Замена старого Ni-Mh аккумулятора шуруповерта на Li-Ion ячейки

 "Сколько будет стоить поменять старые никелевые аккумуляторы на литий-ионные в моем шуруповерте", -это, пожалуй, один из самых популярных вопросов, которые можно услышать от наших клиентов.
И действительно, проблема достаточно распространенная. У многих найдется старый аккумуляторный шуруповерт (гайковерт, перфоратор, лобзик, триммер и т.д.) в котором штатные аккумуляторы вышли из строя, а новые купить либо нет возможности, так как они могут быть сняты с продажи или просто не хочется тратиться на заведомо устаревшую технологию, а хочется сразу заменить Ni-Mh аккумуляторы на Li-Ion и дать, зачастую, дорогому и качественному электроинструменту вторую жизнь.

Причин для такого желания действительно множество:
   - первая, и основная, это то, что Li-Ion аккумуляторы обладают гораздо большей электрической плотностью, чем Ni-Mh батареи.
     Проще говоря, при одинаковом весе, Li-Ion аккумулятор будет обладать большей электрической емкостью чем Ni-Mh. Соответственно, установив в старый корпус Li-ion аккумуляторы мы получаем гораздо более продолжительное время работы инструмента.

   - ток заряда у высокомощных Li-ion аккумуляторов, особенно у свежих моделей, может достигать значений 1С - 2С (однократное или двукратное значение емкости).
    Т.е. такой аккумулятор можно зарядить за 1 - 0,5 часа, при этом не превысив рекомендуемые производителем параметры и, соответственно, не снижая срок службы аккумулятора.

Но и останавливающих факторов для выполнения такой задумки достаточно:
   - В силу технологических ограничений Li-ion аккумуляторы не могут быть заряжены свыше чем 4,25-4,35В  и разряжены ниже чем 2,5-2,7В (указывается в технических характеристиках для каждого конкретного аккумулятора). При превышении этих значений вы можете повредить аккумулятор и вывести его из строя. Для защиты Li-Ion аккумулятора используются специальные контроллеры заряда-разряда, которые держат напряжение на Li-Ion ячейке в разрешенных пределах. Т.е кроме самих аккумуляторов вам понадобится еще и контроллер заряда-разряда.
   - Напряжение Li-ion аккумуляторных батарей всегда кратно 3,7В (3,6В) в то время как у Ni-Mh батарей оно кратно 1,2В. Это связано с номинальным напряжением (величина напряжения, которая держится на Li-Ion аккумуляторе достаточно продолжительное время в середине вольт-амперной характеристики разрядной кривой) на отдельной ячейке. У Li-ion аккумуляторов это напряжение равно 3,7В, у Ni-Mh - 1,2В. Поэтому вы никогда не сможете собрать из Li-Ion аккумуляторов 12В батарею. В номинале, она может быть 11,1В (3 последовательно) или 14,8В (4 последовательно). Более того, напряжение Li-Ion ячейки меняется в процессе работы от полностью заряженного- 4,25В до полностью разряженного -2,5В. Таким образом напряжение 3S (3 serial - 3 последовательных соединения) аккумуляторной батареи будет меняться в процессе работы от 12,6В (4,2х3) до 7.5В (2.5х3). Для 4S батареи- от 16,8В до 10В.
   - Li-Ion аккумулятор типоразмера 18650, а 99 процентов всех Li-Ion аккумуляторных батарей состоят из ячеек типоразмера 18650, имеет отличные габаритные размеры от Ni-Mh ячеек. Габарит ячейки 18650 составляет 18 мм в диаметре и 65 мм в высоту. Важно "прикинуть" сколько Li-Ion ячеек влезут в ваш корпус. При этом надо понимать, что для аккумулятора 11,1В вам понадобится количество Li-ion ячеек кратное 3. Для батареи в 14,8В - четырем. При этом должно остаться место для размещения контроллера заряда-разряда и коммутационных проводов.
   - Зарядное устройство (ЗУ) для Li-ion аккумуляторов отличается от зарядного устройства для Ni-Mh аккумуляторов.  Справедливости ради, надо отметить, что ЗУ поставляемые с многими шуруповертами являются универсальными ЗУ и могут заряжать как NI-Cd, Ni-Mh так и Li-ion батареи. Убедитесь в том, что ваше ЗУ обладает такой возможностью.
   - Стоимость Li-ion аккумуляторов. а она, по сравнению с Ni-Mh аккумуляторами может отличаться в разы.

Если все вышесказанное вас не отпугнуло, то рассмотрим пример процесса изготовления Li-Ion аккумуляторной батареи взамен имеющейся у нас Ni-Mh аккумулятора от гайковерта DEWALT DC840.

Данный гайковерт комплектуется двумя Ni-Mh аккумуляторными батареями напряжением 12В емкостью 2,6Ач.

Для начала мы определимся с выбором номинального напряжения для нашей Li-ion аккумуляторной батареи.

