Pacco batterie 18650 fai da te: celle, BMS, saldatura a punti e carica

Serie per la tensione, parallelo per capacità e corrente

Le celle in serie (S) sommano le tensioni; quelle in parallelo (P) sommano la capacità e si dividono la corrente. Un 10S3P è fatto di dieci gruppi in serie, ciascuno di tre celle in parallelo: 30 celle in tutto.

Gli stessi valori del nostro calcolatore per pacchi batteria. Un pacco da bici “36 V” è un 10S.

Scegli S in base alla tensione che chiede il dispositivo: il controller del motore, il convertitore o l’attrezzo dichiarano il loro intervallo d’ingresso, e il pacco deve restarci dentro dalla carica completa (4,2 V per cella) alla fine scarica (2,5–2,65 V per cella sotto carico, a seconda della cella). Poi scegli P per due cose: la capacità che vuoi e la corrente che le celle devono dare tutte insieme.

Il nostro esempio è un pacco da 36 V come quelli delle bici elettriche, per un controller limitato a 20 A: un 10S. Con tre celle LG MJ1 per gruppo il calcolatore dà 36,35 V nominali (42 V a piena carica, 25 V alla fine scarica della cella, 2,5 V), 10,5 Ah e 382 Wh. A 20 A ogni cella eroga 6,67 A, sotto i suoi 10 A, e il pacco intero può dare 30 A.

L’esempio nel calcolatore: 10S3P, LG MJ1, carico di 20 A.Apri il calcolatore

Scegliere le celle: la vera corrente di scarica

Il dato che conta è la corrente di scarica continua del datasheet del produttore della cella. Gli annunci dei venditori riportano spesso un valore di picco o di impulso, o un numero senza fonte. Le celle si dividono in due grandi famiglie: ad alta capacità, intorno ai 3,5 Ah con 8–10 A, e ad alta corrente, intorno ai 2,8–3 Ah con 30 A o più.

Dai datasheet (quelli Molicel sul suo sito; LG e Samsung non pubblicano i loro, quindi i link nelle fonti sono copie ospitate da altri) e dalle pagine prodotto Molicel. LG e Samsung non dicono sui loro siti se questi modelli sono ancora in produzione: compra da distributori che ti mostrano datasheet e lotto.

Se il controller assorbisse 30 A invece di 20, ogni cella porterebbe 10 A: proprio al limite della MJ1 e oltre gli 8 A della 35E, cosa che il calcolatore segnala (vedi). Una cella ad alta corrente come la P28A li regge senza problemi, ma immagazzina meno: lo stesso 10S3P ha 8,4 Ah invece di 10,5 (pacco con P28A; pacco con P30B). Scegli prima la cella per la corrente, poi aggiungi P per la capacità.

Comprare celle originali e accoppiarle

• Capacità impossibili. Le 18650 più capienti nei datasheet che abbiamo controllato arrivano a circa 3,5 Ah. Una 18650 da “9900 mAh” è falsa, di solito una cella molto più piccola in un involucro grande.
• Peso. Le 18650 originali pesano circa 45–50 g (46 g tipici per la P28A, 50 g al massimo per la 35E). Pesane qualcuna con la bilancia da cucina: una cella da 30 g non è quello che dice l’etichetta.
• Guaina e marcature. Le celle con la guaina rifatta nascondono la loro origine. Compra da distributori che vendono le celle originali del produttore, mostrano il datasheet e sanno dirti il lotto di produzione.
• Misura all’arrivo. Le celle di uno stesso lotto devono arrivare con tensioni a riposo simili; una molto più bassa delle altre è stata maltrattata o è difettosa.
• Mai mescolare celle usate e nuove, modelli diversi o lotti diversi nello stesso pacco: la cella più debole fissa i limiti del pacco, ed è lei a finire sovraccaricata e troppo scarica.

In un pacco con gruppi in parallelo, accoppia le celle: misura la capacità (e la resistenza interna, se il caricabatterie lo fa) e forma ogni gruppo con celle simili, così tutti i gruppi hanno quasi la stessa capacità totale. Un caricabatterie con test di capacità, come l’XTAR VC4SL (da 0,25 a 3 A, 3 A solo con una cella; un vero test di capacità; alimentazione USB-C), lo fa qualche cella alla volta.

