Bodování akupacku invertorem: princip, konstrukce, nastavení a bezpečný postup

Bodové svářečky baterií jsou zařízení určená k pevnému a vodivému spojování článků do bateriových sestav pomocí krátkých a přesně řízených elektrických impulsů. Umožňují bezpečné přivařování propojovacích pásků bez přehřívání bateriových článků.

Bodování akupacku invertorem spočívá v přivaření niklových propojovacích pásků ke kontaktům článků krátkým proudovým impulsem. Proud má procházet pouze místem mezi elektrodami a páskem, nikoli celým článkem, takže se omezuje přenos tepla do citlivé baterie. Správně nastavený čas, výkon, přítlak elektrod a vhodný materiál pásku jsou pro výsledek zásadní.

Využívají se při výrobě, repasi nebo opravách akumulátorových bloků pro nářadí, elektrokola, elektroniku i modelářství. Přesné přivařování propojovacích pásků na elektrody článků bez použití cínu je hlavním důvodem, proč se bodování používá místo klasického pájení.

Proč se akupacky bodují

Články se bodují strojově, pokud se z nich sestavuje akumulátor do potřebného tvaru. Akumulátory se dají svařovat i hotové, protože proud neprochází přes akumulátor, tedy oba póly bodovačky nejsou proti sobě, ale jsou vedle sebe; v podstatě je jeden hrot a jedna kostra.

Bodovačka proto nepřipojuje oba póly přímo na kladný a záporný kontakt článku tak, aby proud procházel jeho vnitřkem. Obě elektrody se přikládají do blízkosti jednoho konce článku na stejný propojovací pásek a svařovací proud protéká krátkou cestou mezi kontakty.

Když už máš hotovou baterku, tak jí svařit nemůžeš, protože se nesmí ohřát a není možné se dostat bodovou svářečkou na druhou stranu plíšku.

Toto omezení se týká především nevhodného uspořádání elektrod. Při opravách již bodovaných sestav se používají ruční hroty, které lze umístit přesně na požadované místo.

Jak funguje bodová svářečka pro akupacky

Bodové svářečky baterií jsou zařízení určená k pevnému a vodivému spojování článků do bateriových sestav pomocí krátkých a přesně řízených elektrických impulsů. Umožňují bezpečné přivařování propojovacích pásků bez přehřívání bateriových článků.

Jako zdroj se používají karosářské spoty, zejména ty, které mají digitální řízení výkonu i času. Vlastní bodovací hroty a jejich upínání vyrábí například francouzská firma Soudax, ale je to tak drahé, že se vyplatí, aby si tuto mechanickou část mikrobodovky vyrobil každý uživatel sám.

Praktickou alternativou může být transformátor z mikrovlnné trouby. V jednom popsaném řešení byl transformátor MOT převinutý a doplněný o řídicí elektroniku. Pomocí takové bodovačky bylo vyrobeno 130 článků 18650 na koloběžku a také další baterie.

Pro první testování byla řídící elektronika sestavena z Arduino Nano, na kterém se nastavoval čas pomocí potenciometru, a jako silová část bylo použito SSR relé. Toto zapojení ale mělo jednu velkou nevýhodu, protože sepnutí transformátoru docházelo pokaždé v jiné hodnotě amplitudy v síti.

Každý svár byl tak jiný a bylo těžké odladit správné nastavení. Z tohoto důvodu bylo použito řízení, které umožňuje synchronizovanější a opakovatelnější spínání transformátoru.

Mechanická konstrukce bodovačky

Konstrukce bodovacích hrotů může být páková, ale každý si může přizpůsobit bodovačku sobě. Na konstrukci páky lze použít i odpadní materiál, například měděnou plochou přípojnici o rozměru 5 × 30 mm a délce 20 cm.

Pro připojení silových vodičů mohou být použity malé hromosvodové svorky, přes které se připojí 35 mm² lanko na přípojnici. Části svorek lze použít také pro přichycení bodovacích hrotů vyrobených ze zbytku 10 mm² měděného vodiče zabroušeného do špičky.

