Selbstbau einer DIY 18650 Li-Ion Akku Powerbank samt 3D-Druck-Gehäuse

Im einem meiner letzten Elektronik-Artikel hatte ich mich ja mit der Analyse des 18650 Lithium-Ion Battery Shield V3 beschäftigt, einem Board mit Batteriehalter für einen 18650 Akku, um von diesem 5V und 3.3V abzugreifen und ihn laden zu können.

Dieses Shield löst mein Problem von den allermeisten Powerbanks, die abschalten, wenn nur ein geringer Strom entnommen wird. Das tut das 18650 Battery Shield V3 nämlich nicht. Es liefert konstant Strom und ist so auch zur Stromversorgung von stromsparenden Mikrocontroller-Schaltungen brauchbar.

Auf dieses Problem bin ich schon in meinem Artikel Wissen rund um Schaltungen und Module für 18650 Li-Ion-Akkus näher eingegangen, in dem ich übrigens auch das Vorwissen vermittle, das wir heute brauchen, um uns eine eigene Powerbank zusammen zu basteln. Hauptaugenmerk dabei: Sie soll "dumm" sein, also konstant und auch geringe Ströme liefern und nicht abschalten.

Eine andere Lösung - für bereits vorhandene Powerbanks, die unerwünscht abschalten - wäre übrigens der Powerbank Wächter zur Verhinderung der automatischen Abschaltung bei stromsparenden Arduino-Schaltungen, ein Eigenbau-Projekt von mir, dass ich unter dem vorstehenden Link vorgestellt habe.

Vorgaben für die DIY-Powerbank

Aber heute soll es um den Selbstbau einer Powerbank gehen. Wünschenswert wären folgende Features:

• sie soll günstig sein
• sie soll möglichst kompakt sein
• ein einzelner 18650 Akku reicht, die Stromentnahme ist ja gering
• der 18650 Akku soll austauschbar sein
• der Akku soll in der Powerbank geladen werden können
• es muss ein Tiefentladeschutz integriert sein
• sie soll konstant 5V an einer üblichen USB-A-Buchse liefern
• die Powerbank soll nach außen isoliert sein, wir brauchen also ein Gehäuse
• wenn das Ergebnis nicht strunzhässlich wäre, wäre das schön

Da haben wir uns ja ganz schön was auf die To-Do-Liste geschrieben. Aber keine Angst, es gibt fertige und günstige Module, die uns die meiste Arbeit abnehmen. Den Lötkolben müssen wir also nur kurz anheizen.

Auswahl der Komponenten

Das wir einen 18650 Akku brauchen ist ja schon mal klar. Der kann ruhig aus einer alten Notebook-Batterie "geerntet" worden sein, denn wir werden einen 18650-Batteriehalter verwenden, in den wir den Akku einsetzen. Und da er damit austauschbar ist, muss er nicht ewig halten und es ist nicht schlimm, wenn die Kapazität nicht mehr so hundertprozentig ist - wir müssen dann aber öfter den Akku wechseln.


Beim Batteriehalter nehmen wir einen mit Federn oder Spangen, damit die Länge des Akkus etwas variabel ist und wir Akkus mit und ohne "Nase" am Pluspol verwenden können. Ich entscheide mich für einen günstigen, an dem die Kabel schon dran sind. Die können wir dann gleich anlöten.

Der Batteriehalter dient uns auch gleich als Grundlage zur Befestigung der weiteren Komponenten und zur Stabilisierung des Ganzen.


Die eine Komponente wäre die HW-107, eine kombinierte Schaltung, die Ladeschaltung und Tiefentladeschutz vereint. Der Tiefentladeschutz schlägt zwar erst bei 2.5 Volt an, was für meinen Geschmack etwas gering ist, aber einen Tod muss man wohl sterben.

Von der Größe passt die Platine ideal von der Breite auf die Unterseite des Batteriehalters. Dort können wir sie mit Heißkleber oder Silikon-Klebeband an einer Seite befestigen, sagen wir auf der Linken. Sie muss so platziert sein, dass der Micro-USB-Port bündig mit dem Halter abschließt.

Hier können wir schonmal, oder wir warten damit noch ein bisschen, bis wir alles zusammen haben, die Batterie an B+ und B- anlöten. An OUT+ und OUT- kommt dann unser Verbraucher. Der Strom geht den Umweg durch die HW-107-Platine, die überprüft, ob die Akkuspannung mittlerweile unter 2.5V gefallen ist und benutzt dann den zusätzlich verbauten MOSFET, um den Verbraucher zu trennen.

