COMPREENDENDO O PROCESSO DE CONSTRUÇÃO DE UM PACK DE BATERIA DE LÍTIO-ÍON COM CÉLULAS 18650
A construção de packs de bateria tem se mostrado cada vez mais relevante no atual contexto de transição para fontes de energia renováveis e na crescente demanda por veículos elétricos. Com o objetivo de armazenar energia elétrica de forma eficiente e segura, os packs de bateria são compostos por um conjunto de células individuais que trabalham em conjunto para fornecer a energia necessária.
A construção de packs de bateria envolve diversas etapas, desde a seleção das células até a fabricação da estrutura que irá acomodá-las. As células não são escolhidas ao acaso, a depender do projeto diversos fatores são levados em consideração, como capacidade, tensão e corrente máxima. Já com relação ao design do pack, aspectos como a distribuição de peso, dissipação de calor e acessibilidade para manutenção são muito relevantes.
A segurança é outro fator primordial na construção de packs de bateria. A utilização de sistemas de gerenciamento de bateria (BMS, na sigla em inglês) é essencial para monitorar o desempenho de cada célula, prevenir sobrecargas e descargas excessivas e garantir que o pack funcione de maneira segura e confiável.
O propósito deste artigo é explicar as etapas fundamentais envolvidas na construção de um pack de bateria, fornecendo aos leitores os conhecimentos básicos essenciais para compreender todo o processo de fabricação.
Qual a diferença entre célula, bateria e pack de bateria?
Um erro bem comum entre as pessoas é não saber diferenciar uma "célula" de uma "bateria". Embora esses termos sejam frequentemente usados ??de forma intercambiável, eles se referem a coisas diferentes.
Basicamente uma célula é a unidade básica de um dispositivo eletroquímico, enquanto uma bateria é a junção de duas ou mais células conectadas em série ou paralelo para fornecer uma tensão elétrica mais alta ou uma capacidade de armazenamento de energia maior do que uma única célula.
Já o termo "pack de bateria" nada mais é do que uma outra maneira de se referir a um conjunto de células interligadas (bateria).
Quais são os componentes e ferramentas necessárias para a construção de um pack de bateria?
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Componentes e suprimentos necessários
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Ferramentas e equipamentos necessários
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| Células |
Máquina de solda a ponto
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| Suporte para bateria |
Soprador térmico
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BMS |
Multímetro
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| Fita de níquel para interconectar as células do pack |
Carregador e testador de capacidade
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| Conectores e fios |
Descascador e cortador de fio
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| Termo retrátil de PVC para bateria
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Ferro de solda
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Isolação para bateria
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Determinando a Configuração de um pack de bateria e o número de células necessárias
Antes de construir um pack de bateria, é importante definir as seguintes características que o pack deverá ter:
Tensão de operação
A tensão de operação é a tensão necessária para alimentar o dispositivo que será alimentado pelo pack de bateria. É importante garantir que a tensão do pack de bateria seja compatível com o dispositivo.
Capacidade
A capacidade de uma bateria é a quantidade de energia que ela pode armazenar. É importante determinar a capacidade necessária para o dispositivo que será alimentado, para que o pack de bateria possa fornecer energia suficiente pelo tempo necessário.
Tipo de célula
Existem diferentes tipos de células, cada uma com suas próprias vantagens e desvantagens. É importante escolher o tipo de célula que melhor atenda às necessidades do dispositivo, levando em consideração fatores como custo, densidade de energia, ciclo de vida, segurança, entre outros.
Configuração em série ou paralelo
A configuração em série ou paralelo determina a tensão e a capacidade total do pack de bateria. É importante escolher a configuração correta para garantir que o pack de bateria forneça a tensão e capacidade necessárias para o dispositivo. Já as dimensões do pack serão totalmente influenciadas pela configuração escolhida e disposição das células no pack de bateria.
Em uma configuração em série, as baterias são conectadas uma após a outra, com o terminal positivo de uma bateria ligado ao terminal negativo da bateria seguinte. Dessa forma, a tensão total da bateria será a soma das tensões de cada bateria individualmente.
Na configuração em paralelo, as baterias são conectadas lado a lado, com os terminais positivos e negativos de cada bateria ligados juntos. Dessa forma, a capacidade total da bateria será a soma das capacidades de cada bateria individualmente.
