ساخت پک باتری 12 ولت بااستفاده از سلول های لیتیوم-یون

دراین مطلب، یک پک باتری لیتیوم-یون 12 ولت و 2000 میلی آمپرساعت میسازیم. از طراحی پک باتری 3S شروع میکنیم و درادامه BMS را به آن متصل میکنیم تا بتواند تمام وظایف و کارهای BMS را اجرا کند. سلول های لیتیوم-یون به صورت فزاینده و به دلیل قابل شارژ بودن و چگالی انرژی بالایشان در کاربردهای فراوانی به عنوان پک باتری استفاده میشوند. هرچند، باید سلول لیتیوم-یون را به BMS متصل کنیم تا مدار را از خراب شدن و از کار افتادن یا کاهش عمر سلول در امان نگاه داریم. دراین آموزش، یک پک باتری 3S ساده میسازیم و آن را به BMS متصل میکنیم.

سلول های لیتیوم-یون سایز 18650

باتری 18650 یک باتری لیتیوم-یون به قطر 18 و طول 65 میلی متر است. طول و قطر این باتری هر دو از سایز AA بزرگتر هستند و با باتری های سایز AA یا AAA سازگار نیستند. به دلیل توانایی های سطح بالای این باتری، مانند 250+ چرخه شارژ و چگالی انرژی افزایش یافته، باتری 18650 در دستگاه هایی که جریان کشی بالا دارند و قابل شارژ هستند، به کار میروند. همچنین به دلیل تطبیق پذیری و همه کاره بودن این باتری، میتوانید آن را در مصارف متنوعی ازجمله ماشین/اسکوترهای برقی، پاوربانک ها و دستگاه های کاربردی مانند روشنایی اضطراری، چراغ های مشعل و غیره بیابید.

این باتری به دلیل ویژگی های ایمنی، جریان خروجی و ظرفیت انرژی بالا در صنعت الکترونیک معروف است.

ابعاد سلول 18650

سایز استاندارد باتری 18650، 18 در 65 میلی متر است.

• طول باتری 18650، 65 میلی متر است.
• قطر باتری 18650، 18 میلی متر است.

به طور خاص، طول این باتری 65 میلی متر و قطر آن 18 میلی متر است. هرچند از نظر فنی طول و قطر آن میتوانند با درنظر گرفتن مقداری تلورانس و خطا همچنان مجاز باشند. در دیتاشیت و ویژگی های سلول لیتیوم-یون، میتوان مشاهده کرد که قطر آن به صورت 0.3mm±18 و طول آن به صورت 65±0.5mm  گزارش شده است. درنظر داشته باشید که سایز استاندارد این باتری 65*18 میلی متر است. بقیه این مقدار توسط دستگاه و طراحان باتری و سازندگان مدیریت میشود. از آنجاییکه گجت ها یا دستگاه های مختلف، دیگر تکنولوژی های ساخته شده محلی را محدود میکنند، اندازه مجاز این باتری همان 18650 است.که ممکن قادر به تولید طول و قطر صحیح باتری ها یا فضای نگهدارنده مناسب برای قرار گرفتن دستگاه یا باتری لیتیوم-یون 18650 نباشد.

درمورد BMS

سیستم مدیریت باتری (BMS) بر پک باتری نظارت میکند. پک باتری مجموعه ای از سلول هاست که به صورت الکتریکی در یک ماتریس و در قالب سطر و ستون، گروه بندی شده اند تا برای پاسخ دهی دوره ای به سناریوهای بار پیش بینی شده، محدوده خاصی از ولتاژ و جریان را تامین کنند. نظارت BMS اغلب شامل موارد زیر است:

• محاسبه وضعیت شارژ و اندازه گیری میزان شارژ باتری
• حفاظت سلول دربرابر اضافه ولتاژ و ولتاژ کم
• بالانس شارژ
• مدیریت شارژ پک باتری
• مانیتورینگ دمای پک باتری

نام “باتری” به کل پک اشاره میکند. اما همچنان در کل پک باتری مونتاژ شده، عملیات و وظایف تک تک سلول ها یا گروه های سلولی که به ماژول معروف هستند، زیرنظر بوده و کنترل میشود. سلول های قابل شارژ لیتیوم-یون بالاترین چگالی انرژی را ارائه میدهند. این سلول ها در پک های باتری و اقلام مصرفی مختلف از جمله کامپیوترها و ماشین های الکتریکی استفاده میشوند. اگرچه که این سلول ها به خوبی کار میکنند، اگر آن ها را خارج از منطقه عملیاتی امن یا SOA استفاده کنیم، میتوانند دچار مشکل شوند. عواقب استفاده از این باتری تحت این شرایط از کاهش عملکرد باتری تا خطر آشکار تغییر میکند. BMS دارای شرح وظایف پیچیده ای است و پیچیدگی کلی و دامنه نظارت آن ممکن است شامل جنبه های الکتریکی، دیجیتالی، کنترلی، دمایی و غیره باشد.

