Liitiumioon akud droonidele

Liitiumioon akude kokku panemine on ohtlik tegevus kuid see võimaldab teha akusid mis on palju odavamad kui liitiumpolümeer akud olles tavaliselt ka suurema energiamahuga kui sama rasked liitiumpolümeer akud. Näiteks kasutades ~4000-5000 mah mahuga akuelemente peaks ühe akuelemendi hind olema ~8 eurot et olla sama kallis kui sama mahuga valmis liitiumpolümeer akul. Tavaliselt müüakse selle mahuga liitiumioon akuelemente ~3-5 euroga. Madalama voolutarbimise ja massiliselt ostes piisaks akudest mille elemendid maksaks 1 euro ümber mis teeb need isetehtud akud ~2-8 korda odavamaks kui sama mahukad tavalised drooniakud. Lisaks drooniakudele teevad mõned neid ka selleks et saada oma elektrisõidukitele võimsam aku kombineerides suurema mahuga või väiksema takistusega elemente.

Alustuseks hoiatused ohtudest tervisele. Akuelementide kokku tinutamisel on oht et lohakusest tekkiv lühis või ülekuumenemine võib alustada intensiivset põlengut ja suitsu eritumist. Nii tavaliste liitiumpolümeer kui liitiumioon akude puhul on lisaks tuleohule toksilisuse oht. Põledes toodavad nad mürgist suitsu milles on vingugaasi, mürgiseid metalliosakesi (sh koobalt) ja vesinikfluoriid. Vesinikfluoriidi tekib põledes ~20-200 mg/Wh kohta (5000mah akuelement sisaldab ~18 Wh). Lahustudes vees (näiteks hingamisteedes) tekitab see toksilist ja söövitavat vesinikfluoriidhapet mille surmav doos on ~5 mg/kg kehamassi kohta. Ideaalis võiks liitiumakusid laadida ja hoiustada tulekindlas kohas eemal elusolenditest. Kokku keevitamisel või tinutamisel sõltuvad riskid meetoditest ja peaks tõsisemalt mõtlema ega seda ei tehta kohas kus see võib naabreid ära mürgita. Vingugaas on üks tavalisemaid gaase mis selliste akude põlemisel tekib. Uuringus põletati eri keemiat kasutavaid liitiumakusid ja vingugaasi tekkis kuni ~150-200 liitrit kWh energiamahu kohta mis teeks ~2-3 liitrit vingugaasi 18 Wh aku kohta. Tavaliselt kasutavad 18650 ja 21700 liitiumioon akud artiklites NMC‘ga tähistatud koostist (liitium nikkel mangaan koobalt oksiidid) mis võimaldab mahutada rohkem energiat ning seda rutem kasutada. Droonidele sobilikud liitiumioon akud on väga tõenäoliselt NMC koostisega. Täiendavalt tekkis põledes ammoniaaki (~5-15 liitrit 1 kWh aku põlemisel), formaliini ning pisikeses koguses vesiniktsüaniidi (~0,1 liitrit 1 kWh energiamahu kohta). Gaaside teket mõjutas palju kui täis need olid laetud kuid eri gaasidel ja aku koostistega varieerus palju kas mürke tekkis rohkem 0%, 25%, 50% või 100% laenguga süttimisel. Seejuures eri tootjate NMC akud tootsid väga erineva koostisega suitsu.

Üldinfot liitumakudest

Tüüpiliselt on drooniakude ja elektrisõidukite tegemisel kasutatud tavalisi taaslaetavaid silindrikujulisi 18650 (silindri diameeter 18 mm ja pikkus 65 mm) või 21700 (diameeter 21 mm ja pikkus 70 mm) suuruses akuelemente. Üldiselt on odavam kui osta suurem 21700 aku kuna hind võib 21700 elementidel olla ligikaudu sama mis 18650 akudel kuid energia sisaldus (ja ruumala) on neil ~50% suurem. Terminoloogia osas nii palju et kui neid silindrikujulisi akusid kasutada üksikult siis neid nimetatakse akudeks kuid kui neid kombineerida mitmest sellisest alaakust koosnevaks suuremaks akuks siis nimetatakse neid akuelementideks või elementideks. Kui ühendada mitu elementi paralleelselt (üks elektrood ühendab mitme elemendi positiivsed otsad ja teine suur elektrood negatiivsed otsad) siis funktsioneerib see elementide grupp ühe elemendina milles on ühtlased voldid ning energiamahud kokku liidetud. Mõnikord nimetatakse sellist paralleelselt ühendatud gruppi elemendiks kuid ka siis võidakse kasutada sõna “akuelement” üksiku silindrikujulise elemendi kohta. Paralleelsel ühendamisel peab kindlasti kasutama sama laengu juurde laetud elemente sest kui üks on teistest tühjem siis teised laevad selle järsult oma laengu juurde ning see laadimise vool võib tekitada ohtlikku ülekuumenemist või kahjustusi.

