Точечная сварка аккумуляторов

[mr-hot]

Задача надёжного сваривания аккумуляторв порой стоит очень остро, если имеешь дело с Li-Ion изделиями. Многие просто спаивают банки паяльником, наплевав на все рекомендации и запреты. Но это не от хорошей жизни. Если посмотреть на готовоые изделия - то на всех них можно увидеть следы от аппаратов точечной сварки. Именно так и следует производить соединение банок аккумуляторов. Подобная техника не относится к числу дешевых. Отчасти из-за того, что полноценный точечный сварчник довольно массивен и сложен в изготовлении. Там только расход меди в килограммах впечатляет.
Но есть и альтернативный метод проведения подобного рода сварочных работ. Если конкретно говорить о сварке аккумуляторв, то как мне показалось, тут не требуются какие-то сверх мощности. Я опишу свою попытку создания такого аппарата. Она не претендуют не на оригинальность, и не претендует на золотую медаль за схему и констркутив. И тем не менее - эта куча железа открывает возможность делать точечные соединия при помощи сварки.
Если мне не изменяет память, то в журнале Радио за Июль 2009г была опубликована статья по намагничиванию инструмента ("Устройство для намагничивания монтажного инструмента."). Именно эта схема и подтолкнула меня опробовать-таки метод точечной сварки, который описан в этом устройстве. Устройство предназначено для намагничивания, но писалось о возможностях точечной сварки, но при этом ничего конкретного не приводилось. Т.е. чтобы понять что нужно, и на что устройство способно - его надо было собрать. Что я и попытался сделать.

Начал я со щупов, которыми непосредственно приходится работать при сварке. Я из медной шины толщиной 10 мм изготовил "карандаши" и припаял к ним провод, сечением 16 квадратных милиметров.

Увеличить
Затем всё это облагородил термоусадкой.

Увеличить
Вот незамысловая схема.

Увеличить
Её сердце - конденсатор, и тиристор Т123-250-4 (можно мощнее).
Питается всё от латра. Можно питать хоть от чего, главное, чтобы была возможность регулировать напряжение заряда конденсаторов.
Вот как это хозяйство выглядит.

Увеличить
конденсаторы следует спаять медными полосками или толстыми медными проводами. Я ещё допаял 4-е плёночных конденсатора К73-17 на 63 вольта для дополнительного шунтирования основных конденсаторов. Сделано это было по большей части на удачу. Это попыка уменьшить ударную наргузку на вывода основных конденсаторов. Скажу сразу забегая вперёд: ёмкости основного конденсатора - мало не бывает. Я набрал 80 000 мкф. Но есть разработки, где ставят 600 000 мкф. Я решил проверить именно эту ёмкость - насколько она пригодна или нет для работы.
Тренировался на севших батарейках Duracell. Кстати на них уже видны следы заводской сварки.

В качестве материала я выбрал не самое лучшее что можно было найти:

Увеличить
Толщина - примерно 0.28 мм. Это довольно много для такого рода сварочного аппарата.
Я решил что будет перспективней приваривать не одну полоску, а две полоски, которые просто очень рядом идут. Я думал, что путь сварочного тока в этом случае станет иным, и это будет более благотворно влиять на процесс. Собственно так и получилось.

Увеличить
Вот мой первый "блин". Видно, что в одной из точек сварки - я перебрал с напряжением и металл там просто расплескало по сторонам.

Увеличить
А вот. я пытаюсь заглянуть под плюсовой "навар" (видны "стаканчики" из металла)

Увеличить
А это оторваная минусовая пластина забрала с собой привареный металл, что свидетельствует об удовлетворительном соединении.

Увеличить
Я планирую ещё раза в три нарастить емкость основного конденсатора и поучиться поработать с разными пластинками. Чувствуется что не хватает опыта работы. Но что-то получается. Нужно никелевую ленту в идеале, но пока не удаётся её приобрести. Если у кого есть намётки где её купить - буду рад их услышать. Варить что есть под рукой (а не то что надо) - это не очень хорошая затея, но пока другого мне видимо не светит.

[Dhaitya]

Я из медной шины толщиной 10 мм изготовил "карандаши" и припаял к ним провод, сечением 16 квадратных милиметров.

