Переделка блока питания шуруповерта на литиевые

Порядок переделки

Разборка

Корпус шуруповерта, который необходимо разбирать для замены аккумуляторов, крепится винтами или клеем. В первом случае достаточно воспользоваться отверткой – процесс не займет более 5 минут. Если корпус приклеен – поможет молоток. Несколько интенсивных ударов в нижнюю часть около кромки разъединят шуруповерт, открыв внутренний отсек с аккумуляторами. Сам корпус при этом не повреждается, так как защита от ударов предусмотрена конструкцией.

Как выглядит разобранный корпус аккумулятора?

Вынув схему с аккумуляторами, обратите внимание на контактные пластины – они нужны для подсоединения новых батарей. Их можно открепить отверткой или плоскогубцами, но делать это нужно аккуратно, чтобы не повредить пластиковые элементы. Также рекомендуется сохранить штатный термодатчик и размыкатель

От них зависит работа зарядного устройства, если его не планируется заменять

Также рекомендуется сохранить штатный термодатчик и размыкатель. От них зависит работа зарядного устройства, если его не планируется заменять.

Следующий этап подразумевает пайку кабелей к плате стабилизации. Блок с аккумуляторами подсоединяется к защитному модулю через подготовленные провода с сечением 1,5 или 2,5 мм2

При подключении важно соблюдать схему:

• на плюс к контакту В+;
• на минус к контакту В-.

Кабели с остальных контактов аккумулятора присоединяются к зажимам В1, В2 и В3. Число соединений зависит от количества батарей. Не следует забывать и о технике безопасности – во избежание короткого замыкания плата стабилизации изолируется от батарей термоусадкой.

После пайки проводов к плате необходимо подсоединить блок питания. На самом модуле для этого предусмотрены контакты Р+ и Р-. От них кабели идут к соответствующим клеммам стандартной микросхемы.

Сборка

Схема подключения новых деталей.

После подключения новых аккумуляторов к схеме шуруповерта необходимо припаять провода к внутренним элементам устройства. Потребуются кабели с сечением 0,75 мм2, так как токи проводятся довольно большие. Провод с таким сечением хорошо выдерживает токи более 20 А при напряжении 12 В. В процессе пайки можно не волноваться о том, что аккумуляторам повредит перегрев – литиевые АКБ хорошо его выдерживают. Однако потребуется быстродействующий флюс, например глицериновый ТАГС.

Для большей надежности устройства можно пустить на контактные разъемы аккумуляторного блока толстые провода с сечением 1,5 мм2, особенно, если позволяет свободное пространство. Перед припайкой к ответным контактам также нужно использовать отрезки термоусадочной трубки. Она дополнительно изолирует плату от элементов батареи. В ином случае края пайки могут повредить конструкцию литиевого элемента и привести к короткому замыканию.

Заряжается обновленный шуруповерт штатным зарядником, если его замена не предусмотрена.

Переделка зарядного устройства

В случаях, когда стандартная зарядка не подходит к новым литиевым аккумуляторам по вольтажу и прочим параметрам, необходимо ее модернизировать. Переделать зарядное устройство шуруповерта для литиевых аккумуляторов можно, установив недостающие элементы контактной схемы. В их число входят: узлы остановки зарядки, защитные элементы и т.д. В целом ЗУ дорабатывается под основной параметр – выводной ток. Если зарядное устройство необходимо менять основательно, то дешевле и проще будет купить новое универсальное оборудование, которое автоматически рассчитывает ток и напряжение.

Переделка шуруповерта под литиевые батареи – это довольно простой процесс, не требующий наличия специальных знаний и умений. Нужно лишь знать базовые правила соединения контактов и уметь паять на начальном уровне

Общая схема и ток потребления шуруповертов 12, 14 и 18В

Структурная схема шуруповерта.

Шуруповерты различных производителей построены на разной элементной базе, но структурная электрическая схема у всех примерно одинакова. Электроинструмент состоит из:

• съемного аккумулятора;
• платы управления;
• куркового выключателя, совмещенного с регулятором оборотов;
• переключателя диапазонов регулирования частоты (может отсутствовать);
• электрического двигателя (коллекторного или бесщеточного).

При изготовлении своими руками источника питания для шуруповерта надо обращать внимание на два параметра:

• напряжение;
• номинальный выходной ток.

С напряжением все просто – новый источник питания должен иметь выходное напряжение, равное номинальному напряжению питания электроинструмента. Понижение ведет к потере крутящего момента, повышение – к снижению ресурса. Работа платы управления при пониженном напряжении не гарантируется, при повышенном – вероятен выход ее из строя.

