吸塵器鎳鎘電池更換之點焊機好好玩

我很喜歡這種手持的充電式吸塵器，而且一定要有可以鎖在牆上的充電座，這樣用完之後就可以放回固定的地方，不會要用的時候找不到，而且沒用的時候就一定是在充電。

前前後後我大概買過五六支這種類型的吸塵器，而且最近一次要找有充電座型式的還不太好找，我就一次買了兩台，免得以後買不到。

最近新買的兩台已經進步到用鋰電池了，但是上一代汰換掉的兩支用 3.6V 鎳鎘電池的款式我一直捨不得丟掉，因爲它明明就是好的，只是因爲電池死掉才報廢。因此雖然買了新的，但這兩支舊的  Black & Decker NV3620 一直收著沒有丟掉，我心裡覺得有朝一日我應該還是會幫它們換電池。

其實幫吸塵器換電池這件事我以前也做過，但那時因爲找不到人幫我點焊連接電池，我硬著頭皮用烙鐵把鎳片焊接到鎳鎘電池的電極上。這麼做其實蠻危險的，因爲烙鐵的焊接溫度大概有 300 度，其實遠遠超過電池可以接受的溫度，即使只在電極上的小範圍，對電池功能的影響也一定有。

前一陣子我在 Facebook 上被蝦皮投到了 “便攜式點焊機” 的廣告，好奇點進去看了一下，我才發現原來現在利用鋰電池和超級電容已經可以做出行動電源大小的點焊機，而且焊接的瞬間電流到 1000A 以上。

上週我把擱置已久的兩台吸塵器拆了開來，確定裡面的鎳鎘電池型號之後，上淘寶買了一樣的電池。

我本來其實不是很確定電池的尺寸是不是一樣，但是原來的電池上寫著 “HIGHSTAR KRXR 23/43″，上網查了型號之後確定這是直徑 23mm、長度 43mm 的鎳鎘電池，容量 2000mAh，淘寶上買得到的則是直徑 22mm、長度 42mm，稍小一點點，看起來這個尺寸也是個工業標準。

我要順便一起買了一台點焊機：

當然我買點焊機不會只是爲了這次幫吸塵器換電池用，不然就像是爲了喝一杯牛奶買一頭牛了，雖然這頭牛也實在不貴，不到台幣 1000 元。後面還有我的土炮 Powerwall 儲能系統大計在等我，我打算從 18650 cell 或 21700 cell 開始做 battery pack，因此遲早會需要自己用鎳片焊接鋰電池。

換電池

前幾天收到東西，今天就來動工換電池。

先把吸塵器拆開。百工這台 NV3620 很好拆，總共五顆螺絲而已，螺絲拿掉之後就可以把機殼從中間對半打開。

它裡面的結構非常簡單，就是三顆 1.2V/2000mAh 的鎳鎘電池串接起來，經過開關送往馬達。而充電接點則是透過一個 1N4148 二極體直接連接到電池上，沒有任何其它的充電控制電路，這是典型的浮動充電。鎳鎘電池充飽之後如果再繼續對它用小電流充電，它只會發熱，並不會有爆炸或是燃燒的危險，但還是會減電池的壽命，因此這種吸塵器的電池壽命通常不長。

我把原來的電池拔出來後，就準備來換新的電池上去了。

換電池

拿出新買的電池：

我很好奇爲什麼鎳鎘電池外面會用紙筒做絕緣，而不像鎳氫或是鋰電池用熱縮膠膜。上網查了一下，看到這張圖：

很多鎳鎘電池都標榜使用可以隔熱的紙做外包裝。原來因爲鎳鎘電池的內阻很低，在超低內阻的鋰聚合物電池出來之前，常常被用在電動工具裡面。雖然它的內阻很低，但長時間大電流工作後還是會發熱。鎳鎘電池自己不怕熱，比較怕它發出來的熱把旁邊的東西弄壞，因此就發展出了用紙包裝來隔熱的型式。

接下來換點焊機上場了。

點焊機好好玩

點焊是利用大電流流過金屬接面時的電阻發熱效應，將金屬融化、形成共晶層，就牢牢地接在一起了。而點焊機說穿了就是個可以產生低壓大電流的裝置，通常這種小型點焊機的電壓大概就是鋰電池的端電壓。它裡面會用鋰電池去充超級電容，再用 MOSFET 控制超級電容的放電。每次放電的時候差不多就是將超級電容裡面的電荷全部短路釋放出來，透過很粗的導線傳送到焊頭上。

由於在整個迴路中，電阻最大的地方發熱最多，因此電流透過焊棒的尖端進入被焊物時會形成一個發熱點，流過被焊物回來再度進入另一隻焊棒時又會形成另外一個發熱點。所以點焊的焊點一定成對存在，很少有單個的焊點。

