Изготовление сменного батарейного блока к запасному Li-Ion аккумулятору для Ni-Cd шуруповерта, с использованием холдера для 18650 Li-Ion аккумуляторов

Это 2-я часть обзора о запасном Li аккумуляторе для Ni-Cd шуруповерта Black&Decker. В 1-й части я делал корпус аккумулятора с защелками, ставил в него плату защиты, вольтметр-пищалку и адаптер для работы с Li-Ion батарейным блоком от шуруповерта DeWALT. Сегодня я расскажу о новом захватывающем DIY проекте – сменном батарейном блоке на базе холдера (кассеты) для 18650 Li-Ion аккумуляторов. А также — какие холдеры можно, на мой взгляд, использовать в шуруповертах и почему (немного теории). Как доработать правильный холдер (практический пример).
UPD: Незапланированный тест холдера на устойчивость к короткому замыканию и его результаты

Холдеры (они же кассеты, держатели, или боксы) – это самый простой и безопасный способ соединить между собой цилиндрические Li-Ion аккумуляторы. Простой, потому что не требуется оборудование точечной сварки (стандартный промышленный способ соединения Li-Ion банок в сборке). Безопасный, потому что ни варить, ни паять сами банки не нужно. Не имея опыта пайки лития, есть серьезный риск убить достаточно дорогие аккумуляторы. Чтобы паять литий, нужна набитая рука, мощный паяльник и соблюдение правильной техники для исключения перегрева корпуса банок в процессе пайки. Также холдеры имеют весомый плюс по сравнению с пайкой или сваркой, создающей неразъемное соединение элементов – в холдере все банки можно легко и быстро заменить.

Из-за удобства их применения холдеры давно и успешно используют во всяких DIY проектах: пауэрбанках, зарядках, источниках автономного питания и пр. Так же давно холдеры пытаются использовать и для переделки шуруповертов на литиевое питание, но результаты получаются положительными не всегда.
В чем же проблема с использованием холдеров для аккумулятора шуруповерта? Во-первых, при высоких рабочих токах шуруповерта контакты холдера сильно нагреваются. Из-за этого пластиковый корпус холдера плавится, что приводит к его разрушению и выходу аккумулятора из строя. Во-вторых, шуруповерт теряет мощность, т.к. значительная часть энергии банок уходит на нагрев контактных проводников холдера. Особенно это касается холдеров с круглыми пружинами, на которых заметно падает напряжение из-за большой длины и малого сечения пружинок. Итак, общее проблемное место всех холдеров — это их контакты, что ограничивает возможности использования холдеров в устройствах с высоким током потребления.

Означает ли это, что использовать холдеры для шуруповерта в принципе нельзя?

Утверждать столь категорично я бы не стал. Некоторые типы холдеров, после несложной доработки, использовать вполне возможно. Но обязательно нужно учитывать максимальный ток шуруповерта, с которым их планируется применять.

Какие бывают холдеры (кассеты) для 18650 Li-Ion аккумуляторов?

Чаще всего встречаются такие.

Я условно пронумеровал их как №1, 2, 3.

№1 это холдер с круглыми пружинами.

№ 2 и 3 по сути один и тот же холдер с плоскими пружинами, различие только в форме выводов. У № 2 они узкие, а у № 3 широкие. Рядом с этими холдерами я добавил изображения их контактных ламелей.

Почему греются контакты холдера при высоких токах?

При прохождении по проводнику электрического тока происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока (закон Джоуля-Ленца, Q = I2rt).

Представим, что это контакт холдера (как отрезок проводника, включенный в общую цепь). Если в каком-то месте цепи сопротивление (r, Ом) будет выше, то проводник в этом месте будет греться сильнее.

От чего зависит сопротивление проводника? В основном от 2-х факторов (в дебри уходить не будем, это все же DIY обзор, а не научная статья) – от геометрии проводника и его удельного электрического сопротивления. Вот формула.

где r — сопротивление отрезка проводника; ρ — удельное сопротивление проводника; l — длина проводника; S — сечение проводника.

На какие мысли наводит эта формула?