Kui elemente ühendada seerias siis aku kirjelduses tähistatakse neid “S” ees oleva numbriga ning paralleelsete ühenduste arvu “P” ees oleva numbriga. 6S3P tähendaks et 6 elementi seerias (täislaetult 4,2×6=25,2 V) ja 3P tähistab kolme paralleelselt kokku ühendatud elementi.

Odavuse tõttu kasutatakse neid ka sõjatsoonis kus hindasid proovitakse võimalikult madalal hoida.

Üks näidetest kus selliseid odavaid isetehtud akusid näeb on Doves of Freedom kanal mis keskendub rohkem militaristlike droonide juhistele. Pildil parempoolsel akul paistab läbi plastikatte 3 paralleelselt ühendatud elementi ja drooni all olevatel paistab neli paralleelset elementi. Need akud ei pea töötama intensiivselt mida näeb nende ja drooni küljes olevast XT60 otsikust. XT60 otsik kannatab püsivalt 30 amprit ning lühemat aega 60 amprit. 3115 mootorite (Ukraina FPV droonides üks tavaliseimaid mootoreid) vahel jagatuna teeks 30 amprit ~7-8 A millest igaüks suudaks seejuures tõsta ~1 kg. Kokku ~4 kg kandejõudu oleks piisav et kanda ~1 kg pommi, ~0,5 kg drooni ja ~1,7 kg 6S4P akut (21700 elemendid on ~70g).

Elektritakistuse ohud

Kui on plaanis kasutada palju voolu siis tasuks kontrollida elementide sisemist takistust et teaks kui ruttu need soojeneks. Seda nii elementide kui nende ühenduste voolutaluvuse hindamiseks. Kuumenemist vattides leiab valemiga I²xR (vool amprites ruudus korrutatult takistusega oomides). Näiteks kui vool on 100 amprit (100² =10 000) ja takistus in 1 oom siis selle 1 oomise takistusega asi saab 10 000 W kütet mis ajaks väikese aku ruttu põlema. Kui takistus oleks 1 millioom siis kaasneks 100 A vooluga 10 W soojenemist. Suurematel akudel võib takistus olla alla 1 millioomi kuid need on veel liiga rasked et lendavates droonides kasutada. Muidu suured ja ohutumad liitiumraudfosfaat akud sisaldavad väga palju energiat, on palju odamad ning nende takistus võib olla alla poole millioomi. Samas raskuse tõttu kasutatakse neid ratastega sõidukites või et elektrikatkestuse ajal kodu elektriga varustada.

Tavaliselt on ka madalaima takistusega 18650 ja 21700 akud vähemalt paari millioomise takistusega mis kütaks neid sellise kõrge vooluga 10 W iga millioomi kohta. Ka tüüpilised drooni liitiumpolümeer akud on tavaliselt vähemalt paar millioomise takistusega iga elemendi kohta ning see takistus võib kasutamisega kasvada üle 20 millioomi mis teeb vanad kulunud akud sama koormuse juures järjest tulisemaks.

Voolu tõstmine tõstab kütet eksponentsiaalselt ja kui on vaja palju voolu siis kusagilt maalt on parem hajutada koormus erinevate paralleelsete akuseeriate vahel. Kui miski vajab 100A ja on 2 paralleelset akuseeriat siis kumbki seeria peaks sellest poole vähem (50 A) läbi ajama ning küte oleks 50² x 0,001=2,5 W akuelemendi 1 millioomise takistuse kohta ning nelja paralleelse akuga 0,625 W iga akuelemendi iga 1 millioomise takistuse kohta. Lisaks langetab paralleelsete akuelementide kasutamine aku takistust proportsionaalselt paralleelsete ühenduste arvuga eeldusel et kõigil akuelementidel on sama takistus (4 paralleelset akuseeriat on kokku 4 korda väiksema takistusega kui samadest elementidest koosnev üksik akuseeria). Aku kogutakistuse saab kui liita seerias elementide takistused ja jagada need paralleelsete ühenduste arvuga. Väiksem takistus ja kuumenemine tähendavad ka seda et vähem aku energiast läheb raisku aku kütmisele.