Возможно использовать и медные жала паяльников.

Вот незамысловая схема.

См. л.с.

...4-е плёночных конденсатора К73-17 на 63 вольта...

В таких случаях лучше использовать К73-17 на возможно более высокое напряжение, их эквивалентное сопротивление, как показали опыты, меньше. Другие серии конденсаторов, кроме лавсановых, например, МБМ, в данном приложении неприменимы из-за больших потерь.

Скажу сразу забегая вперёд: ёмкости основного конденсатора - мало не бывает.

(Возможно использовать и силовые ионисторы, но электролитические конденсаторы будут дешевле.)
Последовательное сопротивление конденсатора в данном случае является важным фактором. Наилучшим образом, из распространённых, в подобных схемах ведут себя силовые высокочастотные конденсаторы К50-18. Можно рекомендовать такие критерии пригодности:
1. наличие ниппеля и борнов вместо проволочных выводов либо несколько - 4-5 проволочных вывода.
2. рабочее напряжение 25-63В. Не используйте высоковольтные электролитические конденсаторы для общего применения с проволочными выводами, как те, которые ставятся на входах компьютерных источников питания - потери в них очень велики и эффективность устройства будет крайне низкой.
3. если применимость конденсатора вызывает сомнения, найдите его буквенный код на корпусе и уточните параметры серии, - ESR and Ripple Current, у производителя. Данные о ESR можно получить и из tanδ: ESR[Ohms]=F(f)=tanδ/(2πfC)

Тиристор можно использовать любой высоковольтный с пиковым током 500-1000А, втч. в корпусах ТО-247, например 40TPS08...70TPS16.

[mr-hot]

Про выбор конденсаторов.
Я использовл какие-то электролиты зарубежного производства с "самофиксирующимися выводами". Что бы это значило, пояснить пока не могу. Так было написано в коментарии к товару. К сожалению, фото вывода могу привести не скоро, т.к. все их впаял, а зафотать забыл. Вывод очень мне напоминает вывода на конденсаторах для фото-вспышек. Это что-то вроде пластинки с отростком-выводом, и эту пластинку пристрелили "заклёпкой", которая уходит вглубь конденсатора. Может быть, так делают на всех конденсаторах начиная с некоторого габарита банки конденсатора.
Очевидно то, что не следует покупать один конденсатор-гигант под такую задачу. Следует увеличивать их количество, т.к. нагрузка на единичный вывод становится в этом случае заначительно ниже.

Недавно, купив товар в магазине (батарейки) увидел, что на упаковке товара наклеена на липчке пластиковая длинная коробочка. Это видимо анти-вор для товара. Вскрыв эту коробочку, можно внутри обнаружить две блестящие магнитные пластинки из никелированой стали. Они тонкие и упругие. Одна из них - так и просится быть привареной точечной сваркой к аккумулятору. Смущает только что она всего там одна и чтобы их накопытить - надо ковырять эти коробки. Что собственно и утомляет. Так же не ясно - какое удельное сопротивление этого материала. И что это вооще за материал. Хочется приварить не одну пластинку а две сразу. Видимо, из-за малой толщины.

Вот, зарубежная статья в этом же стиле The Poor Man's Battery Tab Welder (Точечник для бедных). Её копию в mht-формате я вкладываю на случай недоступности приведённой ссылки.

[mr-hot]

Вспомнил, что я писал статейку "Цепи защиты Li-Ion батарей". И там на первой фотке красуются купленыйе на Dx платы защиты. Каждая плата снабжена двумя замечательными блестящими проводками которые используют сами производители при сборке защищёных аккумуляторов.

Увеличить
Платы лежат, спец-пластинки есть - чего бы не попробывать их и варить ?!
Всё тот же измученный Duracell...

Увеличить
При попытке с усилием вырвать привареный проводок - возникают проблемы. Держится крепко зараза... Если предположить, что покупка плат защиты не представлят проблемы в денежном плане, то их можно использовать как доноры полевиков и этих спец-проводников для сварки. Но это не упраздняет задачу поиска и покупки настоящей никелевой ленты для сварки.

