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.
Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о двух простеньких платках, предназначенных для контроля за сборками Li-Ion аккумуляторов, именуемые BMS. В обзоре будет тестирование, а также несколько вариантов переделки шуруповерта под литий на основе этих плат или подобных. Кому интересно, милости прошу под кат.
Update 1, Добавлен тест рабочего тока плат и небольшое видео по красной плате
Update 2, Поскольку тема вызвала небольшой интерес, поэтому постараюсь дополнить обзор еще несколькими способами переделки шурика, чтобы получился некий простенький FAQ
Общий вид:
Краткие ТТХ плат:
Примечание:
Сразу же хочу предупредить – с балансиром только синяя плата, красная без балансира, т.е. это чисто плата защиты от перезаряда/переразряда/КЗ/высокого нагрузочного тока. А также вопреки некоторым убеждениям ни одна из них не имеет контроллера заряда (CC/CV), поэтому для их работы необходима специальная платка с фиксированным напряжение и ограничением тока.
Габариты плат:
Размеры плат совсем небольшие, всего 56мм*21мм у синей и 50мм*22мм у красной:
Вот сравнение с аккумуляторами АА и 18650:
Внешний вид:
Начнем с :
При более детальном рассмотрении можно увидеть контроллер защиты – S8254AA и компоненты балансировки для 3S сборки:
К сожалению, рабочий ток по заявлению продавца всего 8А, но судя по даташитам один мосфет AO4407A рассчитан на 12А (пиковый 60А), а у нас их два:
Еще отмечу, что ток балансировки совсем небольшой (около 40ma) и активируется балансировка, как только все ячейки/банки перейдут в режим CV (вторая фаза заряда).
Подключение:
попроще, ибо не имеет балансира:
Она также выполнена на основе контроллера защиты – S8254AA, но рассчитана на более высокий рабочий ток в 15А (опять же по заявлениям производителя):
Ходя по даташитам на используемые силовые мосфеты, рабочий ток заявлен 70А, а пиковый 200А, хватит даже одного мосфета, а у нас их два:
Подключение аналогичное:
Итого, как мы видим, на обеих платах присутствует контроллер защиты с необходимой развязкой, силовые мосфеты и шунты для контроля проходящего тока, но в синей есть еще и встроенный балансир. Я особо не вникал в схему, но похоже, что силовые мосфеты запараллелены, поэтому рабочие токи можно умножать на два. Важное примечание - максимальные рабочие токи ограничиваются токовыми шунтами! Про алгоритм заряда (CC/CV) эти платки не знают. В подтверждение тому, что это именно платы защиты, можно судить по даташиту на контроллер S8254AA, в котором о зарядном модуле ни слова:
Сам контроллер рассчитан на 4S соединение, поэтому с некоторой доработкой (судя по даташиту) – подпайкой кондера и резистора, возможно, заработает красная платка:
Синюю платку так просто доработать до 4S не получится, придется допаивать элементы балансира.
Тестирование плат:
Итак, переходим к самому главному, а именно к тому, насколько они пригодны для реального применения. Для тестирования нам помогут следующие приспособления:
- сборный модуль (три трех/четырехрегистровых вольтметра и холдер для трех 18650 аккумуляторов), который мелькал в моем обзоре зарядника , правда, уже без балансировочного хвостика:
- двухрегистровый ампервольтметр для контроля тока (нижние показания прибора):
- понижающий DC/DC преобразователь с токоограничением и возможностью заряда лития:
- зарядно-балансировочное устройство iCharger 208B для разряда всей сборки
Стенд простой - плата преобразователь подает фиксированное постоянное напряжение 12,6V и ограничивает зарядный ток. По вольтметрам смотрим, на каком напряжении срабатывают платы и как отбалансированы банки.
