آموزش ساخت پک باتری لیتیوم یون 18650

جهان در حال دور شدن از سوخت‌های فسیلی است و روزی شاهد خواهیم بود که این منبع انرژی کاملاً الکتریکی شود. در دنیای کنونی، لیتیوم یون امیدوار کننده‌ترین ماده شیمیایی در بین تمام باتری‌ها است. چراکه اکثر پک‌ های باتری که در لپ‌تاپ‌ها، اسباب‌بازی‌ها، هواپیماهای بدون سرنشین، تجهیزات پزشکی، ابزارهای برقی، دوچرخه‌های الکترونیکی و خودروهای الکتریکی (EV) مورد استفاده قرار می‌گیرند، مبتنی بر باتری‌ های لیتیوم یون ۱۸۶۵۰ هستند. این باتری یکی از کامل‌ترین فرمت‌های لیتیوم یون موجود است که با حجم بالا و هزینه کم به ازای هر وات ساعت تولید می‌شود.

باتری لیتیوم یون 18650 چیست؟

باتری ۱۸۶۵۰ یک طبقه‌بندی از باتری‌های لیتیوم یون بر اساس سایز است که دارای قطر ۱۸میلی متر و طول ۶۵ میلی‌متر می‌باشد. در مقایسه با باتری‌های AA دارای شکلی مشابه است اما از نظر ابعاد کمی بزرگ تر است، همچنین باتری‌های قلمی AA گاهی اوقات باتری‌های ۱۴۵۰۰ نامیده می شوند زیرا قطر آنها ۱۴ میلی‌متر و ارتفاعشان ۵۰ میلی‌متر است. پس تا این بخش آموزش با کاربرد وسیع این باتری و دلیل نامگذاری اون با عدد را متوجه شدیم که براساس نوع و ابعاد باتری ها معمولاً انجام می‌شود.

فرض کنید می‌خواهیم یک ژنراتور خورشیدی بسازیم. اگر ما از باتری سرب اسید استفاده کنیم، پس طبیعتاً این ژنراتور وزن خیلی سنگینی خواهد داشت، بنابراین به نوعی باتری‌ با وزن کمتر نیاز داریم که منظور ما همان باتری‌های محبوب لیتیوم یون است. در این ادامه این آموزش، یاد می‌گیریم که چگونه یک پک باتری 18650 برای کاربردهایی مثل پاور بانک، ژنراتور خورشیدی، دوچرخه الکترونیکی، در برقی و…  بسازیم.

 قبل از شروع خیالتان آسوده باشد که اصول این کار بسیار ساده است و به تخصص بالایی نیاز ندارد. فقط کافیست تعدادی باتری لیتیوم یون ۱۸۶۵۰ را با یکدیگر سری و موازی کنیم و بدین ترتیب بسته بندی بزرگتری بسازیم، در نهایت برای ایجاد ایمنی هم یک ماژول محافظ شارژ به آن اضافه می‌کنیم، به همین سادگی !

گام ۱: قطعات و ابزار مورد نیاز

پیش‌‍ از شروع ساخت این پک باتری لیتیوم، لازم است تجهیزات و ابزار موردنیاز را بدانیم و فراهم نماییم:

قطعات مورد نیاز:

• باتری لیتیوم یون قابل شارژ
• جک  آداپتور فلزی روکار 5.5 میلی متری
• کلید راکر دو حالته
• پیچ خودکار 10*3 میلی متر چهارسو
• ماژول نمایش سطح شارژ باتری لیتیومی 3 سل
• ماژول محافظ شارژ باتری لیتیوم یون 3 سل  25 آمپر (BMS)
• نوار نیکل جوش باتری لیتیوم یون 5 میلی‌متری
• براکت پلاستیکی نگهدارنده باتری لیتیوم یون ۱۸۶۵۰

---

ابزارهای مورد نیاز:

• سیم چین
• دستگاه جوش نقطه‌ای باتری
• مولتی متر
• شارژر باتری لیتیوم یون
• پرینتر سه بعدی  

---

تجهیزات ایمنی:

• عینک ایمنی
• دستکش  ایمنی

باتری‌های ۱۸۶۵۰ با قیمت‌های متفاوت در بازار موجود هستند، اما کدام یک بهتر است؟ معمولاً خرید باتری‌های ۱۸۶۵۰ از شرکت‌هایی ازجمله پاناسونیک، سامسونگ و ال جی توصیه می‌شود، چراکه این باتری‌ها با کنترل کیفی بالا، ویژگی‌های عملکردی بهتری دارند. با وجود اینکه باتری های ۱۸۶۵۰ از برندهای معروف معمولاً گران هستند اما اگر طول عمر آن ها را در نظر بگیرید، ارزش خرید خواهند داشت پس با اطمینان خرید کنید.

