Spot Welder
Einer der 30-zelligen Akkus für unseren Rasenmäher ist nach nicht ganz drei Betriebsjahren defekt und ich habe mich dazu entschlossen, die drei defekten Zellen auszutauschen.
Liest man sich durch die verschiedenen Foren zum Thema “Akkupacks aus LiIon-Zellen selbst bauen” im Speziellen und Akkus im Allgemeinen, findet sich immer wieder der Hinweis, dass die Akkuzellen nicht gelötet werden dürfen, weil sie durch die hohe Temperatur, die dabei notwendigerweise in den Zellen entsteht, geschädigt werden.
Die Zellenverbinder werden also folgerichtig punktgeschweißt.
Nun hat man ja gemeinhin nur in den seltensten Fällen so ein Punktschweißgerät im Keller stehen. Die DIY-Fraktion der e-Bike Begeisterten wäre so ein seltener Fall, dazu gehöre ich aber – bisher – noch nicht. Fertig aufgebaute „Spot Welder“, so der neudeutsche Ausdruck für diese Geräte, gehen für ca. 150 Euronen über die Theke, das erscheint mir zu teuer für meine drei Rasenmäherakkuzellen, also ist wieder mal selbst bauen angesagt.
Achtung!
Die in der nachfolgenden Beschreibung aufgezeigte Schaltung arbeitet mit Netzspannung die bei Missachtung von einschlägigen
Sicherheitsmaßnahmen tödlich sein kann. Wer sich also mit dem Umgang mit Netzspannung nicht auskennt, sollte vom Nachbau absehen oder sich zumindest beim Aufbau des Teils der Schaltung, der sich unter Netzspannung befindet,
sowie bei der Inbetriebnahme von jemandem helfen lassen, der die passende Ausbildung sein Eigen nennt.
Wirft man die Suchmaschine seiner Wahl an, findet man ohne Frage sofort einige Filme in der Tube, die nahezu allesamt den nicht unerheblichen Nachteil zu eigen haben, thailändisch kommentiert zu sein. Trotzdem kann ich z.B. die Filme des Autors „SanChai“ zum Thema empfehlen, er zeigt auch ohne Verständnis der begleitenden verbalen Kommentare ausführlich genug, auf was es dabei ankommt.
Angaben, die im „nur-Bild-Modus“ nicht rüberkommen, möchte ich hier aus eigener Erfahrung beisteuern, damit es geneigte Nachbauer etwas einfacher haben :-)
Ich stütze mich auf die Version mit Mikrowellen-Trafo, wie in diesem Film gezeigt, nur steuere ich die Impulszeit nicht über Kondensatoren sondern mit einem Microcontroller und der Mikrowellentrafo wird primärseitig über ein SolidState-Relais geschaltet.
Der im Film gezeigte Draht hat einen Querschnitt von 35 mm² und muss in drei Windungen in den Trafokern gefädelt werden. Die Spannung am Ausgang des Trafos beträgt damit ca. 1,9 V, der Widerstand der Wicklung ist mit meinen Messmitteln nicht messbar (kleiner 100 mΩ).
Die drei Windungen in das Blechpaket zu überreden ist schwierig, aber machbar, wobei ich mich auf eine Trafoversion beziehe, deren Blechpaket sich nicht trennen lässt, eine saubere Schweißnaht verhindert die Anwendung der im Film gezeigten Methode zur Trennung der Paketteile zuverlässig. Bleibt also, den Draht durch die Öffnungen zu fädeln, wobei sich der Draht recht störrisch anstellt - Spaß macht das nicht...
Mit einem Meter 35er Kupferlitze lassen sich saubere Schweißpunkte setzen, wenn die Impulsdauer auf ca. 90..120 ms eingestellt ist. Der eine Meter Litze ist dabei aber vorwiegend im Trafo aufgewickelt, die verbleibenden Enden erlauben keinen Spielraum für das Punktschweißen größerer Akkus, die mechanische Reichweite ist zu gering.
Verwendet man aber zwei Meter der Kupferlitze, ist der Widerstand der Leitung bereits so hoch, dass die zu schweißenden Bleche nur noch heiß werden aber nicht zuverlässig verschweißen. Eine Erhöhung der Impulsdauer, der bei meiner Schaltung einzig änderbare Parameter, hilft nicht, die Länge des Kabels muss auf höchstens 1,2..1,4 m begrenzt bleiben.
