Заменить никель кадмиевый аккумулятор на литий ионный

Замена аккумуляторов шуруповёрта HITACHI EB1220BL с родных никель-кадмиевых NI-CD на литий-ионные Li-ion размером 18650.

В мощных силовых портативных устройствах применяются специальные аккумуляторы с повышенной токоотдачей. В шуруповерте при повышенной нагрузке, создается высокий ток, и чтоб с ним справиться используют усиленные Ni-CD и NiMH аккумуляторы (обычно обернутые в бумагу). Средний рабочий ток двенадцати вольтового шуруповерта 3-7 ампер, при нагрузке может доходить до 15А, а в импульсе до 30А.

Отсюда вытекает первая рекомендация – необходимо применять при замене кадмия на литий только высокотоковые литий-ионные аккумуляторы. Сейчас данные аккумуляторы производят компании Samsung, LG, SONY и ряд других производителей.

Использование 4 аккумуляторов Li Ion в 12 Вольтовом шуруповерте губительно для силового ключа ШИМ регулятора оборотов, расположенный в кнопке. Напряжение полностью заряженного Li Ion аккумулятора 4,2 вольта, напряжение полностью заряженной сборки из четырех аккумуляторов составит 16.8 вольт что на треть превышает рекомендуемое напряжение, согласно закону Ома – «ток прямо пропорционален напряжению в цепи», говорит нам что ток уветичится так же на треть, и в импульсе он может достигнуть 40А, ни один ключ не выдержит такой перегрузки, и выйдет из строя. Мы рекомендуем применять для 12 Вольтового аккумулятора только 3 литий-ионных аккумулятора, 4 аккумулятора отлично справятся с 14,4 вольтовым аккумулятором, а 18 вотльтовым достаточно 5 аккумуляторов.

В процессе эксплуатации литий-ионного аккумулятора необходимо контролировать его напряжение заряда и разряда, так как в связи с его физико-химическими особенностями, напряжение необходимо держать в строго определенных рамках 2,5-4,2 вольт. Только в этих условиях гарантируется максимальный срок службы аккумулятора и безопасность его эксплуатации.

Применение контроллера заряда и разряда — обязательно и, исходя из первой рекомендации, контроллер должен поддерживать работу при токах от 12 до 30 ампер, иначе при повышенной нагрузке контроллер будет «уходить в защиту» и нормальной работы устройства не получится.

Для зарядки можно использовать родное зарядное устройство, не забудьте оставить датчик температуры и перегрева на своих местах, иначе заряжать не будет. Если по каким либо причинам зарядка «не хочет» работать, то следующих два Варианта для Вас.

Можно взять готовое к работе зарядное устройство Li-Ion аккумуляторов, рассчитанное на количество элементов в Вашей сборке и подобрать по оптимальному току заряда. В этом случае сверлится отверстие в блоке, для гнезда 5,5*2,1 мм, и дальнейшая зарядка будет осуществляться через него. Это решение особенно спасает, когда места в блоке батарей совсем мало. В нашем случае мы так и поступили, но все датчики оставили на своих местах, а вдруг пригодится.

Отличное решение для зарядки — это применение универсального модуля преобразования постоянного напряжения DC-DC с возможностью регулировки тока и напряжения, так называемые CC CV. Большую популярность имеют модули понижающие на чипах XL4015 и LM2596. Выставляете на выходе модуля напряжение заряда 12,6-13,6 В и ток заряда в пределах 500-900мАч и модуль всё остальное сделает сам. Применение данных модулей дает возможность заряжать шуруповерт от любого источника питания с напряжением выше 13 вольт. Особенно оправдано, если Ваш шуруповерт имеете блок питания отдельно от зарядного блока, тогда старый блок питания отлично справится с зарядкой новых аккумуляторов.

Ну и общие рекомендации – желательно применять сечение провода не менее 4 мм.кв., при монтаже соблюдайте осторожность, любые замыкания приводят к мгновенному разогреву проводников и можно обжечься, все соединения и места спайки должны быть максимально надежными и прочными, так как высокие токи, ну и вибрация присутствует.

Мы для нашего шуруповерта решили применить аккумуляторы SAMSUNG 18650-15M, они отвечают всем необходимым параметрам. Так же был применен контроллер Li-Ion аккумулятора YH11047A – это миниатюрный 50*22 мм высокотоковый контроллер с защитой от короткого замыкания и перегрузки. Все соединения мы производили силиконовым проводом 6 мм.кв (рекомендуем применять сечение поменьше, с таким сечением сложно работать).

С начала мы долго думали, как разместить аккумуляторы с платой.Потом думали куда поставить разъем зарядки. Ну и как определились, начали всё потихоньку спаивать. Самым удобным оказалось два аккумулятора положить в основном корпусе, а плату BMS и третий аккумулятор расположить в штыре корпуса.

В процессе сборки появилась мысль снабдить наш аккумулятор тестером ёмкости батарей BW-LY6 V2 , сказано — сделано. Место куда его прикрутить есть, и кнопочку не забыли, чтоб можно было нажать и посмотреть сколько осталось емкости. Модуль настраиваемый, так что по сути можно прикрутить к любому аккумулятору.

В качестве заключения.

От процесса и результата остались довольны все. Вес аккумулятора уменьшился вдвое. Все возложенные испытания аккумулятор выдержал без нареканий.

Из пожеланий на будущее.

Валяется шуруповерт AEG тоже с 12 вольтовым аккумулятором, надеемся, руки дойдут и до него, и места в нем окажется побольше и думаем аккумуляторы поставить SAMSUNG 18650-22P.

