на номинал тока.

Пайка или точечная сварка?

• Соединение при помощи пайки
• Соединение при помощи точечной сварки

Наиболее предпочтительным вариантом является точечная сварка, однако стоимость соответствующего оборудования значительно превышает цену качественного паяльника.

Если вы выбираете пайку, важно осознать преимущества точечной сварки. Одной из проблем пайки является использование большого количества тепла, которое медленно рассеивается. Это может спровоцировать химические реакции внутри аккумулятора, что отрицательно влияет на его производительность. В результате часть емкости может быть утрачена, а срок службы аккумуляторов сокращается.

Тем не менее, если вы не планируете приобретать дорогостоящее оборудование для точечной сварки, можно применять метод пайки никелевых полосок к батарейкам, соблюдая определенные меры предосторожности:

• Для уменьшения времени воздействия паяльника на ячейку необходимо убедиться, что поверхность чистая, и применить достаточное количество флюса для улучшения потока припоя.
• Рекомендуется использовать качественный паяльник с высокой мощностью (не менее 80 Вт) и хорошей тепловой ёмкостью для быстрой передачи тепла к месту соединения. Это позволит сократить время контакта паяльника с батарейкой.

Точечная сварка обеспечивает надежное соединение аккумуляторов без значительного выделения тепла. Существуют два типа аппаратов для точечной сварки: для домашнего использования и профессиональные. Цена хорошего аппарата для домашнего использования составляет около 10 тысяч рублей, в то время как профессиональный может стоить в десять раз больше.

Проверка напряжения ячеек

Перед тем как провести параллельное соединение ячеек, обязательно проверьте напряжение каждой из них. В параллельном соединении напряжение ячеек должно быть примерно одинаковым. Если разница в напряжении значительна, возможно образование тока от ячейки с более высоким напряжением к ячейке с более низким напряжением. Это может привести к повреждению или даже возгоранию ячеек.

При использовании новых ячеек их напряжение обычно колеблется в диапазоне 3,5–3,7 В, что позволяет соединять их без особых опасений. Однако, при использовании старых аккумуляторов из ноутбуков, следует предварительно проверить, чтобы напряжение каждой ячейки было примерно одинаковым. Если оно отличается, то перед соединением рекомендуется зарядить ячейки до одинакового уровня напряжения с помощью надежного зарядного устройства для литий-ионных батарей.

Схема сборки

Чтобы собрать батарею из литий-железо-фосфатных аккумуляторов своими руками, нужно изначально продумать схему их сборки. Для наращивания вольтажа ячейки соединяются последовательно (плюсовой контакт предыдущей «банки» соединяется с минусовым контактом последующей), а для набора емкости – параллельно. К примеру, для сборки батареи напряжением 36 В и емкостью 10 Ач из ячеек с характеристиками 3,2 В и 5 Ач используется схема 12S2P.

При расчете необходимый вольтаж батареи нужно разделить на номинальное напряжение 3 В каждого элемента. Для 36-вольтовой батареи получаем 12 последовательно соединяемых ячеек, по 2 в параллели для набора емкости. Аналогично для получения батареи на 48 В последовательно соединяется 16 элементов. Но у заряженных LFP элементов напряжение составляет 3,65 В, поэтому напряжение заряженной батареи будет выше номинального значения: 3,65х12= 43,8 В, 3,65х16=58,4 В.

Последовательное соединение

Аккумуляторы соединяют последовательно для увеличения напряжения. В этом случае положительную клемму (+) одного элемента соединяют с отрицательной клеммой (-) соседнего. Например, для сборки достижения аккумуляторной батареи 12 В нужно последовательно соединить 4 элемента LFP по 3,2 В.

• напряжение добавляется;
• ток, емкость остаются прежними;
• внутреннее сопротивление увеличивается.

Если в такой связке одна ячейка выходит из строя, то общий вольтаж падает, и плата BMS может отключить батарею раньше времени, выдавая сообщение о низком заряде.

Параллельное соединение

• напряжение не изменяется;
• емкость увеличивается;
• внутреннее сопротивление уменьшается;
• время автономной работы питаемого оборудования увеличивается.