Чтобы уменьшить r, нужно значение числителя (верхняя часть дроби) сделать как можно меньше, а знаменателя — как можно больше. С ρ мы ничего сделать не можем, что есть, с тем и работаем. А вот L можно уменьшить, сделав путь тока как можно короче. Применительно к плоскому ламелю холдера, это означает, что паять перемычку нужно как можно ближе к месту контакта ламеля с полюсом банки. Холдер с круглыми пружинами имеет большую длину L и соответственно повышенное сопротивление. Однако определяющее значение для выбора правильного холдера имеет сечение S контактного ламеля. Чем больше сечение, тем больший ток может выдержать холдер. На первый взгляд это просто, но есть и нюансы.

На фото холдеров вы наверно обратили внимание, что сечение ламеля на разных участках его длины разное. Что из этого следует? В той области, где сечение меньше, ламель будет греться больше. Кстати, на этом строится принцип работы плавкого предохранителя – где тонко, там и рвется.

А вот еще пример, из области автоэлектрики.

Несложно догадаться, что произойдет с тонким проводком при включении мощного потребителя.

Становится понятно, что соединять ламели холдера между собой нужно в их широкой части — от места контакта ламеля с полюсом банки до места сужения профиля ламеля.

Такой нестандартный способ соединения ламелей нужен только для работы на высоких токах. Для работы в пауэрбанке, например, штатного соединения (т.е. нижнего по рисунку) будет более чем достаточно.

А теперь отвлечемся на минуту от скучных формул.

На какой предмет похож контакт холдера № 2? Мне, как бывшему слесарю-сборщику РЭАиП, он напоминает бутылку (ну кто б сомневался).

Кстати, это наглядная визуализация английского термина bottleneck («узкое место»), применяемого в технических и других науках. Термин произошел из аналогии с узким горлышком бутылки, из-за чего не получается вылить или высыпать всё её содержимое сразу, даже если её перевернуть. При увеличении ширины горлышка увеличивается и скорость, с которой бутылка опустошается. Таким образом, «бутылочным горлышком» называют любой компонент системы, мощность (пропускная способность) которого меньше, чем потребность в нем.

Вот мы и подобрались вплотную к ответу на вопрос, какой тип холдера, с точки зрения банальной физики, лучше всего подходит для использования с шуруповертом. Таблица ниже поможет сделать выбор.

Холдеры с круглыми пружинами отбрасываем сразу. Самое малое сечение контактов из всех 3-х типов, это раз. Большая длина пружинок, значительное падение на них напряжения, это два. Популярная доработка (припаивание медного провода ко 2-му витку пружинок) ничего кардинально не изменит. Холдер №1 можно использовать только для сравнительно небольших токов, порядка 1 ампера, например, в пауэрбанках. Для питания шуруповертов они совершенно непригодны.

Теперь самое интересное. Какой холдер лучше, №2 или №3?

№2 имеет узкие выводы с сечением 0,62 кв.мм, немногим больше чем у холдера №1 (0,38 кв.мм). Такого сечения для питания шуруповерта также явно недостаточно, о чем красноречиво говорит проплавленный корпус холдера на фото ниже. Необходимо использовать нестандартное соединение в широкой части контакта. Плюс холдера №2 – самая большая площадь сечения (в широкой части контакта).

Холдер №3. С одной стороны, он имеет широкие выводы. Но вся их ценность смазывается заужением профиля в середине ламеля (помните про плавкий предохранитель?). Если соединять штатно, эффективное сечение будет всего лишь 1,08 кв.мм. Второй недостаток — сечение даже широкой части контакта холдера №3 на целых 39% меньше такого же сечения холдера №2. 1,9 кв.мм и 2,64 кв.мм соответственно.

Поскольку нагрев контактов сильно зависит от силы тока через них (помните про квадрат тока из формулы Джоуля-Ленца?), то для противодействия ему каждый дополнительный мм2 сечения контактов становится на вес золота. Поэтому лучшим холдером для высоких токов из 3-х перечисленных является тот, который имеет наибольшее сечение контактов в местах их соединения между собой.

