SOLDADOR POR PULSO DUAL para soldar baterías

Actualmente estamos enfrentándonos a aplicaciones basadas en energía solar y portables, que suelen requerir de sistemas de almacenamiento de energía en batería y suelen ser de iones de litio (LITION). Esas baterías en la forma básica se venden en modo celda de 3,7V y a veces se requiere elevar los niveles de voltaje formando bancos de baterías. Esto nos obliga a conectarlas en circuitos serie y paralelo pero la conexión no se puede hacer usando un cautín esta demostrado que ese calor deteriora fuertemente la batería.

 

Para resolver esto se emplean laminas de nickel o cintas de nickel y una soldadora por puntos para soldar la lamina de nickel entre las baterías. Lo que sigue es la descripción de un equipo que logra hacer este trabaja esta basado en un microcontrolador pic 16C61 (OTP) decidí hacerlo con este procesador, ya que los procesadores flash son muy vulnerables al ruido y campos magnéticos fuertes que pueden inclusive borrar el programa. En mi experiencia con pics ya se que los OTP no se borran con un campo magnético. Este procesador no se puede programar con un pickit se debe usar un modelo de alto voltaje en este caso use un programador K150.

 asi se soldan las baterías en este video 

FUNDAMENTOS

La soldadura por puntos depende de la resistividad (resistencia) del metal para calentar y fundir el metal. Una gran corriente pasa a través de la pieza de trabajo de metal. La energía se disipa debido a la resistencia del metal en forma de calor que funde y fusiona los materiales de soldadura. Hay dos fases para el proceso de fusión. El soldador debe superar tanto la resistencia de contacto del material como la resistencia total del material. La Figura de abajo muestra un ejemplo de un perfil de superficie a micro escala. En la micro escala, las superficies del material son ásperas y solo contactan en un número limitado de ubicaciones. En los primeros pocos milisegundos de formación de soldadura, los puentes metálicos de alta resistencia se derriten permitiendo que otros puentes entren en contacto para continuar el proceso de fusión. Cuando todos los puentes se han fundido, la resistencia de contacto es cero.

Varios otros factores juegan un papel en la resistencia de contacto. Cuanto mayor sea la resistencia de contacto, más caliente será la soldadura resultante. En la micro escala, la resistencia de contacto se reduce cuando se forman más puentes metálicos o puntos de contacto. Usar más presión en el electrodo crea más puentes metálicos. Esto da como resultado una menor resistencia de contacto y una soldadura más fría. Por el contrario, la presión del electrodo ligero produce menos contacto con el metal, mayor resistencia y una soldadura más caliente. Se debe usar una cantidad adecuada de presión para asegurar una buena resistencia de la soldadura.

TIPOS DE CONFIGURACIONES EN SOLDADURA DE PUNTO

La Figura de abajo muestra varias configuraciones de electrodos usadas en soldadura por resistencia. La figura (a) se llama soldadura directa. La corriente pasa desde un electrodo, a través de ambas piezas de trabajo y hacia afuera de un electrodo opuesto. La Figura (b) muestra una configuración de electrodo por pasos. Esta configuración se usa cuando solo se tiene acceso a un lado de la pieza de trabajo y se puede colocar un electrodo en ambos materiales. La figura (c) es una configuración de serie. Los electrodos solo se pueden colocar en una superficie de metal desde un lado. La corriente se divide entre las dos partes. Esta configuración de soldadura requiere más energía de soldadura.

En nuestro caso con el electrodo seleccionado la configuración es la C.

El uso de múltiples pulsos de corriente aumenta la calidad de la soldadura. En el modo de pulso dual, los soldadores dispararán dos veces desde una sola actuación. El primer pulso se usa para eliminar inconsistencias y contaminantes de la superficie. Este estallido inicial de energía desplaza los aceites y se rompe a través de las capas de óxido. El pulso también asienta los electrodos de soldadura. El segundo pulso se realiza a un nivel de energía mucho mayor (vatios * segundos) y realiza la soldadura real. La Figura de abajo muestra cómo se vería la curva de descarga de la soldadora usando la configuración de pulso dual como se describe anteriormente. El trazo azul determina la deformación del pulso por diversos factores como perdidas en los contactos y hasta saturación en el transformador