В параллельной схеме неисправная ячейка снижает общую емкость, однако меньше влияет на работоспособность в случае повышенного сопротивления или размыкания. Однако при внутреннем коротком замыкании она отбирает энергию у других ячеек и может вызвать «тепловой разгон». В больших аккумуляторных элементах производители предусматривают предохранитель, отключающий их при коротком замыкании. На изображении ниже третья ячейка вышла из строя, общая емкость снизилась, но это не повлияло на вольтаж.

Последовательно-параллельное соединение

Эта конфигурация позволяет добиться нужного напряжения и емкости при минимально возможных размерах литиевой батареи. На рисунке ниже показаны два последовательно-параллельно соединенных элемента, что позволило удвоить емкость и напряжение.

Последовательность сборки АКБ

1. Подготовить все компоненты, инструменты, измерительные приборы. Ячейки для сборки должны быть с идентичными характеристиками и низким уровнем заряда – около 20% (для безопасной сборки).
2. Соединить их по заранее продуманной схеме. При соединении строго соблюдать полярность. Призматические элементы соединить переходными пластинами и закрепить крепежом. Цилиндрические – соединить при помощи никелевой полосы и аппарата контактной сварки.
3. К минусовой клемме батареи присоединить BMS плату. От нее к каждому контакту провести балансировочные провода. Припаять их или присоединить клеммами. Четко соблюдать схему подключения, прилагаемую к конкретной БМС плате.
4. Присоединить силовые провода и необходимые разъемы.
5. Герметизировать полученную АКБ при помощи широкой термоусадки.
6. Поместить АКБ в корпус.
7. Вывести проводку. Установить кнопку включения-выключения, индикатор уровня заряда-разряда, штекер для зарядного устройства.
8. Имеющиеся в корпусе отверстия герметизировать.

Далее нужно протестировать батарею, зарядить ее, закрепить в выбранном месте, подключить к контроллеру, нагрузке, бортовому компьютеру или вольтметру.

Сборка ячеек

На предыдущем этапе мы определили, что наш аккумуляторный блок формируется из трех параллельных групп, последовательно соединенных, что дает общее напряжение 11,1 В (3 x 3,7 В). Каждая из этих параллельных групп включает в себя пять ячеек, что в сумме составляет 15000 мАч (3000 мАч x 5).

Далее следует правильно расположить 15 ячеек для их соединения с платой BMS.

Сначала разместим первую параллельную группу ячеек с положительной стороной вверх. Затем вторую параллельную группу уложим с отрицательной стороной вверх. Затем третью параллельную группу разместим с положительной стороной вверх.

Для сборки ячеек в блок рекомендуется использовать пластиковые держатели для аккумуляторов формата 18650. Они предпочтительны по нескольким причинам:

• Позволяют создавать блоки различных размеров, собирая ячейки подобно пазлу.
• Обеспечивают промежутки между ячейками, что способствует циркуляции воздуха для охлаждения аккумуляторов.
• Придают аккумуляторному блоку прочность и надежность.
• Защищают сборку от воздействия вибрации.

Процесс точечной сварки

Приступим к использованию аппарата для точечной сварки. Для начала подготовьте никелевые полоски и сварочный аппарат.

• Разместите никелевую полоску на 5 ячеек параллельно так, чтобы она полностью покрывала все контакты ячеек, оставив лишние 10 мм полосок для последующего соединения с платой BMS. Затем отрежьте полоску.
• Для последовательного соединения отрежьте несколько небольших никелевых полосок. Вам понадобятся 4 длинные полоски для параллельного соединения и 10 небольших полосок для последующих соединений.
• Соедините отрицательный вывод первой параллельной группы с положительным выводом второй группы, затем отрицательный вывод второй группы с положительным выводом третьей группы.

• Аппарат может использоваться как для сварки чистого никеля, так и никелированной стали. Настройте регуляторы импульсов и тока в зависимости от толщины никелевых полосок.
• Для никелевых полосок толщиной 0,15 мм установите регулятор импульсов на 4P и регулятор тока на 4-5. Для никелевых полосок толщиной 2 мм установите регулятор импульсов на 4P, 6P и регулятор тока на 7-8.
• Убедитесь, что сварочная ручка плотно прижата к никелевой полоске и клемме батареи, затем нажмите ножной переключатель. Вы увидите небольшую искру и два точечных следа на полоске.

Вы можете оценить качество сварки, потянув за никелевую полоску. Если она не отходит при нажатии или требует значительного усилия для отделения, то сварка выполнена успешно. Однако, если никелевая полоска легко отрывается, это может свидетельствовать о необходимости увеличить ток.