Вывод: Для токов шуруповерта лучше подойдет холдер №2, при условии, что соединительные провода будут припаяны к его широкой части.

Следующий важный вопрос – какой ток, ограниченный допустимым нагревом, может на практике выдержать доработанный холдер №2? Такой эксперимент проводил уважаемый kirich в одном из своих обзоров. Вот его результаты.

Судя по термограмме, можно осторожно предположить, что и 20 ампер длительно не являются пределом для данного холдера, однако здесь мы уже упираемся в ограничения по максимальному току самих Li-Ion аккумуляторов форм-фактора 18650 (как правило, 30 ампер длительно).

Как альтернативный вариант, для увеличения токовой отдачи можно также использовать параллельно-последовательное соединение аккумуляторов в холдере. Например, xS2P соединение увеличивает отдаваемый батарейным блоком ток вдвое, xS3P — втрое, и т.д.

Кстати, многие думают, что чем мощнее аккумуляторный шуруповерт, то тем больше у него рабочие токи. Это не всегда так, бывает скорее наоборот. Вот пример. Посмотрите на таблицу со спецификациями моторов ф. Leshi Motor, которые ставились в Ni-Cd шуруповерты.

Мы видим, что 7.2В мотор имеет макс. ток 14,8А и мощность 67,5 Вт.
А 18В мотор имеет макс. ток 8,6А и мощность 113,7 Вт.
Удивительно, правда? Почему так? Здесь при меньшем макс. токе мощность больше за счет повышения напряжения питания (по формуле мощности P=IU).

Поскольку для холдеров критичным является именно ток, а не напряжение, это обстоятельство может в некоторых случаях расширить возможности применения холдеров для переделки на литий мощных 18 вольтовых Ni-Cd шуруповертов.

Ну и наконец, практическая часть.

Изготовление сменного батарейного блока на базе холдера №2

Напомню, что моем шуруповерте Black&Decker CD12C, для которого я делаю этот батарейный блок, стоит 12V двигатель с максимальным рабочим током 9.7А. Провода питания к этому двигателю имеют сечение 0,823 кв.мм (18AWG). Допустимую длительную токовую нагрузку проводов с разным сечением по стандарту AWG можно посмотреть здесь

Это холдер с аккумуляторами, которые я буду использовать. Ссылки на них привел в конце обзора.

Припаял выходные провода и перемычки к ламелям холдера в верхней части. Перемычки в точках 1S и 2S сделал из того же акустического медного провода сечением полтора квадрата, что и выходные провода. Для подключения точек соединения элементов к плате защиты и вольтметру припаял к перемычкам провода с наконечником типа РП-М (автоклемма).

Провода и перемычки не мешают установке аккумуляторов в холдер.

Для обратной совместимости с батарейным блоком от шуруповерта DeWALT DCD 710, который меньше по длине, сделал в адаптере разрезную фигурную вставку. Нижняя часть приклеена, а верхняя при установке холдера вынимается.

Оба блока рядом.

Батарейные блоки в адаптере меняются простой перестановкой.

Напоследок испытал новый батарейный блок в составе шуруповерта, закрутив и выкрутив без перерыва два десятка длинных саморезов, до отсечки на максимальном моменте трещотки. Ничего не задымилось и не расплавилось.
В каких же случаях можно использовать холдер вместо пайки/сварки банок? Мое личное мнение на этот счет таково: если холдер влезает в корпус старого аккумулятора и рабочий ток шуруповерта позволяет, тогда и можно ставить. А вот нужно ли ставить холдер или паять литий, каждый решает сам, в зависимости от своих убеждений и уровня подготовленности, здесь я рекомендовать ничего не могу. Для меня все определяется удобством и целесообразностью в каждом конкретном случае. Например, в корпус штатного Ni-Cd аккумулятора моего шуруповерта холдер не влезает и поэтому, если буду переделывать его на литий, то буду паять банки.

О зарядке

Заряжать вставленный в адаптер холдер с аккумуляторами можно теми же способами, что и батарейный блок DeWALT из прошлого обзора:

1) 12.6V зарядкой для 3S сборки литиевых аккумуляторов через штатный зарядный разъем шуруповерта. Например, зарядкой из обзора уважаемого kirich

2) Подходящей универсальной зарядкой для литиевых аккумуляторов через выходные клеммы или штатный зарядный разъем. Например, B6 mini.