ما در این پروژه از باتری‌های لیتیوم یون سبز پاناسونیک ۱۸۶۵۰B با ظرفیت ۳۴۰۰ میلی آمپر ساعت فروشگاه روبوایکیو استفاده می‌کنیم.

---

گام 3: انتخاب نوار نیکل جوش مناسب

برای ساخت پک باتری لازم است باتری‌های ۱۸۶۵۰ را با استفاده از نوارهای نیکل یا سیم ضخیم به یکدیگر متصل کنید، معمولاً از نوارهای نیکل برای این‌کار استفاده می‌شود. این نکته را هم بگوییم که به طور کلی دو نوع نوار نیکل در بازار موجود است: نوارهای فولادی با روکش نیکل و نوارهای نیکل خالص. پیشنهاد ما به شما استفاده از نوار نیکل خالص است؛ گرچه کمی گرانتر از نوارهای با روکش نیکل هستند اما مقاومت خیلی خیلی کمتری دارند. مقاومت کم به معنای تولید گرمای کمتر هنگام شارژ و دشارژ است که باعث افزایش عمر مفید باتری می‌گردد. این نوارهای نیکل ابعاد و طول‌های متفاوتی دارند که با توجه به کاربرد، جریان نامی مورد نظر و سایز مناسب انتخاب می‌شود.

---

گام ۴ : جوش نقطه ای یا لحیم کاری؟

ما دو راه برای اتصال باتری‌های ۱۸۶۵۰ به یکدیگر داریم:

1.  لحیم کاری
2. جوش نقطه‌ای

بهترین انتخاب همیشه جوش نقطه ای است، اما باز هم گران‌تر از لحیم‌کاری حتی با یک هویه با کیفیت است.

اتصال از طریق لحیم‌کاری

همانطور که گفتیم جوش نقطه‌ای بر لحیم‌کاری ترجیح داده می‌شود، به خاطر اینکه در لحیم‌کاری حرارت زیادی به باتری وارد می‌شود و این حرارت به آرامی کاهش پیدا می‌کند. این امر باعث افزایش واکنش شیمیایی در باتری شده و به عملکرد باتری آسیب می‌رساند که در نهایت مقداری از ظرفیت و عمر باتری‌های خود را از دست خواهید داد!

اتصال از طریق جوش نقطه‌ای

علت انتخاب جوش نقطه‌ای این است که به‌طور ایمن و بدون اینکه حرارت زیادی به باتری‌ها اعمال شود، آن‌ها را به سرعت به یکدیگر متصل می‌کند. برای این‌کار کافیست نوار نیکل را بر روی باتری‌ها قرار دهید و با دستگاه جوش آن را به باتری جوش بزنید. اتصال نوار نیکل به باتری در این روش بسیار محکم تر از روش لحیم‌کاری است. دستگاه‌های جوش نقطه‌ای با مدل‌ها و قیمت‌های متنوعی در بازار موجود هستند که می‌توانید از آن‌ها استفاده کنید.

---

گام ۵: بررسی ولتاژ باتری

دقت کنید که قبل ازاتصال باتری‌ها به صورت موازی، اول از هر کار ولتاژهر باتری را به طور جداگانه بررسی کنید. برای موازی سازی باتری‌ها، ولتاژ آن‌ها باید نزدیک به هم باشد، درغیراین صورت جریان زیادی از باتری با ولتاژ بالاتر به باتری با ولتاژ پایین‌تر جریان می‌یابد که می‌تواند به باتری‌ها آسیب بزند و حتی منجر به آتش سوزی شود.

اگر از باتری‌ های نو و جدید استفاده می‌کنید، که ولتاژ آنها نزدیک به ۳.۵ تا ۳.۷ ولت است، می‌توانید بدون نگرانی آن‌ها را به یکدیگر متصل نمایید. اما اگر قصد دارید از باتری‌های‌ یک لپ‌تاپ قدیمی استفاده کنید، مطمئن شوید که ولتاژ باتری‌ها تقریباً یکسان باشد، درغیراین صورت با استفاده از یک شارژر باتری لیتیوم یون ابتدا باتری‌ها را تا سطح ولتاژ یکسان شارژ و سپس آن‌ها را به یکدیگر متصل کنید.