Do měděné přípojnice lze vyřezat závity a šrouby z druhé strany zabrousit do roviny s plochou. Mezi přípojnice se vloží gumová izolační podložka a celek se zajistí elektrikářskou páskou.

Přes obě přípojnice a gumovou podložku se následně provrtá otvor, který slouží jako pant. Modrý díl, který drží přípojnice, může být vyroben pomocí 3D tisku.

Celé zařízení lze přišroubovat k DTD desce o tloušťce 18 mm, která zároveň slouží jako pracovní deska. Transformátor s řídící elektronikou se umístí na druhý konec desky.

Nad bodovací hroty lze vymodelovat držák tlačítka, který slouží jako hmatník pro přitlačení páky a zároveň ke spuštění svařování. Při výrobě prvního packu bylo vyzkoušeno i spouštění pomocí pedálového spínače, ale spínač přímo na páce se ukázal jako pohodlnější.

Řídicí modul a nastavení impulzu

Řídicí modul může umožňovat nastavení doby svařování i výkonu. U popsaného modulu bylo možné nastavovat dobu svařování v rozsahu 20-1000 ms po 20 ms a výkon v rozsahu 30-99 %.

Modul byl připraven pro dvě pouzdra triaků a bylo možné osadit BTA41-800B pro proud 40 A nebo BTA100-800B až do 100 A. Pro klasický MOT však stačí verze s menším triakem.

Pro napájení modulu je nutné použít transformátor 9-12 V AC. Důležité je, že jde o střídavé napětí, nikoli o libovolný stejnosměrný napájecí zdroj.

U bodování je třeba hledat nastavení, při kterém se pásek pevně přivaří, ale článek se nadměrně nezahřívá. Příliš krátký nebo slabý impulz vytvoří nedostatečný spoj, zatímco příliš dlouhý nebo silný impulz může pásek propálit, vytvořit velkou tepelně ovlivněnou oblast nebo poškodit článek.

Elektrody, přítlak a vedení proudu

Elektrody musí být mechanicky stabilní a musí se dotýkat pásku rovnoměrně. Při ručním bodování je důležité držet hroty stále ve stejné vzdálenosti a při každém bodu použít podobný přítlak.

Pro opravy již bodovaných baterií mají ruční hroty výhodu v tom, že se dají umístit přesně tam, kam je potřeba. Hroty se drží v ruce a jejich poloha se přizpůsobuje konkrétnímu místu na článku.

Silové vodiče musí mít dostatečný průřez a musí být co nejkratší, protože při vysokém proudu se každý zbytečný odpor projeví úbytkem napětí, zahříváním a menší energií dostupnou v místě svaru.

Povrch pásku i kontakt článku musí být čistý. Nečistoty, oxidace nebo mechanická mezera zvyšují přechodový odpor a mohou způsobit nepravidelné svary.

Materiál propojovacích pásků

Propojovací materiál může být ze 100% niklu. Niklový pásek je určený pro bodové svařování článků a jeho šířka i tloušťka musí odpovídat požadovanému proudu a konstrukci packu.

U vyšších proudů je nutné věnovat pozornost nejen počtu bodů, ale také průřezu a délce proudové cesty. Vyšší proud může procházet několika články a spoji současně, takže nedostatečný pásek nebo slabý spoj způsobí lokální zahřívání.

Jen bych si dovolil upozornit, že pro vyšší proudy je bodování špatnou volbou. Packy pro vyšší proudy se vždy letují, prodávané bodované se již mnohokrát vymstily.

Toto tvrzení se týká sestav, u kterých jsou dlouhodobě požadovány velmi vysoké proudy. V diskusi byla uvedena hodnota 20-50 A u akumulátorového nářadí a téměř 200 A u modelářských packů, kde je znát každý miliohm.

Přesně tak, také se to stalo. Přiletovaný spoj tento problém nemá.

