Аккумуляторный инструмент мобильнее и удобнее в использовании по сравнению со своими сетевыми собратьями. Но не надо забывать и о существенном недостатке аккумуляторного инструмента, это как вы сами понимаете недолговечность батарей питания. Покупать отдельно новые аккумуляторы сопоставимо по цене с приобретением нового инструмента.
После четырех лет службы мой первый шуруповерт, а точнее батареи стали терять емкость. Для начала я из двух батарей собрал одну выбрав рабочие «банки», но и этой модернизации хватило ненадолго. Переделывал свой шуруповерт на сетевой - оказалось очень неудобно. Пришлось, купить такой же, но новый 12 вольтовый «Интерскол ДА-12ЭР». Батареи в новом шуруповерте прослужили еще меньше. В итоге два исправных шуруповерта и не одной рабочей батареи.
На просторах интернета много пишут, как решить данную проблему. Предлагается переделать отслужившие свой срок Ni-Cd батареи на Li-ion аккумуляторы типоразмера 18650. На первый взгляд ничего сложного в этом нет. Удаляешь из корпуса старые Ni-Cd батареи и устанавливаешь новые Li-ion. Но оказалось не все так просто. Ниже описано, на что следует обратить внимание при модернизации аккумуляторного инструмента.
Для переделки потребуется:
Начну с литий ионных аккумуляторов 18650. Приобретались на .
Номинальное напряжение элементов 18650 - 3,7 В. По заявлению продавца емкость 2600мАч, маркировка ICR18650 26F, габариты 18 на 65 мм.
Преимущества Li-ion батарей перед Ni-Cd - меньшие габариты и вес, при большей емкости, а так же отсутствие так называемого «эффекта памяти». Но у литий ионных батарей есть серьезные недостатки, а именно:
1. Отрицательные температуры резко снижают емкость, что не скажешь про никель кадмиевые батареи. Отсюда вывод – если инструмент часто используется при отрицательных температурах, то замена на Li-ion не решит проблему.
2. Разряд ниже 2,9 - 2,5В и перезаряд выше 4,2В может быть критичным, возможен полный выход из строя. Следовательно, нужна BMS плата для контроля заряда и разряда, если ее не установить, то новые элементы питания быстро выйдут из строя.
В интернете в основном описывают, как переделать 14 вольтовый шуруповерт – он идеально подходит для модернизации. При последовательном соединении четырех элементов 18650 и номинальном напряжении 3,7В. получаем 14,8В. – как раз, что надо, даже при полной зарядке плюс еще 2В это не страшно для электродвигателя. А как быть с 12В инструментом. Возможны два варианта, установить 3 или 4 элемента 18650, если три то вроде бы маловато, особенно при частичном разряде, а если четыре – многовато. Я выбрал четыре и на мой взгляд сделал правильный выбор.
А сейчас про BMS плату, она тоже с AliExpress.
Это так называемая плата контроля заряда, разряда батареи, конкретно в моем случае CF-4S30A-A. Как видно из маркировки рассчитана она для батареи из четырех «банок» 18650 и ток разряда до 30А. Еще в нее встроен так называемый «балансир», который контролирует заряд каждого элемента отдельно и исключает неравномерную зарядку. Для правильной работы платы аккумуляторы для сборки берутся одной емкости и желательно из одной партии.
Вообще в продаже есть великое множество BMS плат с разными характеристиками. На ток ниже 30А брать не советую – плата постоянно будет уходить в защиту и для восстановления работы на некоторые платы нужно кратковременно подать зарядный ток, а для этого нужно вынуть аккумулятор и подключить к зарядному устройству. На плате, которую мы рассматриваем, такого недостатка нет, просто отпускаешь курок шуруповерта и при отсутствии токов короткого замыкания плата включится сама.
Для зарядки переделанного аккумулятора прекрасно подошло родное универсальное зарядное устройство. В последние годы «Интерскол» стал комплектовать свой инструмент универсальными ЗУ.
На фото видно, до какого напряжения BMS плата заряжает мою батарею совместно со штатным зарядным устройством. Напряжение на аккумуляторе после зарядки 14,95В немного выше нужного для 12 вольтового шуруповерта, но это скорее даже лучше. Мой старый шуруповерт стал резвее и мощнее, а опасения что он перегорит, после четырех месяцев использования постепенно развеялись. Вот вроде бы и все основные нюансы, можно приступать к переделке.
Разбираем старую батарею.
Выпаиваем старые банки и оставляем клеммы вместе с термодатчиком. Если удалить и датчик, то при использовании штатного ЗУ оно не включится.
Согласно схеме на фото, спаиваем 18650 элементы в одну батарею. Перемычки между «банками» должны быть выполнены толстым проводом минимум 2,5кв. мм, так как токи при работе шуруповерта большие, а при маленьком сечении резко упадет мощность инструмента. В сети пишут, что паять Li-ion аккумуляторы нельзя так как они боятся перегрева, и рекомендуют соединять при помощи точечной сварки. Паять можно только нужен паяльник по мощней не менее 60 ватт. Самое главное паять надо быстро, чтоб не перегреть сам элемент.
Должно получиться примерно так, чтобы вошло в корпус аккумулятора.
Ну, а что делать тем, у кого инструмент старый? Да всё очень просто: выбросить Ni-Cd банки и заменить их на Li-Ion популярного формата 18650 (маркировка обозначает диаметр 18 мм и длину 65 мм).
Какая нужна плата и какие нужны элементы для переделки шуруповёрта на литий-ион
Итак, вот мой аккумулятор на 9,6 В и ёмкостью 1,3 А·ч. При максимальном уровне заряда он имеет напряжение 10,8 вольт. Литий-ионные элементы имеют номинальное напряжение 3,6 вольта, максимальное – 4,2. Следовательно, для замены старых никель-кадмиевых элементов на литий-ионные мне потребуются 3 элемента, их рабочее напряжение будет 10,8 вольт, максимальное – 12,6 вольт. Превышение номинального напряжения никак не повредит мотору, он не сгорит и при большей разнице, беспокоиться не надо.