Выбор стоит между 3S Li-ion батареей с диапазоном напряжений 12,6В - 7,5В и 4S Li-Ion батареей с диапазоном напряжений 16,8В - 10В.
Мы остановимся на втором варианте, так как:
    а) Напряжение на батарее достаточно быстро опускается с максимального до номинального, т.е. с 16,8В до 14,8В, а для электромотора, чем собственно говоря и является гайковерт, превышение в 2,8В не является критичным.
    б) Минимальное напряжение у 3S Li-Ion батареи составит 7,5В, что крайне мало для нормальной работы электроинструмента. И КПД у 4S батареи в данном случае будет выше чем КПД 3S Li-Ion аккумулятора.
    в) Установив 4 Li-ion ячейки мы тем самым повысим электрическую емкость нашего аккумулятора.

Итак, с 1м пунктом разобрались: делаем 4S (14,8В) Li-Ion аккумуляторную батарею.

Второе. Определяемся с выбором Li-ion ячеек.

Для этого нам надо определить ограничивающие факторы.
    В случае с изготовлением Li-Ion аккумулятора для электроинструмента основным ограничением является максимальный ток нагрузки. В настоящее время существуют Li-Ion аккумуляторы с допустимым номинальным (длительным) током нагрузки в 20-25А. Импульсные (кратковременные, до 1-2сек) значения тока нагрузки могут достигать 30-35А. При этом вы не нарушите структуру аккумулятора.

    В наш корпус от старого Ni-Mh аккумулятора может комфортно влезть до 6 Li-Ion ячеек 18650. Соответственно мы не можем собрать 4S2P (4 последовательных соединения и 2 параллельных) Li-ion батарею, для которой понадобится 8 ячеек а должны уложиться в 4 ячейки. Естественно, что в этом случае, каждая из ячеек должна "держать" однократную величину максимального тока нагрузки во всем диапазоне режимов работы электроинструмента.

Определяем максимальный ток, протекающий в аккумуляторе в процессе работы гайковерта.
    На видео ниже видно, что мы подсоединили гайковерт к лабораторному источнику питания (ИП) с максимальным током в 30А. Регулятор ограничителя максимального тока выставляем на максимально возможное значение. Выставив напряжение ИП близкое к номинальному напряжению нашей будущей аккумуляторной батареи мы начинаем плавно нажимать на курок. Ток, потребляемый гайковертом. поднимается до 5А.

    Теперь нажмем на курок очень резко,- тем самым мы, практически, "закорачиваем" цепь питания. Ток импульсно взлетает до 20 - 30А. Может быть он и взлетел бы и выше, но мощность ИП не позволяет этого увидеть. Надо понимать, что это будет кратковременный ток нагрузки в случае очень резкого нажатия на курок гайковерта. И любой шуруповерт/всечтоугодноимеющееэлектродвигатель будет вести себя именно таким образом. Именно поэтому смешно слышать утверждения покупателей, мол, у вас нерабочие контроллеры и плохие аккумуляторы, потому, что, видети-ли, мой шуруповерт потребляет всего 4А,- я измерял,- и я взял аккумуляторы Samsung 22F с емкостью 2200мАч (самые дешевые с максимальным током в 3А) и контроллер на 8А и у меня ничего не работает... А незащищенные Li-ion аккумуляторы и контроллеры обмену/возврату не подлежат. Тут, я думаю, все понятно... Незнание законов не освобождает от ответственности...
    Теперь зажмем наконечник гайковерта в зафиксированные тиски и посмотрим до какого значения будет повышаться ток потребления при режимах работы, когда в гайковерте срабатывает трещетка. Величина тока подскакивает до 10-12А.

    На этом этапе мы определились с величиной тока  нагрузки. В нашем случае она составит: на холостом ходу 5А, при резком старте 30А, при максимальной нагрузке - 12А. Соответственно. мы выбираем Li-ion ячейки с номинальным током нагрузки 10-20А и импульсным в 25-30А.

    Нам подойдут модели Li-ion аккумуляторов (в наличии, на момент написания статьи): 18650 2000мАч LG INR18650HD2 3,7В 25A , 18650 2500мАч LG ICR18650HE4 3,7В 20A , 18650 2600мАч SONY US18650VTC5 3,6В 30A, 18650 3000мАч LG INR18650HG2 3,7В 20A .

Мы остановились на 18650 3000мАч LG INR18650HG2 3,7В 20A для обеспечения максимальной емкости.

Выбор контроллера (платы защиты от переразряда-перезаряда).

Контроллер должен удовлетворять двум параметрам:

    номинальному рабочему напряжению ( в нашем случае 14,8В)
    номинальному рабочему току.

    С напряжением все понятно: если батарея на 14,8В то и контроллер должен быть на 14.8В, если батарея на 11,1В то и контроллер следует выбирать с номинальным напряжением в 11,1В.

    Параметр "номинальный рабочий ток" определяет "пропускную способность" платы защиты. Т.е. контроллер на 4А расчитан на ток в 4А и при 8А у него сработает защита от перегрузки. Контроллер на 16А номинальной нагрузки будет "уходить в защиту" при 30±10А. Все эти параметры указаны на вкладке "Характеристики" для каждой конкретной модели контроллера.

