Pack de baterias 18650 caseiro: células, BMS, solda ponto e carga

Série para a tensão, paralelo para a capacidade e a corrente

Células em série (S) somam as tensões; células em paralelo (P) somam a capacidade e dividem a corrente. Um 10S3P são dez grupos em série, cada um com três células em paralelo: 30 células no total.

Os mesmos valores da nossa calculadora de pack de baterias. Um pack de bike “36 V” é um 10S.

Escolha S pela tensão que o aparelho espera: o controlador do motor, o conversor ou a ferramenta informam a faixa de entrada, e o pack precisa ficar dentro dela de carregado (4,2 V por célula) até vazio (2,5–2,65 V por célula sob carga, conforme a célula). Depois escolha P por dois motivos: a capacidade que você quer e a corrente que as células precisam entregar juntas.

Nosso exemplo é um pack de 36 V estilo bike elétrica para um controlador limitado a 20 A: um 10S. Com três células LG MJ1 por grupo, a calculadora dá 36,35 V nominais (42 V carregado, 25 V no corte de 2,5 V da célula), 10,5 Ah e 382 Wh. A 20 A cada célula fornece 6,67 A, abaixo dos seus 10 A, e o pack inteiro pode entregar 30 A.

O exemplo na calculadora: 10S3P, LG MJ1, carga de 20 A.Abrir a calculadora

Escolhendo as células: a corrente de descarga real

O número que importa é a corrente de descarga contínua do datasheet do fabricante da célula. Os anúncios dos vendedores muitas vezes trazem um valor de pico ou de pulso, ou um número sem fonte. Há duas grandes famílias: células de alta capacidade, por volta de 3,5 Ah com 8–10 A, e células de alta descarga, por volta de 2,8–3 Ah com 30 A ou mais.

Dos datasheets (os da Molicel no site dela; LG e Samsung não publicam os seus, então os links nas fontes são cópias hospedadas por terceiros) e das páginas de produto da Molicel. LG e Samsung não dizem nos seus sites se esses modelos continuam em produção: compre de distribuidores que mostrem o datasheet e o lote.

Se o controlador puxasse 30 A em vez de 20, cada célula levaria 10 A: bem no limite da MJ1 e acima dos 8 A da 35E, o que a calculadora avisa (veja). Uma célula de alta descarga como a P28A aguenta isso com folga, mas guarda menos: o mesmo 10S3P fica com 8,4 Ah em vez de 10,5 (pack com P28A; pack com P30B). Escolha primeiro a célula pela corrente, depois acrescente P pela capacidade.

Comprando células originais e casando as células

• Capacidades impossíveis. As 18650 de maior capacidade nos datasheets que conferimos ficam em torno de 3,5 Ah. Uma 18650 de “9900 mAh” é falsa, normalmente uma célula bem menor dentro de um invólucro grande.
• Peso. As 18650 originais pesam cerca de 45–50 g (46 g típicos a P28A, no máximo 50 g a 35E). Pese algumas numa balança de cozinha: uma célula de 30 g não é o que diz a etiqueta.
• Capa e marcações. Células reencapadas escondem a origem. Compre de distribuidores que vendam as células originais do fabricante, mostrem o datasheet e saibam informar o lote de produção.
• Meça ao receber. Células do mesmo lote devem chegar com tensões de repouso parecidas; uma bem mais baixa que as outras sofreu abuso ou está com defeito.
• Nunca misture células usadas e novas, modelos diferentes ou lotes diferentes no mesmo pack: a célula mais fraca define os limites do pack, e é ela que acaba sobrecarregada e descarregada demais.

Num pack com grupos em paralelo, case as células: meça a capacidade (e a resistência interna, se o carregador fizer isso) e monte cada grupo com células próximas, para que todos os grupos tenham quase a mesma capacidade total. Um carregador com teste de capacidade, como o XTAR VC4SL (de 0,25 a 3 A, 3 A só com uma célula; teste de capacidade de verdade; alimentação USB-C), faz isso algumas células por vez.

O BMS

O BMS (sistema de gerenciamento da bateria) protege o pack: corta a corrente se algum grupo passar da tensão de carga completa ou cair abaixo da tensão de descarga, em curto-circuito ou sobrecorrente e, em geral, por temperatura; e faz o balanceamento dos grupos. Para o nosso 10S de 20 A, a calculadora pede um BMS 10S de pelo menos 25 A contínuos, um quarto de margem sobre a carga.