Литий-ионные элементы, как это всем давно известно, категорически не любят перезаряд (напряжение выше 4,2 В) и чрезмерный разряд (ниже 2,5 В). При таких превышениях рабочего диапазона элемент очень быстро деградирует. Поэтому литий-ионные элементы всегда работают в паре с электронной платой (BMS – Battery Management System), управляющей элементом и контролирующей как верхнюю, так и нижнюю границу напряжения. Это плата защиты, просто отсоединяющая банку от электрической цепи при выходе напряжения за границы рабочего диапазона. Поэтому помимо самих элементов, потребуется такая плата BMS.
Теперь два важных момента, с которыми я несколько раз неудачно экспериментировал, пока не пришёл к правильному выбору. Это – максимально допустимый рабочий ток самих Li-Ion элементов и максимальный рабочий ток BMS-платы.
В шуруповёрте рабочие токи при высокой нагрузке достигают 10-20 А. Поэтому и элементы нужно покупать такие, которые способны отдавать высокие токи. Лично я успешно пользуюсь 30-амперными элементами 18650 производства Sony VTC4 (ёмкостью 2100 мАч) и и 20-амперными Sanyo UR18650NSX (ёмкостью 2600 мАч). Они нормально работают в моих шуруповёртах. А вот, например, китайские TrustFire 2500 мАч и японские светло-зелёные Panasonic NCR18650B на 3400 мАч не годятся, они на такие токи не рассчитаны. Поэтому не надо гнаться за ёмкостью элементов – даже 2100 мАч более чем достаточно; главное при выборе – не просчитаться с максимально допустимым током разряда.
И точно так же, BMS-плата должна быть рассчитана на высокие рабочие токи. Я видел в Youtube, как народ собирает аккумуляторы на 5-ти или 10-амперных платах – не знаю, лично у меня такие платы при включении шуруповёрта сразу уходили в защиту. По-моему, это выброс денег. Скажу так, что сама фирма Makita ставит в свои аккумуляторы 30-амперные платы. Поэтому я пользуюсь 25-амперными BMS, купленными на Алиэкспрессе. Они стоят около 6-7 долларов и ищутся по запросу «BMS 25A». Поскольку нужна плата на сборку из 3-х элементов, то надо искать такую плату, в названии которой будет «3S».
Ещё один важный момент: у некоторых плат на зарядку (обозначение «С») и нагрузку (обозначение «P») могут идти разные контакты. Например, плата может иметь три контакта: «P-», «P+» и «C-», как на родной макитовской литий-ионной плате. Такая плата нам не подойдёт. Зарядка и разрядка (charge/discharge) должны осуществляться через один контакт! То есть, на плате должно быть 2 рабочих контакта: просто «плюс» и просто «минус». Потому что наше старое зарядное устройство также имеет только два контакта.
В общем, как уже можно было догадаться, я со своими экспериментами выбросил массу денег как на неправильные элементы, так и на неправильные платы, совершив все ошибки, которые можно было совершить. Зато получил бесценный опыт.
Как разобрать аккумулятор шуруповёрта
Как разобрать старый аккумулятор? Есть аккумуляторы, где половинки корпуса крепятся винтами, но есть и на клею. Мои аккумуляторы как раз из последних, и я вообще долгое время считал, что их невозможно разобрать. Оказалось, что возможно, если у тебя есть молоток.
В общем, с помощью интенсивных ударов в периметр кромки нижней части корпуса (молоток с нейлоновой головкой, аккумулятор нужно держать в руке на весу) место склейки успешно разъединяется. Корпус при этом никак не повреждается, я уже 4 штуки так разобрал.
Интересующая нас часть.
От старой схемы нужны только контактные пластины. Они прочно приварены к верхним двум элементам точечной сваркой. Отковырять сварку можно отвёрткой или плоскогубцами, но ковырять надо максимально аккуратно, чтобы не сломать пластик.
Всё почти готово для дальнейшей работы. Кстати, штатные термодатчик и размыкатель я оставил, хотя они уже не особо актуальны.
Но очень даже вероятно, что наличие этих элементов необходимо для нормальной работы штатного зарядного устройства. Поэтому настоятельно рекомендую их сохранить.
Собираем литиево-ионный акумулятор
Вот новые элементы Sanyo UR18650NSX (по этому артикулу их можно найти на Алиэкспрессе) ёмкостью 2600 мАч. Для сравнения, старый аккумулятор имел ёмкость всего 1300 мАч, в два раза меньше.
Надо припаять провода к элементам. Провода нужно брать сечением не менее 0,75 кв.мм, ведь токи у нас будут немалые. Провод с таким сечением нормально работает с токами более 20 А при напряжении 12 В. Паять литий-ионные банки можно, кратковременный перегрев им никак не повредит, это проверено. Но нужен хороший быстродействующий флюс. Я пользуюсь глицериновым флюсом ТАГС. Полсекунды – и всё готово.
Припаиваем другие концы проводов к плате согласно схеме.
На контактные разъёмы батареи я всегда пускаю ещё более толстые провода по 1,5 кв.мм – потому что место позволяет. Прежде чем их припаивать к ответным контактам, на плату надеваю отрезок термоусадочной трубки. Она необходима для дополнительной изоляции платы от аккумуляторных элементов. В противном случае острые края пайки легко могут протереть или проткнуть тонкую плёнку литий-ионного элемента и вызывать замыкание. Можно и не применять термоусадку, но хотя бы что-то изолирующее проложить между платой и элементами совершенно необходимо.
Теперь всё заизолировано как надо.