Il BMS

Il BMS (sistema di gestione della batteria) protegge il pacco: interrompe la corrente se un gruppo supera la tensione di piena carica o scende sotto quella di fine scarica, in caso di cortocircuito o sovracorrente e di solito per temperatura; e bilancia i gruppi. Per il nostro 10S da 20 A il calcolatore chiede un BMS 10S da almeno 25 A continui, un quarto di margine sul carico.

• Corrente continua. Conta il valore continuo, non quello di picco. JBD, per esempio, dichiara la sua versione da 30 A per 90 A per un secondo.
• Bilanciamento. Quasi tutti i BMS bilanciano in modo passivo, togliendo un po’ di corrente ai gruppi più carichi, qualche decina di milliampere: JBD indica 20–55 mA per il suo SP14S004. Basta a tenere in riga un pacco fatto bene; non rimedia a celle accoppiate male.
• Porta comune o separata. Un BMS a porta comune carica e scarica dagli stessi due terminali, come nella figura più sotto. Uno a porte separate ha un ingresso di carica con una corrente propria, spesso più bassa: confrontala con il tuo caricabatterie.
• Temperatura. Un termistore (NTC) sulle celle permette al BMS di fermare la carica quando sono troppo fredde o troppo calde. La scheda JBD ne ha uno a bordo e uno esterno.
• Smart o no. Un BMS smart mostra la tensione di ogni gruppo e permette di cambiare le soglie da app (Bluetooth) o via UART, RS485 o CAN. Non è indispensabile, ma fa trovare subito un gruppo debole.

Dalle pagine dei produttori. Su qualsiasi BMS controlla la chimica (Li-ion, non LiFePO4), il numero di celle in serie, la corrente continua ≥ al valore del calcolatore, le soglie di sovraccarica e di scarica per cella e se il ramo di carica ha un limite più basso.

Saldare, isolare e cablare il pacco

Nastro di nichel e saldatura a punti

Le celle si collegano con nastro di nichel saldato a punti sui poli: un impulso di corrente cortissimo e molto intenso fonde un piccolo punto in pochi millisecondi, e all’interno della cella arriva poco calore. Un saldatore a stagno deve tenere caldo l’involucro per alcuni secondi, e quel calore arriva alla guarnizione e al separatore: per questo i pacchi si saldano a punti, non a stagno. Se una cella va saldata a stagno, deve avere le linguette saldate in fabbrica.

Usa nastro di nichel puro, non acciaio nichelato, che si vende con lo stesso nome, conduce peggio e arrugginisce sui bordi tagliati. Il nichel puro conduce già circa cinque volte peggio del rame (8,5 µΩ·cm per il Nickel 201, contro 1,72 del rame), quindi lo spessore conta:

Calcolato dalla resistività del Nickel 201 (AMETEK). Rame della stessa sezione 0,15 × 8 mm: 0,14 mΩ per cm. Il calore cresce con il quadrato della corrente: corrente doppia, calore quadruplo.

In un pacco 3P la corrente tra due gruppi passa per tre ponticelli di nastro, circa un terzo ciascuno: 6,7 A con 20 A. Tieni i ponticelli corti; per più corrente aggiungi un secondo strato o usa un nastro più spesso, purché la tua saldatrice riesca ancora a saldarlo.

Dalle pagine dei produttori; sono kit da completare, prodotti in piccole serie e spesso esauriti: Malectrics indica come esaurito il kit V4 premontato, e quindi i bundle che lo contengono, e la pagina del kWeld non dice se è disponibile: controlla prima di contarci. In generale cerca una saldatrice alimentata da una batteria d’auto, una LiPo grande o condensatori (supercondensatori), capace di dare ben oltre mille ampere per qualche millisecondo, con durata dell’impulso o energia regolabili e dichiarata per lo spessore di nastro che ti serve. Le saldatrici portatili economiche con batteria integrata sono ovunque; non abbiamo trovato dati dei produttori con cui verificarle, quindi prova qualsiasi saldatrice su nastro di scarto e una cella di prova, poi strappa il nastro: una buona saldatura fa lacerare il nichel invece di staccarsi di netto.

Isolamento e portacelle

• Anelli isolanti sui poli positivi. In una 18650 il bordo attorno al polo positivo è l’involucro, cioè il negativo. Un anello di carta isolante (fish paper) su ogni polo positivo evita che un nastro o una sbavatura mettano in corto i due.
• Portacelle o distanziali tengono le celle separate e il pacco rigido; carta isolante tra i gruppi e sopra i nastri, e una guaina esterna robusta, evitano che lo sfregamento consumi l’isolamento e lasci scoperto il nichel.
• Non coprire gli sfiati. Lo sfiato è sul polo positivo. Colla a caldo o resina sopra impediscono a una cella in avaria di scaricare i gas dove deve.