Kui see lisaraskus paralleelselt ühendatud elementidest pole probleemiks siis lisaboonusena saab akule kordades rohkem energiat kaasa anda ja teiseks ei lange madalama vooluga tühjenevate elementide voldid nii ruttu mistõttu saab neist rohkem energiat välja. Kõigil vooluallikatel langevad voldid koheselt kui voolu tarbida kuni tarbimine lõpetada misjärel võivad voldid hetkega tagasi üles hüpata. Mida rohkem voolu tarbida ja mida kõrgem on takistus seda suurem on see kohene voltide langus.

Lipikuta akuelemendid (tabless cell)

Kuni ~2020 toodeti 18650 ja 21700 akusid kus takistus oli mitmekümne kuni mitmesaja millioomine mis põhjustaks intensiivselt voolu kasutades ohtlikku ülekuumenemist ning suurt voltide langust kuid uue aastakümne alguses hakati tootma uut moodi disainitud liitiumakusid kus takistus on lähedal droonide liitiumpolümeer akude elementidele. See uus akutüüp on nimetusega “tabless cell” millel ei paistnud kirjutamisel Eestikeelset vastet ja ajutiselt nimetan neid siis lipikuta elementideks.

Võib-olla tuleb kasuks kui natukenegi teada kuidas neid tehakse.

18650 ja 21700 akude sees on alumiiniumfooliumist positiivsed ja vasefooliumist negatiivsed elektroodid kaetud musta elektrolüüdimaterjaliga ning rullitud kokku silindri kujuliseks. Varem ühendusid need fooliumist elektroodid aku väliskesta külge läbi ühe pisikese lipikulaadse ühendusega (tab) kuid see ajab nende takistuse kõrgeks piirates sellega voolu ja põhjustades ülekuumenemist väiksema vooluga. ~2021 paiku tulid müüki nn lipikuta tabless akud kus elektroodfooliumi peaaegu kogu serv pandi tööle ühendusena aku väliskestaga. Laseriga või mehhaaniliselt lõigati elektroodi fooliumisse “lipukesed” et seda saaks paremini voltida ja need keevitati aku välispinna vastu. Sellega tekitatakse palju paralleelseid ühendusteid voolu jaoks mis vähendas elektritakistust ning tänu väiksemale takistusele võimaldab akul saata rohkem voolu väiksema kuumenemisega.

Pildil on näha kuidas need fooliumist ühendused üksteise peale volditakse. Elektroodilindi otsa juures lõigatakse need maha (sinise ovaaliga tähistatud osa). Esialgu hakkas selliseid akusid pakkuma Tesla mis nimetas neid fooliumist elektroode lippudeks. See piltide allikana kasutatud artikkel keskendus põhiliselt hinnavahele ning tootmisprotessi kirjeldamisele. Lipikuta akude sisu tootmine on kiirem ja ~10-25% odavam vaatamata lisasammudele nagu nende lipukeste lõikamine ning voltimine. Tõenäoliselt saavad sellised akud järjest tavalisemaks või isegi normiks kuid esialgsed hinnad vabrikute omanikele on suured. Artiklis tähelepanu all olnud 168 miljonine akuvabrik kulutas masinate peale üle 100 miljoni euro.

Nii vanade kui uuemate akude sisu tootmisel kaetakse alumiiniumi või vasefooliumile elektrolüüdi pasta mis suunatakse kuivatamiseks läbi ~100 meetriste ~2 megavatise elektrikuluga ahjude (katoodi ja anoodi jaoks on eraldi ahjud). Energia ja masinakulu on ~1,7 eur 1 kWh jagu energiat mahutavate akude kohta mis teeb umbes 3 senti 5000 mAh liitiumioon akuelemendi kohta. Kuigi nende lipukeste lõikamine on täiendav lisasamm lõikavad laserid ja masinad neid kiiresti ning erinevalt vanematest akudest ei pea elektrolüüdipastat lisav masin tegema pausi elektrolüüdipasta lisamisel et oleks puhast fooliumit millele lipikut keevitada. Ülemisel pildil on need puhtaks jäetud fooliumi osad tähistatud oranzilt. Uuemate akudega saab elektrolüüti lisav masin ühtlases ja kiiremas tempos töödata jättes puhtaks servakohad mis peaks pärast aku pinnaga ühendama. See paus puhta fooliumi jätmiseks on suurem ajakulu kui servade lõikumine mis teeb lipikuta akude elektroodide tootmise ~60% kiiremaks (minutis 60 meetri asemel 100 meetrit). 100 meetrit minutis teeb ~52000km aastas (60 meetriga minutis toodetakse aastas ~31 000 km jagu elektroodilinte). Seejuures algne riba mis toodetakse on lai ning sellest lõigatakse paralleelselt peenemad ribad millest ~1 meetri jagu läheb 21700 akuelemendi täitmiseks.

