можно ли вместо никель кадмиевых аккумуляторов ставить литий ионные
Аккумуляторы и батареи
Информационный сайт о накопителях энергии
Замена кадмиевых аккумуляторов на литиевые в шуруповерте
Ручной инструмент делится на профессиональный и любительский. Бюджетный вариант не предполагает интенсивного использования. Узлы выполнены из пластика, аккумулятор никель- кадмиевый. Литиевые батареи устанавливают в профессиональном инструменте. Но модели прошлых лет имели «неубиваемую» комплектацию, в них устанавливали до 15 кадмиевых банок, заметно утяжелявших конструкцию. Если старая батарея уже потеряла емкость, а новая износится скоро, можно выполнить замену аккумулятора, применив литиевые ячейки.
Чем отличаются никель-кадмиевые аккумуляторы от литиевых
Начиная с середины прошлого столетия наступила эра никель-кадмиевых гальванических элементов. Сегодня этот тип солевых аккумуляторов по прежнему востребован, и в некоторых показателях превосходит литиевые. Из-за практичности и безопасности они применяются в ручном инструменте, в шуруповертах и дрелях. Сильные стороны никель-кадмиевых аккумуляторов:
Существенными недостатками этого вида источников энергии считают эффект памяти и длительный цикл зарядки, 12-14 часов. Заряжать аккумулятор можно только после посадки напряжения на ноль и под завязку. Иначе емкость будет уменьшаться.
Литий-ионные аккумуляторы относятся к новому классу гальванических элементов на щелочной основе, с большой плотностью заряда. Они не имеют эффекта памяти, заряжаются на любой остаточной емкости, но требовательны к эксплуатации.
Условия работы литий-ионных аккумуляторов:
В общий класс литиевых аккумуляторов входят литий-ионные и литий-полимерные. По типу применяемого активного вещества они подразделяются:
Каждый вид литиевых аккумуляторов работает в своих параметрах, имеет характерную емкость, заряд, сопротивление. В тяговых аккумуляторах для погрузчиков, штабелерах и другой аккумуляторной техники, работающей в тепле, важна емкость батареи, мобильность, КПД. Здесь свинцовые аккумуляторы уступают по всем параметрам. Используют литий-железо-фосфатные батареи. Они не пожароопасны, работают при большом минусе и не боятся глубокой разрядки, но не ниже 2 В.
| Критерий | Свинец | ЛИА |
| Емкость Вт/кг | 25 | 110 |
| Ток разряда | 0,1С | 3С |
| К-во циклов заряд/разряд | 700 | 5000 |
| КПД. % | 80 | 97 |
| Срок службы, лет | 3,5 | 25 |
В автомобильной технике в качестве стартерного аккумулятора кислотные АКБ прочно занимают нишу.
Никель-кадмиевые и литиевые аккумуляторы для шуруповерта
В шуруповертах и дрелях чаще используют никель-кадмиевые аккумуляторы. Инструмент обеспечивается энергией нужных параметров, можно работать зимой на улице. Зарядка производится на полный цикл, во избежание потери емкости.
Если ваш ручной инструмент недорогой и любительского уровня, лучше не заниматься переделкой, не менять кадмиевые аккумуляторы на литиевые. Апгрейд своими руками на литиевую батарею обойдется около 2000 рублей. Какой смысл в переделке, если новая дрель может стоить дешевле?
В дрели и шуруповерте стоят никель кадмиевый аккумулятор АА, литиевый по размеру несколько больше. При переделке необходимо так уложить новые элементы в гнездо, чтобы они лежали компактно, без люфта. Кроме того потребуется включить в схему плату защиты от разряда и перезаряда, балансир, использовать доработанное или специальное зарядное устройство.
Новая аккумуляторная батарея сделает шуруповерт более работоспособным. В некоторых случаях незначительно увеличится мощность дрели. Но для стабильной работы необходимо помнить, что лучший режим для литиевого аккумулятора – узкий диапазон рабочего напряжения.