• Corrente contínua. O que conta é o valor contínuo, não o de pico. A JBD, por exemplo, especifica a sua versão de 30 A para 90 A durante um segundo.
• Balanceamento. Quase todo BMS balanceia de forma passiva, tirando um pouco de corrente dos grupos mais carregados, algumas dezenas de miliampères: a JBD informa 20–55 mA para o seu SP14S004. Isso basta para manter equilibrado um pack bem montado; não corrige células mal casadas.
• Porta comum ou separada. Um BMS de porta comum carrega e descarrega pelos mesmos dois terminais, como na figura mais abaixo. Um de portas separadas tem uma entrada de carga com corrente própria, muitas vezes menor: compare com o seu carregador.
• Temperatura. Um termistor (NTC) nas células deixa o BMS parar a carga quando elas estão frias ou quentes demais. O BMS da JBD tem um na placa e um externo.
• Inteligente ou não. Um BMS inteligente mostra a tensão de cada grupo e permite mudar os limites por aplicativo (Bluetooth) ou por UART, RS485 ou CAN. Não é obrigatório, mas entrega na hora um grupo fraco.

Das páginas dos fabricantes. Em qualquer BMS, confira a química (Li-ion, não LiFePO4), o número de células em série, a corrente contínua ≥ o valor da calculadora, os limites de sobrecarga e de descarga por célula e se o caminho de carga tem um limite menor.

Soldando, isolando e ligando o pack

Fita de níquel e solda ponto

As células são ligadas com fita de níquel soldada a ponto nos polos: um pulso de corrente curtíssimo e muito forte funde um pontinho em milissegundos, e pouco calor chega ao interior da célula. Um ferro de solda precisa manter o invólucro quente por segundos, e esse calor chega à vedação e ao separador: por isso packs são soldados a ponto, não com estanho. Se uma célula tiver de ser soldada com estanho, ela deve vir com terminais soldados de fábrica.

Use fita de níquel puro, não aço niquelado, que é vendido com o mesmo nome, conduz pior e enferruja nas bordas cortadas. O níquel puro já conduz cerca de cinco vezes pior que o cobre (8,5 µΩ·cm o Nickel 201, contra 1,72 do cobre), então a espessura importa:

Calculado pela resistividade do Nickel 201 (AMETEK). Cobre da mesma seção, 0,15 × 8 mm: 0,14 mΩ por cm. O calor acompanha o quadrado da corrente: o dobro da corrente, quatro vezes o calor.

Num pack 3P a corrente entre dois grupos passa por três pontes de fita, cerca de um terço em cada: 6,7 A com 20 A. Faça pontes curtas; para mais corrente, acrescente uma segunda camada ou use fita mais grossa, desde que a sua máquina ainda consiga soldá-la.

Das páginas dos fabricantes; os dois são kits que você termina, feitos em pequenos lotes e muitas vezes esgotados: a Malectrics mostra o kit V4 pré-montado como esgotado, e com ele os kits completos que o incluem, e a página do kWeld não informa a disponibilidade, então confira antes. Em geral, procure uma máquina alimentada por bateria de carro, LiPo grande ou capacitores (supercapacitores) que consiga dar bem mais de mil ampères por alguns milissegundos, com tempo de pulso ou energia ajustáveis e especificada para a espessura de fita de que você precisa. Máquinas portáteis baratas com bateria embutida estão por toda parte; não achamos dados de fabricante para conferi-las, então teste qualquer máquina numa sobra de fita e numa célula de teste e arranque a fita: uma boa solda rasga o níquel em vez de soltar limpa.

Isolamento e suportes

• Arruelas isolantes nos positivos. Numa 18650, a borda em volta do polo positivo é o invólucro, ou seja, o negativo. Uma arruela de papel isolante (fish paper) em cada positivo evita que uma fita ou uma rebarba faça curto entre os dois.
• Suportes ou espaçadores mantêm as células afastadas e o pack firme; papel isolante entre os grupos e sobre as fitas, e uma capa externa resistente, evitam que o níquel se desgaste por atrito até ficar exposto.
• Não cubra as válvulas. A válvula de alívio fica no polo positivo. Cola quente ou resina por cima impedem que uma célula com defeito libere os gases por onde deveria.