Контактную часть можно укрепить в корпусе аккумулятора парой капелек супер-клея.
Аккумулятор готов к сборке.
Хорошо, когда корпус на винтах, но это не мой случай, поэтому я просто снова склеиваю половинки «Моментом».
Зарядка батареи производится штатным зарядным устройством. Правда, алгоритм работы меняется.
У меня есть два зарядных устройства: DC9710 и DC1414 T. И работают они теперь по-другому, поэтому я расскажу, как именно.
Зарядное устройство Makita DC9710 и литий-ионная батарея
Раньше заряд аккумулятора контролировало само устройство. При достижении полного уровня оно останавливало процесс и сигнализировало о завершении зарядки зелёным индикатором. Но сейчас контролем уровня и отключением питания занимается установленная нами схема BMS. Поэтому по завершении зарядки красный светодиод на зарядном устройстве просто выключится.
Если у вас именно такое старое устройство – вам повезло. Потому что с ним всё просто. Горит диод – идёт зарядка. Погас – зарядка завершена, аккумулятор полностью заряжен.
Зарядное устройство Makita DC1414 T и литий-ионная батарея
Здесь есть небольшой нюанс, который нужно знать. Это ЗУ поновее и предназначено оно для зарядки более широкого диапазона аккумуляторов от 7,2 до 14,4 В. Процесс зарядки на нём идёт как обычно, горит красный светодиод:
А вот когда аккумулятор (которому в случае NiMH-элементов положено иметь максимальное напряжение 10,8 В) достигнет 12 вольт (у нас же Li-Ion элементы, у которых максимальное суммарное напряжение может составлять 12,6 В), заряднику снесёт крышу. Потому что он не поймёт, какой именно аккумулятор он заряжает: то ли 9,6-вольтовый, то ли 14,4-вольтовый. И в этот момент Makita DC1414 войдёт в режим ошибки, попеременно мигая красным и зелёным светодиодом.
Это нормально! Ваша новая батарея всё равно зарядится – правда, не до конца. Напряжение будет составлять примерно 12 вольт.
То есть какую-то часть ёмкости с этим зарядным устройством вы упустите, но мне кажется, это можно пережить.
Итого модернизация аккумулятора обошлась примерно в 1000 рублей. Новый макитовский Makita PA09 стоит в два раза дороже. Причём мы в итоге получили вдвое большую ёмкость, а дальнейший ремонт (в случае нескорого выхода из строя) будет заключаться только в замене литий-ионных элементов.
Имеет смысл. Преимуществом является то, что они имеют большую электрическую плотность. В результате, установив такое устройство в корпус шуруповерта, мы сможем достичь увеличения продолжительности работы инструмента во много раз. Ток зарядки у литиевых аккумуляторов высокой мощности, в особенности у новых модификаций она может достигать 1-2 С. Подзарядить такой прибор можно за 1 час, при этом не завышая рекомендуемые производителем параметры и не портя качество изделия.
Как выглядят литиевые аккумуляторы?
Большинство устройств из лития заключено в призматический корпус, но некоторые модели обладают цилиндрической формой. В таких батареях применяются рулонные электроды и сепараторы. Корпус производится из алюминия или стали. Положительный полюс выходит на корпусную крышку.
В призматических конфигурациях электроды имеют вид прямоугольных пластин. Для обеспечения безопасности в батарее предусмотрено устройство, выступающее регулятором всех процессов и размыкающее электрическую цепь при критических ситуациях. Повышенная герметизация корпуса не дает вытекать наружу электролиту и проникать внутрь кислороду и влаге.
Какие меры следует соблюдать, чтобы не повредить литиевый аккумулятор?
- В силу ограничений технологии показатель заряженности литиевых аккумуляторов не должен быть выше 4,25-4,35 В. Разряд не должен доходить до показателя 2,5-2,7. Это условие указывается в техническом паспорте для каждой конкретной модели. При завышении этих значений вы можете вывести устройство из строя. Применяются специальные контроллеры зарядки и разрядки, которые сохраняют напряжение на литиевой ячейке в пределах нормы. Переделка шуруповерта на литиевый аккумулятор с контроллером защитит устройство от сбоя в работе.
- Показатель напряжения литиевых аккумуляторов кратен 3,7 В (3,6 В). У Ni-Mh-моделей этот показатель составляет 1,2 В. Это явление объяснимо. в литиевых устройствах сохраняется на отдельной ячейке. Литиевый аккумулятор 12 вольт никогда собран не будет. Номинал будет составлять 11,1 В (три последовательные ячейки) или 14,8 В (четыре последовательные ячейки). Помимо этого, показатель напряжения литиевой ячейки меняется при работе при полной зарядке на 4,25 В, а при полной разрядке - на 2,5 В. Показатель напряжения 3S (3 serial - три последовательных соединения) будет изменяться при функционировании приспособления от 12,6 В (4,2х3) до 7,5 В (2,5х3). Для 4S-конфигурации этот показатель колеблется от 16,8 до 10 В.
- Переделка шуруповерта на литиевые аккумуляторы 18650 (подавляющее большинство изделий обладает именно этим размером) требует учета разницы в габаритах с Ni-Mh-ячейками. Диаметр ячейки 18 650 равен 18 мм, а высота составляет 65 мм. Очень важно подсчитать, какое количество ячеек поместится в корпусе. При этом следует помнить, что для модели с мощностью 11,1 В вам будет нужно количество ячеек, кратное трем. Для модели с мощностью 14,8 В — четырем. Еще должен поместиться контроллер и коммутационные провода.
- Устройство для зарядки для аккумулятора на основе лития отличается от приспособления для Ni-Mh-модификаций.