Установка платы BMS

Система управления батареей (BMS) является электронной системой, контролирующей работу литиевых аккумуляторов, выполняя ряд важных функций:

• Отключение аккумулятора от источника питания при достижении полной зарядки (примерно 4,2 В).
• Балансировка напряжения всех ячеек аккумулятора.
• Предотвращение переразряда аккумулятора.

• Количество ячеек в последовательном соединении (например, 2S, 3S или 4S).
• Максимальный ток разряда (например, 10A, 20A, 25A или 30A).

Присоедините систему управления батареей (BMS) в соответствии со схемой подключения. На плате BMS присутствуют четыре паяльные площадки: B-, B1, B2 и B+. Подсоедините отрицательную шину первой параллельной группы к B-, а положительную шину – к B1. Аналогично, отрицательную шину третьей параллельной группы подсоедините к B2, а положительную – к B+.

Для надежного соединения можно выполнить точечную сварку никелевых полосок к плате BMS или припаять их к специальным площадкам на плате. Сначала нанесите паяльный флюс на площадки печатной платы и концы никелевых полосок. Затем добавьте небольшое количество припоя на все соединяемые площадки и спаяйте их вместе.

Защита в литиевых аккумуляторах

Литий-ионным аккумуляторам нужна защита предотвращения повреждений, связанных с избыточным током, перезарядом, повышением температуры. Схемы защиты бывают встроенными или внешними.

Встроенная защита

Многие аккумуляторные элементы защищаются производителями от критического перегрева, избыточного давления. Устройство прерывания тока CID отключает цепь, когда диапазон давления, температуры или напряжения в ячейке выходит за пределы. Например, при увеличении внутреннего давления верхний диск отсоединяется от металлической фольги и ток отключается. Образовавшие газы выпускаются через вентиляционные клапаны.

Внешняя защита

Литиевые аккумуляторы защищаются управляющими платами BMS, которые следят за состоянием ячеек и посылают сигнал в схему защиты при возникновении каких-либо неисправностей. Датчики определяют зарядный, разрядный токи, напряжение, температуру. Если показания превышают допустимые пределы, то срабатывает защита.

Материалы сайта не подлежат использованию кем-либо, в какой бы-то ни было форме, включая воспроизведение, распространение, переработку, не иначе как с письменного разрешения редакции.

Автор статьи: Энергинский К.А. Специалист по аккумуляторной технологии Автор-эксперт в области литий-ионных аккумуляторов

Соединение компонентов

Стандартный аккумулятор обычно имеет два контакта: один для подключения нагрузки и второй для зарядки аккумулятора.

Для мониторинга уровня заряда батареи можно добавить индикатор заряда. Подключение зарядки и нагрузки можно осуществить через разъем 5.5/2.5. Модуль индикатора уровня заряда батареи на 3S будет отображать текущий статус заряда. Также можно включить или выключить индикатор с помощью переключателя.

Важно! Не припаивайте провода к BMS до того, как все компоненты будут установлены в корпус.

Корпусирование

Аккумуляторный блок обладает открытыми никелевыми полосками, которые окружают его со всех сторон. Для обеспечения безопасности при использовании аккумулятора необходимо его поместить в корпус.

Вы можете разработать корпус самостоятельно и напечатать его на 3D-принтере, или приобрести готовый корпус подходящего размера.

Финальная сборка

Последний этап — это сборка батарейного блока и размещение в корпусе. Для этого поместите аккумуляторный блок внутрь корпуса и надёжно закрепите его. Вы можете использовать термоклей для надёжной фиксации или, если конструкция корпуса предусматривает это, закрепить блок с помощью винтов.

Убедитесь, что все компоненты плотно установлены на своих местах, а проводка и соединения находятся в безопасности. Этот шаг завершает процесс сборки и гарантирует, что ваш аккумуляторный блок будет защищён и работать надёжно.