Для начала посмотрим главную фишку синей платы, а именно балансировку. На фото 3 банки, заряженные на 4,15V/4,18V/4,08V. Как видим – разбалансировка. Подаем напряжение, зарядный ток постепенно падает (нижний приборчик):
Поскольку платка не имеет каких-либо индикаторов, то окончание балансировки можно оценить только на глаз. Амперметр за час с лишним до окончания уже показывал по нулям. Кому интересно, вот небольшой ролик о том, как работает балансир в этой плате:
В итоге банки отбалансированы на уровне 4,210V/4,212V/4,206V, что весьма неплохо:
При подаче напряжения чуть большего 12,6V, как я понял, балансир неактивен и как-только напряжение на одной из банок достигнет 4,25V, то контроллер защиты S8254AA отключает заряд:
Такая же ситуация и с красной платой, контроллер защиты S8254AA отключает заряд также на уровне 4,25V:
Теперь пройдемся по отсечке при нагрузке. Разряжать буду, как уже упоминал выше, зарядно-балансировочным устройством iCharger 208B в режиме 3S током 0,5А (для более точных замеров). Поскольку мне не очень хочется ждать разряда всей батареи, поэтому я взял один разряженный аккумулятор (на фото зеленый Самсон INR18650-25R).
Синяя плата отключает нагрузку, как только напряжение на одной из банок достигнет 2,7V. На фото (без нагрузки->перед отключением->окончание):
Как видим, ровно на 2,7V плата отключает нагрузку (продавец заявлял 2,8V). Как мне кажется, немного высоковато, особенно если учитывать тот факт, что в тех же шуруповертах нагрузки огромные, следовательно, и просадка напряжения большая. Все же желательно в таких приборах иметь отсечку под 2,4-2,5V.
Красная плата, наоборот, отключает нагрузку, как только напряжение на одной из банок достигнет 2,5V. На фото (без нагрузки->перед отключением->окончание):
Вот здесь вообще все отлично, но нет балансира.
Update 1: Тест нагрузки:
По току отдачи нам поможет следующий стенд:
- все тот же холдер/держатель для трех 18650 аккумуляторов
- 4-х регистровый вольтметр (контроль общего напряжения)
- автомобильные лампы накаливания в качестве нагрузки (к сожалению, у меня всего 4 лампы накаливания по 65W, больше не имею)
- мультиметр HoldPeak HP-890CN для измерения токов (макс 20А)
- качественные медные многожильные акустические провода большого сечения
Пару слов о стенде: аккумуляторы соединены «вальтом», т.е. как бы друг за другом, для уменьшения длины соединительных проводов, а следовательно и падения напряжения на них при нагрузке будет минимальным:
Соединение банок на холдере («вальтом»):
В качестве щупов для мультиметра выступили качественные провода с крокодилами от зарядно-балансировочного устройства iCharger 208B, ибо HoldPeak’овские не внушают доверие, да и лишние соединения будут вносить дополнительные искажения.
Для начала потестим красную плату защиты, как самую интересную в плане токовой нагрузки. Припаяем силовые и побаночные провода:
Получается что-то типа этого (нагрузочные соединения получились минимальной длины):
Я уже упоминал в разделе о переделке шурика о том, что подобные холдеры не очень предназначены для таких токов, но для тестов пойдет.
Итак, стенд на основе красной платки (по замерам не более 15А):
Коротко поясню: плата держит 15А, но у меня нет подходящей нагрузки, чтобы вписаться в этот ток, поскольку четвертая лампа добавляет еще около 4,5-5А, а это уже за пределами платки. При 12,6А силовые мосфеты теплые, но не горячие, самое то для продолжительной работы. При токах более 15А плата уходит в защиту. Я замерял с резисторами, они добавляли пару ампер, но стенд уже разобран.
Огромный плюс красной платы – нет блокировки защиты. Т.е. при срабатывании защиты ее не нужно активировать подачей напряжения на выходные контакты. Вот небольшой видеоролик:
Немного поясню. Поскольку лампы накаливания в холодном виде имеют низкое сопротивление, да к тому же еще включены параллельно, то платка думает, что произошло короткое замыкание и срабатывает защита. Но благодаря тому, что у платы нет блокировки, можно немного разогреть спиральки, сделав более «мягкий» старт.
Синяя платка держит больший ток, но на токах более 10А силовые мосфеты сильно греются. На 15А платка выдержит не более минуты, ибо через 10-15 секунд палец уже не держит температуру. Благо остывают быстро, поэтому для кратковременной нагрузки вполне подойдут. Все бы ничего, но при срабатывании защиты плата блокируется и для разблокировки необходимо подавать напряжение на выходные контакты. Это вариант явно не для шуруповерта. Итого, ток в 16А держит, но мосфеты очень сильно греются:
Вывод:
лично мое мнение таково, что для электроинструмента отлично подойдет обычная плата защиты без балансира (красная). Она имеет высокие рабочие токи, оптимальное напряжение отсечки в 2,5V, да и легко дорабатывается до конфигурации 4S (14,4V/16,8V). Я считаю – это самый оптимальный выбор для переделки бюджетного шурика под литий.