An den Micro-USB-Port können wir ein handelsübliches USB-Ladegerät anschließen, um damit unseren Akku zu laden.

An den OUT-Pads kommt jetzt aber nur 3.7 Volt, oder was der 18650 Akku gerade in seinem jetzigen Ladezustand liefert, an. Eine anständige Powerbank liefert aber 5V an einem USB-A Port.


Dazu nehmen wir einen Boost-Converter her, der fix 5 Volt Output liefert. Die entsprechenden Platinen gibt es praktischerweise schon mit aufgelötetem USB-A-Port, so wie wir das wollen.

Und es kommt noch besser: auch diese Platine passt perfekt von der Breite auf die Unterseite unseres Batteriehalters. Also wird diese dort auch festgeklebt, diesmal mit dem USB-A-Port bündig zur rechten Abschlussseite des Halters.

Zusammenlöten und Testen

Jetzt wird das OUT+ des HW-107-Boards mit dem VIN+ des Boost-Converters gelötet und OUT- gehört natürlich an VIN-. Dann noch die Kabel so arrangieren, dass sie möglichst wenig Platz weg nehmen und durch einen Klecks Heißkleber fixieren und wir erhalten folgendes:



Passt doch alles perfekt. Dann wollen wir man den Akku einsetzen und gucken, ob die Schaltung funktioniert. Die Unterseite betrachtet sollte dann die rote LED auf der rechten Platine leuchten, was bedeutet, dass die die Spannung auf 5V umwandelt.

Das messen wir auch gleich mal nach. Und für wahr: hier kommen 5.2 Volt raus, und das unabhängig davon, wie sehr unser Akku gerade geladen ist und ob der 3 oder 4 Volt liefert. Natürlich möchte ich hier noch einen Lasttest durchführen. 1 Ampere wäre schön, bevor die Spannung zusammenbricht. Der Wunsch wird mir leider nicht erfüllt. Die sehr günstige Platine liefert nur etwa 500 bis 600 mA. Für meine Low-Power-Anwendungen, für die sie ja eigentlich gedacht ist, reicht das vollkommen, etwas mehr Sicherheit wäre aber schön gewesen. Vielleicht achte ich beim Kauf der nächsten Boost-Converter darauf, dass diese mindestens 1A können.

Danach testen wir, ob unsere Schöpfung auch den Akku laden kann und nehmen uns einen vor, der schon ein wenig entladen ist. Setzen ihn ein und schließen links ein USB-Ladegerät an. Und siehe da, die rote LED auf dem linken Board beginnt zu leuchten. Die rote LED auf dem rechten Board bleibt an, wir können also weiterhin Strom entnehmen, während wir laden. Das Feature stand gar nicht auf unserer Liste, nehmen wir aber gerne mit.

Messen wir noch kurz, wie groß der Ladestrom ist... Unser USB-Doctor zeigt knapp 900 mA an. Das ist schon ganz ordentlich, aber noch nicht zu viel. 500 mA Ladestrom soll ja besonders schonend für die Akkus sein, aber 1 Ampere geht auch noch völlig in Ordnung. Vorteil: Man muss nicht so lange warten, bis der Akku wieder voll ist. So zwei, drei Stunden dauert es trotzdem, bis der Akku voll geladen und als Zeichen dafür die blaue LED auf der linken Platine an geht.

Elektrotechnisch gesehen ist unsere Powerbank jetzt fertig.

Design und Druck eines passenden Gehäuses

Aber schön ist das natürlich nicht. Und außerdem wackelt das Teil auf dem Tisch. Und drittens sind offenen Platinen immer eine Gefahr für einen Kurzschluss, falsch da ein Stück Metall an die Platinen kommt.

Aber wozu hat man einen 3D-Drucker?

Damit kann man sich ohne das Haus zu verlassen, in ein paar Stunden ein passendes Gehäuse zaubern. Gesagt, getan. Doch vor dem Drucken musst man das Teil erst einmal designen.


Mein Lieblings-CAD-Programm ist OpenSCAD. Irgendwie kommt mir das als Programmierer mit seiner mathematisch geometrischen Beschreibungssprache am meisten entgegen. Man kann aber natürlich auch Tinker-CAD, Fusion 360, FreeCAD oder sonstwas benutzen. Ich hatte die CAD-Programme ja mal in meinem Artikel 3D Designprogramme im Vergleich am Beispiel eines Einschaltschutzes für Laserpointer ausprobiert und verglichen. Und OpenSCAD hatte irgendwie die geringste Einarbeitungszeit und ich bin darauf hängengeblieben, habe es sehr oft benutzt und kenne mich mit der Zeit immer besser damit aus.