Процесс сборки батареи LiFePO4

Чтобы собрать аккумулятор для лодочного электромотора, нужно:

1. Выбрать, из каких ячеек вы будете делать сборку. Наиболее удобны модели с резьбовыми клеммами. При этом желательно выбирать «банки» с достаточным запасом емкости, чтобы соединять их только последовательно.
2. Рассчитать схему их соединения для получения необходимых характеристик. Для этого вольтаж батареи делим на 3 В (примерное напряжение одного элемента). Например, для получения АКБ на 12 В понадобится 4 ячейки, для набора 24 В – 8 элементов, а для 48 В – 16 ячеек LiFePO4. Если дополнительно нужно нарастить и емкость, рассчитываем подходящую комбинированную схему. Так, для получения батареи с параметрами 24 В, 100 А·ч из LFP элементов емкостью 50 А·ч применяем схему 8S2P – 8 последовательно соединяемых элементов, 2 линии-параллели для набора емкости.
3. Приготовить все необходимое – ячейки и БМС плату, принадлежности для контактной сварки или резьбового соединения, а также для пайки, измерительные приборы, средства индивидуальной защиты. Также понадобятся клеммы, провода, штекеры, ЗУ, индикатор зарядки, электроизоляционные материалы, термоусадочная пленка, защитный кейс.
4. Соединить элементы в соответствии с выбранной схемой.
5. К минусовой клемме присоединить BMS плату, в соответствии с прилагаемой к ней схемой подключения провести от нее ко всем контактам балансировочные провода. Припаять их или прижать клеммами.
6. Присоединить силовые провода и разъемы.
7. Упаковать батарею термоусадочной пленкой и поместить в защитный бокс.
8. Вывести провода. Установить кнопку вкл./выкл., индикатор заряда или вольтметр, штекер для зарядного устройства. Герметизировать отверстия.
9. Протестировать собранную АКБ.

О безопасности

При сборке аккумуляторной батареи, ее тестировании и дальнейшем использовании нужно соблюдать меры предосторожности. Недопустимо использовать элементы питания сомнительного качества или имеющие очевидные признаки неисправности. Аккумы нельзя ронять, деформировать, нагревать, подвергать перезаряду или глубокому разряду. Недопустимо замыкать плюсовые и минусовые клеммы. В процессе работ желательно использовать защитные очки и диэлектрические перчатки.

Часто задаваемые вопросы о сборке тягового аккумулятора

Вопрос: Какие аккумуляторы лучше всего подходят для сборки тяговой батареи?
Ответ: Лучше всего использовать литий-ионные (Li-ion) или литий-железо-фосфатные (LiFePO4) ячейки, так как они имеют высокую энергоемкость и длительный срок службы.

Вопрос: Нужна ли плата BMS для тягового аккумулятора?
Ответ: Да, BMS (Battery Management System) обязательна, так как она контролирует заряд/разряд, балансирует ячейки и защищает от перегрузок и короткого замыкания.

Вопрос: Какой тип соединения ячеек выбрать: последовательное или параллельное?
Ответ: Последовательное соединение увеличивает напряжение, параллельное — емкость. Для тяговых батарей часто используют последовательно-параллельное соединение для достижения нужных параметров.

Вопрос: Можно ли паять аккумуляторы обычным паяльником?
Ответ: Не рекомендуется, так как перегрев может повредить ячейки. Лучше использовать точечную сварку с никелевой лентой.

Вопрос: Как проверить напряжение ячеек перед сборкой?
Ответ: Используйте мультиметр. Все ячейки должны иметь одинаковое напряжение (разница не более 0.05 В), иначе их нужно выровнять.

Вопрос: Какой толщины должна быть никелевая лента?
Ответ: Для большинства тяговых батарей подходит лента толщиной 0.15–0.2 мм. Для высоких токов используйте ленту толще или сдваивайте полосы.

Вопрос: Что делать, если ячейки греются при сборке?
Ответ: Немедленно прекратите сборку и проверьте контакты. Перегрев может быть вызван плохим соединением или коротким замыканием.

Вопрос: Нужно ли изолировать корпус батареи?
Ответ: Да, обязательно используйте термоусадку, пластиковый корпус или кевларовую ленту для изоляции и защиты от вибраций и влаги.

Вопрос: Как рассчитать емкость и напряжение готовой батареи?
Ответ: Напряжение = количество последовательных ячеек × номинальное напряжение одной ячейки. Емкость = количество параллельных ячеек × емкость одной ячейки.

Вопрос: Можно ли использовать аккумуляторы разных производителей в одной сборке?
Ответ: Нет, это приведет к дисбалансу и быстрому выходу из строя. Используйте только одинаковые ячейки одной партии.