Видео
Надумали поставить литий-ионный аккумулятор на шуруповерт? Внимательно посмотрите порядок работы на видео.
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионные
Литий-ионный элемент имеет номинальное напряжение 3,7 В и номинальный диапазон рабочего напряжения от 4,2 В до 3В. Пять литий-ионных элементов обеспечат батарею напряжением 18,5 В с рабочим диапазоном от 21 до 15В. Блок из 5 последовательно соединенных литий-ионных элементов будет иметь примерно такой же диапазон рабочих напряжений, что и блок NiCd аккумуляторов.
Шаг третий: ток двигателя
Фактором, который необходимо учитывать при такой работе, является пусковой ток двигателя. На рисунке ниже представлена схема измерения пускового тока и рабочего тока двигателя без нагрузки. Показанный блок 5S 18650 был собран из элементов Sony-Fukushima US18659GR GP4. Эти элементы имеют максимальный непрерывный ток разряда всего 4 А и используются только для измерения тока двигателя. Измеренные значения тока будут использоваться для выбора ячеек, которые имеют максимальный ток разряда, необходимый для этого двигателя.
На диаграммах показаны графики напряжения и тока аккумулятора во время запуска двигателя. Пиковый ток (синяя кривая) составляет 31,06 А (1,62 В / 0,049 Ом). Во время запуска напряжение батареи падает до 5В. Сопротивление двигателя составляет 0,102 Ом ((5.0-1.62)/33.06). Внутреннее сопротивление батареи составляет 0,151 Ом (5,0/33,06) или 0,03 Ом на ячейку.
Измерение пикового тока в 31А является низким из-за относительно высокого сопротивления резистора считывания тока 0,05 Ом.
Ток двигателя без нагрузки составляет около 3,1А.
Шаг четвертый: выбор аккумуляторов
Литий-ионные элементы для этого проекта требуют высокого номинального тока непрерывного разряда, а также спецификации сильноточного импульса. Ток, протекающий через двигатель, будет варьироваться от тока холостого хода до тока блокировки. Такие типы ячеек классифицируются как силовые.
Аккумулятор Samsung INR18650-25R был бы идеальным аккумулятором для этого проекта, но на момент реализации проекта такие аккумуляторы отсутствовали в продаже.
Тогда мастер решил использовать аккумуляторы Epoch 18650-3000P. Это элементы емкостью 3000 мАч, рассчитанные на непрерывный ток 15 А.
Мастер собрал пакет 5S, используя ячейки Epoch. Ячейки склеены вместе с помощью термоклея. Соединяются отдельные элементы с помощью никелевые полосы толщиной 0,15 мм и шириной 8 мм, приваренных точечной сваркой к клеммам ячеек.
Ячейки были заряжены примерно на 95% напряжением примерно 4,08 В на элемент, 20,4 В для пяти элементов, соединенных последовательно.
Пиковый ток (синяя кривая на диаграмме №3) составляет 100,4 А (2,46 В / 0,0245 Ом). Напряжение на элементах упало до 12,8 В или 2,56 В на элемент (диаграмма №2). Рабочий ток двигателя составляет около 3,3 А (0,080 В / 0,0245 Ом) (диаграмма № 4).
Эти измерения указывают на две проблемы с использованием ячеек 5S Epoch. Высокий пусковой ток и напряжение ячейки падает ниже порогового значения напряжения разряда схемы защиты батареи(PCM).
Фото ниже представляет собой схему PCM, с подключенной нагрузкой. На следующем фото показана контактная площадка для установки перемычки задержки по перегрузки. Резисторы с сопротивлением 0,001243 Ом на PCM используются для измерения формы волны тока.
Первоначальный тест проводился с разомкнутой перемычкой задержки перегрузки по току. Синяя кривая представляет собой форму волны тока, а отключение по перегрузке по току активируется примерно через 12 мс с пиковым током около 105А (130 мВ / 0,001243 Ом. ).
