Из личной практики: как собрать литий-ионные ячейки в единую аккумуляторную батарею?

Сварка литий-ионных аккумуляторных блоков для накопителей электроэнергии VOLTS, электросамокатов и даже электрокаров Tesla.

Аккумуляторные батареи (АКБ), состоящие из множества отдельных аккумуляторных ячеек, используют в накопителях электроэнергии — как домашних, так и промышленных, в ИБП и индустрии машиностроения — для электромобилей. К сферам применения АКБ можно отнести практически все электротехнические устройства, которые должны работать автономно.

Разобрав электросамокат, можно обнаружить в нем аккумуляторную батарею из похожих ячеек, что и в электрокарах Tesla, правда ячеек в первом будет в сотни раз меньше.

«Аккумуляторная ячейка — (единичный элемент, состоящий из анода, катода и электролита) имеет стандартное напряжение, обусловленное своим химическим составом. Это напряжение достаточно низкое: не более 5 вольт. Для практического применения такое напряжение не всегда удобно, поэтому ячейки соединяют последовательно в аккумуляторную батарею и общее напряжение батареи получается равным сумме напряжений отдельных ячеек. Также одна ячейка имеет ограничение по максимальной отдаче тока, но этот параметр может очень сильно различаться для различных типов ячеек и их химических составов. При необходимости получить больший ток от аккумуляторной батареи ячейки соединяют параллельно. Таким образом, варьируя количество последовательно и параллельно соединенных элементов можно получить из стандартных типоразмеров ячеек аккумуляторную батарею с необходимыми характеристиками (напряжение, максимальный ток и емкость) для использования в конкретном устройстве»
«Аккумуляторные батареи — это источник постоянного тока, который предназначен для хранения и накопления электроэнергии. Большинство моделей современных аккумуляторов работают по принципу циклического преобразования химической энергии в электрическую и гарантируют множество циклов зарядки и разрядки»

Чтобы создать аккумуляторную батарею, нужно добиться надежного и долговечного электрического соединения ячеек в общую электроцепь. Для этого можно прибегнуть к разным видам соединителей и технологиям соединения.

Поговорим о самых применяемых для литий-ионных аккумуляторных батарей.

В качестве проводников тока в электротехнике традиционно используют провода и шины. Провода могут пригодиться для соединения двух удаленно расположенных друг от друга точек, когда необходима сложная геометрия трассы. Шины, наоборот — для объединения большого количество однотипных электротехнических элементов, расположенных близко друг к другу.

В АКБ обычно провода не используют и соединяют ячейки при помощи шин. Ну а чтобы соединить шины и контактные площадки литий-ионных аккумуляторов, есть сразу несколько технологий, которые уже активно интегрированы в промышленность.

Механическое резьбовое соединение

При таком способе соединения аккумулятор присоединяется к шине болтом или гайкой. Для этого производитель должен оснастить ячейку шпилькой или отверстием с резьбой в выводе этой самой ячейки. Обычно такие выводы встречаются у относительно больших призматических ячеек емкостью 40 Ач и выше.

Выполнить механическое резьбовое соединение достаточно просто даже без специального оборудования, нужно лишь контролировать силу затяжки шины.

Так если шину затянуть слишком слабо, контактное сопротивление будет высоким и повлечет за собой нагрев в области соединения, что чревато ускоренной коррозией металла, ухудшением срока жизни ячейки, оплавлением изоляции или даже возгоранием. Если же затяжка будет избыточной, может произойти срыв резьбы или повреждение корпуса аккумуляторной ячейки. Оптимальную силу затяжки устанавливает производитель ячеек и пишет об этом в технической документации к ним.

Важный нюанс: в процессе эксплуатации затяжка может ослабеть, поэтому целесообразно применять пружинные шайбы. Даже при максимально допустимой затяжке данный метод соединения не гарантирует хорошего контакта и не рекомендуется для высокотоковых аккумуляторных батарей. Также нужно учитывать химический состав соединяемых материалов при выборе соединителей, чтобы избежать электрохимической коррозии.

Точечная электрическая сварка

Точечную электрическую сварку можно назвать одним из самых популярных способов соединения аккумуляторных батарей на основе элементов 18650. Такую технологию можно встретить в электросамокатах, электроинструментах, переносной технике.