Pájet články se musí umět. Musí se dodržet jen nepatrný čas ohřevu, pod 1 s. Používá se letovací voda na Ni.

Jako spojky lze použít pocínovanou propojovací měděnou pásku na vodovodní trubky, která se pocínuje a nastříhá nůžkami na plech.

Výhody a omezení bodování oproti pájení

Pro běžné akupacky je bodování vhodné proto, že se článek zahřívá kratší dobu než při dlouhém pájení. Pájení však může být vhodnější u sestav s velmi vysokými proudy, u kterých jsou bodové spoje nebo tenké pásky nedostatečné.

Vývody mi bodovali v hradeckém Gesu a u několika kusů mi doma při zhotovování packu vývody upadly. Proto se používá pájení, pokud je požadován robustnější spoj nebo pokud bodovaný spoj mechanicky nevyhovuje.

Výběr bodové svářečky

Při výběru vhodného modelu je třeba zvážit výkon zařízení, možnost nastavení, kompatibilitu s pásky a články, způsob bodování, rozměry, přenosnost a dostupné příslušenství.

• Výkon zařízení: zda postačí pro slabé pásky, nebo je potřeba vyšší výkon pro silnější materiály.
• Možnost nastavení: regulace proudu, doby impulzu a způsobu spouštění tlačítkem nebo nožním pedálem.
• Kompatibilita: rozměry a materiál propojovacích pásků i typ bateriových článků.
• Způsob bodování: ruční nebo nožní spínač pro stabilní opakovanou práci.
• Rozměry a přenosnost: kompaktní model pro mobilní použití nebo robustní zařízení pro dílnu.
• Příslušenství: náhradní elektrody, kabely, pedál, držáky článků a návod k použití.

Kompaktní stolní svářečky mají pevnou elektrodu a držák článku a hodí se pro dílny a stálé pracoviště. Přenosné bodové svářečky jsou lehčí modely s ručními elektrodami, ideální pro flexibilní práci a menší sestavy.

Svářečky s nožním spínačem umožňují přesné a stabilní bodování bez nutnosti držet přístroj v ruce. Inteligentní bodové svářečky mají digitální ovládání, displej a možnost jemného nastavení proudu a délky impulzu.

Postup bodování akupacku

1. Prověřte stav článků a vyřaďte články s mechanickým poškozením, výrazně odlišným napětím nebo podezřelými elektrickými parametry.
2. Naplánujte zapojení článků a jejich fyzické rozmístění v packu.
3. Zvolte vhodný materiál a rozměr propojovacích pásků.
4. Očistěte kontaktní plochy článků a pásky.
5. Umístěte články do požadované polohy a zajistěte, aby se při bodování neposouvaly.
6. Umístěte obě elektrody na pásek v blízkosti stejného pólu článku.
7. Nastavte krátký a přiměřený impulz.
8. Proveďte zkušební bod na vzorku nebo na části sestavy.
9. Ověřte mechanickou pevnost a elektrickou vodivost spoje.
10. Teprve potom opakujte stejné nastavení na celém packu.

Po bodování je nutné zkontrolovat, zda se pásek neodtrhává příliš snadno, zda není v místě svaru propálený a zda se článek ani izolační kroužek nadměrně nezahřály.

Pokud je spoj slabý, nestačí automaticky prodlužovat impulz. Příčinou může být špatný přítlak, znečištěný povrch, tupé nebo nesouměrné elektrody, příliš dlouhé silové vodiče nebo nevhodný materiál pásku.

Konfigurace akupacku a proudové zatížení

Vybíjecí proud při provozu sady, tedy baterie složené z více článků 18650, je nižší než proud udávaný pro jeden článek. Je to způsobeno tím, že mnoho článků v obalu se od sebe zahřívá.

Zvýšená a nerovnoměrná teplota packu způsobuje rychlou degradaci článku a taková baterie nebude spolehlivá. V zájmu bezpečnosti a dlouhé životnosti baterie ji vždy navrhujte bezpečně na základě maximálního proudu pro provoz v baterii.