Ein weiteres Problem ist die Herstellung der Schweißkontakte, also der Enden der Starkstromleitung, die mit dem zu schweißenden Blech in Berührung kommen. Ich habe dazu 10 mm durchmessende Kupferstangen verwendet, die ich passend abgedreht und an die Kabel angelötet habe.
Hier die Version der Spitzen für die zuerst verwendeten 10 mm² Leitungen:
Das 10er Kabel war deutlich zu dünn, der für das Punktschweißen erforderliche Strom konnte sich nicht ausbilden.
Ich habe dann testweise 16 mm² Leitungen verwendet und die passenden Kontaktspitzen hergestellt. Im Bild zum Vergleich die kleineren Spitzen für 10 mm²:
Die selben Spitzen habe ich dann auch noch für einen 25 mm² Draht verwendet, indem ich die Aufnahmebohrung auf 6 mm vergrößert habe. Aber auch dieser an sich hohe Querschnitt war zu gering, es kam zu keiner Verschweißung der Bleche.
Da die massiven Kupferspitzen beim Schweißprozess deutlich warm werden, gehe ich davon aus, dass Löten hier keine gute Option ist, die Kupferspitzen sollten an die Kabel angecripmt werden - da forsche ich noch nach der besten Methode.
Möglicherweise ist auch die nach dem Abdrehen verbleibende Restwandstärke nicht ausreichend für den hohen Strom und bedingt die fühlbare Erwärmung der Kontakte.
Ich habe also neue Kontakte gefertigt, diesmal die Außenwandung nicht blank gedreht, es steht der volle Querschnitt von 78 mm² zur Verfügung:
Diese Kontaktspitzen sind 50 mm lang, die Bohrung zur Aufnahme des Drahtes ist 25 mm tief.
Das Ende das den Draht aufnehmen muss habe ich auf der Drehbank auf 7,5 mm ausgebohrt, der 35 mm² Draht passt da saugend hinein und wird, in Ermangelung einer passenden Crimpzange, mit vier auf dem Umfang versetzten Körnermarken verpresst. Der Draht sitzt damit fest im Kontakt, Löten ist unnötig. Allerdings werden auch diese Spitzen beim Schweißen warm, offenbar geschuldet der Tatsache, dass der Querschnitt des Kupfers im Bereich des Übergangs vom Draht zur Spitze (der resultierende Zylinderring nach dem Ausbohren) nur noch 34 mm² aufweist.
Als Controller dient ein Mini-Arduino, genauer ein AtTiny85 basierter DigiSpark. Die einzige Einstellmöglichkeit, die Zeitdauer des Stromimpulses, erfolgt mit einem Spindelpoti und wird über ein OLED-Display angezeigt. Schaltbild und Layout der Steuerung im EAGLE V7 Format stelle ich dem geneigten Nachbauer zur Verfügung.
(Click auf das Bild für größere Darstellung)
Der Wert des Spindelpoti ist eher kritisch, ich habe einen 5 k-Typ verwendet. Zu hochohmig darf das Poti nicht sein, denn der Anschluss PB3 des µC dient beim DigiSpark gleichzeitig als Datenleitung für den USB-Anschluss und ist mit einer Serienschaltung von 68 Ω und einer 3,6 V Z-Diode nach Masse geklemmt. In Folge ist der Einstellbereich des Poti nicht linear, da aber die eingestellte Zeit im Display in Echtzeit angezeigt wird, ist dieser Umstand zu verschmerzen. Abhilfe könnte der geneigte Bastler schaffen, in dem auf das Programmieren per USB verzichtet wird und der Serienwiderstand oder die Z-Diode entfernt wird.
Auf die mit “DigiSpark Power” und “DigiSpark IOs” bezeichneten Stecker wird der DigiSpark Controller aufgesteckt, sinngemäß beim Stecker für das I²C OLED-Display.
Der Anschluss für das SolidState-Relais (SSR) ist als Schraubanschluss ausgeführt, hier kann natürlich genausogut die Leitung direkt angelötet werden. Auf die Polung muss beim SSR geachtet werden.
Die komplette Schaltung wird mit einem 12 V-Festspannungsnetzteil versorgt das über eine weitere zweipolige Schraubklemme angeschlossen wird. Die Betriebsspannung für das Display erzeugt der OnBoard Regler des DigiSpark.
Eine normale Niederspannungsbuchse dient als steckbarer Anschluss für den Fußtaster, für Testzwecke ist dem Anschluss ein Microtaster auf der Platine parallel geschaltet.