3) Или можно вынуть аккумуляторы из холдера и зарядить их любой зарядкой для лития, вместе или по отдельности.

Список основных использованных материалов

Холдер №2 aliexpress.com/store/product/1pcs-DIY-Black-Storage-Box-Holder-Case-For-3-x-18650-3-7V-Rechargeable-Batteries/2883234_32820368298.html

Аккумуляторы US18650VTC6 3120mAh 30A 3.6V https://www.gearbest.com/batteries/pp_571930.html?wid=83

Набор автоклемм ebay.com/itm/222641329900

UPD: Незапланированный тест холдера на устойчивость к короткому замыканию и его результаты

Хотя я и сделал защиту от себя дурака переполюсовки, в виде термоусадки разного цвета на наконечниках проводов (кроме силовых проводов адаптера, за что впоследствии и поплатился), но тем не менее на днях умудрился их перепутать. При нажатии кнопки шуруповерта послышался характерный «пшшш», сопровождаемый дымом и запахом горелой пластмассы.
Из видимых повреждений: в шуруповерте был пробит диод, а на плате защиты отпаялись силовые ключи и подгорели токоизмерительные резисторы. Таким образом, шуруповерт и плата защиты оказались выведены из строя. А вот с холдером ничего не случилось. Контакты холдера, провода с разъемами и аккумуляторы это испытание выдержали играючи.

фото

В заключение, только факты.
1. доработанный холдер №2 без проблем выдерживает рабочий ток шуруповерта 9.7 ампер.
2. доработанный холдер №2 без проблем выдерживает длительный ток 20 ампер в течение как минимум 10 минут (результаты независимого теста)
3. доработанный холдер №2 без проблем выдержал ток короткого замыкания в шуруповерте Black&Decker CD12C
Выводы можете сделать сами, уважаемые читатели.

mysku.ru

Как соединять li-ion аккумуляторы

Всем привет! Этот пост будет не большим до значительно важным о креплении контактов к литий ионным аккумуляторам или как делать аккумулятор 18650 под пайку

Как известно, литий ионные аккумуляторы на дух не переносят перегрева, особенно перегрева паяльником. После припаивания контактов к литий ионному аккумулятору, он теряет некую ёмкость, которая не восстановится потом. Честно признаться я и сам по началу паял литиевые аккумуляторы  ;)) олово + канифоль + паяльник + кусок провода, но смотрится конечно это не очень в отличии от контактной сварки.

 

Поэтому существует несколько цивилизованных способов соединения литий ионок:

• Сварка контактной сваркой
• Применение холдеров
• Применение неодимовых магнитов
• Применение клея или жидкого пластика.

 

Самым распространенным вариантом является именно сварка. Данный способ отличается надёжностью и простотой, при наличии контактной сварки.

Остальные же способы используются, когда сварки нет под рукой или соединение делается не на долго. Но и эти способы требуют дополнительных приспособлений.

Самый простой и в меру надёжный вариант, я нашёл на просторах англонета.

В данном примере используется вкладка из полиэтиленовой крышечки из-под пластикового флакона. Или можно заменить донышком самой полиэтиленовой крышечки.  Плюс несколько пластиковых стяжек (такие есть у многих мастерских для стягивания кабелей)

Для контактов используется пару десятков сантиметров подходящего провода и пара шайб типа «гровер»

 

 

 

 

 

 

Вставив банку аккумулятора в нижний контакт, накрываем сверху вторым контактом и фиксируем оба контакта пластиковыми стяжками, как показано на рисунке ниже.

Для одного соединения используется 2 стяжки, основа одной и только МАМА от другой стяжки. Таким образом при фиксации одной банки используется не 4 а 8 стяжек.

 

Провода от обоих контактов лучше зафиксировать изолентой или пластырем на тканевой основе (так будет надёжней). В таком виде литий ионные аккумуляторы формата 18650 или 14500 можно использовать в составе аккумуляторной сборки или отдельно.  Так же такой вариант довольно не дорогой и прост для сборки.