Шаг шестой: модификации зарядного устройства
Зарядное устройство, которое поставлялось с этим аккумулятором, является зарядным устройством постоянного тока. Измерение параметра зарядного устройства показало, что потребуется его модификация. Зарядный ток был измерен на уровне 1,31А в диапазоне напряжения батареи от 15В до почти 29В. Ток должен был отключиться при напряжении около 18,75В (15 никель-кадмиевых элементов x 1,25В на элемент). Вторая проблема заключалась в том, что напряжение холостого хода зарядного устройства составляло около 41В, что слишком много для зарядки этого типа аккумуляторной батареи.
На рисунках следующих фото показаны изображения печатной платы зарядного устройства и схема, на которой зарядное устройство очерчено пунктирной линией.
Напряжение холостого хода было снижено примерно до 26В путем замены стабилитрона ZD2 на стабилитрон 22В.
Напряжение аккумулятора во время зарядки контролируется AD6610. Зарядка литий-ионного аккумулятора завершена, когда его напряжение составляет около 21,25 В (4,25 В на элемент). Резистор R71 был заменен на резистор 51К. На фото показано расположение резистора и стабилитрона.
После этой доработки мастер протестировал зарядное и после успешного теста собрал его.
Дальше помещает батарею в корпус. На дно корпуса проложил полоску мягкого материала.
Терминал зарядки имеет последовательно включенный тепловой выключатель, который отключает зарядное устройство, если аккумулятор нагревается во время зарядки. Термовыключатель крепится к батарее с помощью полоски каптонной ленты.
Оживляем шуруповерт. Все для переделки шуруповерта на 18650 литий-ионные аккумуляторы
Аккумулятор шуруповерта рано или поздно «устанет» и его необходимо будет менять. Купить новый аккумулятор оправданно в ситуации когда инструмент стоит копейки. Но если у вас что-то более-менее приличное, или аккумулятор старый на Ni-CD, то однозначно имеет смысл поменять севшие 18650 аккумуляторы на новые или полностью перевести шуруповертс никеля на литиевые.
Безусловно, как и в любом деле, тут есть свои нюансы, но если ваши руки хотя бы минимально прямые, то самостоятельно переделать шуруповерт на литий совсем несложно. Нужно лишь знать что купить для переделки и понимать базовые нюансы процесса. А уж купить на алиэкспресс все для перевода шуруповерт на литий — элементарно.
Почему 18650 Li-ion? Преимущества литиевых аккумуляторов очевидны:
Кстати, если вы любите читать, то есть вариант отлично сэкономить! Книжный сервис ЛИТРЕС, крупнейший в России и странах СНГ дает четвертую книгу в подарок при покупке трех. Лично я именно там и покупаю книги уже порядка 5 лет. Ценник и без того доступный, а с таким бонусом выходит совсем небольшим. Есть удобное приложение для чтения и прослушивания книг. По ссылке выше — одна из моих подборок, в которой есть жирный обновляемый промокод.
Переделка аккумулятора шуруповерта. Что нужно знать:
1) Для шуруповерта нужны высокотоковые 18650 аккумуляторы (идеально — Sony/Murata VTC5, VTC5A, VTC6. Допустимо — Samsung 25R), либо менее высокотоковые аккумуляторы, соединенные в параллель (если позволяет место).
2) Категорически нельзя использовать старые ноутбучные аккумуляторы и просто разные аккумуляторы. Все 18650 аккумуляторы в сборке должны иметь минимальный разбег емкости и прочих характеристик. Безусловно, купить высокотоковый 18650 аккумулятор на алиэкспресс — самое простое решение. Только заранее учитывайте что название модели не будет иметь никакого отношения к ячейке внутри. 4 аккумулятора, купленные одним лотом у одного продавца могут существенно отличаться по емкости и внутреннему сопротивлению. Хотя ниже по ссылке будет неплохой вариант для тех, кто не хочет паять.
