Більшість старих моделей шуруповертів (і бюджетні сучасні) обладнані нікель-кадмієвими акумуляторами. Вони дешеві, прості у використанні і можуть видавати великі струми – саме те, що потрібно шуруповерту, робота якого явно не тільки закручуванням шурупів обмежується.
Попри сильні сторони, Ni-Cd акумулятори мають і багато слабкостей. Серед таких малий термін служби та ефект пам’яті. Останній – це втрата ефективної ємності при підзарядці нерозрядженого акумулятора. Також не варто забувати і про потребу в особливій утилізації через шкідливість для довкілля.
Але таки найпопулярнішою проблемою залишається короткий термін служби, особливо за інтенсивної експлуатації та неналежного зберігання. І хоча смерть такого акумулятора, в переважній більшості, закидає шуруповерт вглиб ящика інструментів, в цій статті розглянемо як запросто можна вдихнути нове життя в такий корисний у господарстві інструмент.
Є нова, краща технологія – літій!
На заміну цій старій технології прийшли вже звичні у повсякденному житті літієві акумулятори. Зокрема літій-іонні, полімерні, або специфічні літій-ферумні. Першою і основною відмінністю є висока енергоємність за відносно малої маси. При цьому такі акумулятори мають досить великий ресурс роботи. Не можна не згадати ще одну велику відмінність – швидку зарядку, що суперважливо за обмеженої кількості наявних акумуляторів і тривалих робіт. З мінусів – це специфіка тої ж таки зарядки, а також використання. Але це запросто вирішується допоміжною електронікою.
Для заряджання, на відміну від Ni-Cd, вимагається специфічний режим CC-CV (Constant Current – Constant Voltage). В першому режимі (СС) струм зарядки подається постійним увесь час, до моменту, поки акумулятри не дійдуть до верхньої межі напруги – 4,2 вольти. Допустимий струм заряджання вказується виробником, зазвичай це 0.5C, де С – це ємність акумулятора в А*год. Наприклад, при ємності в 2 А*год допустимий струм становить 1 А. Звичайно, використання менших струмів дозволить зберегти ресурс акумулятора, але час зарядки зросте. Після закінчення режиму СС, заряджання продовжується у режимі CV, коли підтримується стала напруга, а в міру цього споживання струму прямує до нуля. Акумулятор вважається зарядженим коли за напруги в 4,2 вольти більше не споживає струму. При перезаряді, на відміну від Ni-Cd акумуляторів (які залишкову енергію розсіюють у вигляді тепла), літієві починають деградувати і навіть вибухають.
Для контролю зарядки використовують як специфічні плати під конкретні акумулятори, так і пристрої, які вміють заряджати різні типи з дотриманням їх специфікацій.
У свою чергу, специфіка використання полягає у недопусканні розряджання нижче 3 вольт (2,5 вольт для деяких) і струмів вище заявлених виробником. Перерозряд може суттєво зменшити ресурс або запустити хімічні процеси, які унеможливлять подальше використання акумулятора взагалі. Використання струмів вище заявлених викликає суттєвий нагрів акумулятора, який, за критичних умов, знищить сам акумулятор.
Літій-іонні акумулятори надзвичайно поширені.
Зокрема у форматі 18650 (18 мм в діаметрі, 65 мм в довжину) їх використовуються у ноутбуках, павер-банках, портативних ліхтариках, електронних сигаретах і навіть автомобілях Tesla. Літій-полімерні найбільш поширені в тонких портативних пристроях, як от смартфони чи ноутбуки, а також у форматі акумуляторних батарей для дронів і т.д.
Дістати вживані акумулятори можна із несправних комп’ютерних батарей або павербанків. Зазвичай, несправність викликана поломкою одного акумулятора із батареї, а решта можуть бути використані повторно. Нові ж акумулятори можна купляти у магазинах радіотехніки або на АліЕкспресі.
Один із найпопулярніших китайських шуруповертів – клон Makita DF330DWE – дешевий, але вже комплектується хорошими літієвими акумуляторами. Я, як власник такого клона, з впевненістю це можу підтвердити. Такий інструмент на одному заряді може просвердлити два отвори конічним ступінчастим свердлом в алюмінії товщиною 3мм. Або кілька отворів в залізобетоні, хоча це йому вже дається дуже і дуже важко.
Більшість шуруповертів йдуть з електромоторами на 12 вольт. Тому, з розрахунку робочих значень напруги 3,0 – 4,2 вольт одного акумулятора, нам потрібно мінімум три таких акумулятори об’єднані в батарею для отримання 9 – 12,6 вольт.
Використання батарей (послідовно або паралельно з’єднаних акумуляторів) вносить ще одну проблему – при різному заряді окремих акумуляторів однієї батареї виникає можливість коли одна або декілька комірок будуть перезаряджатись або перерозряджатись. В дешевих пристроях виробники підбирають акумулятори з однаковими показниками та ігнорують цю проблему. А у нормально спроектованих використовують плати контролю – BMS (Battery Management System). Така плата дозволяє захистити акумулятори від перезаряджання, перерозряджання, обмежувати струми використання і заряджання. Власне вона вирішує всі специфічні проблеми, описані вище. Зазначу, ціна такої плати досить мала, а користь колосальна.
Що потрібно мати перед початком роботи?
Розібравшись з теорією, розглянемо що є необхідним, щоб дати нове життя старому шуруповерту на старих Ni-Cd акумулятрах:
- Літій-іонні акумулятори.
- Плата контролю зарядки-розрядки
- Зарядний пристрій CC-CV
- Гніздо DC5525 для підключення зарядного пристрою
- Паяльник, опціональний інструмент для контактного паяння
- Товстий кабель
1. Літій-іонні акумулятори.