Теперь по синей платке. Из плюсов – наличие балансировки, но рабочие токи все же небольшие, 12А (24А) это для шурика с крутящим моментом 15-25Нм несколько маловато, особенно когда патрон уже почти стопорит при затяжке самореза. Да и напряжение отсечки всего 2,7V, а это значит, что при сильной нагрузке часть емкости батареи останется невостребованной, поскольку на высоких токах просадка напряжения на банках приличная, да и они рассчитаны на 2,5V. И самый большой минус – плата при сработке защиты блокируется, поэтому применение в шуруповерте нежелательно. Синюю платку лучше использовать в каких-нибудь самоделках, но это опять же, лично мое мнение.
Возможные схемы применения или как переделать питание шурика на литий:
Итак, как же можно переделать питание любимого шурика с NiCd на Li-Ion/Li-Pol? Эта тема уже достаточно заезжена и решения, в принципе, найдены, но я вкратце повторюсь.
Для начала скажу лишь одно – в бюджетных шуриках стоит лишь плата защиты от перезаряда/переразряда/КЗ/высокого нагрузочного тока (аналог обозреваемой красной платы). Никакой балансировки там нет. Более того, даже в некоторых брендовых электроинструментах нет балансировки. Это же относится ко всем инструментам, где есть гордые надписи «Зарядка за 30 минут». Да, они заряжаются за полчаса, но отключение происходит тогда, как только напряжение на одной из банок достигнет номинала или сработает плата защиты. Не трудно догадаться, что банки будут заряжены не полностью, но разница всего 5-10%, поэтому не столь важно. Главное запомнить, заряд с балансировкой идет, как минимум, несколько часов. Поэтому возникает вопрос, а оно вам надо?
Итак, самый распространенный вариант выглядит так:
Сетевое ЗУ со стабилизированным выходом 12,6V и ограничением тока (1-2А) -> плата защиты ->
В итоге: дешево, быстро, приемлемо, надежно. Балансировка гуляет в зависимости от состояния банок (емкость и внутреннее сопротивление). Вполне рабочий вариант, но через некоторое время разбалансировка даст о себе знать по времени работы.
Более правильный вариант:
Сетевое ЗУ со стабилизированным выходом 12,6V, ограничением тока (1-2А) -> плата защиты с балансировкой -> 3 последовательно соединенных аккумулятора
В итоге: дорого, быстро/медленно, качественно, надежно. Балансировка в норме, емкость батареи максимальная
Итого, будем стараться сделать наподобие второго варианта, вот как можно сделать:
1) Li-Ion/Li-Pol аккумуляторы, платы защиты и специализированное зарядно-балансировочное устройство (iCharger, iMax). Дополнительно придется вывести балансировочный разъем. Минусов всего два – модельные зарядники недешевые, да и обслуживать не очень удобно. Плюсы – высокий ток заряда, высокий ток балансировки банок
2) Li-Ion/Li-Pol аккумуляторы, плата защиты с балансировкой, DC преобразователь с токоограничением, БП
3) Li-Ion/Li-Pol аккумуляторы, плата защиты без балансировки (красная), DC преобразователь с токоограничением, БП. Из минусов только то, что со временем появится разбалансировка банок. Для минимизации разбалансировки, перед переделкой шурика необходимо подогнать напряжение к одному уровню и желательно брать банки из одной партии
Первый вариант сгодится только тем, кто имеет модельное ЗУ, но мне кажется, если им нужно было, то они уже давным давно переделали свой шурик. Второй и третий варианты практически одинаковые и имеют право на жизнь. Необходимо лишь выбрать, что важнее – скорость или емкость. Я считаю, что самый оптимальный вариант – последний, но только раз в несколько месяцев нужно балансировать банки.
