Ulepszenie akumulatora od wkrętarki #naprawa

Niestety jak to często bywa najsłabszym ogniwem narzędzi akumulatorowych są właśnie ogniwa. Duży prąd pobierany na wyjściu potrafi porządnie skrócić żywotność niejednego akumulatora. Dokładnie tak było z wkrętarką, która dostałem.

Nowy akumulator to koszt ponad 100 zł, wiec o kupnie nowego nie ma mowy. Trzeba wymienić zawartość na świeżą. W akumulatorze do wkrętarki znajdują się ogniwa Ni-Cd 1,2V w ilości 10 sztuk, co w sumie daje 12V napięcia wyjściowego. Ceny takich ogniw również nie są tanie, gdyż jedno kosztuje ok. 10 zł. Wiec koszt wymiany zawartości akumulatora wyniósłby niecałe 100 zł – zbyt wiele.

Jedyne co wymyśliłem to spakowanie w obudowę akumulatora ogniw 18650, których jest u mnie pod dostatkiem – większość z baterii po laptopach. Są wydajniejsze i żywotniejsze od niklowo-kadmowych, dodatkowo mają większą pojemność w stosunku do powierzchni. Więc do dzieła. Co trzeba zrobić?

1. Zastanowić się i wymyśleć jak umieścić ogniwa 18650 w obudowie? I ile ich się tam zmieści?

2. W jaki sposób je połączyć, aby dały odpowiednie napięcie i wydajność? (Zależy ile ich się tam zmieści).

3. Pozostaje kwestia ładowarki. Stara była przeznaczona dla akumulatora Ni-Cd i nie będzie się nadawała do ładowania nowych ogniw Li-Ion.

Przygotowanie

W obudowie mieści się 6 ogniw, każde ma napięcie pracy ok. 3,6-4 V. Połączenie ich po trzy da odpowiednie napięcie oscylujące w granicach 12V oraz podwójna wydajność lub pojemność, gdyż będzie jeszcze połączenie równoległe. Ważne jest, aby ogniwa były tego samego sortu i miały tę samą pojemność albo chociaż to drugie (głównie te pary łączone równolegle, bo nad całością będzie czuwał BMS).

Umieszczenie nowych ogniw innego typu wymagało przerobienia obudowy. Chwila myślenia i można brać cążki/kombinerki w rękę. Po przerobieniu obudowa wygląda tak:

Niestety musiałem pozbyć się dwóch miejsc na śrubki, ale sądzę, że trzy pozostałe, które będą trzymać całość wystarczą. Ogniwa teraz mieszczą się dobrze w obudowie. Zostało trochę luzu, ale to przy składaniu całości wypełni się klejem na gorąco.

Prace

No dobra, gdy wiem już jak będą połączone ogniwa i jak będzie to wyglądało w obudowie to pora wziąć się za układ, który będzie dbał o nasze akumulatorki. Potrzebujemy moduł, który zapewni nam kontrole nad: nadmiernym rozładowaniem, przeładowaniem i zwarciem. Utrudnieniem jest to, że ogniwa są połączone szeregowo, więc zastosowanie tutaj zwykłych układów TP4056 (prostych, chińskich modułów lądujących) nie wchodzi w grę, gdyż łącząc te układy po stronie wejściowej 5V wywołamy zwarcie na ogniwie:

Jest jedno wyjście z tej sytuacji – zastosować osobną przetwornicę 230V z separacją galwaniczną, tak aby masy układów się nie łączyły fizycznie, ale osobna ładowarka na każdy układ to przesada, zarówno cenowa, jak i wielkościowa.