Я делал статью о том как выбрать 18650 литий-ионный аккумулятор, если интересно — читаем ее тут
3) Подключение аккумуляторов к BMS плате производится строго последовательно: вначале 0 В затем 4,2 В, 8,4 В, 12,6 В, 16,8 В. При нарушении BMS работать не будет!
4) 18650 аккумуляторы в сборке должны быть заряжены одинаково. Лучше всего зарядить каждый аккумулятор отдельно и затем собрать в сборку.
5) Как посчитать сколько нужно 18650 литиевых аккумуляторов вместо никелевых? В целом, расчет такой:
2-3 NiCd = 1 литиевый, 5-6-7 NiCd = 2 литиевых, 8-9-10 NiCd = 3 литиевых, 11-12-13 NiCd = 4 литиевых
6) Литиевые аккумуляторы очень боятся перегрева. Идеальный вариант — точечная сварка. Пайка тоже вполне работает. Как паять 18650? Самое главное — вам нужно максимально большое жало. Свести время контакта жала и 18650 аккумулятора к минимуму и не перегреть последний. В остальном процесс не отличается от любой другой пайке. Лучше всего набить руку на тех старых аккумуляторах, которые вы будете заменять.
BMS-плата
BMS (Battery Management System) – система управления батареей. BMS-плата исключительно важна при переделке шуруповерта на литий. Зачем она нужна и как она работает? Она контролирует заряд и разряд, предотвращая переразряд и перезаряд аккумулятора шуруповерта, в нее встроен «балансир», который заряжает отдельно каждый Li-Ion аккумулятор в сборке. Последнее крайне важно! Бывают BMS без балансира! 3S — 12v, 4s — 14v, 5s — 18v Чтобы выбрать BMS плату, надо учитывать что минимальный ток должен быть 30А, иначе она будет уходить в защиту.
Вариант BMS-платы по ссылке на 2-3 доллара дороже каких-то базовых версий, но вы получаете 100А вместо 30А или 40А. На мой взгляд, по функционалу это лучшая БМС-плата с алиэкспресс и заслуживает этой символической переплаты.
Переделка 12В шуруповерта с Ni-Cd на Li-ion аккумуляторы
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.
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.
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.
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.
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.
От платы до клеммы провода должны быть гибкие, как можно короче и сечение минимум 2,5 кв. мм.
Всю схему аккуратно помещаем в корпус и фиксируем любым уплотнителем, для предотвращения повреждения деталей.
Для фиксации клеммы просто поместил ее на место и расклинил деревянными клиньями. Осталось только собрать корпус.
Вес стандартного Ni-Cd аккумулятора как видно 558 грамм.
Вес переделанного аккумулятора 376 грамм, следовательно, инструмент стал легче на 182 грамма. В заключении хочу сказать, что данная переделка того стоит. Шуруповерт стал мощнее и заряда хватает намного дольше, чем с родным аккумулятором. Переделывайте, не пожалеете!
Бюджетная переделка шуруповерта на литий. Необходимые товары с Aliexpress
Переделка шуруповертов на литий до сих пор не теряет своей актуальности, поскольку не требует значительных капиталовложений и легко осуществляется даже неподготовленным человеком. При этом вы получаете свой любимый и проверенный временем инструмент с гораздо большим временем работы без тех недостатков, которые присущи Ni-Cd аккумуляторам.
Платы BMS
Один из главных элементов при переделке батареи на литиевое питание. Плата BMS необходима для защиты аккумуляторов от переразряда, перезаряда, чрезмерно высокого тока и короткого замыкания (КЗ). Для 12-вольтовых шуруповертов приобретаем 3S BMS, для 14-вольтовых — 4S BMS. Для более полного использования аккумуляторов отлично подойдут 4S BMS.
Высокотоковые аккумуляторы 18650
Второй главный элемент при переделке шуруповерта. Необходимы хорошие аккумуляторы с токоотдачей не мене 15А. Идеально подходят по соотношению цена/качество LG HE4 2500mah, Samsung 25R 2500mah, Samsung 30Q 3000mah и LG HG4 3000mah («шоколадки»). Можно использовать среднетоковые банки на 10А, но только в схеме *2P (две в параллель).