В статье будет рассмотрено, как происходит переделка шуруповерта на литиевые Инструмент укомплектован парой Ni-Mh-аккумуляторных батарей с показателем напряжения 12 В и емкостью 2,6 Ач. Будет рассмотрена переделка шуруповерта Hitachi. Литиевые аккумуляторы обеспечат прибору долговременную службу.
Выбираем номинальное напряжение
В первую очередь следует определиться с выбором показателя номинала напряжения для устройства на основе лития. Выбор следует осуществить между 3S-моделью (диапазон ее напряжения составляет от 12,6 до 7,5 В) и 4S-Li-Ion-батареей (диапазон напряжения - от 16,8 до 10 В).
Преимущества второго варианта
Второй вариант является более подходящим, потому что напряжение в батарее довольно быстро падает с максимального показателя до минимального (с 16,8 до 14,8 В). Для электрического мотора, чем, собственно говоря, и является шуруповерт, превышение в 2,8 В не является критичной отметкой.
Самый низкий показатель напряжения у 3S-Li-Ion-модификации. Он равен 7,5 В, что является недостаточным для нормального функционирования электрического приспособления. Смонтировав четыре конфигурации, мы увеличим аккумулятора.
Как определиться с выбором литиевых ячеек?
Чтобы осуществить выбор ячеек на основе лития, следует наметить ограничительные факторы. В настоящее время производятся литиевые устройства с допустимым значением нагрузки тока в 20-25 А.
Импульсные значения тока (непродолжительные, до 1-2 сек) достигают 30-35 А. Конфигурация аккумулятора не будет нарушена.
Сколько ячеек поместится в корпус?
Собрать 4S2P (четыре последовательных соединения и два параллельных) не получится. Переделка шуруповерта на литиевые аккумуляторы 18650 предполагает наличие восьми ячеек. Как же им уложиться в четыре? На каждую ячейку ляжет максимальная нагрузка тока.
Как определить показатель максимального тока в шуруповерте?
Переделка 12В шуруповерта на литиевые аккумуляторы предполагает подсоединение устройства к лабораторному источнику питания с показателем максимального тока в 30 А. Регулятор ограничителя ставится на максимальное значение. Создав уровень напряжения источника питания близким к номинальному показателю будущего аккумулятора, начинаем плавное нажатие на курок. Ток, который потребляется шуруповертом, поднимется до отметки 5 А. Теперь следует резко нажать на курок. Это закоротит цепь питания. Ток достигнет мощности 20-30 А. Возможно, его показатель был бы гораздо выше, но мощность источника питания не даст это зафиксировать. Это будет непродолжительный ток нагрузки при резком нажатии на курок шуруповерта. Любая модель такого прибора отреагирует аналогично.
Далее следует зажать наконечник шуруповерта тисками и пронаблюдать, до какого значения повысится ток потребления при режиме работы, когда в шуруповерте сработает трещотка. Показатель тока в этом случае возрастает до 10-12 А.
Так можно определиться с величиной тока нагрузки. В этом случае он будет равен 5 А на холостом ходу и 30 А при резком начале, а при максимальной нагрузке составит 12 А. Изготовитель должен выбрать литиевые ячейки, номинальный показатель тока нагрузки которых будет составлять 10-20 А, а импульсный — 25-30 А.
Как выбрать контроллер?
Итак, происходит переделка шуруповерта на литиевые аккумуляторы. Штатная зарядка для устройства требуется обязательно. При выборе контроллера учтите, что прибор должен соответствовать двум параметрам:
- показателю номинального рабочего напряжения;
- показателю номинального рабочего тока.
С напряжением все предельно ясно: если батарея 11,1 В, то и контроллер будет с таким же напряжением.
Понятие «номинальный рабочий ток» подразумевает пропускную способность защиты платы. Таким образом, контроллер на 4 А рассчитан на отметку тока 4 А, а при показателе 8 А на него ложится дополнительная нагрузка. В этом случае сработает защитное устройство. Все эти технические данные изложены в паспорте каждой модификации контроллера. При этом одна модификация может обладать показателем тока ограничения 30 А, а другая — 50 А. И оба эти устройства формально будут пригодны для функционирования. Также при создании литиевого аккумулятора имеется ограничение в габаритах. Поэтому следует приобретать такой контроллер, который уместится в корпусе старой батарейки.
Разборка и сборка
Переделка шуруповерта на литиевые аккумуляторы включает следующие этапы:
- Следует вскрыть старый аккумулятор, отвинтив пять шурупов.
- Извлечь из корпуса Ni-Mh-батарею. Будет заметно, что контактная площадка, входящая в зацепление с контактной группой шуруповерта, приварена к минусовому контакту одной из Ni-Mh-ячеек. Точки сварки следует обрезать посредством инструмента с вмонтированным в него отрезным камнем
- К контактам припаиваются провода, сечение которых составляет не меньше 2 мм 2 для силовых выводов и 0,2 мм 2 для терморезистора. Контактная площадка вклеивается в корпус аккумулятора посредством термоклея.
- По показателю внутреннего сопротивления на измерителе подбираются четыре ячейки. Значение должно быть одним и тем же для всех четырех приборов.
- Литиевые ячейки склеиваются термоклеем так, чтобы они располагались в корпусе компактно.
- Сварка ячеек проводится на станке для контактной сварки посредством сварочной ленты из никеля (показатель ее сечения должен быть равен 2Х10 мм).
Установка платы защиты
Этот этап может показать, насколько облегчена конструкция аккумулятора из лития. Вес устройства Ni-Mh был равен 536 г. Вес нового устройства из лития равен 199 г, что будет вполне ощутимо. В весе удалось выиграть 337 г. При этом наблюдается увеличение энергетической емкости.
Батарея монтируется в корпус. Пустоты заполняются мягким материалом от упаковки.
Подключение к шуруповерту
- Резкое нажатие на курок провоцирует срабатывание защитного механизма по току. Но на самом деле такой защитный режим вряд ли будет нужен при пользовании инструментом. Если не провоцировать защиту специально, то работа шуруповерта будет отличаться стабильностью.