[vaska]

Спасибо за интересный опыт!
Я когда-то делал точечный аппарат, но, поскольку во всех источниках указывалось, что на низковольтных емкостях сложно обеспечить быстрое нарастание тока необходимой величины, пришлось заморачиваться с высоковольтными импульсными конденсаторами для вспышек, разряжающимися в первичку трансформатора.
Теперь буду знать, что можно делать компактнее, проще и дешевле!

[Dhaitya]

Я использовл какие-то электролиты зарубежного производства с "самофиксирующимися выводами". Что бы это значило, пояснить пока не могу.

Вывод отформован волнообразно, чтобы при установке конденсатора в отверстие происходила его фиксация за счёт сжатия краёв отверстия выводами. Это позволяет фиксировать изделие до пропайки только за их счёт и использовать автоматизированный монтаж.

[mr-hot]

Ещё до сборки "сварочника" я заинтересовался возможностями аппарата описанного в журнале Радио (месяц и год я упоминал выше). Я отправил письмо в редакцию журнала "Радио". Позже, был получен ответ от сотрудника по вопросам связи с общественностью. Следующего содержания:
"Сегодня, наконец, я получил ответ А. Бутова. Из него следует, что в статье говорится лишь о возможности использовании устройства для точечной сварки и прожига оверстий в тонких стальных пластинах, детально технология этих операций не отрабатывалась, поэтому дать конкретные ответы на Ваши вопросы автор не может. К тому же, как он пишет, устройства в настоящее время у него уже нет, оно было разобрано незадолго до получения письма с изложением Ваших вопросов."
Так что ещё один обладатель "сварочника" на кондёрах не может поделиться техническими возможностями своего детища. Очень жаль. Но это уже не важно. Смешно так же то, что пока я ждал ответ - я собрал агрегат

[Dhaitya]

Так что ещё один обладатель "сварочника" на кондёрах не может поделиться техническими возможностями своего детища. Очень жаль.

В 1998 году было собрано подобное устройство, генератор импульсов с батарейным питанием, предназначенное для подавления электронных устройств в сети 220В и создания высоконаправленного магнитного поля, но пригодное и для питания мощных импульсных ламп и точечной сварки. Выходной импульс - линейный или экспоненциальный спад, до 850В, 650Вар, эффективность ~0.6-0.7 на нагрузках разного типа, время готовности - 10-30с.

[mr-hot]

...для подавления электронных устройств,... создания высоконаправленного магнитного поля,...для питания мощных импульсных ламп и точечной сварки

Получается нехилый комплект бытового террориста-фотографа-сварщика. (если я верно понял про мощные импульсные лампы)
Я думал в разрыв щупа включить какой-нибудь здоровенный индуктор, чтобы ток линейно нарастал и не приводил к чрезмерным нарывным нагрузкам на выводах электролитов. Но во-первых, не ясно как скажется такое изменение на самой сварке (скорее всего никак), и во-вторых, я в затруднении при практической реализации такого индуктивного элемента.

[vaska]

Я думал в разрыв щупа включить какой-нибудь здоровенный индуктор, чтобы ток линейно нарастал и не приводил к чрезмерным нарывным нагрузкам на выводах электролитов. Но во-первых, не ясно как скажется такое изменение на самой сварке (скорее всего никак), и во-вторых, я в затруднении при практической реализации такого индуктивного элемента.

По-моему в этом нет необходимости, так как электролиты сами по себе сильно индуктивны.

[mr-hot]

Вот и пришла костлявая за тиристором.
В помощь силовой ёмкости, что была приведена на схеме, я установил конденсатор 100 000мкф х 35V. Его я зашунтировал семью К73-17 на 4.7 мкф. Соединения выполнил медью с сечением 18мм^2 (как и ранее). При пробной варке - тиристор вышел из строя. Вышел со второй попытки. Он превратился в хорошую, добрую перемычку с нулевым сопротивлением. Вероятно, зашкаливает какя-то из характеристик. Хотя ударный ток в 4000А он обязан выдерживать. Слабо верится, что ток может в этой схеме достигать таких высот. Возможно, что дело в слишком широких медных шинах. Я заметил, что в аналогичной статье про точечный сварочник - соединия выполнены весьма сопливо (на мой взгляд). Вероятно, при пиковом значении тока это играет ограничительную роль. Но с другой стороны, я не устанавливал ёмкость в 600 000 мкф ! Представляю - чтобы было при такой ёмкости и с монтажём при помощи медных шин ?! Термояд блин !
Так что, до выяснения причин, можно считать данное схемотехническое решение - гиблым. Возможно, надо просто не выращивать ёмкость ? Но это не спортивно. Хочется большего тока. Остаётся надеяться, что тиристоры зарубежного производства окажутся более надёжными в этом плане, но таковых пока не имеется под рукой.