Итак, хватит болтовни, переходим к переделке. Поскольку я не имею шурика на NiCd аккумах, поэтому о переделке только на словах. Нам будет нужно:
1) Источник питания:
Первый вариант. Блок питания (БП), как минимум, на 14V или больше. Ток отдачи желателен не менее 1А (в идеале около 2-3А). Нам подойдет блок питания от ноутбуков/нетбуков, от зарядных устройств (выход более 14V), блоки для питания светодиодных лент, видеозаписывающей аппаратуры (DIY БП), например или :
- Понижающий DC/DC преобразователь с токоограничением и возможностью заряда лития, например или :
- Второй вариант. Готовые блоки питания для шуриков с токоограничением и выходом 12,6V. Стоят недешево, как пример из моего обзора шуруповерта MNT - :
- Третий вариант. :
2) Плата защиты с балансиром или без оного. То току желательно брать с запасом:
Если использоваться будет вариант без балансира, то необходимо подпаять балансировочный разъем. Это нужно для контроля напряжения на банках, т.е. для оценки разбалансировки. И как вы понимаете, нужно будет периодически дозаряжать батарею побаночно простым зарядным модулем TP4056, если началась разбалансировка. Т.е. раз в несколько месяцев, берем платку TP4056 и заряжаем поочереди все банки, которые по окончании заряда имеют напряжение ниже 4,18V. Данный модуль корректно отрубает заряд на фиксированном напряжении 4,2V. Данная процедура займет час-полтора, зато банки будут более-менее отбалансированы.
Написано немного сумбурно, но для тех, кто в танке:
Через пару месяцев ставим на зарядку батарею шуруповерта. По окончании заряда достаем балансировочный хвостик и меряем напряжение на банках. Если получается что-то вроде этого – 4,20V/4,18V/4,19V, то балансировка, в принципе не нужна. Но если картина следующая – 4,20V/4,06V/4,14V, то берем модуль TP4056 и дозаряжаем поочереди две банки до 4,2V. Другого варианта, кроме специализированных зарядников-балансиров я не вижу.
3) Высокотоковые аккумуляторы:
Я уже ранее писал пару небольших обзоров о некоторых из них – и . Вот основные модели высокотоковых 18650 Li-Ion аккумуляторов:
- Sanyo UR18650W2 1500mah (20А макс.)
- Sanyo UR18650RX 2000mah (20А макс.)
- Sanyo UR18650NSX 2500mah (20А макс.)
- Samsung INR18650-15L 1500mah (18А макс.)
- Samsung INR18650-20R 2000mah (22А макс.)
- Samsung INR18650-25R 2500mah (20А макс.)
- Samsung INR18650-30Q 3000mah (15А макс.)
- LG INR18650HB6 1500mah (30А макс.)
- LG INR18650HD2 2000mah (25А макс.)
- LG INR18650HD2C 2100mah (20А макс.)
- LG INR18650HE2 2500mah (20А макс.)
- LG INR18650HE4 2500mah (20А макс.)
- LG INR18650HG2 3000mah (20А макс.)
- SONY US18650VTC3 1600mah (30А макс.)
- SONY US18650VTC4 2100mah (30А макс.)
- SONY US18650VTC5 2600mah (30А макс.)
Я рекомендую проверенные временем дешевенькие Samsung INR18650-25R 2500mah (20А макс.), Samsung INR18650-30Q 3000mah (15А макс.) или LG INR18650HG2 3000mah (20А макс.). С другими баночками особо не сталкивался, но лично мой выбор - Samsung INR18650-30Q 3000mah. У Лыж был небольшой технологический дефект и начали появляться фейки с заниженной токоотдачей. Статью о том, как отличить фейк от оригинала могу скинуть, но чуть позже, нужно поискать ее.