Литий-ионные аккумуляторы совершенно заслуженно считаются лучшими источниками питания для современных гаджетов и электрического инструмента. Они обеспечивают повышенную мощность, имеют большую емкость, благодаря чему обеспечивается длительная автономная работа тех или иных устройств. Именно поэтому многие владельцы шуруповертов пытаются установить Li-ion аккумуляторы вместо кадмиевых или металлогидридных. Существует ли возможность сделать это без нанесения инструменту вреда? Именно в этом вопросе мы будем разбираться ниже.

Преимущества и недостатки замены аккумуляторов

Если у вас дорогостоящий шуруповерт Бош или мощная японская Макита, следует хорошо подумать, прежде чем выполнять такую замену. Несмотря на все достоинства источников питания Li-ion, существует риск выхода из строя и самих АКБ, и электроинструмента. Поэтому для начала нужно взглянуть на те плюсы и минусы, которые повлечет за собой замена.

Как уже говорилось выше, литий-ионные банки работают значительно дольше в автономном режиме, чем остальные. Кроме того, они обладают несколькими дополнительными преимуществами:

1. Быстрая зарядка. Если батарею Ni-Cd нужно заряжать около 7 часов, то для Li-ion будет достаточно всего 60 минут.
2. Высокая энергетическая плотность обеспечивает небольшой вес батарей, что повысит удобство использования шуруповерта.
3. Благодаря отсутствию эффекта памяти, Li-ion аккумуляторы можно заряжать без необходимости полной разрядки.
4. литий-ионные батареи обеспечивают более мощную работу шуруповерта.

Помимо неоспоримых преимуществ, существует еще и целый ряд недостатков переделки шуруповерта под литий-ионные аккумуляторы:

• возможные проблемы с совместимостью, связанные с тем, что напряжение литиевых источников питания в три раза выше, чем этот же показатель у кадмиевых и металлогидридных батареек (3,6 против 1,2 V).
• Необходимость установки контроллера, который будет следить за уровнем заряда. Этого этапа избежать не удастся, так как источники питания Li-ion нельзя разряжать ниже 2,7 V и заряжать более 4,2 V.
• Размер аккумуляторов 18650 больше, чем у кадмиевых элементов. Поэтому они могут просто не уместиться в батарейном блоке.
• Высокая цена литий-ионных банок.
• Необходимость вместо блока питания 12 В использовать БП 18 V.
• Нестабильная работа при низкой температуре воздуха. Если вы рассчитываете использовать шуруповерт на улице в зимний период, могут возникнуть серьезные проблемы с автономной эксплуатацией.

Вы приняли твердое решение, и никакие аргументы «против» не смогут вас остановить? Тогда можно приступать к замене, которая выполняется в несколько этапов.

Последовательность работ по установке литиевых аккумуляторов в шуруповерт

Для начала разбираем батарейный блок, извлекаем из него кадмиевые аккумуляторы и безжалостно откусываем их от разъема. Кроме того, снимаем температурный датчик, который призван обеспечивать защиту банок от перегрева. Далее замена кадмиевых аккумуляторов в шуруповерте на литиевые источники питания выполняется таким образом:

1. Подбираем контроллер, который будет автоматически отсекать подачу тока при достижении напряжения в 4,2 В. Или сигнализировать о необходимости зарядки, если оно снизится до 2,7 V. Покупайте контроллер с термопарой, который дополнительно устранит риск перегрева.
2. Последовательно соединяем аккумуляторы между собой.
3. К получившейся сборке подсоединяем контроллер и подключаем балансировочные точки к специальному разъему.
4. Припаиваем плюсовой и минусовой вывод.
5. Помещаем аккумуляторы в батарейный блок.

Как видите, процедура довольно проста и при наличии опыта занимает не более 1-2 часов. Если вы впервые решились покопаться в современной электронике, то очень пригодятся приведенные ниже советы по соединению аккумуляторов между собой:

• Сборка изготавливается с использованием тонких металлических полос. Не мудрствуя лукаво их можно просто вырезать из обычной консервной банки.
• Поверхность соединительной полоски и аккумулятора обрабатывается спиртом, чтобы обеспечить хороший контакт в будущем.
• Соединение банок с металлической полосой выполняется посредством контактной сварки. Все дело в том, что аккумуляторы Li-ion могут неадекватно отреагировать на длительное тепловое воздействие паяльником и просто взорваться. При контактной сварке нагрев длится всего несколько секунд, поэтому подобные проблемы исключаются полностью.
• Чтобы пластина не отвалилась от малейшего механического воздействия, потребуется несколько точечных соединений.
• Импульс сварки необходимо устанавливать таким образом, чтобы исключить перегрев аккумуляторов.
• Полученный комплект нужно прочно соединить изолентой или скотчем.

Наконец, не забывайте о строгом соблюдении полярности соединяемых между собой аккумуляторов. Ошибки вряд ли вызовут аварийную ситуацию, но заряжаться сборка точно не будет.

Ничего нового я в этой статье не скажу, но просто хочется поделиться опытом апгрейда аккумуляторов моего старого шуруповёрта Makita. Изначально данный инструмент был рассчитан на никель-кадмиевые аккумуляторы (которые давно уже умерли, как умерли и купленные на смену такие же). Недостатки Ni-Cd известны: низкая ёмкость, небольшой срок жизни, высокая цена. Поэтому уже давно производители аккумуляторного инструмента перешли на литий-ионные батареи.

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.

Внимание: данная статья и изображения в ней являются объектами авторского права. Частичное или полное воспроизведение на других ресурсах без согласования запрещено.