El Yapımı Li-ion Pil Paketi

Bazı projelerde, devrelerde güç kaynağı olarak kullanılan Li-ion piller için piyasada satılan pil paketi, pil yuvaları boyutları yüzünden uygun olmayabilir bu durumda istediğiniz boyutta pil paketi hazırlamak için çeşitli malzemeler ile çalışmalar yapılabilir.

İşlenecek malzeme olarak plastik ilk sırada ama uygun boyutu uydurmak her zaman kolay olmaz benimde ara sıra kullandığım bir diğer yöntem PCB plaketi kullanmak; kesip lehimleyip istediğiniz şekilde kutular yapabilirsiniz.

Bu çalışmada 18650 Li-ion pil paketi için PCB plaket ile güzel bir tasarım yapılmış pillerin eksi kutupları için metal parçalar kesip plakete lehimlemiş artı kutuplar için lehim dolgusu yapılmış hatalı bağlantı yapılmasına önlem olarak EAGLE CAD ile hazırlanan 18650 Li-ion çizimi kutu içine yerleştirilmiş ek olarak bu çizim daha şık bir görünüm vermiş.

18650 pil şarj ve test paketi, özellikle laptop bataryalarından sökülen hücreleri düzenli şekilde denemek, şarj etmek veya kapasite testine hazırlamak için kullanılan pratik bir atölye aparatıdır.

Hazır 18650 pil yuvaları düşük akımda iş görse de temas kalitesi, yay basıncı ve kablo bağlantısı yüksek akımda sorun çıkarabilir.

Tek taraflı bakırlı pertinaks ile yapılan bu paket, hücreleri daha sağlam tutar ve seri bağlantı yollarını geniş bakır yüzeyler üzerinden oluşturur.

Buradaki yapı bir şarj devresi değildir. Akım sınırlama, hücre başına gerilim kontrolü, balanslama veya aşırı deşarj koruması yapmaz. Paket yalnızca 18650 hücreleri mekanik olarak tutar ve seri bağlantıyı düzgün şekilde dışarı almayı sağlar.

Bu yüzden kullanılacak şarj cihazı Li-ion hücrelere uygun olmalı, seri bağlantıda balans girişlerini desteklemelidir.

18650 hücrelerin temel gerilim ve kapasite özellikleri için 18650 pil nedir yazısı tamamlayıcı bilgi olarak incelenebilir.

Projenin Temel Mantığı

Pil Sepetin ana gövdesi tek tarafı bakırlı pertinakstan hazırlanır. Bakır yüzey, her hücre için ayrı temas yolu oluşturacak şekilde çizilir veya kazınır.

Altı adet 18650 hücre yan yana yerleştirildiğinde bağlantı düzeni 6S, yani altı hücre seri olacak şekildedir.

Seri bağlantıda toplam gerilim hücre sayısı kadar artar. Tam dolu bir Li-ion hücre yaklaşık 4,2 V seviyesindedir.

Altı hücre seri bağlandığında tam dolu paket gerilimi 25,2 V olur. Bu nedenle sepet basit görünse bile kısa devre riski ciddidir.

Hücreler korumasız tipteyse temas noktaları, bakır yollar ve açık uçlar daha dikkatli hazırlanmalıdır.

Kullanılacak Malzemeler

Gövde Ölçüsü ve Hücre Seçimi

İlk adımda kullanılacak hücre tipine karar verilmelidir. Korumasız standart 18650 hücreler yaklaşık 65 mm uzunluğundadır.

Korumalı 18650 hücreler daha uzun olabilir. Korumalı hücre kullanılacaksa ana plaka ölçüsünde birkaç milimetre ek pay bırakmak gerekir.

Aksi halde hücreler sıkışır, kontaklara fazla yük biner veya hücre kılıfı zarar görebilir.

Ana gövde için 1,5 mm kalınlıkta tek taraflı bakırlı pertinaks kullanmak daha uygundur.

1 mm kalınlık mekanik olarak kullanılabilir, fakat altı hücre takıldığında plaka esneyebilir.

Bu esneme kontak basıncını düşürürse bazı hücrelerde temas direnci artar.