Необходимый рабочий ток определить сложнее. Производители электроинструмента крайне редко указывают потребляемый ток. Немногим чаще указывают мощность в ваттах. Но на шильдиках шуруповертов можно найти следующие данные:

• рабочее напряжение (в вольтах);
• частота вращения (в оборотах в минуту);
• вращаюший момент (в ньютонах на метр).

Эти данные выглядят достаточными для расчета рабочего тока.

Шильдик с электрическим характеристиками шуруповерта DEKO DKCD20FU.

На самом деле не все так радужно. Если задаться данными с реального шуруповерта и попытаться рассчитать номинальный ток, то получится абсурдный результат.

Сначала рассчитывается выходная мощность по формуле:

P=T*RPM/9550, где:

• P – мощность, кВт;
• T – вращающий момент, Н/м;
• RPM – частота вращения, об/мин;
• 9550 – коэффициент, объединяющий перевод из одних единиц в другие.

Для указанных данных получается:

P=42*1350/9550=5,9 кВт.

Эту развиваемую мощность надо разделить на КПД (примерно равный 0,8), в итоге потребляемая мощность равна около 7 кВт. При напряжении 20 вольт аккумуляторы должны отдавать ток 350 А!!! При емкости 2 А*ч батарея разрядится за 20 секунд (если даже теоретически АКБ обеспечит такой ток). Это и есть обещанный абсурд. Причиной этого могут быть лукавые декларации по оборотам или крутящему моменту. Возможно, наибольший крутящий момент выдается только при определенной частоте вращения, но даже если ее знать, то практического смысла будет мало. Ведь шуруповерт работает на разных частотах.

Поэтому ориентироваться нужно на следующие цифры, полученные экспериментальным путем:

• холостой ход – 1..2 ампера;
• средняя нагрузка – 4..6 А;
• максимальная нагрузка – 8..11 А;
• броски тока при полном торможении – до 30 А.

Уточнить эти цифры для конкретного шуруповерта можно, замерив реальный потребляемый ток на разных режимах, собрав для этого несложную схему и погоняв электроинструмент на различных нагрузках.

Схема измерения тока потребления.

А можно не уточнять, а ориентироваться на цифры, указанные выше. Блок питания понадобится на наибольший ток 10 А (но никак не меньше 5..6), желательно с защитой от сверхтока.

Схема соединения аккумуляторов

Чтобы получить заветные 12 или 18 В, элементы нужно соединять последовательно. Всё, никаких хитростей, только соблюдайте полярность. Минус каждой батареи соединяется с плюсом следующей, крайние два провода подключаются к контактной колодке.

Если удваиваете ёмкость, последовательно соединяются не отдельные батарейки, а сборки из 2-х элементов. В каждой сборке положительный контакт соединён с положительным соседа, аналогично дело обстоит с отрицательными.

Чтобы в итоге перемычки между аккумуляторами не сплелись в невнятную паутину, продумайте схему соединения заранее. Удобнее всего спаивать батареи, когда они уже смотаны в тугую пачку, длину перемычек выбирайте минимальную.

Также предварительно залудите перемычки из многопроволочной жилы в 2,5 мм2 и дополните их балансировочными проводами так, чтобы по одному проводку приходилось на каждый узел между параллельно соединёнными аккумуляторами или группами. Длина проводов — чтобы доставали до балансировочного разъёма в корпусе, сечение около 0,5 мм2.

При пайке первой разогревается залуженная жила перемычки, затем она подносится к контакту батарейки, пока на нём не расплавится припой. Во время остывания можно придавливать место спайки деревянной щепкой. И не жалейте олова — соединение должно быть очень надёжным. Также не забудьте смыть остатки флюса, иначе через полгода-год эксплуатации все усилия пойдут прахом. Особенно внимательно промывайте плюсовый контакт замысловатой формы, для смывки можно использовать медицинский спирт или ацетон.

Если вы попытаетесь подпаять крайние провода аккумуляторной батареи к никелевым контактам колодки, вы, скорее всего, её безнадёжно испортите, перегрев пластик. Гораздо лучше просверлить по два отверстия диаметром 3–4 мм и притянуть жилы к пластинкам парой небольших винтов. Здесь удобно использовать планочки с двойными отверстиями, которые массово выковыривались из старых советских вилок.

Вместе с крайними жилами связки аккумуляторов прикрутите ещё пару балансировочных проводов. Получившийся в итоге балансировочный шлейф нужно припаивать в определённом порядке. Из даташита на разъём определите его контакт, пронумерованный единицей, и припаяйте к нему провод от положительной клеммы. Далее следуйте по цепочке аккумуляторов и припаивайте провода последовательно, один за другим, завершая соединением последнего контакта с общей минусовой жилой.