Ühed suuremad selliste akude tootjad on Molicel, Tesla, Samsung, EVE, TenPower, Reliance ja Ampace.

Ühed suuremad pikkade videode tegijad on CoolWatts ja DIY500AMP. CoolWatts kanali autor on valmis rohkem akude probleeme välja tooma (näiteks kuidas mahuga valetatakse, millised tühjenevad spontaanselt ning mis on defektsed). Ta migreerus Ukrainasse ja on tegutsenud akude hankimisega Ukraina sõjaväele. Lisaks paneb CoolWatts tavaliselt video kirjeldusse lingi kus kohast ta need täpsemalt ostis et vaataja teaks mis müüjalt mis kvaliteediga/võimekusega toodet oodata.

Kuigi Molicel ja Samsung toodavad hea ja kindla kvaliteediga akusid võivad ka nemad oma energiamahtude kirjeldamisel lubada rohkem mahtu kui neis on ning nende takistused võivad olla suuremad kui vähem kindla kvaliteediga Ampace akudel. Viimaste puhul on risk et need tühjenevad aeglaselt isegi kui neid kuhugi seadmesse või akusse ei panda (self-discharge). Üks tavaline omadus nende maksimaalse voolutaluvuse jaoks disainitud akuelementide juures on see et neis pole kaitsmeid mis lülitaks aku automaatselt välja kui see läheb liiga kuumaks. See kaitsemehhanismide puudus aitab vähendada elektritakistust ning hinda kuid kasutajad peavad ise hoolsad olema et need akud ei sattuks olukorda kus need võivad üle kuumeneda.

Ühendusviisid

Sõltumata konkreetsest ühendusviisist oleks soovitatav akuelemendid enne ühendamist peaaegu tühjaks lasta ~3 voldi lähedale et kui midagi juhtub siis pole selles eriti energiat et hoogsalt põleda või üldse süttidagi. Elemendid peaks olema samade voltidega.

Kui aku ei pea pakkuma palju voolu ning seisavad kasutamisel ühe kohal peal (näiteks kui kasutada mingi seadme või muu aku laadimiseks) siis on võimalik panna kokku mõni tinutamist mittevajav akupank. 3D printimise lehtedel on erinevaid “weldless battery pack” akuhoidjaid kus akud ühendatakse omavahel metallribade või juhtmetega mis surutakse kruvide või vedrudega aku vastu. Sellised ühendused on nõrga kontaktiga ja võivad drooni lennu ajal vibratsioonide või manöövrite ajal lahti tulla kuid need on lollikindlamad ja teevad defektsete elementide vahetamise lihtsamaks.

Tinutamine on asi mida ei soovitata kuid mida mõnikord proovitakse kui pole kallimaid seadmeid. Tinutades on oht patareid kahjustada mis võib vähendada selle töövõimet või äärmisel juhul põhjustada tulekahju. Akudel on tavaliselt hoiatused et mitte lasta soojeneda üle 60 C või 70 C ning mitte kunagi üle 80 C. Tinutustina sulab tavaliselt ~150 C juures ja tinutusraud võib olla sadu kraade soojem. Et kontaktiaega minimaliseerida soovitatakse tinutusraud maksimaalselt kuumaks ajada et see aku pinna võimalikult ruttu ~150 C juurde kütaks ning sulatinaga ühineks vähendades kiirustamisega soojusenergiat mida aku kokkuvõttes saaks.

Alternatiivina juhtmetele saab tinutamisel kasutada tinaga kaetud punutud vaseribasid (tinned braided copper) mis on pehmemad, paindlikumad ja ei turrita pärast aku peal nii palju välja kui juhtmed. Võib kasutada ka lihtsalt punutud vaske kuid tinaga varianti on kergem tinutada sest esialgu tõmbab punutud vask sulatina endasse mistõttu kasutatakse väiksemaid punutud vase linte et üleliigset tina eemaldada. Ka juhtmete tinutamisel arvestada et kui vasktraadikesed on tinaga katmata siis tõmbab juhe sulatina endasse. Kui aku pinnale on eelnevalt tina lisatud siis kontakt puhta tulise vasega imab selle tina ära. Lisaks tinutamisega aitamisele pakub eelnevalt lisatud tina kaitset rooste eest.