Temas direnci yükseldiğinde özellikle şarj veya deşarj akımı altında ısınma görülebilir.

Bakır Yolların Hazırlanması

Her 18650 hücre yaklaşık 18 mm çapındadır. 120 mm genişliğinde bir plakada altı hücre için her kanal yaklaşık 20 mm genişlikte hazırlanabilir.

Bu genişlik hem hücre aralığı hem de bakır yol kesiti açısından pratik bir ölçüdür.

Bakır yollar sivri uçlu kumpas, kazıyıcı, ince kesici disk, CNC veya klasik PCB aşındırma yöntemiyle ayrılabilir. Önemli olan yollar arasında bakır köprü kalmamasıdır. Çok dar çizilmiş veya çapaklı bırakılmış bir kanal, özellikle korumasız Li-ion hücrelerde kısa devreye neden olabilir.

Kesim el testeresiyle yapılacaksa malzeme kaybı hesaba katılmalıdır. Testere yaklaşık 1 mm malzeme kaldırıyorsa başlangıç ölçüsünü biraz daha geniş almak gerekir.

Bakır yollar açıldıktan sonra her kanalın komşu kanallardan yalıtıldığını multimetrenin süreklilik kademesiyle kontrol etmek iyi bir alışkanlıktır.

Ölçüm sırasında yapılabilecek hatalar için multimetre nasıl doğru kullanılır rehberi faydalı olur.

Kontakların Hazırlanması

Eksi kutup için esnek kontak

Eksi kutuplarda yaylı veya esnek metal şeritli temas kullanılır. Esnek sacdan 8-10 mm genişlikte ve 25-30 mm uzunlukta parçalar kesilebilir.

Bu parçalar hafif bombe verecek şekilde bükülür ve hücrenin eksi kutbuna orta noktadan baskı yapacak biçimde lehimlenir.

Kontak şeridi hücrenin dış kılıfına takılmamalıdır. Li-ion hücrelerde dış kılıfın yırtılması sadece görüntü kusuru değildir; metal gövdeyle istenmeyen temas oluşursa kısa devre riski doğabilir. Bu yüzden kontak ucu keskin bırakılmamalı, hücre takılıp çıkarılırken rahat hareket etmelidir.

Artı kutup temas noktası

Artı kutup tarafında lehimle hafif yükseltilmiş temas noktaları kullanılabilir.

Daha düzgün bir temas istenirse küçük bakır veya pirinç plaka lehimlemek daha iyi sonuç verir.

Buradaki amaç, hücrenin artı kutbuna küçük ama sağlam bir temas yüzeyi sağlamaktır.

Lehimleme sırasında pertinaks fazla ısıtılmamalıdır. Uzun süre yüksek sıcaklık uygulanırsa bakır folyo yüzeyden ayrılabilir.

Bu durumda bağlantı elektriksel olarak çalışıyor görünse bile mekanik dayanım zayıflar.

Yan Plakaların Lehimlenmesi

Pil paketin yan parçaları ana gövdeye 90 derece açıyla lehimlenir. Yan parçalar hücrelerin hizalanmasını sağlar ve bağlantı uçlarına mekanik destek verir.

Arka tarafta yaklaşık 4 mm kadar plaka payı bırakmak, daha sonra krokodil veya geçici bağlantı klipsi takmayı kolaylaştırır.

Yan plaka önce birkaç noktadan tutturulur. Açısı doğruysa lehim hattı boyunca sabitlenir. Lehim taşırılırsa yan yana bakır yollar arasında köprü oluşabilir.

Bu yüzden işlemden sonra tekrar süreklilik testi yapılmalıdır. Hücreler yerine takıldığında sıkı durmalı, fakat çıkarmak için aşırı kuvvet gerektirmemelidir.

Alt Yüzey ve Bağlantı Kontrolü

Pil Sepetin alt yüzeyi, seri bağlantı yollarının ve lehimli birleşimlerin açıkça görülebildiği bölümdür.

Bu kısımda lehim köprüsü, çapak, kopuk bakır yolu veya zayıf lehim kalmamalıdır.