- Наконечник следует зажать в тиски. Мощность батареи свободно вызывает срабатывание трещотки, которая ограничивает увеличение количества оборотов кручения.
- шуруповерта разряжается на Показатель тока разряда должен равняться 5 А.
- Аккумулятор вставляется в штатное ЗУ. Показатель тока заряда при измерении равен 3 А, что допустимо для литиевых ячеек. Для конфигурации LG INR18650HG2 максимальным током заряда станет 4 А, что указано в технической характеристике.
Сколько времени требуется на замену аккумуляторов?
Переделка шуруповерта на литиевые аккумуляторы займет примерно 2 часа. Если будет осуществлена проверка всех параметров, тогда понадобится 4 часа.
Все можно сделать самостоятельно, без помощи другого человека. Но контактную сварку и выбор аккумуляторов без специализированного оборудования не провести.
Чем можно еще тестировать степень заряженности кроме контролера?
Осуществлена переделка шуруповерта на литиевые аккумуляторы. Штатная зарядка, встроенная в корпус, является идеальным вариантом. Но стоимость контроллера достаточно высокая. Обойдется прибор в 30 $, что равнозначно стоимости самого аккумулятора.
Чтобы провести тестирование уровня заряда аккумулятора из лития на ходу, не применяя зарядное устройство, можно использовать специальный индикатор RC helicopter lipo battery AKKU portable voltage meter tester alarm 2-6S AOK. Стоимость прибора очень низкая. Он имеет аналогичный устройству iMax6 разъем балансировки и зарядки. К батарее устройство подключается посредством переходника. Это приспособление для контроля уровня напряжения является очень удобным. Оно может замерить от двух до шести соединенных между собой последовательно ячеек из лития, а также выдать суммарный показатель или напряжение каждого элемента в отдельности с предельной точностью.
Сколько будет стоить замена Ni-Mh на литиевое устройство?
Каких денежных затрат потребует переделка шуруповерта на литиевый аккумулятор?
Цена на такое устройство складывается из стоимости нескольких составляющих:
- конфигурация 4S-аккумулятора на основе лития стоит 2200 р.;
- покупка контролера для зарядки и разрядки плюс балансира обходится в 1240 р.;
- стоимость сварочной работы и сборки составляет 800 р.
Получается, что литиевый аккумулятор, сделанный своими руками, обоходится в 4240 р.
Для сравнения возьмем аналогичную конфигурацию из лития фабричного производства. К примеру, устройство Makita 194065-3 предназначено для шуруповерта. Оно обладает аналогичными параметрами. Стоимость такого прибора составляет 6500 р. Получается, что переделка шуруповерта на литиевые аккумуляторы экономит 2300 р.
Давно не было обзора переделки шуруповерта на литий:)
Обзор посвящен в основном плате BMS, но будут ссылки и еще на некоторые мелочи, задействованные в переводе моего старого шуруповерта на литиевые батареи формата 18650.
Коротко - эту плату брать можно, после небольшого допиливания она вполне нормально работает в шуруповерте.
ЗЫ: много текста, картинки без спойлеров.
P.S. Обзор почти юбилейный на сайте - 58000-й, если верить адресной строке браузера;)
Зачем все это
Трудится у меня уже несколько лет купленный в строймаге по дешевке безымянный двухскоростной шуруповерт на 14.4 вольта. Точнее, не прям совсем безымянный - на нем проставлена марка этого строймага, но и не какой-то именитый. На удивление живуч, до сих пор не сломался и выполняет все, что я от него требую - и сверление, и закручивание-раскручивание шурупов, и как намотчик трудится:)
Но вот его родные NiMH аккумуляторы так долго работать не захотели. Один из двух комплектных окончательно сдох год назад после 3 лет эксплуатации, второй в последнее время уже не жил, а существовал - полной зарядки хватало на 15-20 минут работы шуруповерта с перерывами.
Сначала я хотел обойтись малыми силами и просто заменить старые банки на такие же новые. Купил вот эти у вот этого продавца -
Они отлично работали (хотя и немного хуже родных) целых два или три месяца, после чего сдохли быстро и полностью - после полного заряда их не хватало даже на закрутить десяток шурупов. Не рекомендую брать у него аккумуляторы - хотя емкость изначально соответствовала обещанной, долго они не протянули.
И я понял, что придется все-таки заморочиться.
Ну и теперь о главном:)
Повыбирав на Али из предлагаемых плат BMS, остановился на обозреваемой, по ее размерам и параметрам:- Модель: 548604
- Отключение по перезаряду при напряжении: 4.28+ 0.05 V (на ячейку)
- Восстановление после отключение по перезаряду при напряжении: 4.095-4.195V (на ячейку)
- Отключение по переразряду при напряжении: 2.55±0.08 (на ячейку)
- Задержка отключения по перезаряду: 0.1s
- Температурный диапазон: -30-80
- Задержка отключения по КЗ: 100ms
- Задержка отключения по превышению тока: 500 ms
- Ток балансировки ячеек: 60mA
- Рабочий ток: 30A
- Максимальный ток (срабатывание защиты): 60A
- Работа защиты по КЗ: самовосстановление после отключения нагрузки
- Размеры: 45x56mm
- Основные функции: защита от перезаряда, защита от переразряда, защита от КЗ, защита от перегрузки по току, балансировка.
Все компоненты платы размещены на одной стороне:
Вторая сторона пустая и покрыта белой маской:
Часть, отвечающая за балансировку при заряде:
Эта часть отвечает за защиту ячеек от перезаряда/переразряда и она же отвечает за общую защиту от КЗ:
Мосфеты:
Собрано аккуратно, откровенных разводов флюса нет, вид вполне приличный. В комплекте шел хвост с разъемом, был сразу воткнут в плату. Длина проводов в этом разъеме - около 20-25 см. К сожалению, сразу его не сфотографировал.