Sobiva vase jämeduse valimisel võib aidata see kalkulaator et leida kui suur peaks vaseriba olema et ei soojeneks rohkem kui ette antud (vastused on eraldi õhule avatud ja kinni kaetud ribade jaoks). See programm tehti küll PCB disaini jaoks kuid see võib sobida ka akude jaoks.

Ühenduste valikul arvestada ka seda et isegi kui nende takistus on väiksem kui akuelemendil on nende mass pisike ning nende kütmiseks piisab palju väiksemast energia kogusest kui aku elemendi kütmisel. Põhiline viis kuidas need oma kuumusest vabanevad on läbi nende vastas olevate akuelementide mis aitavad neil jahtuda kuid mis ise soojenevad sellevõrra rutem.

Punktkeevitamine

Punktkeevitamine on üks võimalus mis on korrektsem ja turvalisem kuid samas kulukam meetod. Sellega on tuleoht väiksem sest kuumus on kontsentreeritud keevituskohtadesse ning ei ole pikka kuumutamist mis ajaks aku liiga kuumaks. Odavamad ühendused on nikliga kaetud teras mis talub tavaliselt ainult mõned amprid ilma et liigselt kuumeneks. 1 mm² ristlõike kohta talub see ohutumalt ~5 A. Puhas nikkel taluks 1 mm² kohta ~10 A ning vask ~15-20 A ruutmillimeetri kohta kuid terasribade hind on kordades madalam kui puhtal niklil ja vasel. Nikli ribad on natuke odavamad kui vase ribad kuid vase keevitamine vajab kulukamat punktkeevitajat.

Terasribasid ja nikliribasid on võimalik keevitada paarikümne euroste seadmetega kuid 0,2 mm paksused või paksemad vaseribad vajavad keevitajaid mille hinnad algavad ~200 euro juurest. Sealt edasi kasvavad hinnad peaaegu eksponentsiaalselt iga täiendava 0,1 mm vaseriba paksuse kohta mida need suudavad keevitada. Seetõttu on levinud meetod keevitada odavama seadmega mitu õhukesemat kihti järjest üksteise peale.

Punktkeevitus on rohkem oskustöö kuna on vaja keevitaja eri sätete läbiproovimisi ja eri tugevusega surumist kuni leiab mingi jõu millega elektroode metalli vastu suruda. Liiga vähe energiat ja metallitükid ei jää hästi kokku kuid liiga palju võimsust või vale keevituse kestus ja keevitus ei jää kinni sest metallriba elektroodi all kees kuumusest minema ning jääb lihtsalt auk metalliribasse. Sealjuures oma lihasmäluga peab mäletama kui tugevalt peab õigete sätetega elektroode suruma et asjad kokku jääks. Kallimad keevitusmasinad, mida vabrikutes kasutatakse, suruvad ise kindla survega metalli vastu kuid alla 1000 eurose eelarvega peab käsitsi surudes leidma selle hea kesktee.

Üks lihtsam moodus kuidas saab keevitada paksemaid ribasid on nn “copper-nickel sandwich” meetodit kus punktkeevitaja jaoks natuke liiga paksule vaseribale pannakse peale kõrgema elektritakistusega nikliga terase või roostevaba terase riba ja keevitatakse läbi selle. Tööpõhimõte on selles et vool millega ei saa vaske piisavalt sulatada sunnitakse läbi elektroodide vastas oleva teraskihi mis ajab need kohad nii kuumaks et sulab nii teras, selle all olev vask ja sulanud vase all olev aku pind. Selle meetodi jaoks soovitatakse tavaliselt 0,1 mm terasribasid ning isiklikul testimisel tundus see palju efektiivsem kui 0,2 mm paksuse terase kasutamine.

Selles videos on mõned näited kui palju võib odava keevitajaga vaske keevitada kui teha seda läbi õhukeste terasribade. Selle keevitaja (Awithz UF20B) müügikuulutused väidavad et see suudab keevitada kuni 0,15 mm vaseribasid kuid läbi terase sai 0,2mm vaseribad tugevalt kinni. Täiendavalt räbusti kasutamisega sai ka 0,3 mm vaseribasid kinni keevitada.