Fios de balanceamento, cabos principais, fusível e conector

• Fios de balanceamento. Um fio de B−, um de cada uma das nove junções e um de B+, em ordem. Antes de encaixar o conector no BMS, confira com o multímetro que cada pino marca mais ou menos a tensão de uma célula a mais que o anterior, e siga a ordem de ligação do manual do BMS.
• Cabos principais. Para 20 A em 0,5 m a 36 V, a nossa calculadora indica 2,5 mm² com fusível de 25 A (confira). Ela usa capacidades de condução de cabos com isolação de PVC; para cabo de silicone, vale o valor do fabricante.
• Fusível. Um fusível no positivo, perto das células, com corrente nominal acima da carga e abaixo do que o cabo aguenta: aqui, 25 A. Confira a tensão em corrente contínua: um 10S carregado chega a 42 V, mais do que muitos fusíveis automotivos aceitam (o MEGA da Littelfuse, por exemplo, é de 32 V). Os fusíveis de lâmina MINI 58V da Littelfuse vão até 30 A a 58 V em corrente contínua.
• Conector. Um XT60 leva 20 A com folga; de 30 A para cima, um XT90, cuja versão XT90-S tem um resistor antifaísca. Deixe o conector fêmea do lado do pack, para que os contatos energizados não encostem em nada.

A carga

Células Li-ion carregam em corrente constante até 4,2 V por célula e depois em tensão constante enquanto a corrente cai (CC/CV). Um pack 10S precisa de um carregador CC/CV feito para 42,0 V; o BMS é uma rede de proteção, não o carregador. Para uma vida mais longa você pode parar em 4,1 V por célula, 41 V: pela tabela da Battery University (90% da energia a 4,13 V, 81% a 4,06 V), você fica com cerca de 85–90% da capacidade, e a Grin, que fabrica o carregador Satiator, lembra que packs de lítio duram muito mais se não forem sempre carregados até o fim.

• Corrente. A calculadora dá 5,03 A como corrente máxima de carga padrão deste pack (os 1,675 A por célula do datasheet da MJ1, vezes três). Um carregador de 2 A enche o pack de 10,5 Ah em cerca de cinco a seis horas e é mais suave.
• Temperatura. Carregue entre 0 e 45 °C com a MJ1 (0–60 °C com as Molicel), e nunca um pack gelado que acabou de chegar de fora numa madrugada fria.
• Plugue e polaridade. Os plugues de carregador não são padronizados: confira polaridade e tensão antes da primeira carga.

Das páginas dos fabricantes.

Sabendo a carga

A tensão em repouso de um pack Li-ion diz mais ou menos quanto ele tem: a nossa tabela de tensão 10S transforma uma leitura em nível de carga, com a variação entre as tabelas dos fabricantes. Meça com o pack em repouso, não sob carga. Cerca de 38 V em repouso (3,8 V por célula) é mais ou menos meia carga; é também a faixa para guardar, 3,80–3,85 V por célula, 38,0–38,5 V num 10S.

O exemplo completo

Nas calculadoras: o pack, os cabos principais.

O pack tem 382 Wh, então não pode viajar de avião como bateria sobressalente: a IATA permite baterias de lítio sobressalentes de até 100 Wh na cabine, de 100 a 160 Wh com aprovação da companhia aérea, e nenhuma acima de 160 Wh. Despachar por transportadora também tem regras: consulte antes.

Segurança, armazenamento e quando não fazer você mesmo

• Carregue onde um incêndio não possa se espalhar: sobre uma superfície não inflamável, longe do que queima, não de madrugada no quarto nem perto da única saída. Uma bolsa antichamas ou uma caixa de metal ajudam com packs pequenos; não seguram um pack grande.
• Guarde com meia carga (3,80–3,85 V por célula), em lugar fresco e seco, e confira a tensão a cada poucos meses.
• Aposente packs danificados: um pack que levou uma pancada forte, foi amassado, molhado, estufou ou esquentou não volta a ser usado. Leve-o a um ponto de coleta de pilhas e baterias.
• Respeite os limites das células: carga entre 0 e 45 °C (MJ1), nunca acima de 4,2 V por célula, nunca abaixo da tensão de corte.