Что еще заказал именно для этой переделки:
Аккумуляторы -
Никелевые полоски для спайки аккумуляторов: (да, знаю, что можно спаять и проводами, но полосками будет занято меньше пространства и получится эстетичнее:)) Да и изначально я хотел даже собрать контактную сварку (не только для этой переделки, конечно), поэтому и заказал полоски, но лень победила и пришлось паять.
Выбрав свободный день (точнее, нагло послав все остальные дела подальше), я взялся за переделку. Для начала разобрал батарею со сдохшими китайскими аккумуляторами, выкинул аккумуляторы и тщательно замерил пространство внутри. После чего сел рисовать держатель батарей и платы в 3D-редакторе. Плату тоже пришлось нарисовать (без подробностей) чтобы примерить все в сборе. Получилось как-то так:
По задумке плата крепится сверху, одной стороной в пазы, вторая сторона зажимается накладкой, сама плата серединой лежит на выступающей плоскости, чтобы при ее прижатии она не прогибалась. Сам держатель сделан такого размера, чтобы плотно сидеть внутри корпуса батареи и не болтаться там.
Сначала подумывал сделать пружинные контакты для аккумуляторов, но отказался от этой мысли. Для больших токов это не лучший вариант, поэтому оставил в держателе вырезы для никелевых полосок, которыми аккумуляторы будут спаяны. Так же оставил вертикальные вырезы для проводов, которые должны выходить от межбаночных соединений за пределы крышки.
Поставил печататься на 3D-принтере из ABS и через несколько часов все было готово:)
Прикручивание всего навесного я решил не доверять шурупам и вплавил в корпус вот такие вставные гаечки М2.5:
Брал тут -
Отличная вещь для подобного применения! Вплавляется не спеша паяльником. Чтобы пластик не набился внутрь при вплавлении в глухие отверстия, я вкручивал в эту гайку болтик подходящей длины и грел его шляпку жалом паяльника с большой каплей олова для лучшей теплопередачи. Отверстия в пластике под эти гайки оставляются чуть меньше (на 0.1-0.2 мм) диаметра внешней гладкой (средней) части гайки. Держатся очень крепко, можно сколько угодно вкручивать-выкручивать болтики и не особо стесняться с усилием затяжки.
Для того чтобы иметь возможность побаночного контроля и, при необходимости, зарядки с внешней балансировкой, в задней стенке батареи будет торчать 5-контактный разъем, для которого я быстро накидал платку и изготовил ее на станке:
В держателе предусмотрена площадка для этой платки.
Как я уже писал, аккумуляторы я спаивал никелевыми полосками. Увы, этот метод не лишен недостатков и один из аккумуляторов возмутился таким обращением с ним настолько, что оставил на своих контактах только 0.2 вольта. Пришлось его выпаивать и паять другой, благо брал их с запасом. В остальном никаких трудностей не возникло. С помощью кислоты лудим контакты аккумулятора и нарезанные по нужной длине никелевые полоски, потом тщательно протираем ватой со спиртом (но можно и с водой) все залуженное и вокруг него, и паяем. Паяльник должен быть мощным и либо уметь очень резво реагировать на остывание жала, либо просто иметь массивное жало, которое не остынет мгновенно при контакте с массивной железкой.
Очень важно: во время пайки и при всех последующих операциях со спаянным блоком аккумуляторов нужно внимательнейшим образом следить за тем, чтобы не замкнуть какие-либо контакты аккумуляторов!
Кроме того, как указал в комментариях ybxtuj
, очень желательно паять их разряженными, и я абсолютно согласен с ним, так последствия будут легче если все-таки что-то замкнется. КЗ такой батареи, даже разряженной, может привести к большим неприятностям.
К трем промежуточным соединениям между аккумуляторами припаял провода - они пойдут на разъем платы BMS для контроля за банками и на внешний разъем. Забегая вперед, хочу сказать, что с этими проводами я проделал немного лишней работы - их можно не вести к разъему платы, а припаять к соответствующим контактам B1, B2 и B3. Эти контакты на самой плате соединены с контактами разъема.
Кстати, я везде использовал провода в силиконовой изоляции - совершенно не реагируют на нагрев и очень гибкие. Покупал на Ебее нескольких сечений, но точную ссылку уже не помню… Очень они мне нравятся, но есть и минус - силиконовая изоляция не слишком прочна механически и легко повреждается острыми предметами.
Примерил аккумуляторы и плату в держателе - все превосходно:
Примерил платку с разъемом, дремелем выпилил в корпусе батареи отверстие под разъем… и промахнулся по высоте, не от той плоскости взял размер. Получилась приличная такая щель:
Теперь остается спаять все в кучу.
На свою платку припаял идущий в комплекте хвост, обрезав его по нужной длине:
Туда же впаял провода от межбаночных соединений. Хотя, как я уже писал, можно было припаять их на соответствующие контакты платы BMS, но тут есть и неудобство - чтобы вытащить аккумуляторы нужно будет отпаивать от BMS не только плюс и минус, но и еще три провода, а сейчас можно просто выдернуть разъем.
Немного повозиться пришлось с контактами батареи: в родном исполнении пластиковая деталь (держащая контакты) внутри ножки батареи поджимается одним аккумулятором, стоящим прямо под ней, а сейчас пришлось думать чем эту деталь зафиксировать, да так чтобы не намертво. Вот эта деталь:
В конце концов взял кусок силикона (остался от заливки какой-то формы), отрезал от него примерно подходящий кусок и вставил в ножку, поджав ту деталь. Заодно этот же кусок силикона прижимает держатель с платой, ничего болтаться не будет.