Alt yüzey kontrolünde yalnızca görsel inceleme yeterli değildir. Her hücre yuvasının doğru seri sırada ilerlediği, ana artı ve ana eksi uçların doğru yerde olduğu multimetreyle doğrulanmalıdır.

Balans hattı alınacaksa her hücre birleşim noktası ayrı ayrı işaretlenmelidir.

İzolasyon ve Kutup İşaretleri

Açık bakır yüzeyler oksitlenebilir ve metal bir cisimle temas ettiğinde kısa devre oluşturabilir.

Bu yüzden pil sepetin üst kısmına kutup işaretleri bulunan lamine bir kaplama uygulanması faydalıdır.

Kaplama hem bakırı korur hem de hücrelerin ters takılmasını önlemeye yardım eder.

Kutup yönleri büyük ve okunaklı olmalıdır. Seri bağlı hücrelerde bir hücrenin ters takılması şarj cihazının hataya düşmesine, hücrenin ters zorlanmasına veya bağlantı düzeninin tamamen bozulmasına neden olabilir.

Balans uçları da karışmayacak şekilde adlandırılmalıdır.

Üst Kaplamanın Yerleştirilmesi

Lamine kaplama paket üzerine ölçülerek kesilir ve katlanır.

Yardımcı çizgiler yalnızca referans olarak düşünülmelidir; son katlama, bitmiş paket üzerinde denenerek yapılmalıdır.

Eksi kutup tarafı kontakların arkasına oturmalı, artı kutup tarafında ise çıkıntılı temas noktaları için pencere bırakılmalıdır.

Çift taraflı bant ile sabitleme pratik bir yöntemdir. Kaplama hücrelerin oturmasını engellememeli ve kontakların hareketini kısıtlamamalıdır.

Çok kalın veya sert bir kaplama kullanılırsa hücreler temas noktalarına tam basmayabilir.

Hücrelerin Yerleştirilmesi

Hücreler yerleştirilirken artı ve eksi yönleri her yuva için ayrı kontrol edilmelidir.

Aynı doluluk seviyesine yakın, sağlam ve bilinen hücrelerle deneme yapmak daha güvenlidir.

Rastgele sökülmüş laptop hücrelerini doğrudan seri şarja almak doğru değildir; önce her hücrenin açık devre gerilimi, kapasitesi ve mümkünse iç direnci kontrol edilmelidir.

Hücrelerin hepsi aynı yönde gibi görünse de seri bağlantıda kutup dizilimi bakır yolların yapısına göre değişebilir.

Bu nedenle kaplama üzerindeki işaretler ile gerçek bakır bağlantıların aynı olduğundan emin olunmalıdır.

İlk kullanımda düşük akım seçilmeli ve temas noktalarının ısınıp ısınmadığı takip edilmelidir.

Şarj ve Balans Bağlantısı

Altı hücre seri bağlandığında yalnızca ana artı ve ana eksi uçlardan şarj etmek güvenli değildir.

Balanslı Li-ion şarj cihazı kullanılmalı ve her hücre birleşim noktasından balans hattı alınmalıdır.

Toplam gerilim normal görünse bile hücrelerden biri 4,2 V üzerine çıkabilir. Bu durum hücreye zarar verir ve güvenlik riski oluşturur.

Seri hücrelerde balanslamanın neden gerekli olduğunu anlamak için Li-ion LiFePO4 pil dengeleyici konusuna bakılabilir.

Kalıcı batarya paketlerinde ise yalnızca bu tip mekanik pil sepeti yeterli değildir; BMS, sigorta, izolasyon ve uygun bağlantı şeritleri ayrıca düşünülmelidir.

BMS mantığı için BMS nedir yazısı temel bir başlangıç sağlar.

Akım Taşıma ve Temas Direnci

Geniş bakır yollar, hazır plastik pil yuvalarına göre daha düşük dirençli bir bağlantı sağlayabilir.

Fakat pratikte sınırı yalnızca bakır yol belirlemez. Kontak baskısı, lehim kalitesi, kablo kesiti ve krokodil bağlantısı çoğu zaman daha kritik hale gelir.