Nepřetěžujte články a nestavte balení na základě maximálního proudu pro jeden článek, jinak bude vaše baterie fungovat velmi krátce.

Počet článků paralelně proto neslouží jen ke zvýšení kapacity, ale také ke snížení proudu připadajícího na jeden článek. Při návrhu je nutné počítat s teplem vznikajícím uvnitř sestavy a s odporem pásků, svarů, vodičů i ochranných prvků.

Kontrola článků před bodováním

Pokud je akupack v pouzdru, je vhodné ho otevřít, aby se zjistilo, jaké baterie jsou uvnitř. Jednotlivé baterie lze proměřit miliohmetrem YR1035+.

Impedance článků je jedním z ukazatelů jejich jakosti. Každý článek nebo sekce se proměřuje miliohmetrem YR1035+. Pokud se u jakékoliv sekce naměří zcela odlišná hodnota, ukazuje to na problém a pack by se neměl použít bez dalšího prověření.

Při sestavování nového packu je důležité používat články s podobnými parametry. Rozdílná kapacita, vnitřní odpor nebo stav nabití může vést k nerovnoměrnému zatížení jednotlivých sekcí.

Značkové články mohou mít například označení EVE INR18650-35V 3500mAh, BAK H18650CH 2600mAh, LG Chem M29 2850mAh nebo Samsung 29E Series 7. Samotné označení však nenahrazuje měření skutečného stavu článku.

Servisní konektor a měření akupacku

Každý akupack lze vybavit servisním konektorem. Používají se bílé vícepinové konektory JST XH. Na piny se vyvedou spoje všech článků, takže je vždy o jeden pin více než článků.

Sestava 3S, tedy tří sériově spojených článků, má servisní konektor se 4 piny. Sestava 6S bude mít konektor se 7 piny.

Na servisní konektor lze připojit balancér, speciální měřák pro akupacky nebo speciální modelářskou nabíječku. Na jednotlivé piny se lze postupně napíchnout také multimetrem.

Rozdíl jednotlivých článků v packu by měl být co nejmenší, řekněme maximálně 0,03 V, tedy 30 mV. Rozhodně ne 0,1 V, protože v nebalancovaném packu bez omezovače by hrozilo přebití jedné sekce.

Pro rychlé měření akupacků existuje měřák Cellmeter-7 pro 7 článků a Cellmeter-8 pro 8 článků. Po připojení přes servisní konektor zobrazí napětí packu, orientační procento nabití, rozdíl mezi nejlepším a nejhorším článkem MIN-MAX a napětí jednotlivých článků.

Cellmetry nejsou úplně přesné a více kusů může měřit mírně odlišně. Vzhledem k jejich ceně však může být jejich poměr ceny a přínosu velmi dobrý.

Balancování a omezování napětí

Balancér má za úkol vyrovnávat napětí mezi jednotlivými články v akupacku. Když zjistí rozdíl, při libovolném stupni nabití začne přečerpávat energii z jednoho článku do druhého, aby rozdíl vyrovnal.

Ideální balancér by měl mít co nejmenší vlastní spotřebu, měl by být malý a měl by fungovat při co nejmenším rozdílu napětí mezi články v packu.

Levný modul se často označuje jako balancér, i když jde ve skutečnosti o omezovač. Takový modul se připojí k akupacku a podle některých prodejců řeší všechno, ale jeho funkce může spočívat pouze v omezení nabíjení článků, které dosáhly koncového napětí.

Pokud nekvalitní balancér připojíte trvale k malému bateriovému packu v řádu jednotek Ah, může ho za měsíc vybít, pokud ho nebudete během této doby aktivně používat, tedy především nabíjet.

Takový modul může mít spotřebu jednotek až desítek miliampér. Hlavními spotřebiči jsou mikrokontrolér, který řídí logiku, měří jednotlivé články a ovládá přelévání energie, a DC/DC měnič, který musí vyrobit vyšší napětí, aby energii přenesl tam, kde je potřeba.