La configuración de energía del pulso 1 debe elegirse de manera que las piezas se adhieran débilmente. Para determinar el pulso 1, apague el pulso 2 y realice una serie de soldaduras de prueba comenzando con un ajuste de energía de pulso bajo. Aumente la energía del pulso del 3-5% en cada prueba hasta que las piezas se adhieran entre sí. La energía del pulso 1 debe reducirse en un 3-5%. El pulso 2 se debe establecer a un nivel 4 - 5 veces mayor que el del pulso 1. Se debe realizar una soldadura de prueba y separarla para determinar la resistencia de la soldadura. Una tira de níquel a una soldadura de acero niquelado, que normalmente se ve en la fabricación de baterías, debe separarse dejando agujeros en el delgado metal de níquel y dejando los nuggets de soldadura en el terminal de la batería. Los materiales más gruesos se deben tirar con un requisito específico de fuerza de tracción en mente.

Código del proyecto se diseño tanto para el pic 16F628a como para el pic 16C61. La simulación en proteus requiere un artilugio para resolver el uso de un encoder. Como proteus no tiene encoger interactivo, toca usar motor con encoder y con una serie de suiches mover el encoder en los dos sentidos para probar el software.

Simulaciones proteus #1

Simulaciones proteus #2

Código en compilador pic CCS es fácil pasarlo a otro pic de encapsulado similar como el 16F628A

CONSTRUCCION DEL SOLDADOR: Fase de pruebas y montaje del prototipo

 

  Señales del encoder, note que no están estrictamente en los 90 grados pero la lógica del programa se cumple.

Fíjese que la onda es muy limpia, se logra instalando en paralelo con los terminales del encoder condensadores de 470pF para suavizar los flancos.

Se aprecia el pic 16C61 OTP de tipo SOIC montado en un adaptador SOIC a DIP.

En el display se ven tres números; el primero es el pulso corto el segundo es el pulso largo y el tercero es el factor de división en este caso 10.

Luego de pisar el pedal, el equipo avisa que se aplico el punto de contacto. Con el mensaje Weld ok, si desea otro punto pulse de nuevo el pulsador del encoder.

El pulso que entrega el procesador se debe verificar y para esta prueba de prototipo es correcta, entre cursores se aprecia un tiempo de pulso largo de 20mS

 

El pulso del procesador modula el numero de pulsos de AC en el transformador. La imagen de la derecha hay una comparación con la red de 60Hz. Para un pulso de 100ms con reducción de 4.

Construcción

Se emplea un transformador para horno de microondas y se monta en una caja metálica. En YOUTUBE hay muchos videos mostrando como recuperar este transformador.

 

Se decidió construir los electrodos, para esto se usaron puntas de cautín de cobre para alta potencia y el cable del devanado secundario se uso cable de planta de audio para carro. Como la caja queda bien pesada se instalo una agarradera de acero.

HB-70B 220V 1900W 500A Spot Welding Pen for Battery Spot Welder 709A 709AD

El electrodo lo venden en ebay (use la frase de arriba para buscarlo) pero me parecía costoso y fabrique uno muy parecido ayudándome del mango de un cautín doble para SMT que tenia por ahí y nunca lo había usado.

El equipo tiene dos pulsadores y dos salidas; una para disparar un TRIAC de potencia que energiza el transformador de microondas por el primario. Este triac se dispara desde el PIC por medio de un optoacoplador con detección de cruce cero, para evitar ruido electromagnético en la red de AC. La otra salida es auxiliar podría instalarse un buzzer.

Al usar TRIAC (BTA41600B. 40A/600V) y corriente alterna con un triac tipo ZVS solo se puede entregar semiciclos de la red,  ósea que el pulso mas corto posible con este equipo seria de 8.33mS si la red es de 60Hz. Por lo tanto las configuraciones de pulso para  menos de 8.3ms, forzosamente generaran un pulso de semiciclo de red, si las condiciones permiten el disparo del opto acoplador. El fabricante del opto ZVS, lo recomienda para atenuar la corriente transitoria (inrush) del transformador.