Das Spindelpoti dient zur Einstellung der Impulsdauer, zusätzlich werden damit die im Menü einstellbaren Parameter geändert. Nach Verlassen des Menüs muss die Impulsdauer wieder korrekt eingestellt werden. In einer eventuell folgenden Version wird auch die Impulsdauer über das Menü einstellbar gemacht, die entsprechenden Routinen sind in der Version V3.0 des Programms bereits vorgesehen.
Normalerweise benötigt eine Steuerung mit einem DigiSpark keinen zusätzlichen Blockkondensator. Im gegebenen Fall ist allerdings durch den hohen Stromimpuls des Mikrowellen-Trafos offenbar die Spannung hinter dem Spannungsregler des DigiSpark soweit eingebrochen, dass der Ansteuerimpuls für das SolidState-Relais nicht mehr ausgereicht hat, die eingestellte Impulslänge wurde somit nicht erreicht. Der auf dem Grundboard vorgesehene Blockkondensator behebt dieses Problem.
Der PullUp Widerstand am Eingang für den Taster ist mit 1,5 kΩ deutlich kleiner als normal ausgelegt. Der verwendete Anschluss am AtTiny85 dient beim DigiSpark gleichzeitig für die USB-Kopplung für den Download des Programms. Auch hier wird die Spannung der USB-Datenleitung mit einem Serienwiderstand von 68 Ω und einer Z-Diode von 3,6 V nach Masse geklemmt. Mit dem verwendeten PullUp von 1,5 kΩ erreicht der Pegel am Eingang des µC dann ca. 3,3 V, was als High-Pegel und somit als inaktiv erkannt wird. Der Taster zieht den Anschluss beim Auslösen auf Masse.
Tipp
Wenn die Programmversion V3.0 (siehe unten) oder höher verwendet wird und somit
die USB-Anschaltung ohnehin nicht mehr zum programmieren des Controllers verwendet werden kann, kann man die Z-Diode auf dem DigiSpark entfernen. Die Störfestigkeit würde dadurch gewinnen.
(Click auf das Bild für größere Darstellung)
Der Footprint der Niederspannungsbuchse ist falsch, die Anschlüsse der Buchse sind flache Blechstreifen, ich habe also die Löcher zum Schluss mit einem 1 mm Fräser zu passenden Schlitzen erweitert, die Lötpads sind groß genug.
Das Programm des Controllers steht ebenfalls zur freien Verfügung, der Code ist ausführlich kommentiert. Um das in C++ (Arduino Syntax) geschrieben Programm auf den DigiSpark zu laden, muss die Arduino-Umgebung um die DigiSpark-Libraries und Treiber erweitert werden, Anleitungen dazu findet man im Netz zuhauf, ich gehe deshalb hier nicht näher darauf ein.
Update
Ich habe die Version 2 des Steuerprogramms erstellt, hier kann über ein minimales
Menü die Anzahl von Stromimpulsen eingestellt werden.
Update
Inzwischen verwende ich den DigiSpark ohne Bootloader, die Programmierung muss
also mit einem Programmiergerät erfolgen - ich verwende den „mySmartUSB light“ und einen passenden Adapter.
Der Vorteil dieses Umstiegs ist der ca. 2 kByte größere Programmspeicher, den ich benötige um die Routinen für die Speicherung der Parameter im EEPORM einbauen zu können. Das Steuerprogramm hat jetzt die Version V3.0.
Hinweis
Damit der DigiSpark als reiner AtTiny85 programmiert werden kann, müssen die
Libraries zur Unterstützung dieser Microprozessor-Serie in die Arduino IDE eingepflegt werden. Auch diese Maßnahmen sind im Netz an verschiedenen Stellen ausführlich
beschrieben, bitte selbst nachlesen, wie das durchzuführen ist.
Bedienung
Das Menü wird durch längeren Druck auf den Taster aufgerufen. Die eingestellte
Sequenz von Schweißimpulsen wird dabei ausgelöst, also bitte darauf achten, dass die Schweißkontakte sich nicht berühren.
Da als Bedienelemente lediglich das Poti und der Taster zur Verfügung stehen, habe ich das Poti missbraucht, um im Menü die Anzahl der Impulse einzustellen.
Ist die Einstellung korrekt (die Bedienung mit dem Poti ist etwas zappelig), wird durch längeren Druck auf den Taster der Wert im EEPROM gespeichert und dann das Menü wieder verlassen.