Один из вариантов, предложенный комментатором, упаковать банки в термоусадку по размеру. Такой вариант имеет право на жизнь. На фото ниже — сборка из 4 банок, формата 18650 объединенных термоусадкой, правда изначально они соединены между собой пластинами контактной сваркой. Дабы клеммы не ушли из-под термоусадки, целесообразно будет укрепить их, изолентой поверх термоусадки.

silatoka.net

как собрать литиевую батарею своими руками

Изначально литий ионные батарейки предназначались для мобильных устройств будь-то телефоны, фотоаппараты, видеокамеры, ноутбуки, но в последнее десятилетие выпуск литиевых аккумуляторов налажен и большинством автопроизводителей.

Тогда зачем собирать самому, если можно купить готовый аккумулятор? Есть достаточно причин:

• собранные на заводе литиевые аккумуляторные батареи — неоправданно дорогие;
• очень трудно найти подходящий по габаритам аккумулятор для мотоцикла, автомобиля;
• если собранная батарея влезет с запасом в установочное место, то у неё будет ниже емкость.

Своими руками можно собрать батарею из отдельных элементов, которая будет ограничена лишь энергоплотностью и ценой за ватт-час, в зависимости от типа выбранных элементов:

1. NiMH — никель металогидридные;
2. Li-ion — литий ионные;
3. Li-pol — литий полимерные;
4. LiFePO4 — литий железо-фосфатные;
5. Lead-Acid — свинцово-кислотные.

Опасность перезаряда литиевых элементов

С литиевыми элементами нужно обращаться осторожно, поскольку в них сосредоточена большая энергия на малую площадь при полном заряде. Поэтому уже давно в продаже имеются защищенные Li-ion и Li-pol батарейки.

Ещё в 1991 году компания Sony обратила внимание на взрывоопасность Li-ion элементов. В настоящее время все без исключения аккумуляторы наматываются с двухслойным сепаратором между пластинами, чтобы исключить риск внутреннего короткого замыкания. Все фирменные батарейки снабжены платой защиты на полевом транзисторе, которая отключает их в следующих случаях:

1. Аккумулятор чрезмерно разряжен — ниже 2,5 В.
2. Перезаряжен — свыше 4,2 В.
3. Подан слишком большой ток заряда — более 1С (С является ёмкостью аккумулятора в Ач).
4. Короткое замыкание.
5. Превышен ток нагрузки — более 5С.
6. Неправильная полярность при заряде.

Для дополнительной подстраховки служит термопредохранитель, размыкающий цепь при перегреве литиевого элемента свыше 90 °C.

Как найти батарею с защитой?

Литиевые аккумуляторы выпускаются в бытовом и технологическом исполнении. Батарейки для бытового использования имеют прочный пластмассовый корпус и встроенную электронную защиту. Технологические элементы, предназначенные для промышленного использования, чаще всего выпускаются в бескорпусном виде и не имеют встроенной защиты.

1. Защищенные аккумуляторы имеют слово «protected» в названии, незащищенные — «unprotected».
2. Батарейки с защитой длиннее обычных на 2–3 мм из-за платы, которая устанавливается на торце возле минусового полюса.
3. Цена на батарейки с защитой при одинаковой ёмкости всегда выше, ведь плата с электронными компонентами тоже стоит денег.

Плюсовой полюс батарейки обязательно соединяется с защитной платой тонкой пластинкой, иначе защита работать не будет.

О балансировке элементов литиевого аккумулятора

При последовательном соединении отдельных элементов их напряжения суммируются, а ёмкость остаётся той же. Даже из одной серии батарейки имеют различные характеристики, поэтому заряжаются они с разной скоростью. Например, при заряжании до суммарного напряжения 12,6 В элемент посередине может перезарядиться до 4,4 В, что опасно его перегревом.

Дабы не происходило чрезмерного перезаряда незащищенных элементов, применяются балансировочные шлейфы, подключаемые к специальным зарядным устройствам, например: iMAX B6 и Turnigy Accucel-6.