Con el encoder manual se selecciona la duración del pulso en milisegundos, el sistema puede aplicar hasta 255 milisegundos de pulso largo, el pulso corto se entrega según un factor de reducción que por defecto es 4, pero se pude ajustar de 1 hasta 10 encendiendo el equipo con el pulsador de soldar energizado(pedal) y el sistema entra en modo ajuste REL, al soltar este pulsador el sistema entra a modo normal de ajuste de los tiempos, el primer pulso es el corto que se calcula con el pulso largo dividido la constante REL. La separación siempre es la duración del pulso corto para conservar proporcionalidad en la aplicación de la soldadura. El pulsador del encoder, es el pulsador set y es el que reinicia el sistema para habilitar el pulsador de pedal de una nueva soldadura.

Después de dar pulso de soldar (pulsador de pedal) se debe volver a pisar set (pulsador del encoder) para iniciar otra soldadura, inclusive permite volver a ajustar los tiempos.

Los valores REL y tiempos, desafortunadamente no se pueden almacenar en EEPROM ya que con el pic 16C61 no es posible (no es flash) y no instale una memoria externa i2c ya que los pines fueron usados por completo.

PCB se diseño en PROTEUS PCB.

 

ESQUEMATICO Y PCB EN KICAD Y PROTEUS

IMPRESO O PCB POR EL METODO DE LA ACETONA

Inicialmente estaba escéptico ya que los métodos transfer no me convencen mucho. Ensaye el método del vinilo y resulto un fiasco. Pero probé es método de la acetona y me impresiono bastante. Este método consiste en imprimir en laser el diseño. Ajustar la impresora para que deposite la máxima cantidad de tóner ósea alta resolución y alto contraste y desactivar el ahorro de tóner.

mezclar 8 partes de alcohol por 2 partes de acetona. Como la acetona es difícil de conseguir se puede usar acetato de butilo que es mas fácil de conseguir y es un poco mas costoso. Ponga el dibujo sobre el pcb previamente limpio y desengrasado. Con una mota de papel absorbente humedezca el dibujo en laser. Páselo suavemente encima hasta ver que se adhiere al impreso y no quedan burbujas, si se excede en humedecerlo pásele un papel seco y siga frotando suavemente hasta que el papel este seco pero con aspecto de adherencia páselo por una laminadora varias veces y entrado por varios lados aproa unas 10 veces. Cuando usted perciba que esta bien pegad al cobre. Humedézcalo con agua fría sin jalar aun el papel. Cuando este bien húmedo y a trasluz se vean las pistas aplíquele liquido balqueador tipo gel y con los dedos (use guantes de látex) frote suavemente el papel sea muy paciente con esto. Después de algunos minutos el papel se despega por pedazos pero no acelere ese proceso jalando si con los dedos pasando suavemente no sale mas coja un cepillo y páselo sobre los restos de papel pero utilizando vas blanqueador gel frote con cepillo hasta que solo quede el impreso. Debo aclarar acá que el papel que mejor resultados dio fue papel esmaltado (propalcote en Colombia). Este método es de lujo si se hace con paciencia y sin afán. No use plancha, use una laminadora.

EL NIVEL DE DETALLE ES MUY BUENO PRACTICAMENTE NO REQUIERE RETOQUE CON ROTULADOR INDELEBLE, NOTE QUE PASO TODO EL TONER, NADA QUEDO EN EL PAPEL. LAS PISTAS DE SOIC(PIC) ESTAN PERFECTAS!

              

El circuito de control electrónico lo alimentamos con un adaptador USB que da fácilmente 5V

 

Luego de conectar el primario del transformador sin carga se percibe lo siguiente.

Esta es una prueba 25 100 4...Los 100ms, se cumplen. Note que el disparo solo inicia en los cruces cero de la tension primaria.

La cinta para las uniones es la siguiente, se consigue en EBAY. Búsquela con este nombre: (Nickel Plated Steel Strap Tape Strip for Battery Spot Welding)

Bueno el problema de crear bancos no es tan trivial y para asegurar la integridad de la bateria se requieren modulos electronicos tanto protectores como igualadores asi como la proteccion de temperatura por medio del sensor NTC (10K). Facilmente se consiguen en EBAY.

Para crear una celda de 7.4V

AUN NO TERMINO, ME FALTA PERFORAR LA TAPA FRONTAL DE LA CAJA PARA INSTALAR EL LCD, LUEGO PUBLICO FOTOS DE ESTO Y PRUEBAS CON BATERIAS DE IONES DE LITIO Y CINTA DE NICKEL. Algunas partes decorativas se podrian hacer en impresion 3D.