Das Gehäuse soll möglichst eng am Batteriehalter anliegen. Es soll halten, ohne das der Batteriehalter festgeklebt werden soll. Die Powerbank-Schaltung soll aber auch wieder entnehmbar sein. Nach oben bleibt das Gehäuse offen, damit mal noch die 18650- Zelle tauschen kann. Die Kanten habe ich mit der Minkowski-Funktion abgerundet, das sieht schöner aus und vermeidet "pieksige" Ecken.

Die Wandstärke habe ich ein wenig stärker gewählt, damit die Powerbank ein wenig mehr aushält. Der Batteriehalter wird von oben ins Gehäuse eingeführt und kommt dann mit dem USB-A-Port auf der einen Seite (in der Grafik rechts vorne) und dem Micro-USB-Port auf der anderen Seite zum liegen. Dabei ist zu beachten, dass die Micro-USB-Buchse viel flacher ist als der USB-A-Buchse. Damit es da kein Gewackel gib, habe ich eine Auflage für die Micro-USB-Buchse ins Gehäuse integriert.

Die beiden USB-Ports müssen natürlich besteckbar bleiben und wir brauchen hier an den richtigen Stellen Löcher mit den richtigen Ausmaßen im Gehäuse. Außerdem soll es noch ein paar Löcher im Boden geben, damit die auf der Platine befindlichen LEDs durchscheinen können.

Die Höhe soll so sein, dann der Rand oben mit dem Batteriehalter abschließt.

Wie immer, ist es mit einem Versuch von Design und Druck nicht getan. Irgendwo passt immer was nicht. Entweder die Löcher sind nicht genau an der richtigen Stelle, die Höhe stimmt nicht genau oder oder oder. Einfach keine Fehler gemacht zu haben und dass alles gleich auf Anhieb beim ersten Druck passt, das kommt selten vor.

So auch hier. Beim ersten Versuch waren die LED-Löcher auf der falschen Seite. Ich hatte vergessen, dass da vorne und hinten ja vertauscht sind, wenn das Teil kopfüber hineinkommt. Außerdem habe ich die Auflage verkleinert, als ich mitbekam, dass der TP4056-Ladechip doch so um die 50 °C warm werden kann. Dem wollte ich mehr Luft geben zum abkühlen.

Der zweite Versuch passte dann recht gut, nur die LED-Löcher wären idealerweise einen Millimeter verschoben. Aber deswegen habe ich das Modell nicht noch einmal gedruckt. Man sieht die LEDs ja, sie sind halt nur nicht hunderprozentig zentriert. So ein 3D-Drucker zwingt auch den härtesten Perfektionisten, Kompromisse zu machen. Denn jedesmal heißt es Stunden auf den nächsten Ausdruck warten. Das macht mürbe und man nimmt dann doch kleine Schönheitsfehler im Kauf oder rückt ihnen mit dem Dremel zu Leibe für die schnelle Lösung.

Im Ergebnis sieht unsere Do it yourself Powerbank dann so aus:




Ich finde, dass kann sich sehen lassen. Und außerdem ist sie noch kompakter als eine China-ein-Zellen-POWERBANK (siehe zum Vergleich das Foto rechts).

Die Breite ist ziemlich gleich, unsere DIY-Lösung aber 17 mm kürzer, dafür schaut der Batteriehalter oben etwas heraus, was die DIY-Powerbank 7 mm höher macht.

Video

Es gibt auch wieder ein kleines zusätzliches Video, bei dem ihr mir beim Basteln zuschauen könnt, und bei dem ich vielleicht noch das Eine oder Andere zusätzlich erkläre:

Fazit

Damit hätte ich meine eigene "dumme" Powerbank zusammen gebastelt. Natürlich "intelligent" genug, dass sie die Akku-Schutzschaltungen hat.

Ich meine mit "dumm", dass sie nicht abschaltet und auch kleine Ströme zuverlässig über einen langen Zeitraum liefert, also ideal zum Betrieb von stromsparenden Schaltungen oder Mikrocontrollern.

Wenn man nur den Materialpreis zusammenrechnet kommt man vielleicht auf zweimal 50 Cent für die Platinen, 50 Cent für den Batteriehalter und 50 Cent für Drucker-Filament, Lötzinn, Heißkleber, Kabel. Macht zusammen zwei Euro. Dazu kommen leider noch die Versandkosten, die nicht unerheblich sind, wenn man nur einzelne Teile bestellt.

Da ich aber ein paar mehr Teile bestellt habe, um Versandkosten zu sparen, kann ich mir noch ein paar DIY-Powerbanks bei Bedarf basteln, löten und drucken.