Fili di bilanciamento, cavi principali, fusibile e connettore

• Fili di bilanciamento. Un filo da B−, uno da ciascuna delle nove giunzioni e uno da B+, in ordine. Prima di inserire il connettore nel BMS controlla con il multimetro che ogni pin segni circa una tensione di cella in più del precedente, e segui l’ordine di collegamento del manuale del BMS.
• Cavi principali. Per 20 A su 0,5 m a 36 V il nostro calcolatore indica 2,5 mm² con un fusibile da 25 A (verifica). Le portate usate sono quelle dei cavi isolati in PVC; per il cavo in silicone vale la portata dichiarata dal produttore.
• Fusibile. Un fusibile sul positivo, vicino alle celle, di valore superiore alla corrente del carico e inferiore alla portata del cavo: qui 25 A. Controlla la sua tensione nominale in continua: un 10S carico arriva a 42 V, più di quanto reggano molti fusibili per auto (il MEGA di Littelfuse, per esempio, è da 32 V). I fusibili a lama MINI 58V di Littelfuse arrivano a 30 A a 58 V in continua.
• Connettore. Un XT60 porta 20 A con margine; da 30 A in su un XT90, che nella versione XT90-S ha una resistenza antiscintilla. Metti il connettore femmina dal lato del pacco, così i contatti in tensione non possono toccare niente.

La carica

Le celle Li-ion si caricano a corrente costante fino a 4,2 V per cella, poi a tensione costante mentre la corrente scende (CC/CV). Un pacco 10S richiede un caricabatterie CC/CV da 42,0 V; il BMS è una protezione, non il caricabatterie. Per una vita più lunga puoi fermarti a 4,1 V per cella, 41 V: secondo la tabella di Battery University (90 % dell’energia a 4,13 V, 81 % a 4,06 V) conservi circa l’85–90 % della capacità, e Grin, che produce il caricabatterie Satiator, ricorda che i pacchi al litio durano molto di più se non li carichi sempre al massimo.

• Corrente. Il calcolatore indica 5,03 A come carica standard massima per questo pacco (gli 1,675 A per cella del datasheet della MJ1, per tre). Un caricabatterie da 2 A riempie il pacco da 10,5 Ah in cinque o sei ore circa, ed è più delicato.
• Temperatura. Carica tra 0 e 45 °C per la MJ1 (0–60 °C per le Molicel), e mai un pacco gelato appena portato dentro dal garage.
• Spina e polarità. Le spine dei caricabatterie non sono standard: controlla polarità e tensione prima della prima carica.

Dalle pagine dei produttori.

Leggere la carica

La tensione a riposo di un pacco Li-ion dice più o meno quanto è carico: la nostra tabella delle tensioni 10S trasforma una misura in un livello di carica, con la dispersione tra le tabelle dei produttori. Misura dopo che il pacco ha riposato, non sotto carico. Circa 38 V a riposo (3,8 V per cella) sono più o meno metà carica; è anche l’intervallo per la conservazione, 3,80–3,85 V per cella, 38,0–38,5 V per un 10S.

L’esempio completo

Nei calcolatori: il pacco, i cavi principali.

Il pacco ha 382 Wh, quindi non può viaggiare in aereo come batteria di scorta: la IATA ammette le batterie al litio di scorta fino a 100 Wh in cabina, da 100 a 160 Wh con l’approvazione della compagnia, e nessuna oltre i 160 Wh. Anche spedirlo è regolamentato: chiedi prima al corriere.

Sicurezza, conservazione e quando non farlo da te

• Carica dove un incendio non può propagarsi: su una superficie non infiammabile, lontano da ciò che brucia, non di notte in camera da letto né vicino all’unica uscita. Una borsa ignifuga o una scatola metallica aiutano con i pacchi piccoli; non contengono un pacco grande.
• Conservalo carico a metà (3,80–3,85 V per cella), al fresco e all’asciutto, e controlla la tensione ogni due o tre mesi.
• Dismetti i pacchi danneggiati: un pacco caduto male, schiacciato, bagnato, gonfio o che si è scaldato non va più usato. Portalo a un punto di raccolta per pile e batterie.
• Rispetta i limiti delle celle: carica tra 0 e 45 °C (MJ1), mai oltre 4,2 V per cella, mai sotto la tensione di fine scarica.