Sellise “võileiva” tegemisel suudavad isegi ~30 eurosed keevitajad vaske tugevalt keevitada. FS01 punktkeevitaja kirjeldustes väidetakse et see keevitab kuni 0,3mm nikliga kaetud terast kuid sellega sain ka 0,1 mm vaseribasid keevitada kui 0,1 mm teras peale panna. Ühendus oli nii tugev et vask rebenes tõmbamisel katki aga keevituskohast lahti ei tulnud. 0,2 mm vase puhul ei jäänud vask üldse külge ja aku kallutades kukkus see riba pealt ära. Kui ostagi selles hinnaklassis siis FS01 keevitajat siiski ei soovitaks. 4 tunnisest laadimisest ei piisa et seda kasutada ning peab praktiliselt ööseks laadima jätma. Täis akuga suudab see ~200 korda keevitada kuid kui see paar kuud seisab siis on aku jälle tühi ning vajab pikka laadimist. Selles pole jahutavat ventilaatorit ja iga kasutamiskord soojendab seda ~1-2 kraadi. Kui see saavutab 50 C siis see ei lase keevitada ning minutiga jahtub piisavalt ~2 kasutamiskorra jaoks. Lisaks ei paista võimalust keevitaja otsikuid eraldi juurde osta nii et kui need läbi kuluvad ja ei oska mingit uut otsikut improviseerida siis oleks uut keevitajat vaja.

Punktkeevitamisel (ja tinutamisel) vältida positiivse otsa keevitamisel servades oleva kile kohal tinutamist sest selle kile all on juba negatiivne elektrood mis katab peaaegu kogu aku pinda. Kui see kile ära sulab siis võib metallitükk aku lühisesse ajada. Vaseriba hoidmisel keevitamise ajal võib see mitme cm kaugusel hetkega valusalt tuliseks minna ning paar millimeetrit tinutuskohast võib olla piisavalt kuumust et see kile ära sulatada. Selle vältimiseks kleebitakse positiivse otsa külge paberist rõngad mis kaitsevad neid kuumuse ja lühise eest kui sellele vaatamata olla ettevaatlik kuna keevitaja tekitab piisavalt kuumust et metall millisekunditega sulatada/aurustada ja see õhuke papirõngas ei pruugi sulametalli kuumusele vastu pidada.

Kasutades AWithz UF20B keevitajat ei olnud mul keevitaja ülekuumenemisega probleeme kuid suurema võimsusega on ilmsem et ennast peab rohkem kaitsma. Kui kindaid ei kasuta siis on oht käsi kõrvetada. Mõistlikum oleks mingeid silmi kaitsvaid prille kasutada. Need sädemed mida see keevitaja tekitas olid palju valusamad kuid FS01 tekitatud. Korduvalt tundus nagu oleks sulametalli pihustiga pihta saanud. Ühel korral käsi jõnksatas valust ja lasi keevitaja otstest lahti. Keevitaja otsik oli momendid pärast keevitamist nii kuumad et see läks korraks naha vastu ja tekitas paari cm pikkuse põletushaava. Maksimumi lähedasel keevitamisel oli kuumus nii tugev et ~2 cm² vaseriba värv muutus silmapilkselt sinakashallikamaks mis viitab et see soojenes ~300 C juurde. Kui see keevitus oleks olnud positiivse otsa peal ja paberrõngaid poleks kasutanud siis oleks see liitiumakusid katva polüvinüülkloriidi ära sulatanud. Ja selline punktkeevitaja on näide nõrgemat sorti punktkeevitajast.

Ka punktkeevitamise kasutamisel võib tinutusrauda vaja minna et ühendada juhtmed saadud aku positiivse ja negatiivse otsa küljes olevate metalliribade külge. Enne keevitamist võiks juhtmed külge tinutada et säästa akusid kuumusest. “Balance lead” juhtmeid tinutatakse tavaliselt pärast külge ja soovitavalt mitte akuelemendi peal asuvale riba osale vaid akuelementide vahel “õhus” oleva riba osa vastu.

Elementide ühendamisel on ka võimalus tinutada jäme juhtmejupp lühikese metalliriba külge ning see metalliriba aku külge keevitada. Siis jääb vool enamuse akuelementide vahelisest teekonnast juhtmele ning need aitavad eemaldada ribajuppides tekkivat kuumust.

Vajalik akuelementide ühtlaseks laadimiseks ning jälgimiseks

Kui akud on seerias koos siis ühtlasemaks laadimiseks tuleks lisada midagi mis hoiaks akuelementide laengut ühtlaselt. Muidu on risk et kuna kõik elemendid ei täitu ega tühjene sama kiirusega siis võivad need korduvate laadimiste ning tühjendustega kahjulikult väga nihkesse minna. Näiteks olukord kui on 2S aku kus täis laetuna peaks olema 2×4.2 V ehk 8.4 volti aga üks elementidest on voldi jagu madalam. Kui laadija lihtsalt proovib laadida kuni selle aku positiivse ja negatiivse juhtme vahel on 8.4 volti võib tekkida olukord kus üks elementidest on juba 4.2 volti ja ei tohiks rohkem laengut saada kuid teine on alles 3.2 volti ja laadija vaatepunktist on vaja veel voldi jagu pinget tõsta. See võib halvemal juhul viia tulekahjuni.