[Dhaitya]

По-моему в этом нет необходимости, так как электролиты сами по себе сильно индуктивны.

Верно. И, кроме того, чем выше индуктивность, тем медленнее поступление заряда в зону сварки, тем равномернее прогрев пластин, тем меньше температура зоны сварки, тем хуже качество сварки.

При пробной варке - тиристор вышел из строя. Вышел со второй попытки.

Тиристор открывается не мгновенно. От центра - к краю. Плотность тока на начальном этапе велика, можно вывести из строя не только Т, но и ТБ и ТБИ. Чтобы быстрее открыть прибор, необходим большой ток управления и исключение дребезга контаков.
Второй фактор выхода из строя - обратный всплеск на индуктивностях. Поставьте варистор на 80-100В параллельно тиристору.
Третий фактор - превышение di/dt, слишком быстрый рост тока в момент, когда прибор открыт не полностью, приводящий к шнурованию тока высокой плотности. Решение - реактор последовательно с тиристором; используйте ферриты 1500-2000, сечение по ферриту 5-10 см.кв., 2-8 витков, на 1-й взгляд.

[mr-hot]

Тиристор открывается не мгновенно. От центра - к краю. Плотность тока на начальном этапе велика, можно вывести из строя не только Т, но и ТБ и ТБИ.

Большущее вам спасибо за перечисленые особенности и варианты отказов.
Отлично ! Отлично то, что я понапорол кучу косяков в схеме и их можно устраннить, и есть шанс сохранить первоначальную задумку изделия и перейти на качественно новый уровень.
Мои первоначальные знания о тиристорах до вчерашнего дня были значит практически нулевыми. Я воспринимал его как лавинный прибор, для которого важно лишь попадание в лавинную зону открытия и всё. А дальше - он сам должен всё сделать. Т.е. как такового понимания самого лавинного процесса небыло. Возможно, что с такимим мыслями можно было спокойно и дальше жить, но вот тут подвернулся этот точечник со своими особенностями работы. Оказалось, что тиристор даже такого класса - это как слон, которого можно убить из рогатки (если рогатка в руках у дурака)
Теперь я планирую собрать импульсный преобразователь для зарядки накопительного конденсатора от цепи 12V. Это даст:

• Элекробезопасность (нет например ЛАТР-а)
• Универсальность (питайся хоть от батарейки ручной дрели, хоть от ATX- блока питания)
• Можно запитать цепи устранения дребезга контактов
• Можно гарантировано управлять цепью управляющего электрода на тиристоре с нужными и стабильными параметрами по току

Без стабильного напряжения питания (например 12V) говрить о грамотном формировании тока для цепи УЭ тиристора - не получается.
Не могу вот только определиться со значением тока для цепи управляющего электрода. Я рассчитываю установить 70TPS16. Но теперь, в свете последних изменений, я не совсем понимаю какое значение тока выбрать. Его надо выбирать на сколько-то процентов меньше предельного тока управляющего электрода по паспорту ? Так получается ? Т.е. ток должен быть как можно бОльшим, и одновременно должен находиться в безопасной для тиристора зоне ?
Для прибора 70TPS16 этот ток получается равным примерно 2А при учёте того, что "Max. peak Gate Current = 2.5А" Да, это разительно отличается от того, что я собрал. Ещё и тиристор выбрал я мощнее...
Защиту по di/dt (намотка дросселя) оставлю на последок. Дроссель буду мотать только тогда, когда спалю ещё один тиристор.

[mr-hot]

Неожиданно, просто под ногами буквально обнаружил источник ленты для сварки аккумуляторов. У него один плюс и один минус:
- его много
- он подвержен корозии

Это - старая рулетка.
Измереная толщина стали = 0,09 мм



Т.е. после обработки наждачкой и перед сваркой, его надо сбрызнуть каким-нибудь "WD-40" (русский аналог "Унисма") или просто протереть масляной тряпкой.