На всякий случай проложил поверх контактов каптоновую изоленту, провода прихватил несколькими соплями каплями термоклея, чтобы они не попали между половинками корпуса при его сборке.
Зарядка и балансировка
Зарядку я оставил родную от шуруповерта, она как раз выдает на холостом ходу около 17 вольт. Правда, зарядка тупа и никакой стабилизации тока или напряжения в ней нет, есть только таймер, отключающий ее примерно через час после начала заряда. Ток выдает около 1.7А, что хоть и многовато, но допустимо для этих аккумуляторов. Но это пока я не доделаю ее до нормальной, со стабилизацией тока и напряжения. Потому что сейчас плата отказывается балансировать одну из ячеек, имевшую изначально заряд на 0.2 вольта больше. BMS отключает заряд когда напряжение на этой ячейке доходит до 4.3 вольта, соответственно на остальных оно остается в пределах 4.1 вольта.Читал где-то утверждение, что эта BMS нормально балансирует только с зарядкой CV/CC, когда ток под конец заряда постепенно снижается. Возможно, это так и есть, так что впереди меня ждет модернизация зарядки:)
Разряжать до конца не пробовал, но уверен, что защита по разряду сработает. На Ютубе есть ролики с тестами этой платы, все работает как положено.
А теперь о граблях
Все банки заряжены до 3.6 вольт, все готово к запуску. Вставляю батарею в шуруповерт, нажимаю курок и… Уверен, что не один человек, знакомый с этими граблями, сейчас подумал «И хрен стартанул у тебя шуруповерт»:) Абсолютно верно, шуруповерт слегка дернулся и все. Отпускаю курок, нажимаю снова - то же самое. Нажимаю плавно - стартует и разгоняется, но стоит стартануть его чуть порезче - отказ.«Вот же...», подумал я. Китаец, наверное, указал в спецификации китайские амперы. Ну да ладно, у меня есть отличная толстая нихромовая проволока, сейчас я напаяю ее кусок поверх резисторов-шунтов (стоят два по 0.004 Ома в параллель) и настанет мне если и не счастье, то хотя бы какое-то улучшение ситуации. Улучшение не настало. Даже когда я вообще исключил из работы шунт, просто припаяв минус батареи после него. То есть не то что улучшений не настало, а не настало вообще никаких изменений.
И вот тогда я полез в инет и обнаружил, что копирайт на эти грабли мне не светит - они давно уже исхожены другими. Но вот решения как-то не было видно, кроме кардинального - покупать плату, подходящую именно для шуруповертов.
И решил я попробовать все же доковыряться до корня проблемы.
Предположения что срабатывает защита от перегрузки при пусковых токах я отмел, так как даже без шунта ничего не менялось.
Но все же посмотрел осциллографом на самодельном шунте 0.077 ома между аккумуляторами и платой - да, ШИМ видно, резкие пики потребления с частотой примерно 4 кГц, через 10-15 мс после начала пиков плата отрубает нагрузку. Но эти пики показывали меньше 15 ампер (исходя из сопротивления шунта), так что точно дело не в токовой перегрузке (как оказалось впоследствии, это не совсем верно). Да и керамическое сопротивление 1 Ом не вызывало отключения, а ведь ток тоже под 15 ампер.
Был еще вариант кратковременной просадки на банках при пуске, от чего срабатывает защита от переразряда и я полез смотреть что творится на банках. Ну да, там ужас творится - пиковая просадка до 2.3 вольта на всех банках, но она очень короткая - меньше миллисекунды, тогда как плата обещает ждать сотню миллисекунд перед тем как врубит защиту от переразряда. «Китайцы указали китайские миллисекунды», подумал я и полез смотреть схему контроля напряжения банок. Оказалось, что в ней стоят RC-фильтры, сглаживающие резкие изменения (R=100 Om, C=3.3 uF). После этих фильтров - уже на входе микросхем, контролирующих банки, просадка была поменьше - всего до 2.8 вольт. Кстати, вот даташит на микросхемы контроля банок на этой плате DW01B -
По даташиту время реакции на переразряд тоже немалое - от 40 до 100 мс, что не вписывается в картину. Но ладно, предположить больше нечего, поэтому поменяю-ка я сопротивления в RC-фильтрах со 100 Ом на 1 кОм. Это кардинально улучшило картину на входе микросхем, просадок меньше 3.2 вольт там больше не было. Но ничуть не изменило поведение шуруповерта - чуть более резкий старт - и затык.
«Пойдем простым логическим ходом»©. Отрубать нагрузку могут только эти микросхемы DW01B, которые контролируют все параметры разряда. И я просмотрел осциллографом управляющие выходы всех четырех микросхем. Все четыре микросхемы никаких попыток отключить нагрузку при старте шуруповерта не делают. А с затворов мосфетов управляющее напряжение пропадает. Или мистика или китайцы что-то навертели в простой схеме, которая должна быть между микросхемами и мосфетами.
И начал я реверс-инжиниринг этой части платы. С матюками и бегая от микроскопа к компьютеру.
Вот что нарисовалось в итоге:
В зеленом прямоугольнике - это сами аккумуляторы. В синем - ключи с выходов микросхем защиты, тоже ничего интересного, в нормальной ситуации их выходы на R2,R10 просто «висят в воздухе». Самая интересная часть - в красном квадрате, вот тут-то, как оказалось, собака и порылась. Мосфеты я нарисовал по одному для упрощения, левый отвечает за разряд в нагрузку, правый за заряд.
Насколько я понял, причина отключения в резисторе R6. Через него организована «железная» защита от токовой перегрузки за счет падения напряжения на самом мосфете. Причем эта защита работает как триггер - стоит напряжению на базе VT1 начать повышаться, как он начинает снижать напряжение на затворе VT4, от чего тот начинает снижать проводимость, на нем повышается падение напряжения, что приводит к еще большему увеличению напряжения на базе VT1 и пошел лавинообразный процесс, приводящий к полному открытию VT1 и, соответственно, закрытию VT4. Почему это происходит при пуске шуруповерта, когда пики тока не достигают и 15А, тогда как постоянная нагрузка в 15А работает - я не знаю. Возможно тут играет роль емкость элементов схемы или индуктивность нагрузки.