Как запитать шуруповёрт, сохранив его автономность

Если мастер работает в здании, к которому не подведено электричество, а аккумуляторы уже испортились, есть способы запитать шуруповёрт:

• заменить старые банки аккумуляторов на новые;
• подключить шуруповёрт к автомобильному аккумулятору;
• подключить инструмент к другому аккумулятору, например, взятому от источника бесперебойного питания.

Замена старых элементов

Порядок действий:

1. Раскрыть корпус аккумулятора.

2. Достать из корпуса старые элементы. Поместить на место новые батареи и перепаять их между собой.

3. Собрать аккумулятор, закрыв крышку корпуса.
4. Установить обновлённый аккумулятор в шуруповёрт. При необходимости зарядить батарею.

Подключение к автомобильному аккумулятору

Инструкция:

1. Раскрыть корпус шуруповёрта.

2. Найти контакты, через которые подаётся питание на двигатель.

3. Взять автомобильные провода с зажимами «крокодил», которые используют для зарядки аккумуляторов. Зачистить провода и прикрепить их напрямую к контактам питания стяжками, а ещё лучше — припаять.

4. Замотать соединения изоляционной лентой и аккуратно уложить кабель в корпусе инструмента.

5. Собрать шуруповёрт.

6. Подсоединить клеммы. Опробовать инструмент в работе.

Подключение к внешнему аккумулятору

Последовательность действий:

1. Купить или найти внешний аккумулятор, например, взять от ненужного источника бесперебойного питания.

2. Взять провод сечением не менее 2,5 кв. мм. Снять изоляцию и установить на медные концы зажимные клеммы, подходящие для крепления на аккумуляторе.

3. Второй конец кабеля поместить в корпус старого аккумулятора и припаять к клеммам, вставляющимся в шуруповёрт.

4. Вставить корпус аккумулятора в шуруповёрт, подключить кабель клеммами к аккумулятору.

5. Опробовать восстановленный инструмент в работе.

Электрический аккумуляторный инструмент служит в несколько раз дольше, чем питающие его батареи. Выбрасывать на помойку шуруповёрт с негодными элементами — неразумно. Настоящий хозяин сможет отремонтировать прибор, переведя его на другой источник питания, тем самым дав ему новую жизнь.

Основания и сложности переделки

Преимущества и недостатки LI Ion

Прежде всего, отметим, что старые никель-кадмиевые батареи вполне надёжны, недороги и могут работать в условиях низких температур, выдерживая большое количество циклов заряда-разряда. Однако они имеют одно нехорошее свойство, состоящее в постепенной потере ёмкости, если ставить их на зарядку, не дождавшись полного разряда (так называемый «эффект памяти»).

Необходимость в переделке шуруповерта на литиевые аккумуляторы 18650 объясняется рядом преимуществ последних, основными из которых являются:

• Большая емкость, позволяющая продлить время эксплуатации прибора;
• Заметно меньшие, чем у других батарей габариты и вес (фото ниже);

• Способность хорошо «держать» заряд, находясь не под нагрузкой;
• Отсутствие эффекта памяти, характерного для старых батарей.

Однако и у новых литиевых аккумуляторов имеется недостаток, заключающийся в ухудшении параметров при полном их разряде. При напряжениях более 4,2 и менее 2,7 Вольт они «чувствуют» себя не очень комфортно. Именно поэтому ещё при производстве эти изделия оснащаются встроенными контроллерами, защищающими их от КЗ, перенапряжений и глубокого разряда.

Обратите внимание! Встроенный электронный регулятор автоматически отключает их при размыкании питающей цепи, или когда аккумулятор шуруповерта находится вне отсека рабочего инструмента. Ещё одним минусом переделки аккумулятора шуруповерта на литий является неприспособленность новых батарей для функционирования при низких температурах

Однако все эти недостатки с лихвой перекрываются уже рассмотренными ранее достоинствами

Однако все эти недостатки с лихвой перекрываются уже рассмотренными ранее достоинствами

Ещё одним минусом переделки аккумулятора шуруповерта на литий является неприспособленность новых батарей для функционирования при низких температурах. Однако все эти недостатки с лихвой перекрываются уже рассмотренными ранее достоинствами.