برای مطالعه بیشتر درمورد BMS به این مطلب مراجعه کنید.

حال که به اطلاعات کافی درمورد سلول لیتیوم-یون سایز 18650 و BMS دست یافتیم، بیایید پک باتری را بسازیم.

متریال موردنیاز برای پک باتری لیتیوم-یون 12 ولت

• 3 عدد سلول لیتیوم-یون 18650
• BMS یا سیستم مدیریت باتری 3S 6Amp
• نوارهای نیکل روکش دار 0.15 میلی متر
• کانکتور بشکه ای یا Barrel
• کانکتور مادگی 4 پایه JST XH 2.54
• پوشش یا نوارهای حرارتی انقباض پذیر PVC 100mm

اتصالات پک باتری 12 ولت با BMS

هر 18650 سلول میتوانند تا 4.2 ولت شارژ شوند. ما برای ساخت پک باتری 12.6 ولت، باید سه باتری را به صورت سری به هم متصل کنیم. در تصویر بالا چگونگی اتصالات مشخص شده اند.

BMS باید همانطور که در تصویر بالا و جدول پایین مشخص شده است، نصب شود.

برای بالانس شارژ پک باتری، باید مجموعه ای از سیم های اضافی با استفاده از کانکتور مادگی JST XH به پک باتری متصل شوند.

به منظور مهروموم کردن پک باتری و ایمنی و استحکام بیشتر از یک پوشش حرارتی انقباض پذیر 100 میلی متری از جنس PVC استفاده کرده و آن را در اطراف پک باتری به خوبی جمع کرده و فیکس میکنیم. پس از انجام این مرحله، پک باتری مانند تصویر زیر به نظر خواهد رسید.

عملکرد

برای تست عملکرد باتری، یک بارجریان ثابت DC به آن متصل کردیم. جزئیات بیشتر درمورد این بار را میتوانید با مراجعه به این لینک مطالعه کنید.

مقدار جریان را روی یک آمپر تنظیم کردیم. درنمودار زیر، نتیجه آزمایش را مشاهده میکنید.

• ولتاژ باتری بدون بار – 12.45 ولت است.
• ولتاژ باتری با بار یک آمپری – 12.20 ولت است.

میتوان در نمودار بالا مشاهده کرد که درهنگام اتصال بار یک آمپر به پک باتری، ولتاژ از 12.45 ولت به 12.20 ولت افت میکند و تا زمانیکه BMS پک را به منظور جلوگیری از دشارژ یا تخلیه بیش از حد سلول ها خاموش کند، تا 9.2 ولت هم افت میکند.

سوالات متداول

عمر باتری لیتیوم-یون چقدر است؟

براساس گفته های اغلب سازندگان، انتظلر میرود که باتری های لیتیوم-یون حداقل به مدت 5 سال یا 2000 سیکل شارژ باقی بمانند. اما اگر از این باتری ها مراقبت شده و به درستی استفاده شوند، ممکن است تا 3000 سیکل شارژ نیز باقی بمانند.

آیا هنگامیکه از باتری لیتیومی استفاده نمیکنیم شارژ از دست میدهد؟

صرف نظر از نوع یا ماده به کار رفته، شارژ باتری حتی اگر از آن استفاده نشود نیز کاهش یافته و افت میکند. درنتیجه، اگر از باتری های لیتیوم-یون نیزاستفاده نکنیم، آن ها نیز تخلیه میشوند.

مفهموم Amps یا آمپر در BMS  چیست؟

BMS برحسب Amps یا آمپر (یک واحد جریان/جریان عبوری) سنجیده میشود. درحالیکه ظرفیت باتری برحسب آمپرساعت (یک واحد ظرفیت/انرژی ذخیره شده) سنجیده میشود.

BMS صرفا ماکزیمم جریان گذرنده از دستگاه بر حسب آمپر را درنظر میگیرد و نه مقدار آمپرساعت را.