Selle vältimiseks kasutatakse mitme elementidega drooniakudes tasakaalustavaid juhtmeid (balance leads) kus juhtmete arv on 1 võrra suurem akuelementide arvust. Tüüpiliselt on need kuni 8 elemendiste akude jaoks. Punane juhe ühendatakse aku positiivses otsas oleva elemendi positiivse otsa külge. Punasele lähim must juhe läheb sama elemendi negatiivse otsa külge. Järgmine must juhe läheb järgmise elemendi negatiivse otsa külge jne kuni viimase elemendi negatiivse otsa külge saab viimase musta juhtme. Sellise ühendamisega saavad laadijad kõiki elemente individuaalselt jälgida ning vajadusel individuaalset üksikut elementi laadida või tühjendada. Pistikutüüp on tavaliselt JST-XH. Need juhtmed on ~0.5-2 eurosed kuid vajavad kasutamiseks laadijat millel oleks JST-XH pistik nende jaoks.

Teine variant on BMS (battery management system) mis on kulukam kuid võimekam lahendus olles sisuliselt väike arvuti aku küljes mis suudab tasakaalustatult laadida kuni kümneid elemente, kontrollib temperatuuri, lülitab aku välja lühise korral või alapinge korral, laeb akut energia saamisel, katkestab laadimise aku täitumisel ja võimaldab akut eemalt jälgida/kontrollida läbi juhtme või bluetooth ühenduse. Läbi bluetooth (või mõnel juhul ka läbi wifi) ühenduse saab kasutaja aku välja lülitada et see valel ajal ei töötaks. Parooliga saab piirata seda kes saab akut kontrollida. Tavaliselt on pistik ekraani lisamiseks et aku näitusid näha. Kõrget voolu lubavad variandid võivad olla ~100-200 eurosed. Lisaks on need palju suuremad ja raskemad mis teeb nad lendavates seadmetes koormavamaks. Kuna Bluetooth või Wifi antenn ja akude pidev valvamine BMS poolt võtavad elektrit on oht et kui BMS’ga aku mitmeks kuuks hoiule panna siis võib see liitiumakudele kahjulikult tühjaks minna.

Üks näitlik pilt BMS’iga akust ja äpist. Tavaline on et lisaks iga akuelemendi voltidele ja takistusele saab jälgida voolutarbimist, volte, jäänud energiahulka ning eeldatavat tühjenemisaega arvestades hetkel olevat voolu tarbimist. Lisariskina on võimalik et need Hiina BMS äpid sisaldavad ka soovimatuid asju mis koguvad salaja infot mida nad ei tohiks koguda ja edastavad seda kuhu ei tohiks.

BMS võivad kasutada sama 2 juhet laadimise ja voolutarbija jaoks (single port või common port) kuid on ka variante kus laadija ja voolutarbija on läbi eraldi juhtmete (separate port või split port). Split port puhul on risk et voolutarbija ühendamisel BMS laadimiseks mõeldud juthmetega võib midagi kahjustada ning laadimise vool on tavaliselt rohkem piiratud.

Kõrgema voolutaluvusega BMS’id on suhteliselt kallid kuid on võimalik kasutada mitut BMS paralleelselt et saaks varustada suuremaid voolutarbijaid kui üks BMS suudaks töös hoida. Üle 200 ampri taluvad BMS’id on maksimumi lähedal mida odavamalt müüakse kuid võimsad droonid võivad kasutada mootoreid millest igaüks vajaks 200 amprit.

Odavuse jaoks on võimalus kasutada BMS’i ainult laadimiseks. Aku positiivse ja negatiivse otsa külge saab tinutada 2 eraldi juhtmepaari millest üks oleks puhtalt laadimiseks läbi odava BMS’i ning teine juhtmepaar (mis on kõrge voolutarbimisega seadme jaoks) ei kasutaks üldse BMS’i. Sellisel juhul ei saa küll jälgida voolu tarbimist kuid Bluetooth võib näidata aku laengut ning saab neid vajadusel ühtlustada. Selliste erinevate juhtmepaaride kasutamisel võib laadija jaoks eraldi otsikut kasutada et need ei läheks sassi.