---

گام ۶ : محاسبه ظرفیت و ولتاژ پک باتری لیتیوم یون

برای ساخت یک پک باتری لیتیوم یون، ابتدا باید ظرفیت و ولتاژ نامی این پک را مشخص کنید که بر حسب ولت، میلی آمپر ساعت بر آمپر ساعت یا وات ساعت خواهد بود. برای رسیدن به ظرفیت مورد نظر (mAh) همانطور که دانستید باید باتری‌ها را به صورت موازی وصل کنید و برای رسیدن به ولتاژ نامی مورد نظر این گروه‌های موازی را به صورت سری به هم متصل کنید.

در اینجا ما قصد داریم یک پک باتری لیتیوم یون با ظرفیت 17 آمپر ساعت و ولتاژ 11.1 ولت بسازیم. باتری‌های لیتیوم یون 18650 مورد استفاده نیز دارای ولتاژ 3.7 ولت و ظرفیت 3400 میلی آمپر ساعت می‌باشند که شما می‌توانید نحوه محاسبه این ظرفیت‌ها را در توضیحات زیر مطالعه نمایید.

ظرفیت(میلی آمپر ساعت)

• ظرفیت پک باتری مورد نظر : 17 آمپر ساعت یا 17000 میلی آمپر ساعت.
• ظرفیت هر باتری : 3400 میلی آمپر ساعت.
• تعداد باتری‌ مورد نیاز برای اتصال موازی : ۵ عدد = 3400/17000

به‌طور‌کلی باتری‌های موازی به اختصار با “P” نمایش داده می‌شوند، بنابراین این پک به عنوان یک پک “5P” شناخته می‌شود. هنگامی که ۵ باتری به طور موازی به هم متصل شوند در نهایت شما یک باتری با ظرفیت بالاتر یعنی 17000 میلی آمپر ساعت خواهید داشت.

ولتاژ (ولت)

• ولتاژ نامی پک باتری مورد نظر: ۱۱.۱ ولت.
• ولتاژ نامی هر باتری: ۳.۷ ولت.
• تعداد باتریهای مورد نیاز برای اتصال سری : 3 عدد = 3.7 / 11.1

معمولاً باتری‌های سری به اختصار با “S” نمایش داده می‌شوند، بنابراین این پک به عنوان یک  پک “3S” شناخته میشود. به این معنا که برای ساخت پک باتری لیتیوم یونی موردنظر، باید ۳ گروه باتری که هر گروه شامل 5 عدد باتری موازی است را با هم سری کنیم.  پیکربندی نهایی، یک پک با عنوان “3S5P ” و با مشخصات نهایی 11.1 ولت و 17 آمپر ساعت خواهد بود.

---

گام ۷ : اسمبل کردن باتری‌ های ۱۸۶۵۰

طبق گام قبل پک باتری ما از ۳ گروه باتری موازی تشکیل شده که به صورت سری به هم متصل شده‌اند (3*3.7=11.1V) و هر گروه موازی دارای ۵ باتری است (3400*5=17000mAh). اکنون باید ۱۵ باتری را برای ایجاد اتصال الکتریکی بین آن‌ها و نیز اتصال به ماژول محافظ شارژ به طور صحیح کنارهم قرار دهیم.

همانطور که در تصویر بالا نمایش داده شده‌ است، ما طبق فرمول سری و موازی بستن باتری ها، سه گروه باتری را به گونه‌ای در براکت‌های پلاستیکی نگهدارنده باتری 18650 کنار هم قرار دهید که قطب‌های مثبت اولین گروه باتری‌های موازی (۵ عدد) به سمت بالا قرار گیرد، قطب‌های منفی دومین گروه باتری‌ها موازی به سمت بالا و درنهایت قطب‌های مثبت سومین گروه از باتری‌های موازی نیز به سمت بالا قرار گیرد. به جای براکت های نگدارنده می‌توانید از چسب حرارتی نیز استفاده کنید.

از جمله مزایای استفاده از نگهدارنده‌های باتری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• با توجه به نیاز خود قادر خواهید بود پک‌هایی به سایز دلخواه بسازید.
• فضای ایجاد شده بین باتری‌ها به راحتی امکان عبور هوا و خنک شدن باتری‌ها را فراهم می‌کند.
• ساخت یک بسته بندی محکم و قابل اطمینان را برای شما میسر می‌سازد.
• مانع لرزش پک باتری شما می‌شود.