    При этом, у одного экземпляра контроллера ток ограничения может быть равен 30А а у другого 50А. И оба этих контроллера будут формально исправны. Но мы ограничены еще и в габаритах, поэтому контроллер следует выбирать таким образом, чтобы он влез в ваш корпус от старой батареи.

Исходя из вышеописанных условий, мы выбрали плату защиты для 14,8В батареи модели HCX-D177 со значением номинального рабочего тока в 16А и пороговым значением максимального тока в 30±10А.



Итак, мы определились с комплектующими для нашей Li-ion  аккумуляторной батареи. С ЗУ проблем не возникло, так как оно рассчитано на работу как с Ni-Mh так и с Li-ion  аккумуляторами.

Плюс к тому, при условии, что мы ставим контроллер заряда-разряда, мы застрахованы от перезаряда нашей батареи. 

Приступаем к процессу разборки-сборки.

Вскрываем старый аккумулятор, отвинчивая 5 шурупов.



Достаем старую Ni-Mh батарею

Видно, что контактная площадка, которая входит в зацепление с контактной группой гайковерта, приварена к плоскости минусового контакта одной из Ni-Mh ячеек.

Отрезаем точки сварки при помощи многофункционального инструмента DREMEL 4000 с установленным отрезным камнем. В результате у нас остается непосредственно контактная группа от аккумуляторной батареи.

Припаиваем к кокнтактам провода с сечением не менее 2мм2 для силовых выводов и 0,2мм2 для подключения терморезистора и вклеиваем контактную площадку в корпус аккумулятора при помощи термоклея.

Подбираем 4 ячейки LG INR18650HG2 3000мАч по внутреннему сопротивлению на измерителе внутреннего сопротивления аккумуляторов. Его значение должно быть одинаковым для всех четырех аккумуляторов в нашей батарее.



Li-Ion ячейки LG INR18650HG2 склеиваем термоклеем таким образом, чтобы обеспечить максимально-удобное расположение в корпусе.

Сварку ячеек производим на станке для контактной сварки при помощи никелевой сварочной ленты с сечением 2х10мм.

Устанавливаем плату защиты.

На этом этапе мы уже можем оценить на сколько мы облегчили вес нашей батареи.

Вес старых Ni-Mh аккумуляторов составлял 536 гр. Вес новой Li-Ion  батареи равен 199гр. Таким образом, выигрыш в весе составляет 337 гр, что достаточно ощутимо в процессе работы. При этом, энергетическая емкость у нас увеличивается с 31,2Вт*ч (12В * 2,6Ач) в оригинальной Ni-Mh батарее до 44,4Вт*ч (14,8В * 3Ач)

Устанавливаем батарею в корпус. Пустоты заполняем мягким упаковочным материалом.

Батарея готова



    Подключаем ее к нашему гайковерту.

    На видео продемонстрировано, что при резком нажатии на курок срабатывает защита по току у нашей платы защиты. Но в реальных условиях такой режим использоваться, скороее всего, не будет. Если специально не пытаться добиться срабатывания защиты, то гайковерт ведет себя абсолютно прогнозируемо.
Зажимаем наконечник в губки тисков. Как и ожидалось, мощности батареи хватает с лихвой для срабатывании трещетки, ограничивающей усилие кручения.



Разряжаем Li-ion батарею нашего гайковерта на электронной нагрузке. Ток разряда выставляем 5А. График разряда представлен на иллюстрации ниже.



Вставляем аккумулятор в штатное ЗУ. Ток заряда, при замере, составил 3А, что укладывается в допустимые значения тока заряда для данных Li-ion ячеек (для LG INR18650HG2 максимальный ток заряда составляет 4А, что указано на вкладке Характеристики).

По времени, работа по замене Ni-Mh аккумуляторов на Li-Ion аккумуляторы заняла около 2ух часов (с проверкой всех параметров на оборудовании - около 4ех часов). В принципе, все это можно сделать и самому "на коленке", но контактную сварку и подбор аккумуляторов без специального оборудования сделать невозможно.

Стоимость замены Ni-Mh аккумулятора на Li-Ion.

Посмотрим, что у нас получается по стоимости:
   - стоимость 4ех Li-ion аккумуляторов 18650 3000мАч LG INR18650HG2 3,7В 20A, на момент написания статьи, составляет 4 х 550руб = 2200руб
   - стоимость контроллера заряда разряда с балансиром HCX-D177 составляет 1240руб
   - стоимость работы по сварке и сборке равна 800руб

Итого, получается, что самодельная Li-ion батарея 14,8В 3Ач стоит 4240руб

Найдем аналогичную Li-Ion батарею заводского исполнения для какого-либо другого шуруповерта. Аккумулятор Makita 194065-3 имеет абсолютно идентичные параметры.

На момент написания статьи такой аккумулятор стоил от 5500 руб до 6500 руб.

Получается, что прямая экономия составляет 1300 до 2300руб. И, при этом, не следует забывать о том, что батарею, которую мы сделали, купить невозможно в принципе!

PS. Отдельное спасибо за предоставленный подопытный гайковерт и моральную поддержку :) компании Rent4Event.