Суть электрической сварки заключается в соединении аккумуляторных ячеек относительно тонкой (0,1 - 0,3 мм) никелевой или никелированной (покрытой слоем никеля) лентой. Лента приваривается к ячейке пропусканием короткого импульса тока величиной в несколько сотен ампер с помощью специального сварочного аппарата для точечной сварки. Ток позволяет расплавить металл ленты и верхнего слоя контактной площадки ячейки в месте соприкосновения электродов сварочного аппарата, а малая длительность импульса (от сотен микросекунд до десятков миллисекунд) не дает перегреть аккумулятор.

К преимуществам этого метода сварки можно отнести его относительную дешевизну — ручные сварочные аппараты есть в свободной продаже. Для ремонта аккумуляторных батарей, для мастерских и небольших производств есть ручные модели аппаратов, для крупных партий существуют автоматические модели с ЧПУ, рассчитанные на беспрерывную работу и большие объемы. К минусам — необходимость использования только тонких соединительных шин (лент), не способных пропускать большие токи. Именно поэтому, для соединения ячеек 18650, 21700 и подобных такой метод обычно подходит, а для сборки АКБ из призматических аккумуляторов с рабочими токами на ячейку в 40 и более ампер — нет.

Примечание: существуют также аппараты, позволяющие производить сварку медными шинами, но их стоимость значительно выше. Медные шины позволяют проводить больший ток, чем никелевые и, тем более, никелированные.

Лазерная сварка

Популярный метод сварки как небольших ячеек 18650, так и мощных батарей на основе относительно больших призматических ячеек, емкостью до нескольких сотен ампер-часов. Лазерная сварка подразумевает разогрев металла шины лазером. Оборудование для таких манипуляций должно быть автоматическим или полуавтоматическим, для достижения максимального качества соединения.

<p>Пример результата лазерной сварки из личного архива</p>

Лазерная сварка считается более качественной и универсальной, чем точечная, но затраты на минимальное оборудование будут выше, а ремонтопригодность – ниже. Зачастую, такое оборудование могут себе позволить только специализированные производства.

<p>С помощью лазерной сварки можно приварить к выводам ячеек толстые токоведущие шины, позволяющие пропускать токи в сотни ампер.</p>

Ультразвуковая сварка (используем в АКБ для накопителей электроэнергии VOLTS)

Усовершенствованный процесс соединения металлических поверхностей путем трения. При ультразвуковой сварке аппарат прижимает тонкую алюминиевую проволоку к контактному выводу литий-ионной аккумуляторной ячейки, вызывая вибрацию на частотах ультразвука (около 100 кГц). В результате атомы металлов двух поверхностей смешиваются и сплавляются воедино за несколько сотен миллисекунд. После соединения проволоки с ячейкой аппарат проделывает аналогичную процедуру для соединения того же кусочка проволоки с токоведущей шиной. В зависимости от рабочего тока АКБ, таких соединительных проводников может быть один или несколько.

Так каждая ячейка соединяется с шиной не напрямую, а через тонкие проводники. Это позволяет методу обеспечить дополнительную функцию защиты ячейки от превышения тока. По сути соединительные проводники выполняют роль предохранителей (плавких вставок). Это нужно для того, чтобы в случае внутреннего короткого замыкания в отдельной ячейке, исправные и подключенные к тем же шинам ячейки не увеличивали ток короткого замыкания через поврежденную ячейку. В таком режиме соединительные проволоки поврежденной ячейки перегорают и поврежденная ячейка отключается от остальной цепи, предотвращая развитие аварийной ситуации и уменьшая риск возгорания батареи.

Ультразвуковая сварка обеспечивает надежное и качественное соединение, подходит для автоматизированной конвейерной сборки и не требует расплавленной фазы. Этот метод считается наиболее технологичным и безопасным способом изготовления литий-ионных аккумуляторных блоков. Поэтому, в АКБ для накопителей электроэнергии VOLTS мы как раз используем этот тип сварки.

Нюансы: для ультразвуковой сварки нужна безупречно плоская и чистая поверхность соединения. А еще, есть ограничения в виде тока, который могут пропускать соединяемые материалы – обычно они доходят до 30 А.

Небольшое предостережение: мы настоятельно не рекомендуем использовать пайку для прямого соединения проводника или шины к выводу призматических и цилиндрических ячеек при самостоятельной сборке литий-ионных АКБ.

Литий-ионные аккумуляторные ячейки очень чувствительны к перегреву. При пайке для надежного соединения нужен хороший прогрев соединяемых частей, что может вывести из строя ячейку сразу или через несколько циклов заряда и разряда. При сильном перегреве ячейка может загореться. Рекомендуем использовать специальное оборудование или обратиться к специалистам.