[Dhaitya]

Чем всё закончилось/продолжилось?

[mr-hot]

Чем всё закончилось/продолжилось?

Встал колом на долбаном тиристоре... Что 70TPS16, что Т123 - по месту мне не найти.
Т.к. я не из обасти Московии, то мне очень трудно оперативно приобретать необходимые электронные компоненты для продолжения того или иного проекта. Само исполнение заказа длится примерно месяц. Кроме того, заказ постащику ещё приходится делать накопительным образом (не по одной мелочи, а по многу мелочей сразу) дабы минимизировать потери на транспортировке груза по почти всей территории РФ. Накопительная политика - влечёт опять-таки финансовые трудности. Так что всё довольно грустно если пролетаешь с деталями (например купил 1шт, и спалил).
Конкретные сроки - это не мой случай. Я лишь точно знаю что не слезу с этой идеи пока не перепробую разные варианты. Сколько это займёт времени - понятия даже не имею.

[vaska]

А может попробовать набрать кучу полевиков со старых "мамок" и поставить их в параллель? По идее должно проканать...

[mr-hot]

А может попробовать набрать кучу полевиков со старых "мамок"...

Идея не лишена смысла. Я взял первую попавшуюся старую мать и там обнаружил нечто с надписью PHD55N03:

• Drain current = 55A
• Drain current (pulse peak value) = 220A
• Drain-source voltage = 25V

На 70TPS:

Current Sinusoidal waveform = 70A (синусоидальный продолжительный ток)
• ITSM = 1400A (импульсный пиковый ток)
• VRRM = 1200/1600 V (напряжение пробоя)

Выходит, что 1400/220 = 7 полевиков надо наковырять и поставить.
Но они не подходят по напряжению. 25V - это очень мало. Я работаю в диапазоне 25V постоянно. Т.е. это обрекает на поиск более высоковольтных полевиков, что думаю проблематично будет сделать используя материнки. А приобретение более высоковольтных полевиков (у которых предельный ток естественно будет уже ниже) - даст такую же итоговую цену, как и покупка необходимого тиристора. Т.е. возможно, у кого-то есть залежи 50-ти вольтовых MOSFET, и куча драйверов класса IR4427 или чего-нить подобного. Тогда да... Можно наверное надеяться на успех.

[Katolix]

Наверное еще можно порыть полевики в БП компьютера, там они наверняка не меньше чем на 50V.
Ковыряю свой БП: IRFP460 - VDS=500V, ID=18.4A
Есть еще какие-то.

[Dhaitya]

А может попробовать набрать кучу полевиков ...?

Это будет работать.

mr-hot, Katolix, vaska
Можно соединить ПТ параллельно. Они открываются быстрее тиристора и проще тиристора.
1. не превышайте 210А импульсного тока длительностью 8-10мс на выводе стока корпуса TO-220. Это абсолютный пик. Если есть возможность, не превышайте 100А даже у приборов вроде IRF1407.
2. нет необходимости включать прибор очень быстро, как они включаются в источниках питания. Достаточно 0.5-2мкс, т.к. в ПТ также может происходить шнурование токов истока. (И это причина того, почему большинство тиристорных и транзисторных преобразователей большой мощности работают на звуковых частотах.)
3. когда ПТ будет включен, в системе возникнет колебательный процесс. Важно знать поведение ПТ во время колебаний.
3.1 При превышении напряжения происходит лавинный пробой ПТ, и это нормальный режим его работы. Важно, чтобы энергия лавины каждого одного прибора не превышала предельно допустимую энергию однократной лавины. Распределить лавину ~поровну м/приборами можно, если длины подводящих шин будут равными. Это соображение следует учитывать, когда напряжение повышается на закрытых ПТ.
3.2 При быстром понижении напряжения, когда латеральный диод закрыт, образуется емкостной делитель на емкостях "исток-затвор" и "затвор-сток". Когда напряжение на закрытом канале растёт, то оно появляется и на затворе ПТ, что может привести к пробою затвора.
3.3 Та же ситуация при открывании прибора проявляется в ослабленной форме, т.к. напряжение с выхода паразитного конденсаторного делителя будет открывать ПТ.