Проблемные места

Для реализации обозначенных выше преимуществ потребуется решить ряд вопросов, возникающих при переделке аккумулятора шуруповерта на li-ion, а именно:

• Рабочие габариты нового изделия, определяемые из его обозначения (диаметр – 18 мм, длина – 65 мм) не совпадают с размерами заменяемых элементов;
• Полноценная замена аккумуляторов возможна лишь при условии доработки батарейного отсека, позволяющей поместить плату контроллера и жгут соединительных проводов;
• При переделке также должна учитываться разность напряжений каждого из элементов сборного источника, состоящего из нескольких акб (1,2 Вольта у никель-кадмиевых против 3,7 Вольт у LI Ion).

Важно! С учётом данного обстоятельства необходимо заранее попытаться подогнать суммарное напряжение нескольких новых элементов под старое его значение (на рисунке ниже приведены никель-кадмиевые батареи). Никель-кадмиевые элементы

В отдельных случаях добиться совпадения питающих напряжений не удаётся совсем, что заставляет отказаться от переделки или искать другие, подходящие по этому параметру изделия

При этом важно соблюдать меру и просчитать экономическую целесообразность перехода на li ion 18650 (иначе модернизация может оказаться дороже самого инструмента)

Какая плата BMS нужна и как её подключить

Литиевые аккумуляторы 18650 боятся перезарядки и глубокой разрядки. При последовательном соединении элементов невозможно гарантировать синхронную работу элементов. Если одна банка будет иметь меньшую емкость, то при зарядке она пополнится энергией быстрее остальных, и при дальнейшей зарядке произойдет перезарядка. При работе батарея меньшей емкости разрядится быстрее остальных, что может привести к глубокому разряду.

Все эти проблемы поможет решить плата защиты с балансировкой. BMS платы:

• защищают от короткого замыкания;
• восстанавливаются после срабатывания защиты;
• следят за напряжением на каждой банке и отключают нагрузку, когда хотя бы одна из ячеек полностью разряжается (защита от глубокого разряда);
• осуществляют балансировку (защита от перезарядки).

Плата BMS для шуруповерта должна выдерживать максимальный пиковый ток не менее 30 А. Кроме того, при выборе нужно ориентироваться на количество последовательно соединенных банок. Для шуруповерта на 12 В требуется 3 батареи, выбираем плату 3S. Если для питания нужен источник на 14 В, то покупаем 4S, а для 18 В приобретаем 5S.

Как подключить к плате BMS последовательно 2, 3 или 4 банки, показано на рисунке.

Можно также использовать смешанное, последовательно параллельное соединение. В таком случае к последовательно соединенным банкам подключаем параллельно столько же элементов питания.

Шуруповерт не запускается – как решить вопрос

При проверке работы шуруповерта при наполовину заряженном аккумуляторе, двигатель запускался даже под нагрузкой стабильно. Но когда он был заряжен полностью, то шуруповерт, даже на холостом ходу, запускался только после многократного нажатия на клавишу включения.

Полазил щупом осциллографа по плате BMS и выяснил, что срабатывает защита по току. Дело в том, что в момент пуска двигателя шуруповерта сопротивление его обмоток определяется активным сопротивлением проводов и составляет десятки Ом. Поэтому пусковой ток в первый момент может составлять и сотню ампер.

Для исключения ложных срабатываний защиты в плате BMS обычно предусмотрена задержка ее срабатывания около 100 ms, что очевидно для данного шуруповерта оказалось недостаточно. Для стабильного запуска двигателя потребовалось увеличить задержку для срабатывания защиты до половины секунды (500 ms). Электрической схемы платы не было, поэтому решил увеличить время задержки методом научного тыка.

Предстояло найти точку в схеме, к которой припаять вывод конденсатора относительно минуса или плюса аккумуляторов. Для этого был взят конденсатор емкостью 0,47 mF и к одному из его концов припаян тонкий проводок. Второй его конец был припаян к отрицательному выводу аккумуляторов.

Затем свободным концом конденсатора производилось последовательное прикосновение ко всем выводам сопротивлений и конденсаторов, и каждый раз нажималась клавиша пуска двигателя на шуруповерте. Перед каждым следующим прикосновением выводы конденсатора замыкались, чтобы его разрядить и исключить повреждение схемы.

Но точку относительно минуса найти не удалось. Поэтому свободный конец провода был припаян к положительному выводу аккумулятора и проделана такая же операция, которая увенчалась успехом. Прикосновение вывода конденсатора к точке, указанной на фотографии двигатель шуруповерта стал запускаться уверенно даже под нагрузкой.

Для надежности решил увеличить емкость конденсатора до 2,2 mF. Он был одним концом припаян непосредственно к положительному выводу аккумулятора, а второй вывод подсоединен к левому выводу резистора 1 кОм с помощью проводника.

Возможно, есть и более рациональное решение, но проверка шуруповерта в работе показала эффективность установки дополнительного конденсатора. Двигатель как на холостом ходу, так и под нагрузкой запускался безотказно.

