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. Fertige „Spot Welder“, so der neudeutsche Ausdruck dieser 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, 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 oder malaiisch (ich gestehe, ich erkenne weder das eine noch das andere, es kann auch eine ganz andere Sprache sein) kommentiert zu sein. Trotzdem kann ich die Filme des Autors „SanChai“ zum Thema empfehlen, er zeigt auch ohne Verständnis des begleitenden Texts 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 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 ein 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 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 (die 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:

Spitzen für 10 mm² Litze

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 Spitzen für 10 mm²:

Spitzen für 16 mm² und 10 mm² Litze

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:

Spitzen für 35 mm² Litze, verpresst

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 können hier geladen werden.

SpotWelderController_sch_resize         (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 Ohm 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 des 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 kOhm 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 Ohm und einer Z -Diode von 3,6 V nach Masse geklemmt. Mit dem verwendeten PullUp von 1,5 kOhm 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 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.

SpotWelderController_brd_resize       (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 an 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:

Spot Welder

Alle Einzelteile sind auf einem Holzbrett montiert.

Spot Welder

Die Netzspannung führenden Teile der Schaltung sind zusätzlich in mehreren Lagen mit Tape abgedeckt.

 

Spot Welder Controller

Das Controller-Board ist auf Abstandhaltern oberhalb des 12V-Netzteils montiert, unterhalb des Display sitzt die Niederspannungsbuchse für den Fußtaster.

 

Spot Welder OLED Display

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.

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.


    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.


 


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