雖然點焊的溫度很高，高到可以融化鎳片，但由於發熱的面積很小，不會對電池造成傷害。這也是爲什麼 battery pack 組裝都要用點焊的緣故。

我有操作過大台的點焊機，但是沒有用過這種小型的，因此我先剪了一小段鎳片，用舊的電池練習了幾次。

這種小型點焊機設計得很好，它有個自動焊接模式。當它偵測到兩個焊棒都接觸到被焊物時，一秒鐘之後就會嗶一聲並把電流送出來，不用另外再按開關。因此我有一秒鐘的時間可以把焊棒壓到定位，控制焊點的壓力。

點焊機的說明書上有一段很妙的說明：

“最佳的技巧是輕壓焊筆，感受電流輸出瞬間，焊點的塌陷感。”

我第一次讀說明書時覺得莫名其妙，什麼叫 “塌陷感”？但實際操作一次之後就完全了解，爲什麼他們會用這三個字形容那種感覺。

在電流流過焊點的瞬間，因爲加熱的關係，金屬會被融化，而此時我們是有施加壓力在焊點上的。在那個 moment，確實會突然感覺到焊點有那麼一瞬間變軟、塌下去。

而且點焊的技巧中，壓力的施加蠻重要的。如果施加壓力過小，焊點的接觸電阻太大，讓整個迴路的電阻太大，電流太小，會讓焊接功率不足，焊不起來。如果施加的壓力太大，焊點的接觸電阻太小，反而會造成焊點發熱不足，也會焊不起來。因此焊棒的壓力拿捏是這種手持點焊機使用上最重要的技巧。

我用舊電池練習了十來個焊點，熟悉了手感，也確定焊出來的焊點品質沒問題之後，就來裝新電池了。

焊新電池時，我請予晴幫忙用手機的 high frame rate 錄影拍攝焊接的過程，再回頭去截圖，就可以看到焊接瞬間的畫面。

這是一個不好的示範。理論上來說，良好的點焊不應該有過多的火花，只有在焊點的電阻太大，或是產生的電弧讓金屬離子化，才會看到很大的火花。

一次好的焊接大概就是焊點會發出一點點光芒，頂多帶著微量的火花，整個過程就在無聲無息中完成。

這是焊完的新電池，因爲點焊的手感實在太好玩了，我一時興起就多焊了幾個點。其實一般這種電流的電池，大概四個焊點就很夠了。

由於這台吸塵器是三顆電池的，奇數顆電池串聯後的電極一定在不同側，因此會有一邊的電極需要焊線出來。

如果要接線，要先用錫焊把導線焊到鎳片上，再用點焊焊接鎳片。已經焊接到電池上的鎳片最好不要再用烙鐵焊接，免得烙鐵的熱透過鎳片傳到電極，傷到到電池。

最後，把整機照著拆開的順序裝回去就完工了。它應該還可以再戰個兩三年。

幾乎沒有的充電電路

我在把吸塵器裝回去的過程中，想到它下面有兩個充電用的接觸電極，極性我不是很確定，於是就拿著電錶去量了充電座那邊的極性。

但我用電錶去量充電座上的那兩個電極時，怎麼量都沒有電壓。我心想改不會是 adapter 壞掉了吧？我把 adapter 拿起來端詳了一下，也看不出它有沒有問題。突然我注意到 adapter 上面寫著：AC 5V/200mA。蛤？AC？這個 adapter 裡面連整流和濾波都沒有，它就只是個變壓器，直接輸出 5V 的 AC？

我把電錶切到 AC 電壓檔再量一次，果然有電壓了。

這時我突然想到剛剛在機器裡面看到的那個 1N4148 二極體。我本來以爲那個二極體是防止充電器逆接用的，現在突然懂了，它就是整流二極體。充電器來的 AC 經過它之後只剩下正半週，這個被切割過的半波交流電就直接對電池充電，連濾波電路都省了。

現在想想，鎳鎘電池的那個年代真是淳樸，這樣就可以對電池充電，完全不需要什麼 CC/CV 充電控制，也不用負 delta V，反正 200mA 對 2000mAh 的鎳鎘電池來說只是 0.1C 的電流，過充就過充，也不會燒起來。現在用鋰電池的吸塵器可不能這樣搞，鋰電池過充很容易上社會版新聞。

我今天一次把兩台的電池都換了，最後換下來六顆鎳鎘電池。

鎳鎘電池很毒，非常毒，絕對不能亂丟，一定要回收。

我看就拿它們去 7-Eleven 換冰棒好了。