Каждая Li-ion и Li-pol аккумуляторная батарейка бытового назначения имеет самую совершенную защиту от перенапряжений, в виде схемы контроля напряжения, ключа на полевом транзисторе и термопредохранителя.

Балансировка защищённых элементов не требуется, поскольку при возрастании напряжения на каком-то из них до 4,2 В, зарядка гарантированно прервётся.

При сборке батареи из элементов без защиты есть выход из положения — поставить одну плату контроля напряжения на все батарейки, к примеру, соединив их по схеме 4S2P — 4 последовательно, 2 параллельно.

Также не нужна балансировка параллельно соединённых элементов.

При параллельном соединении батареек их напряжение остаётся прежним, а ёмкости суммируются.

О ёмкости литиевых аккумуляторов

Ёмкость — способность аккумулятора отдавать ток, измеряемая в миллиампер час (мАч) или ампер час (Ач). К примеру, батарейка ёмкостью в 2 Ач сможет отдавать ток в 2 A один час, или в 1 A два часа. Но эта зависимость тока от времени подключения нагрузки не линейна — в определённой точке графика при увеличении тока вдвое время работы батареи снижается вчетверо. Поэтому производители всегда указывают ёмкость, высчитанную при разряде аккумулятора чрезмерно малым током в 100 мА.

Количество энергии зависит от напряжения аккумулятора, поэтому никель металогидридные элементы при одинаковой ёмкости имеют в 3 раза меньшую энергоёмкость, чем литий ионные:

• NiMH — 1,2 В * 2,2 Ач = 2,64 ватт-часа;
• Li-ion — 3,7 В * 2,2 Ач = 8,14 ватт-часа.

При поиске и покупке аккумуляторных батареек отдавайте предпочтение известным фирмам, таким как Samsung, Sony, Sanyo, Panasonic. Батарейки этих производителей имеют ёмкость наиболее соответствующую той, что указана на их корпусе. Надпись 2600 мА на элементах Sanyo не сильно отличается от их настоящей ёмкости в 2500–2550 мА. Подделки китайских производителей с хвалёной ёмкостью в 4200 мА недотягивают и до 1000 мА, зато цена на них в два раза ниже японских оригиналов.

Как соединить литиевые батарейки?

Для сборки аккумулятора из литиевых батареек можно применять:

1. пайку;
2. соединительные коробки;
3. неодимовые магниты;
4. точечную сварку.

Пайку при заводской сборке применяют крайне редко, так как литиевый элемент разрушается от нагрева, теряя при этом часть своей ёмкости. С другой стороны, в домашних условиях пайка будет оптимальным способом соединения батареек, поскольку даже мизерное сопротивление на контактах значительно снизит суммарное напряжение на общих клеммах. Пользоваться нужно мощным паяльником на 100 Вт, и прикасаться им к литиевым батареям не более чем на две секунды.

Мощные редкоземельные магниты покрываются слоем никеля или цинка, поэтому их поверхность не окисляется. Эти магниты обеспечивают прекрасный контакт между батарейками. Если захотите припаять проводок к магниту, не забывайте о температуре Кюри, свыше которой любой магнит становится камушком. Ориентировочно допустимая температура для магнитов составляет 300°С.

Если пользоваться коробком для соединения аккумуляторов, то становиться очевидным большой плюс, поскольку так легче будет подобрать батарейки по напряжению или поменять испорченный элемент.

Точечная сварка — наилучший способ соединения литиевых элементов, используемый при сборке батарей для ноутбуков.

Покупать готовый литиевый аккумулятор для машины или мотоцикла невыгодно, когда его можно собрать самому за более низкую цену. Можно сэкономить до 70 долларов, если не покупать новую батарею ноутбука, а самостоятельно заменить в ней элементы.

Об экономии при сборке мощных литиевых батарей для питания электроавтомобилей или систем автономного электроснабжения дома судить тяжело, так как в этих случаях присутствуют дополнительные затраты на оборудование управления и контроля.

Автор: Виталий Петрович. Украина, Лисичанск.

---

 

volt-index.ru