Balancér může přenášet energii kapacitně nebo indukčně. Důležité je, při jakém rozdílu napětí se spustí a na jakou hodnotu články vyrovná.

Výrobci malých modulů uvádějí například 30 mV. U packu 6S může teoreticky celkový rozdíl mezi krajními články dosáhnout 6 × 0,03 V = 0,18 V.

Balancér nemá konec jako omezovač. Nezná koncové napětí článku, kdy má přestat. Balancuje, dokud se nepřekročí napěťový limit na jeho vstupech, a pak může dojít k jeho destrukci.

Na první pohled lze skutečný balancér poznat podle transformátorků nebo velkých kondenzátorů na desce plošných spojů, pomocí nichž přečerpává energii z více nabitých do méně nabitých článků nebo sekcí akupacku.

Omezovač slouží k tomu, aby po nabití článku tento článek přemostil a omezil jeho nabíjení. U článku Li-Ion začne pracovat až při napětí 4,2 V.

Omezovač je pojistka proti přebití článku. Nezajímá ho stav v polovině nabíjení, ale zapojí se do práce až na úplném konci. To je hlavní rozdíl oproti balancéru, který pracuje průběžně.

Pokud chcete, aby měla Li-Ion baterie dvojnásobnou životnost, nabíjejte ji na maximálně 4,1 V. Továrně vyráběné omezovače jsou koncipovány na maximální napětí článku, tedy 3,6 V pro LiFe a 4,2 V pro Li-Ion, které se bohužel nedá měnit.

Při překlenutí článku mění omezovač proud z nabíječky v teplo. Pokud budete nevybalancovaný Li-Ion pack nabíjet proudem 1 A, jedna sekce při dosažení koncového napětí 4,2 V bude muset odvést výkonovou ztrátu 4,2 V × 1 A = 4,2 W.

Je-li akupack tvořen například šesti sekcemi, výkonová ztráta se násobí počtem sekcí, které postupně dosahují limitního napětí při vytrvalém dobíjení.

Ochranné moduly a jejich omezení

Omezovač s proudovou pojistkou a kontrolou podbití je v nabídkách často obecně vydáván za balancér. V kombinaci s hlídáním maximálního proudu, který lze z baterií čerpat, brání totálnímu zkratu na výstupu.

Při překročení maximálního proudu se výstup z baterií do spotřebiče vypne. Tyto moduly také hlídají podbití a při poklesu napětí baterie pod 2,5 V ji odpojí od výstupu.

Tyto funkce mají vliv na bezpečnost provozu baterií a akubloků, ale samy o sobě nenahrazují správně navržený pack, kontrolu článků ani vhodné nabíjení.

Kombinace balancér-omezovač může být ideální, ale v praxi ztrácí smysl, protože buď budete sestavu baterií nabíjet jen částečně z důvodu delší životnosti a v tom případě použijete balancér, nebo budete nabíjet nadoraz a použijete omezovač.

Kontrola hotového packu

Po bodování je třeba zkontrolovat elektrické propojení jednotlivých sériových a paralelních skupin. Zkontroluje se celkové napětí, napětí jednotlivých sekcí a rozdíl mezi nimi.

Pokud je akupack nevybalancovaný, problémovou sekci lze vyrovnat drobným dobitím. K rychlému připojení bez pájení lze použít magnetické kontakty se silikonovými kabely.

Magnetické kontakty umožňují rychlé proměření akupacku a lze je využít také pro konstrukci adaptéru se servisním konektorem JST XH pro pack, který je v hrubém stavu.

Po prvním dobití a případně po dalších dvou nabíjecích cyklech se pack znovu zkontroluje přes servisní konektor. Po každých 3-6 měsících provozu, tedy vybíjení a nabíjení, se pravidelně kontroluje přes servisní konektor.