10 A civarında akım denemesi yapılacaksa ilk test uzun süreli olmamalıdır. Önce düşük akımda bağlantılar kontrol edilmeli, ardından akım kademeli artırılmalıdır.

Birkaç dakika sonra yaylı kontaklar, artı kutup temasları, lehimli bölgeler ve bağlantı kabloları ısınma açısından kontrol edilmelidir.

Kapasite testi yapılacaksa pil sepeti yalnızca hücreleri tutar. Akım kontrolü, gerilim takibi ve kapasite hesabı ayrı bir test devresi veya elektronik yük ile yapılmalıdır.

Örnek bir ölçüm yaklaşımı için Li-ion ve Li-pol pil kapasite ölçer projesi incelenebilir.

Yaylı Kontaklı Güncellenmiş Sürüm

Metal şerit kontak yerine yay kullanmak temas güvenilirliğini artırabilir. Yaylar hücre boyundaki küçük farkları daha iyi telafi eder ve hücrenin kutbuna sürekli baskı uygular.

Ancak yay kuvveti arttıkça sepet köşelerine binen mekanik yük de artar. Bu yüzden yaylı versiyonda köşe güçlendirmesi yapmak gerekir.

Yaylar daha büyük bir yaydan kesilerek hazırlanabilir. Kesilen uçların düzleştirilmesi önemlidir; sivri veya çapaklı uç hücre kılıfına zarar verebilir.

Yayın hücreye temas eden yüzeyi mümkün olduğunca düz olmalıdır. Köşe takviyeleri, yayların oluşturduğu yüksek baskının lehimli yan parçaları zorlamasını azaltır.

Kurulum Sonrası Test Sırası

• Bakır yollar arasında kısa devre olmadığını multimetreyle kontrol et.
• Ana artı, ana eksi ve balans noktalarını hücre takmadan önce işaretle.
• Her hücre yuvasında artı ve eksi yönünün kaplama ile uyumlu olduğunu doğrula.
• İlk denemede sağlam, benzer dolulukta ve bilinen hücreler kullan.
• Şarj cihazını düşük akımla başlat ve temas noktalarını ısınma açısından kontrol et.
• Balans kablosu kullanılacaksa her hücre gerilimini ayrı ayrı ölçerek doğrula.

Sık Yapılan Hatalar

• Bakır yollar arasında çok dar kanal bırakmak kısa devre riskini artırır.
• Hücre kılıfına takılan keskin kontaklar zamanla izolasyonu yırtabilir.
• Balans bağlantısı olmadan seri Li-ion şarjı yapmak hücrelerden birini aşırı şarja götürebilir.
• Yetersiz kontak basıncı ölçüm hatasına ve ısınmaya neden olur.
• Doğrudan yüksek akımla denemeye başlamak zayıf lehimleri ve kötü kontakları tehlikeli hale getirebilir.

Özet

Ne Zaman Tercih Edilir?

Bu pil sepeti, çok sayıda 18650 hücreyi düzenli olarak ölçen veya ayıran kişiler için kullanışlıdır.

Hücreleri sürekli lehimleyip sökmek yerine aynı düzende hızlıca takıp çıkarmak mümkün olur.

Laptop bataryasından çıkan hücreleri kapasiteye göre sınıflandırmak, geçici 6S deneme paketi oluşturmak veya balanslı şarj cihazına düzenli bağlantı yapmak için pratik bir çözümdür.

Kalıcı batarya paketi yapmak için bu yapı son bağlantı yöntemi olarak düşünülmemelidir. Kalıcı paketlerde hücreler uygun nikel şeritlerle ve nokta kaynak yöntemiyle bağlanmalıdır.

Bu konuda 18650 pil puntalama cihazı gibi projeler daha doğru bağlantı tekniğini gösterir. Sepet, doğru kullanıldığında test ve bakım aşamasını hızlandıran sağlam bir yardımcı aparata dönüşür.

Kaynak: mdiy.pl/kosz-do-ladowania-ogniw-typu-18650

18650 Li-ion pil tutucu Eagle Cad çizimi;