---

گام 8 : جوش نقطه‌ای نوارهای نیکل‌

اکنون زمان آن است که از جوش نقطه ای استفاده کنیم. بدین منظور مراحل زیر را دنبال کنید. برای جوش نقطه‌ای سه انتخاب داریم:  دستگاه نقطه جوش با سر جوش ثابت، سر جوش ثابت پدالی، قلم جوش نقطه ای متحرک پدالی. دراینجا ترجیح می دهیم از گزینه دوم استفاده کنیم.

• برش نوارهای نیکل

نوار نیکل خود را بالای ۵ باتری موازی قرار می‌دهیم به‌طوری که قطب‌های همه‌ی باتری‌ها را بپوشاند. سپس ۱۰ میلی متر بیشتر برای اتصال آن به ماژول محافظ شارژ جدا کرده و اکنون آن را برش می‌دهیم. برای اتصالات سری باتری‌ها، نوارهای نیکلی کوچکی را همانطورکه در تصویر بالا نمایش داده شده‌است، برش دهید. بدین ترتیب برای اتصالات موازی به 4 نوار بلند و برای اتصالات سری به ۱۰ نوار کوچک نیاز داریم.

قطب منفی اولین گروه موازی را به قطب مثبت گروه دوم و سپس قطب منفی گروه دوم را به قطب مثبت گروه سوم متصل می‌کنیم.

• جوش نوارهای باتری

از جوش نقطه‌ای می‌توان برای جوشکاری نوارهای نیکل خالص و همچنین نوارهای فولادی با روکش نیکل استفاده کرد. با توجه به ضخامت نوارهای نیکل، باید نیروی اعمالی (فشار) و شدت جریان تنظیم شود. برای نوارهای نیکل ۰.۱۵ میلی متری، فشار را با استفاده از دکمه های پالس بر روی P۴ و جریان را بین 4 الی 5 تنظیم کنید. به طور مشابه برای نوار نیکل 0.2 میلی متری، فشار را بر روی  P۴ یا P۶ و جریان را بین 7 الی 8 قرار دهید. اطمینان حاصل کنید که قلم جوش با نوار نیکل و پایانه باتری تماس دارد، سپس پدال را فشار دهید. متوجه جرقه کوچک و ایجاد دو خال روی نوار خواهید شد. توجه داشته باشید اگر قلم جوش را بیش از حد روی نوارها نگه دارید، ذوب و سوراخ خواهند شد.

• بررسی جوش

با کشیدن نوار نیکل می‌توانید کیفیت جوش را بررسی کنید. اگر با فشار دست جدا نشود یا به نیروی زیادی برای جدا شدن نیاز داشته باشد جوش به خوبی انجام شده‌است. اگر بتوانید به راحتی نوار را از باتری‌ها جدا کنید، باید جریان را افزایش دهید.

هشدار: قبل از شروع به کار، همیشه از عینک ایمنی استفاده کنید.

---

گام ۹: اضافه کردن ماژول محافظ شارژ باتری

چگونه پک باتری لیتیومی را شارژ کنیم؟

برای مدیریت شارژ و دشارژ این پک، ما از ماژول محافظ شارژ باتری لیتویم یون یا سیستم مدیریت باتری (BMS)، استفاده می‌کنیم که ازجمله قابلیت‌های اصلی آن عبارتند از:

• بررسی تمام گروه‌های موازی در پک باتری و قطع تغذیه ورودی در صورتی که باتری‌ها به طور کامل شارژ شده باشند (حدود 4.2 ولت).
• تنظیم ولتاژ تمام باتری‌ها را به مقدار یکسان.
• اجتناب از دشارژ بیش از حد پک باتری.

در اینجا ما از یک ماژول محافظ سه سل (3S) و 25 آمپر استفاده می‌کنیم. سایر مشخصات آن در ادامه ذکر شده‌اند:

• دامنه ولتاژ شارژ بیش از حد: 4.25 الی 4.35 ولت
• دامنه ولتاژ دشارژ بیش از حد: 2.3 الی 3 ولت
• حداکثر جریان کاری: 25 آمپر
• محدوده دمای کاری: 40- الی 50 درجه سانتی گراد

نحوه اتصال ماژول محافظ به باتری های لیتیوم یونی

در این قسمت باید ماژول را به صورتی که در تصویر بالا نمایش داده شده‌، متصل کنیم. این ماژول دارای چهار پد -B2 ، B1 ، B و +B است. ابتدا قطب منفی اولین گروه موازی باتری‌ها را به پد -B و قطب مثبت آن‌ها را به B1 متصل می‌کنیم. به طور مشابه قطب منفی سومین گروه موازی باتری‌ها را به B2 و قطب مثبت آن‌ها را به +B متصل می‌کنیم. می‌توانید نوارهای نیکل را به پد‌های ماژول جوش دهید یا اینکه لحیم کنید. دراینجا ما از لحیم‌کاری استفاده می‌کنیم. بدین منظور ابتدا مقداری روغن لحیم به پدهای ماژول و انتهای نوارهای نیکل می‌زنیم. پس از آن مقداری قلع بر روی تمام پدهای ماژول می‌زنیم و سپس نوارها را بر روی پدها لحیم می‌کنیم.