Wurde im Menü der Wert verändert (durch Drehen am Poti), muss die gewünschte Impulslänge anschließend wieder auf den vorher gefundenen Wert eingestellt werden.
Der fertig aufgebaute Spotwelder:
Alle Einzelteile sind auf einem Holzbrett montiert.
Die Netzspannung führenden Teile der Schaltung sind zusätzlich in mehreren Lagen mit Tape abgedeckt.
Das Controller-Board ist auf Abstandhaltern oberhalb des 12V-Netzteils montiert, unterhalb des Display sitzt die Niederspannungsbuchse für den Fußtaster.
Im Display wird die eingestellte Anzahl an Impulsen, die im Programm per #define vorgegebene Spannweite für die Impulsdauer sowie die aktuell mit dem Poti eingestellte Impulsdauer angegeben.
Hinweis
Da das verwendete SSR eine Nulldurchgangsdetektion hat - der Thyristor schaltet den
Ausgang immer zum Zeitpunkt, wenn der Sinus die Nullinie passiert - sind die resultierenden Zeiten immer das nächst größere Vielfache der eingestellten Zeit in
Schritten von 10 ms. Also eingestellt 1..9 ms ergibt 10 ms Impulsdauer. Bei 12 ms Einstellung ist der Impuls 20 ms lang, usw.
Den Fußtaster habe ich nach dem Modell von Ionmakes mit dem 3D-Drucker erstellt, die Anschlussleitung endet in einem abgewinkelten Niederspannungsstecker, der sich in der Buchse drehen kann und somit keinen mechanischen Stress an der Buchse impliziert.
Nachtrag
Die ersten paar Schweißpunkte habe ich mit der gezeigten Konfiguration setzen können,
aber die Punkte waren nie 100% zuverlässig.
Der sich einstellende Schweißstrom scheint zu gering, eine Verlängerung der Impulsdauer brachte nichts außer eines heißeren Blechs.
Zum Glück meldete sich irgendwann ein Nachbauer, bei dem die identische Konstruktion einwandfrei funktioniert. Er hat allerdings anderes Kabel verwendet, nicht die kruden Versionen, die man so gemeinhin im Internet zu kaufen bekommt und die ich verwendet habe, sondern gutes Lapp Kabel in der Variante “Hochwertige Leitung für Lichtbogenschweißen”. Das Kabel ist so gekennzeichnet:
Netter Weise hat mir der Kollege dann ungefragt 2 Meter dieses Kabels angeboten, was ich gerne angenommen habe. Vielen Dank Holger!
Das Kabel ist super flexibel und die resultierenden Windungen liegen deutlich enger um den Kern als bei der ersten Version mit identischem Querschnitt. Allerdings ist das Kabel etwas dicker als meine zuerst eingesetzte Leitung, in Folge passen nur 2 statt 3 Windungen durch den Kern.
Wie eigentlich zu erwarten, hat der Umbau auf diese Leitung also auch erst mal nichts gebracht :(
Holger hat es aber irgendwie geschafft, ebenfalls 3 Windungen durch seinen Kern zu fädeln. Bei genauerer Inspektion der beiden Realisierungen stellt sich heraus, dass bei Holger keine Trennstege zwischen den beiden Wicklungskammern vorhanden sind.
Hier mein Trafo:
Hier Holgers Trafo ohne diese Stege:
Folglich habe ich diese Stege mal mit Hammer und einem feinen Meißel bearbeitet und tatsächlich rutschen die Metallplatten recht einfach aus dem Kern, machen Platz für die dritte Windung des Kabels. Man muss dabei nur aufpassen, die Primärwicklung nicht zu beschädigen, aber das ist bei entsprechender Vorsicht durchaus machbar.
Nach ein paar schweißtreibenden Minuten mit Schieben und Zerren sind die drei Windungen im Kern aufgewickelt und so dicht wie möglich an den Kern gezogen.
Zum Vergleich hier nochmal eine ähnliche Ansicht mit dem starren Kabel, ebenfalls so dicht um den Kern gewickelt wie es nur geht. Der Abstand des Drahtes zum Kern ist in der Mitte jeder Windung deutlich größer.
Achtung!
Hier noch einmal der dringende Hinweis, dass bei Arbeiten mit Netzspannung die
einschlägigen Vorschriften zu beachten sind und man sich im Zweifelsfall von jemandem helfen lässt, der die entsprechende Ausbildung hat.
Besucher seit
25.11.2000