No exemplo da Figura 1 para ambos os casos (série e paralelo), consideramos células de lítio-íon de 3,7V de tensão nominal e 2500mAh de capacidade.
Através da Figura 1 é possível notar que na ligação em série, entre duas células de lítio-íon de 3,7V e 2500mAh o pack terá uma tensão de 7,4V e uma capacidade de 2500mA. Já para a ligação em paralelo o pack terá uma tensão de 3,7V e 5000mAh de capacidade.
Quantas células são necessárias para construir um pack de bateria de 12V e 50Ah?
Para chegar próximo a tensão nominal de 12V desejada, a configuração deverá ser a de 3S. Portanto, 3 células em série forneceriam uma tensão de 11,1 V. Lembre-se, conectar células em série aumenta sua tensão, mas não altera seus mAh. Este grupo de células 3S sozinho teria uma voltagem de 11,1V e uma capacidade de 2500mAh.
Para descobrir quantos grupos 3S precisam ser colocados em paralelo para obter 50Ah, basta dividir 50 por 2,5.
50 / 2,5 = 20P
Então, para construir um pack de bateria de 12V e 50Ah neste caso, seria preciso colocar as células em uma configuração 3S20P.
3 x 20 = 60 células de lítio-íon de 2500mAh para fazer uma bateria de 50Ah.
Verificando a tensão da célula
É de importância crítica verificar a tensão das células antes de conectá-las em paralelo. Se houver qualquer diferença de tensão entre as células que forem conectadas em paralelo, a energia será transferida da célula de tensão mais alta para a célula de tensão mais baixa o mais rápido possível. Assim, quanto maior a diferença de tensão em paralelo, maior o risco de incêndio ao conectá-las.
Idealmente recomenda-se montar um pack de bateria com as células em um mesmo nível de tensão, e de preferência com um valor abaixo do nominal da célula. Adotando essa métrica o risco de acidentes diminui grandemente.
Como escolher a tira de níquel adequada para construir um pack de bateria?
Para fazer o pack de bateria, é preciso conectar eletricamente as células 18650 juntas. Isso é mais comumente feito usando um soldador por pontos e uma tira de níquel. Evite tiras niqueladas e, em vez disso, opte por tiras de níquel puro que possuem uma resistência elétrica muito menor.
Quando o condutor elétrico usado para unir as células tem uma resistência menor, significa que a bateria terá uma menor queda de tensão. Isso leva a menos geração de calor durante o carregamento e o descarregamento, o que prolonga a vida útil da bateria e, ao mesmo tempo, garante que a bateria mantenha o desempenho ideal durante sua vida útil.
As tiras de níquel são feitas em diversos formatos e tamanhos para diferentes células e formas de construir uma bateria. Portanto, é necessário escolher o tipo certo de tira de níquel com base no projeto do pack.
Por que usar os suportes de células 18650
Além de fornecer uma estrutura fácil para construir baterias completas, o uso de suportes de célula 18650 oferece várias vantagens:
1. Espaçamento entre as células permitindo características de resfriamento muito melhores em comparação com as células que estão em contato direto umas com as outras.
2. O uso de suportes de célula torna sua bateria mais sólida. Se você não usar suportes de célula, geralmente terá que confiar apenas em fita e cola para manter a bateria unida, e é mais do que provável que não seja tão resistente quanto seria se fosse feita com suportes de célula.
3. Os suportes de célula fornecem à sua bateria um elemento de resistência à qualquer tipo de vibração durante a montagem.
Como unir as células
Coloque o primeiro grupo paralelo de células com o lado positivo para cima. Depois disso, coloque o segundo grupo paralelo com o lado negativo para cima e assim por diante. Os suportes de células terão entalhes nas laterais que permitem o seu travamento. Conecte os suportes de célula juntos para ficar no formato da bateria com a quantidade necessária de orifícios de célula. Depois disso, você pode colocar suas células.
Soldagem por ponto
Agora é hora de conectar de fato as células. Antes de soldar, é necessário preparar as tiras de níquel.
A maneira mais fácil de fazer isso é colocar a tira de níquel em cima das células paralelas. É sempre bom deixar cerca de 10 mm de tira pendurada na ponta para conectar os fios do sensor BMS. Lembre-se, tiras sólidas de níquel com uma espessura de 0,015 polegadas podem transportar cerca de 1 ampère de corrente por milímetro de largura.