Выводы: схема управления затвором должна иметь очень низкий импеданс, но может не быть очень быстрой. Возможно, как и в тиристорных схемах, ограничивать скорость роста тока канала ПТ реактором. Параллельно ПТ крайне желательно установить варистор такой, чтобы при напряжении на нём, равным напряжению пробоя ПТ, ток варистора превышал ток ПТ в несколько раз. И, конечно, важен подбор марки прибора по сопротивлению канала: если вы хотите получить 1кА амплитуды на напряжении 40В, то параллельная сумма сопротивлений каналов не должна превысить 40 мОм (сильно упрощено).

[mr-hot]

Это будет работать.

Что-то я не понимаю... Вероятно это не будет работать если силовой накопительный конденсатор на 35V (или того хуже 50V), а силовые полевики выбраны на предельное напряжение 25V. Меня в этом месте коробит немного. Как это может быть допустимо ? Или я чего-то не понял из вами описанного ? Кондесатор реально приходится заряжать на напряжение 25V или около того. Мне натйи полевики на 40V (для силового кондёра 35V) ? И работать над их запараллеливанием ? Или можно плюнуть на всё, и поставить ПТ на 25V + варистор параллельно ПТ ?
Кстати, поиск варистора защиты ПТ на нужное напряжение (ещё и на конский ток) - такой же по сложности процесс (для проживающих не в столице нашей родины) как и поиск главного героя всего процесса - триристора. Блин, замкнутый круг...

[vaska]

Кондесатор реально приходится заряжать на напряжение 25V или около того.

А что мешает слегка понизить напряжение, добавив для компенсации емкостей в батарею?

[mr-hot]

А что мешает слегка понизить напряжение... ?

Мешат, то что даже приобретение подходящих конденсаторов - это всё равно заказ какому-нибудь поставщику электронных компонентов в центральную Россию и полуторамесячное ожидание. Т.е. ваш рецепт подмены тиристора на полевик - был хорош для деревенского мальчугана вроде меня, но с оговоркой - "ёмкость примерно 0,6Ф и напряжение не выше 25V". Увы, я не подхожу под такой жёсткий кастинг..
Кстати, конденсаторы тоже денег стоят. Опять - проще тиристор купить, как не верти (если значение ёмкости и рабочее напряжение устраивают).
Всё равно - спасибо за совет. Возможно, что у кого-то есть в загашнике 0,6Ф на 25вольт... или ещё больше. Вот, и воспользуется полевичками с матерей.

[Dhaitya]

mr-hot
Я подразумевал - будет работать с ПТ (только ПТ, не БТИЗ или БСИТ - их стойкость много ниже), напряжение закрытого канала которых более 45В.
Тиристоры можно найти в трамвайных депо, т.к. они используются в тяговых преобразователях трамваев (но это могут быть ТЗ), где часто выходят из строя или в неработающих станциях катодной защиты магистральных газопроводов (Т, ТЛ).

Варисторы же все существуют только на большой ток. В данном случае можно, думаю, ограничиться прибором с D=5-7мм.

[mr-hot]

Есть статья. В ней применяется низкочастотный трансформатор для достижения больших сварных токов. Есть возможность приобести трансформатор подобного плана, надо только перемотать вторичку (наверное самое трудное). Но смущает в оригинальной статье цепи управления силовыми тиристорами, которые собственно производят включение-отключение силового трансформатора.
Не могу оценить грамотность такой схемы.
Смущает в частности трансформатор управления на феррите. При таких низких частотах и однополярном намагничивании феррита я не могу понять как это работает и стоит ли применять данное решение.
Может есть более изящный путь ?
Я смотрю в сторону MOC3052 (Triac Drivers), но совершенно не могу понять как их применить для управления силовыми тиристорами типа 70TPS16 (на входе мощного низкочастотного трансформатора). Да и возможно ли вообще такое включение ? Может кто где видел готовые примеры схем где присходит комутация силовых тиристоров на оптических драйверах или на крайняк на транформаторах ? Интересуют реальные схемы, а не просто условная схема со значками.
В качестве элемента регулируемой задержки могу использовать процессор. Т.е. могу сформировать нужные импульсы с нужной частотой и с нужной длительностью.