Для проверки я сначала сделал симуляцию этой части схемы:
И вот что получил по результатам ее работы:
По оси X - время в миллисекундах, по Y - напряжение в вольтах.
На нижнем графике - включение нагрузки (на цифры по Y можно не смотреть, они условны, просто вверх - нагрузка включена, вниз - выключена). Нагрузкой является сопротивление 1 Ом.
На верхнем графике красным - ток нагрузки, синим - напряжение на затворе мосфета. Как видно, напряжение на затворе (синим) снижается с каждым импульсом тока нагрузки и в конце концов падает до нуля, а значит нагрузка отключается. И не восстанавливается даже когда нагрузка перестает пытаться что-то потреблять (после 2 миллисекунд). И хотя здесь применены другие мосфеты с другими параметрами, картина один в один как в плате BMS - попытка старта и отключение через считанные миллисекунды.
Ну что ж, примем это за рабочую гипотезу и вооружившись новыми знаниями попробуем разгрызть этот кусок науки китайца:)
Тут есть два варианта:
1. Поставить небольшой конденсатор параллельно резистору R1, это:
Конденсатор 0.1 мкф, по симуляции можно и меньше, до 1 нф.
Результат симуляции в таком варианте:
2. Убрать вообще резистор R6:
Результат симуляции этого варианта:
Я попробовал оба варианта - оба работают. Во втором варианте шуруповерт не отключается ни при каких обстоятельствах - старт, блокировка вращения - крутит (или изо всех сил пытается). Но как-то не совсем спокойно жить с отключенной защитой, хотя еще и остается защита от КЗ на микросхемах.
При первом варианте шуруповерт уверенно стартует при любом нажатии. Добиться отключения я смог только когда стартовал его на второй скорости (повышенная для сверления) с заблокированным патроном. Но и то он довольно сильно дергает перед отключением. На первой скорости я не смог добиться его отключения. Этот вариант я и оставил себе, меня он полностью устраивает.
На плате даже есть пустые места для компонентов и одно из них как будто специально предназначено для этого конденсатора. Рассчитано оно под размер SMD 0603, сюда я и впаял 0.1 мкф (обвел его красным):
ИТОГ
Плата вполне оправдала ожидания, хотя и преподнесла сюрприз:)Плюсы и минусы расписывать не вижу смысла, все это в ее параметрах, укажу только одно достоинство: совершенно незначительная доработка превращает эту плату в полноценно работающую с шуруповертами:)
ЗЫ: блин, я шуруповерт переделывал меньше времени, чем писал этот обзор:)
ЗЗЫ: возможно меня поправят в чем-то более опытные в силовой и аналоговой схемотехнике товарищи, сам-то я цифровик и аналог воспринимаю через пень колоду:)
У многих мастеров на службе имеется аккумуляторный шуруповерт. Со временем батарея деградирует и все меньше и меньше держит заряд. Износ аккумулятора очень сильно влияет на время автономной работы. Постоянная подзарядка не выручает. В данной ситуации помогает «перепаковка» аккумулятора такими же элементами. Самые часто используемые элементы в аккумуляторах шуруповерта, это типа размер «SC». Но самое ценное у мастера, это ремонт своими руками.
Переделаем шуруповерт с батареей на 14.4 вольта. В шуруповертах часто используют мотор на широкий диапазон питающего напряжения. Так что в данном случае можно применить всего три Li-ion ячейки формата 18650. Платы контроля использовать не буду. Разряд элементов будет видно в работе. Как только не закручивается саморез, например, пора ставить на зарядку.
Переделка шуруповерта на Li-ion без платы BMS
Для начала разбираем нашу батарею. Внутри ее находится 12 элементов. 10 штук в один ряд и 2 во втором ряду. Ко второму ряду элементов приварена контактная группа. Оставляем пару элементов с контактной группой, остальное утилизируем.
Теперь нужно припаять провода для дальнейшей работы. Контакты оказались из материала, который не получается залудить, поэтому припаиваем провода к элементам. Минус к корпусу элемента, а плюс непосредственно к плюсовому пятачку. Старые элементы выполняют роль опоры в работе не участвуют.
Применять буду литий-ионные аккумуляторы формата 18650. Элементы бу. Нужны для доработки высоко-токовые элементы. Я свои элементы «переодел» в термо-усадку от Sanyo, старая была изрядно потрепанная. Проверил остаточную емкость Imax.
Соединяем аккумуляторы последовательно и припаиваем элементы головы. Аккумулятор практически готов.
Теперь обеспечим комфортную зарядку. Нужно установить разъем на четыре контакта. Я применил разъем со старой материнской платы на нужное мне количество контактов. Ответную часть взял со старого компьютерного блока питания.
Вырезаем отверстие под разъем. Разъем заливаем эпоксидным клеем или супер клеем с содой. Так же припаиваем провода.
Припаиваем провода к элементам. Провод с первого контакта разъема на плюс батареи. Провод со второго контакта разъема на плюс второго элемента, он же минус первого элемента и так далее. Так как заряжать буду «умным» зарядным устройством, то нужно сделать балансировочный провод.
В качестве разъема для подключения к зарядному устройству, буду использовать провод от блока питания компьютера. Провод через который запитывался флоппи дисковод. Отрезаем все ключи с разъема и он прекрасно подходит под зарядное. Распаивается просто. Красный провод к первому контакту разъема аккумулятора. Черный провод ко второму контакту разъема аккумулятора и т. д.