---

گام ۱۰: ساخت محفظه سه بعدی برای پک باتری لیتیومی 18650

با توجه به اینکه پک باتری از همه جهات در معرض نوارهای نیکلی قرار دارد، برای جلوگیری از هرگونه اتصالی با استفاده از نرم‌افزار Autodesk Fusion 360 یک محفظه برای آن طراحی می‌کنیم. این محفظه از دو قسمت بدنه اصلی و درب تشکیل شده‌است.

در اینجا ما از پرینتر سه بعدی Creality CR-10S و فیلامنت سبز رنگ ۱.۷۵ میلی متری PLA برای چاپ قطعات استفاده می‌کنیم. چاپ بدنه اصلی حدود 6 ساعت و 30 دقیقه و چاپ درب آن حدود 1 ساعت و بیست دقیقه طول کشید.

تنظیمات انجام شده به صورت زیر هستند:

• سرعت چاپ: ۷۰ میلی متر بر ثانیه
• ارتفاع لایه‌ها: 0.3 میلی متر
• چگالی یا توپر شدگی: 100 درصد
• دمای اکسترودر: ۲۰۵ درجه سانتی‌گراد
• دمای بستر: ۶۵ درجه سانتی‌گراد

---

گام ۱۱ : نحوه سیم‌کشی قطعات پک باتری

به طور معمول یک باتری استاندارد فقط دو ترمینال برای اتصال بار و شارژ باتری دارد. البته ما یک ماژول نمایشگر سطح شارژ باتری نیز اضافه می‌کنیم تا درصورت نیاز میزان شارژ باتری را مشاهده کنیم. به‌این صورت از یک آداپتور فلزی ۵ میلی متری (12V/3A) برای ورودی و خروجی ماژول‌ها، ماژول نمایشگر سطح شارژ باتری سه سل و یک کلید راکر برای روشن و خاموش کردن نمایشگر سطح شارژ باتری استفاده می‌کنیم.

در این مرحله مطابق آنچه در تصویر بالا نمایش داده شده‌، به سیم کشی قطعات می‌پردازیم. برای عایق‌بندی قسمت‌های رسانا از وارنیش استفاده شده است. توجه داشته باشید قبل از نصب قطعات درون محفظه، سیم‌ها را به پدهای P- و P+ ماژول محافظ لحیم نکنید!

---

گام ۱۲ :مونتاژ نهایی

• ابتدا، هر یک از قطعات را در محل‌های درنظر گرفته شده برای آن‌ها در محفظه نصب می‌کنیم.

• سیم های قرمز رنگ (مثبت) آداپتور فلزی  و کلید راکر را به پد P+ ماژول محافظ و سیم‌های مشکی رنگ (منفی) آداپتور فلزی و ماژول نمایشگر سطح شارژ باتری را به پد P- ماژول محافظ لحیم می‌کنیم.

• سپس با چسب حرارتی باتری‌های آماده شده را درون محفظه می‌چسبانیم، به طوری که محکم در جای خود قرار گیرند و آسیبی به سیم‌ها نرسد.

• در نهایت درب محفظه را با استفاده از پیچ 10*3 میلی متر محکم می‌بندیم.

اکنون ساخت پک باتری لیتیومی ما به پایان رسیده است و می‌توانیم آن را با یک آداپتور 12.6 ولت DC شارژ کنیم.

درپایان این آموزش از همراهی شما بسیار سپاس‌گذاریم و امیدواریم نتیجه رضایت بخشی را پس از ساخت و استفاده از این پک باتری بدست آورده باشید. این آموزش در اینجا به پایان نرسیده است چراکه تیم کارشناس ما در مجموعه روبوایکیو آماده پاسخگویی به سوالات شما و همچنین نظرات و پیشنهادات شما در بخش دیدگاه همین صفحه هستند، بنابراین زمان را از دست ندهید و این پروژه ساخت پک باتری لیتیوم را با خیال راحت انجام دهید.