У виборі між полімерними та іонними, я зупинився на останніх. Перші хоч і демонструють кращі показники струмів, проте не мають захисної оболонки, легко перегріваються, а особливо люблять здуватись. Останнє явно небажане в закритому корпусі шуруповерта, тому тільки літій-іон.
Проте варто врахувати ще одну особливість іонних акумуляторів. Будучи одного форм-фактору, вони бувають різної ємності і струмовіддачі. Це виправдано тим, що різні пристрої потребують різні за властивостями джерела енергії. До прикладу, павербанки або ноутбуки не використровують великих струмів, але вимагають великої ємності для тривалої роботи. На противагу їм шуруповерти, які потребуть великих струмів, зокрема пускових, а ємність є не такою важливою.
Тому для шуруповерта не підійдуть будь-які літій-іонні акумулятори формату 18650, а тільки високострумові.
Якщо купляти акумулятори на АліЕкспресі, то потрібно обов’язково підтвердити, що акумулятори високострумові, інакше прийдуть звичайні (як мені, коли от тільки планував цей проект).
Також наявні акумулятори з припаяними кусками металевої стрічки, що суттєво спрощує їх паяння, але на момент виконання проекту таких високострумових не знайшлось.
2. Плата контролю зарядки-розрядки
Плата BMS підійде будь-яка, головне, щоб максимальний струм був не менше 30-40 А. Звичайно, краще коли з додатковими захистами, як от від короткого замикання або перегріву.
3. Зарядний пристрій CC-CV
Плата BMS вміє шунтувати заряджений акумулятор, при цьому дозаряджаючи інші, неповністю заряджені комірки. Це є основою захисту від перезаряджання, а інакше називається балансуюче заряджання. Але підтримувати режим заряду CC-CV плата BMS не вміє. А тому блок живлення для зарядки повинен це виконувати. Його, звичайно, можна вмонтувати в корпус, але для зручності при використанні кількох акумуляторів, потреби в такому не бачу. Підійде будь-який такий блок живлення, який вміє підтримувати сталий струм до 1 ампера, і з робочою напругою в 12,6 вольта (для батареї з трьох акумуляторів).
4. Гніздо DC5525 для підключення зарядного пристрою
Будь-яке гніздо для штекера зарядного пристрою – головне щоб гарно в корпусі вміщалось.
5. Паяльник, опціональний інструмент для контактного паяння
Контактне паяння це дуже зручний метод об’єднати кілька акумуляторів в батарею. Цей спосіб передбачає протікання великих струмів низької напруги протягом долі секунди, що викликає локальне розплавлення металів, які спаюються. Як результат отримаємо надійний контакт без перегріву акумулятора. Але такий апарат є явно не у всіх (і у мене немає), а тому скористаємось звичайним потужним паяльником.
6. Товстий кабель
Я використав наявний кабель для акустичних систем, доволі товстий, з падінням напруги менше 0,12 вольта при струмі в 5 ампер.
Тепер, маючи всі необхідні компоненти, можна взятись за роботу.
1. Розбираємо старий акумулятор
Старі Ni-Cd акумулятори не можна викидати у смітник – їх потрібно здати на утилізацію у відповідні служби. Також від них треба від’єднати старі клеми – вони нам точно ще знадобляться.
2. Приміряємо акумулятори в корпусі
Тут може знадобитись доробляння корпусу, але тут мені повезло, акумулятори стали як рідні.
3. Нарізаємо кабель на шматки потрібної довжини і залуджуємо кінці
На товстий кабель не шкодуємо флюсу, так за менший період часу отримаємо гарний результат, а ізоляція кабелю не встигне підплавитись.
4. Залуджуємо акумулятори
Важливо – потрібно бути надзвичайно обережним. Літієві акамулятри не люблять перегріву, а тому наносимо достатню каплю флюсу на клему акумулятора, припой – на жало паяльника, і короткочасними дотиками покриваємо клему припоєм.
5. З’єднуємо акумулятори послідовно і приєднуємо BMS
Маючи залуджені дроти і самі акумулятори, акуратно спаюємо їх докупи. Тоді поміщаємо в корпус, ще не фіксуємо і спаюємо між собою. Важливо перевірити напругу батареї – між двома крайніми дротами має бути близько 12 вольт. Якщо все збігається – то можна припаяти плату BMS, відповідно до маркування на самій платі. В результаті на робочих клемах плати має бути тих же 12 вольт.
6. Приєднуємо оригінальні клеми від старого акумулятора.
Замість того, щоб видумувати щось нове, тут ідеально використати вже наявні клеми. В моєму випадку, вони були у досить непоганому стані, хіба що потребували щоб їх відчистили, просвердлили отвір для фіксації і припаяли нові дроти.
7. Свердлимо отвір для підзарядки
В будь-якому зручному для цього місці. І так, не робіть як я, витягуйте акумулятори з корпусу перед свердлінням.
8. Спаюємо все докупи і скручуємо корпус. За потреби фіксуємо термоклеєм.
9. Перевіряємо результат нашої роботи, зокрема старт, холостий хід, роботу під навантаженням і заклинення.
10. Ставимо оцінку цій статті кнопками рейтингу нижче.
Результат
Цей проект був виконаний ще у лютому 2019-го і дотепер акумулятори служать хорошу роботу у господарстві мого батька. Ціна такої модифікації, на той час, була близько 400 гривень ($14.29), за умови замовлення комплектуючих з Китаю. А задоволений батько – це безцінно.
Де купити?
| Високострумові літій-іонні акумулятори | AliExpress |
| Плата BMS | AliExpress |
| Зарядний пристрій CC-CV | AliExpress |
| Гніздо DC5525 | AliExpress |