Tüüpiliselt tehakse BMS’e kuni 26 elemendiste akude (kuni ~109 volti) jaoks kuid kõige võimsamad elektrimootorid võivad kasutada kuni sadu volte. Kui on plaanis inimese raskusega koormaid kanda siis on sellised ohtlikult kõrged voldid vajalikud. 26s akud ise võivad juba olla surmavad (~50 volti on miinimum mis võib anda ohtlikke elektrilööke) kuid võimsamad mootorid võivad vajada veel kordades rohkem volte. Droonidele, elektriautode ja elektrilistele lennukitele tehtud elektrimootorite maksimumvool ulatub kuni 200 amprini ning sealt edasi tõstetakse võimsust voltide tõstmisega. Näiteks 240150 mootor mis tõstab kuni 220 kg ning kasutab kuni 400 voldist akut.

Kui on vajadus selline aku ise kokku panna siis tuleks kasutada nn master-slave BMS’e kus aku koosneb reast slave moodulitest mis funktsioneerivad lihtsate BMS’dena mis ühendavad väiksemaid akuelementide gruppe. Nende tööks on oma akuelementide laengu ja temperatuuri jälgimine ning ühtlase laengu säilitamine. Need slave moodulid omakorda ühendatakse infosignaale vahendava master mooduliga (illustratsioonil tähistatud nimega “main controller“) mis jälgib nende moodulite tööd ning edastab seda vajadusel muudele arvutitele. Kui tingimused on vastavad siis katkestab see laadimise või voolutarbimise. Sellist tüüpi BMS’id võivad hoida töös üle 1000 voldiseid 260S akusid.

Näide tüüpilisest odavamast slave-master tüüpi BMS’ist. Selles näites kasutab see kuni 16 alamoodulit millest igaüks ühendab kuni 12 elementi kokku kuni 806 voldiseks akuks taludes kuni 200 A. Sarnaselt teiste sellistega on osad funktsioonid nagu voolu mõõtmine ja ühenduse tekitamine ning katkestamine BMS seest eemale viidud. Voolutaluvus võib osadel sellistel olla 500+ A ning koos kõrgete voltidega suudaks need pakkuda sadu tuhandeid vatte mis sobib nii elektriautode kui väiksemate elektriliste lennukite jaoks. Seoses sellise kõrge vooluga käib voolu mõõtmine läbi elektroonikast eemal asuva Halli effekti sensori ning BMS kontrollib suuremaid releesid et luua või lõpetada ühendus laadijaga või voolutarbijaga.

Plastikümbrised akudele

Kui ühendused on tehtud siis tavaliselt kaetakse akud vähemalt osaliselt teibiga. Üheks neist on polüimiidist Kapton teip mille tunneb ära läbipaistva pruuni välimusega. Sellega kaetakse vähemalt ühenduskohad ei vältida lühiseid ning kuna see talub kuumust. Seda kasutatakse tihti elektroonikas sest see ei juhi elektrit ja talub tavaliselt vähemalt 180 C ilma et liim lahti tuleks. Polüimiid on väga laia temperatuuritaluvsega püsides koos nii -269 C kuni 400+ C temperatuuride juures mistõttu seda kasutati muuhulgas Kuu peal ning rahvusvahelises kosmosejaamas taludes sealseid välistingimusi. Selle lagunemine algab ~500 C juures. Selleks ajaks kui see teip sulama hakkab on akud tõenäoliselt juba põlema hakanud sest ~80 C on piirkond kus liitiumakud võivad ise kuumenema hakata ning iseseisvalt süttida. 200 C juures on aku enda süttimine praktiliselt vältimatu. Liim ise on temperatuuri osas vähem vastupidav. Akrüülühenditega kapton teibid kleepuvad vahemikus -30 C kuni +175 C ja silikoonühenditega kapton teibid -73 C kuni 260 C.

Teine tavaline teip mida kasutatakse rohkem akude struktuurselt koos hoidmisel on klaaskiudteip. Neid on kerge ära tunda paralleelsete või marli laadselt risti olevate valgete triipudega. See on väga vastupidav venitusele aidates asju tugevalt koos hoida ilma et sikutamisel veniks. Samas võib selle kasutamisel eralduda klaaskiu tolmu mis võib naha sügelema ajada ning kopsudesse sattudes põhjustada astmat, kopsuärritust, bronhiiti ja pikemal kokkupuutel kopsude armistumist. See tolm on üks ohtudest mida arvestada kui osta kasutatud akusid (näiteks tööriista akusid) lootuses saada odavaid akuelemente.