Высокотоковые аккумуляторы 21700
Наиболее перспективный формат аккмуляторов, набирающий популярность бешеными темпами. Имеет бОльшую энергоемкость, но при этом чуть больше в размере. Единственный минус – они могут не поместиться в корпусе, поэтому уточните этот момент перед покупкой. При их использовании вы получите очень внушительную автономность.
Никелевая лента
Предназначена для соединения аккумуляторов в батарею. Может использоваться как для контактной сварки, так и для пайки. Имеет низкое сопротивление и не греется при серьезных токах, к тому же имеет плоский профиль, что не сильно добавляет в размерах и позволяет уместиться сборке в компактных корпусах.
Качественные провода
Качественные медные многожильные провода в термостойкой силиконовой изоляции. Альтернатива никелевой ленты. Легко лудятся, хорошо гнутся, изоляция плавится только при высокой температуре. Хороший вариант для бюджетной переделки. В ответственных проектах использую такие же.
Уплотнительные кольца
Предназначены для дополнительной электроизоляции выводов аккумулятора и повышают живучесть батареи в целом. Особенно важно использовать их в мощных инструментах, у которых токи потребления высокие. Также будут полезны при использовании не очень качественных проводов, которые при значительных токах греются и могут закоротить выводы.
Зарядное устройство
Предназначено для корректного и полного заряда литиевой батареи. Необходимо выбирать под нужное напряжение сборки. Зарядные устройства снабжены индикаторами процесса заряда. Тока заряда в 1-2 ампера хватит для любой сборки. Родным зарядным устройством литиевую батарею заряжать нельзя.
Индикатор заряда батареи
Предназначен для грубой оценки заряда батареи. Позволяет приблизительно оценить степень заряда и принять решение, стоит ли брать с собой вторую (запасную) батарею или нет. Основная особенность в том, что его можно монтировать снаружи корпуса. На странице продавца есть несколько моделей под нужное напряжение.
Собственно, больше ничего приобретать не нужно. Самые важные элементы – это Li-Ion аккумуляторы и плата BMS, на них экономить не стоит. От себя добавлю, что большинство моделей шуруповертов на 12V можно переделать под формат 4S*P с рабочим напряжением 10-16,8V, как я и сделал. Исключение составляют дешевые ноунейм шуруповерты с пластиковыми шестернями в редукторе, но таких единицы. При этом немного повысится крутящий момент и рабочие обороты, а также более полно будет использоваться батарея. Но в таком случае плата BMS строго обязательна.
Для начала нужно разметить место в корпусе и при необходимости убрать или подрезать выступающие элементы. Под сборку необходимо подложить мягкий изоляционный материал, дабы при вибрациях не повреждалась термоусадка банок. Если планируется разовая переделка, то можно обойтись и простой пайкой, она ничем не хуже. В промышленных масштабах батареи собирают при помощи никелевой ленты и точечной сварки, поскольку это проще, быстрее и технологичнее в производстве. Для пайки желательно использовать флюс.
Я рекомендую паять паяльником с массивным жалом (мощность 60W) и активным флюсом (паяльная кислота или флюс по алюминию). Последний даже лучше и практически не пахнет. Провода использовать с хорошим сечением не менее 2,5 квадратов. При пайке не грейте плюсовой контакт более 10-15 секунд, иначе сработает внутренняя защита аккумулятора. После сборки батарею необходимо активировать, подав напряжение на выходные контакты платы BMS. Если при резком старте шуруповерт уходит в защиту, лечится это несколькими способами (расскажу отдельно). По желанию можно добавить грубый индикатор заряда, с ним гораздо удобнее.
В принципе, на этом все. Для переделки нужны лишь комплектующие и базовые навыки владения паяльником. Если будут какие-то вопросы, пишите в комментариях.