Как все это хозяйство соединить:
Ну и пару слов о соединении. Используем качественные медные многожильные провода приличного сечения. Это качественные акустические или обычные ШВВП/ПВС сечением 0,5 или 0,75 мм2 из хозмага (вспарываем изоляцию и получаем качественные проводочки разного цвета). Длина соединительных проводников должна быть минимальной. Аккумуляторы, желательны из одной партии. Перед их соединением желательно зарядить их до одного напряжения, чтобы как можно дольше не было разбалансировки. Пайка аккумуляторов не представляет ничего сложного. Главное иметь мощный паяльник (60-80Вт) и активный флюс (паяльная кислота, например). Паяется на ура. Главное потом протереть место пайки спиртом или ацетоном. Сами аккумуляторы размещаются в батарейном отсеке от старых NiCd банок. Располагать лучше треугольником, минус к плюсу или как в народе «вальтом», по аналогии с этим (один аккум будет расположен наоборот), либо чуть выше хорошее пояснение (в разделе тестирование):
Так, соединяющие аккумуляторы провода, получатся короткими, следовательно, падение драгоценного напряжения в них под нагрузкой будет минимальным. Использовать холдеры на 3-4 аккумулятора не рекомендую, не для таких токов они предназначены. Побаночные и балансировочные проводники не так важны и могут быть меньшего сечения. В идеале, аккумы и плату защиты лучше запихать в батарейный отсек, а понижающий DC преобразователь отдельно в док станцию. Светодиодные индикаторы заряд/заряжено можно заменить своими и вывести на корпус докстанции. При желании можно добавить в батарейный модуль минивольтметр, но это лишние деньги, ибо общее напряжение на АКБ только косвенно скажет об остаточной емкости. Но если есть желание, почему бы и нет. Вот :
Теперь прикинем по ценам:
1) БП – от 5 до 7 долларов
2) DC/DC преобразователь – от 2 до 4 долларов
3) Платы защиты - от 5 до 6 долларов
4) Аккумуляторы – от 9 до 12 долларов (3-4$ штучка)
Итого, в среднем 15-20$ за переделку (со скидками/купонами), либо 25$ без оных.
Update 2, еще несколько способов переделки шурика:
Следующий вариант (подсказали по комментам, спасибо I_R_O
и cartmannn
):
Использовать недорогие 2S-3S зарядные устройства типа (это производитель того же iMax B6) или всевозможные копии B3/B3 AC/imax RC B3 () или ()
Оригинальный SkyRC e3 имеет зарядный ток на каждую банку 1,2А против 0,8А у копий, должен быть точен и надежен, но в два раза дороже копий. Совсем недорого можно купить на том же . Как я понял по описанию, он имеет 3 независимых зарядных модуля, что-то сродни 3 модулей TP4056. Т.е. SkyRC e3 и его копии не имеют балансировки как таковой, а просто заряжают банки до одного значения напряжения (4,2V) одновременно, поскольку у них не выведены силовые разъемы. В ассортименте SkyRC есть действительно зарядно-балансировочные устройства, например, но ток балансировки всего 200ma и стоит уже в районе 15-20 долларов, зато умеет заряжать лифешки (LiFeP04) и токи заряда до 3А. Кому интересно, могут ознакомиться с модельным рядом .
Итого, для данного варианта необходимо любое из вышеперечисленных 2S-3S зарядных устройств, красная или аналогичная (без балансировки) плата защиты и высокотоковые аккумуляторы:
Как по мне, очень хороший и экономичный вариант, наверно, я бы остановился на нем.
Еще один вариант, предложенный камрадом Volosaty
:
Использовать так называемый «Чешский балансир»:
Где он продается лучше спросить у него, я первый раз о нем услышал, :-). По токам ничего не подскажу, но судя по описанию, ему необходим источник питания, поэтому вариант не такой бюджетный, но вроде как интересный в плане зарядного тока. Вот ссылка на . Итого, для данного варианта необходимы: источник питания, красная или аналогичная (без балансировки) плата защиты, «чешский балансир» и высокотоковые аккумуляторы.
Преимущества:
Я уже ранее упоминал о преимуществах литиевых источников питания (Li-Ion/Li-Pol) над никелевыми (NiCd). В нашем случае сравнение лицом к лицу – типичная батарея шурика из NiCd аккумов против литиевой:
+ высокая плотность энергии. У типичной никелевой батареи 12S 14,4V 1300mah запасенная энергия 14,4*1,3=18,72Wh, а у литиевой батареи 4S 18650 14,4V 3000mah - 14,4*3=43,2Wh
+ отсутствие эффекта памяти, т.е. можно заряжать их в любой момент, не дожидаясь полного разряда
+ меньшие габариты и вес при одинаковых параметрах с NiCd
+ быстрое время заряда (не боятся больших токов заряда) и понятная индикация
+ низкий саморазряд
Из минусов Li-Ion можно отметить только:
- низкая морозостойкость аккумуляторов (боятся отрицательных температур)
- требуется балансировка банок при заряде и наличие защиты от переразряда
Как видим, преимущества лития налицо, поэтому зачастую имеет смысл переделки питания…
+173
+366
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.
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:)