За $10 и пару вечеров удалось вернуть в строй, казалось бы, бесполезный шуруповерт. Надеюсь, что мой опыт поможет многим решиться на восстановление работоспособности заброшенных шуруповертов и других аккумуляторных инструментов.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

Никель-кадмиевые аккумуляторы обладают низкой ценой, выдерживают много зарядных циклов, не боятся низких температур. Но ёмкость батареи будет снижаться, если поставить ее на заряд, не дождавшись полного разряда (эффект памяти).

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы имеют следующие преимущества:

• высокая емкость, которая обеспечит большее время работы шуруповерта;
• меньшие размеры и вес;
• хорошо сохраняет заряд в нерабочем состоянии.

Но литиевый аккумулятор для шуруповерта плохо выдерживает полный разряд, поэтому заводские инструменты на таких аккумуляторах оснащают дополнительными платами, защищающими работу батареи от перегрева, КЗ, избыточного заряда во избежание взрыва, полного разряда. При установке микросхемы непосредственно в аккумулятор происходит размыкание цепи, если неиспользуемая батарея находится отдельно от инструмента.

Как рассчитать параметры новой батареи

1. Потребляемый ток шуруповерта обычно не превышает 10-15 ампер. Соответственно, типового тока отдачи (разряда) Li-ion аккумулятора (30-35А) хватит с запасом.
2. Напряжение питания рассчитывается по старой Ni-Ca батарее. Обычно блок состоит из 12 аккумуляторов по 1,2 вольта, то есть общий показатель 14,4 В. Литиевые аккумуляторы нельзя разряжать до напряжения ниже 2,74 вольта. Рабочее напряжение 3,0-3,5 В, то есть для замены необходимо соединить последовательно 4 аккумулятора 18650.

Полученного рабочего напряжения от 12 В до 14 В более чем достаточно. Даже относительно свежие штатные Ni-Ca батареи редко выдают больше 12 вольт.

Если позволяет объем, можно параллельно соединить 2 последовательные сборки по 4 аккумулятора, увеличив емкость батареи вдвое. При этом, взаимное расположение может быть каким угодно – по форме корпуса. Главное – обеспечить надежное соединение проводов.

1. Кроме того, желательно разместить в общий корпус зарядное устройство. Тогда вам не придется каждый раз извлекать аккумуляторы из корпуса.

Выбор контроллера

При всех своих достоинствах, литий-ионные элементы чувствительны к:

• глубокому разряду;
• перезаряду;
• излишнему зарядному току;
• перегреву.

Контролировать самостоятельно эти параметры в течение нескольких часов, которые потребуются для пополнения энергии АКБ, сложно. Поэтому эти функции возлагаются на систему PCB (Power Control Board) или СОФ (система обеспечения функционирования). Она представляет собой плату небольшого размера, которую часто встраивают в корпус аккумулятора (из-за этого длина элемента типоразмера 18650 несколько выше обещанных 65 мм). Эта система прекращает заряд при достижении нужного напряжения и отключает АКБ при разряде до установленного уровня. Такие элементы имеют на корпусе маркировку Protected. Если маркировка отсутствует или прямо указано Unprotected, значит батарея такой системой не оснащена и контролировать параметры заряда придется вручную или возложить эту функцию на внешнее устройство.

Не надо путать PCB (СОФ) с системой BMS — Battery Management System или PCM – Power Charge Module. Эта система предназначена для поэлементного контроля заряда аккумуляторов, включенных в батарею по последовательной схеме. Элементы, из которых составлена АКБ, имеют определенный разброс параметров, поэтому возможна ситуация, когда часть элементов уже заряжена, а другую часть еще надо заряжать. Очевидно, что этот режим неблагоприятен для аккумуляторов. Эту проблему призвана решать BMS («балансир»). И в рассматриваемом случае без данной системы не обойтись.

Типовая схема включения балансира.

Типовая схема включения BMS показана на рисунке. При достижении номинальных параметров, элемент шунтируется внутренним ключом, остальные аккумуляторы продолжают заряжаться.

У плат разных производителей маркировка может несколько отличаться (вместо «B-» встречается обозначение «0V», вместо порядкового номера батареи — суммарное напряжение в точке подключения). Приобрести готовое устройство можно в интернете на известных торговых площадках. Выбирать надо по следующим параметрам:

• рабочий ток – не менее 30 А;
• количество подключаемых элементов должно соответствовать количеству аккумуляторов в батарее.

И, конечно, надо соизмерять габариты платы с имеющимся установочным местом.