Pravidelné měření umožňuje včas zjistit, zda se některá sekce nezačíná výrazně odchylovat. Samotné bodování mechanicky propojí články, ale neřeší jejich rozdílnou kapacitu, vnitřní odpor ani stav nabití.

Bezpečnost při práci

Li-Ion články mohou při zkratu dodat velmi vysoký proud. Před bodováním je nutné odstranit kovové předměty, chránit články před náhodným zkratem a pracovat tak, aby se pásek, elektrody nebo vodiče nemohly dotknout nesprávných kontaktů.

Články se nesmějí nadměrně zahřívat. Pokud se během bodování výrazně ohřívá plášť, izolační kroužek nebo opačný pól článku, je nutné přerušit práci a upravit nastavení, elektrodové hroty nebo přítlak.

Akupack nesmí být bodován s poškozenými, nafouklými, netěsnými nebo neznámými články. Články s výrazně odlišným vnitřním odporem nebo napětím je nutné před sestavením vyřadit nebo samostatně prověřit.

Propojovací pásky musí být po dokončení izolovány tak, aby nemohlo dojít ke kontaktu mezi sousedními sekcemi. Kromě elektrické izolace je třeba zajistit i mechanickou ochranu proti vibracím a oděru.

Bodová svářečka je citlivé elektronické zařízení, které potřebuje být udržováno v čistotě. Pokud pracuje v prašném prostředí, je nutné ji po sejmutí krytu vyfoukat 1-6× za rok podle prašnosti stlačeným vzduchem a vyfoukat zanesené otvory chladicího zařízení.

Co nepoužívat jako náhradu bodovačky

Nouzové svařování z automobilových akumulátorů může fungovat pouze jako řešení v místě bez přívodu elektřiny, nikoli jako běžná náhrada řízené bodové svářečky pro Li-Ion články.

Při jednom pokusu byly do série propojeny dva akumulátory Banner 12 V/80 Ah a jeden akumulátor Ford 12 V/70 Ah kabelem Cu 16 mm². Tento způsob umožnil svařování elektrodou, ale šlo o svařování kovu, nikoli o přesné bodování pásků na citlivé články.

Po vyvaření čtyř elektrod napětí na jednotlivých akumulátorech kleslo na 10 V a hůře se zapaloval oblouk. Při svařování elektrodami o průměru 2,5 mm proud překračoval 100 A.

Baterie je nutné po nabíjení dobře odvětrat a při sváření umístit venku a alespoň 3 metry od místa svařování, aby nedošlo k explozi uvolňovaného vodíku. Baterie musí být typu startovací, jinak hrozí exploze při zapalování oblouku.

Jiné baterie, například trakční, nejsou stavěny na krátkodobý zkratový proud, který musí startovací baterie vydržet při startu. Toto řešení proto nelze považovat za bezpečný způsob bodování akupacku.

Nejčastější chyby při bodování

• Příliš vysoký výkon: může propálit pásek nebo poškodit článek.
• Příliš dlouhý impulz: zvyšuje ohřev článku a izolačních prvků.
• Nedostatečný přítlak: způsobuje vysoký přechodový odpor a nepravidelný svar.
• Špinavé kontakty: zhoršují elektrický kontakt mezi páskem a článkem.
• Tupé elektrody: mění proudovou hustotu a geometrii svaru.
• Příliš tenký pásek: může být nevhodný pro požadovaný provozní proud.
• Využití rozdílných článků: vede k nerovnoměrnému zatížení a rychlejší degradaci.
• Absence kontroly po sestavení: může skrýt rozdíl napětí nebo vadný spoj.
• Záměna balancéru za omezovač: omezovač nepřenáší energii mezi články.
• Spoléhání na jmenovitý proud jednoho článku: celkový pack se může přehřívat.

Správně navržený akupack proto vyžaduje nejen bodovačku, ale také vhodné články, správný počet paralelních větví, odpovídající pásky, kvalitní spoje, elektrickou izolaci a pravidelné měření.

tags: #bodovani #akupacku #invertorem