Para conexões em série, basta cortar pequenas tiras de níquel para caber entre seus grupos P. O níquel que está sendo adicionado deve ser suficiente para suportar com a corrente de sua aplicação. De um modo geral, cada milímetro de largura de níquel de 0,15 mm pode transportar cerca de ¾ de um ampère.
Comece conectando o terminal negativo do primeiro grupo paralelo ao terminal positivo do segundo grupo e assim por diante. Não deve haver folga entre os eletrodos de soldagem e a tira de níquel. Além disso, certifique-se de que não haja folga entre a tira de níquel e o terminal da bateria. Ao soldar, um pequeno par de faíscas irá gerar duas pequenas marcas de solda na tira de níquel.
Se as tiras de níquel forem difíceis de remover, é provável que a solda foi bem-feita. Se você conseguir remover facilmente a tira de níquel, saberá que a solda está ruim. Se isso acontecer, pode ser necessário aumentar a corrente de soldagem.
Conectando o BMS
Depois que as células estiverem conectadas, é preciso instalar o sistema de gerenciamento de bateria (BMS). O BMS é um componente crucial do pack de bateria, responsável pelo monitoramento de carga, controle de temperatura, proteção contra curto-circuito, balanceamento das células, diagnóstico de falhas e proteção contra sobrecarga e descarga excessiva.
De um modo geral, o B- (geralmente azul) do BMS é conectado ao negativo da bateria principal. Já o P- ao negativo de descarga (preto). O positivo da bateria principal ao conector de descarga (vermelho). Pode haver um conector C- se for uma porta BMS separada e, se for esse o caso, um fio preto precisaria ser colocado de lá para a conexão de carga negativa.
Assim como a conexão de descarga, o positivo da conexão de carga é direcionado diretamente do positivo da bateria principal para o conector de carga (vermelho).
Depois disso, são conectados os fios elétricos que ligam as células da ao sistema de gerenciamento da bateria (BMS). Não existe cor padrão para eles, mas eles geralmente têm um fio vermelho ou um preto em uma extremidade para indicar a conexão mais negativa ou mais positiva.
Deve-se iniciar a partir da conexão mais negativa e conectar ao negativo principal da bateria. Movendo-se a partir daí, conectando cada condutor BMS subsequente a cada junção de grupo de células subsequente. Quando chegar à outra ponta, terá um fio sobrando. Basta conectar o fio final ao positivo da bateria principal e pronto. A maioria dos BMS requer algum tipo de ativação e isso geralmente é feito colocando-o em um carregador por 0,1 segundos.
Fechando o pack com termo retrátil
Assim que o BMS estiver conectado, é preciso com fita adesiva quaisquer fios ou conexões expostas que se possa ver. Depois disso, basta colocar a junta de isolamento (papel cevada) em todos os lados da bateria.
A próxima etapa é embrulhar o pack de bateria em um termo retrátil para ajudar a protegê-lo contra danos e também fornecer isolamento contra umidade.
Você pode encontrar o termo retrátil do tamanho certo medindo a largura e a altura do pack, somando-os e adicionando 10%. Portanto, se você precisar embrulhar um pack de bateria com 100 mm de largura e 70 mm de altura, a fórmula é a seguinte:
100mm + 70mm = 170mm
170 mm x 1,1 = 177 mm
Portanto, isso significa que, para este pack de bateria, seria preciso um tubo termo retrátil que tivesse uma largura plana o mais próximo possível de 177 mm.
Teste da bateria
Antes de usar a bateria, é importante testá-la para garantir que esteja funcionando corretamente. Isso pode ser feito utilizando equipamentos específicos que medem a capacidade e performance do pack de bateria. O mesmo deve apresentar valores próximos ao informado pelo fabricante das células da bateria.
Conclusão
Vimos que a construção de um pack de bateria é um processo complexo que envolve diversas etapas, desde a seleção das células até os testes finais de performance. É fundamental compreender detalhadamente cada etapa do processo de montagem para obter um pack de bateria confiável, eficiente e que atenda todas as necessidades do projeto inicial.
É importante salientar que este processo de montagem deve ser feito por empresas ou profissionais qualificados que atendam aos mais altos níveis de segurança e qualidade.