Innym rozwiązaniem będzie BMS (battery management system) z wbudowaną ładowarką. Oprócz kontroli rozładowania i zwarcia pozwala nam dodatkowo na ładowanie akumulatorków połączonych szeregowo. Tzn. podłączamy napięcie 12,6V tak, aby po podzieleniu na 3 wyszło nam ok. 4,2V na cele. BMS kontroluje napięcie na każdym ogniwie osobno, dzięki czemu żadne z nich się nie przeładuje (w przypadku gdy jakieś będzie miało mniejszą pojemność). Dodatkowo reguluje on prąd ładowania w zależności od parametrów akumulatora. Jest to ważne, aby wybrać BMS własnie z funkcją ładowarki bo w innym przypadku można uszkodzić ogniwa! Ja wybrałem tego BMS, ponieważ cena i parametry, jakimi dysponuje pasowały idealnie do tego projektu, ale gdybym miał jeszcze raz wybierać bym wziął mocniejszą wersję (z większą wydajnością prądową). Parametry, jakie musiał spełnić BMS to: zabezpieczenie przed przeładowaniem, rozładowaniem oraz zwarciem, wydajność prądowa większa niż 3A (bo taki prąd pobiera moja wkrętarka).

Trzeba było wybrać jeszcze ogniwa, które będą zasilać wkrętarkę. Zdecydowałem się na ogniwa od Samsunga o pojemności 2200mAh i dużej wydajności prądowej. Ogniwa kupowałem w sklepie nexun.pl, bo mają bardzo atrakcyjne ceny. Za ogniwo zapłaciłem ok. 6,5 zł co w przeliczeniu 6,5 x 6 daje nam 39 zł.

Teraz gdy wszystkie elementy są już skompletowane, pora wziąć się za ich łączenie. Schemat wygląda następująco:

A tak wszystko spakowane już w obudowę:

Testy

Miałem jeszcze w planie przymocować radiatory do BMS oraz zamontować czujnik temperatury, ale wcześniej chciałem zobaczyć jak zachowuje się on w trakcie pracy, tzn. jakie temperatury są na tranzystorach, scalaku oraz na samych ogniwach. Po ok. 30 min testów obciążeniowych, głównie wierceniu w sklejce, listwie sosnowej oraz metalu i wkręceniu kilku wkrętów (starałem się nie robić przerw w trakcie pracy, aby wkrętarka działała bez przerwy), rozmontowałem akumulator, który trzymał się na taśmę izolacyjną. Napięcie, jakie było na ogniwach to 12V, co stanu przed testami daje nam różnice 0,6V, co w mojej opinii jest bardzo dobrym wynikiem, bo akumulatorki jeszcze nie zeszły do nominalnego napięcia, jakim jest 3,7V (na ogniwo). Co do temperatur to ogniwa były ledwo ciepłe, a tranzystory i układ scalony w BMS nie był jakoś specjalnie nagrzane, mogłem spokojnie przyłożyć palec i nie parzyło mnie, ale ciepło było czuć. Stwierdziłem, że nie ma sensu montować radiatorów ani czujnika temperatury (byłaby to jedynie forma bajeru), bo po 30 minutach obciążania akumulator ledwo się nagrzał, bardziej obawiałbym się o sam silnik we wkrętarce niż ten akumulator.

Ładowarka

Pozostało mi jeszcze zrobić ładowarkę do całego układu. Teoretycznie sprawa jest prosta, wystarczy do wyprowadzeń akumulatora podpiąć źródło napięcia 12,6V i czekać, aż układ się naładuje. Praktycznie sprawa się nieco komplikuje, bo trzeba znaleźć źródło napięcia 12,6V. Na rynku mało jest ładowarek o takim specyficznym napięciu, głównie spotyka się 12V i taką właśnie użyłem, lecz z drobną modyfikacją. Wejście zostawiłem jak było (podłączane do sieci 230VAC), za to na wyjściu podłączyłem przetwornice Step Up. Jej zadaniem było zwiększenie napięcia do 12,6V. Przetwornica ma wydajność maksymalnie 1A, więc akumulator się nie naładuje dość szybko, ale może to i nawet zaleta, gdyż i tak są obciążane sporymi prądami, więc nie warto skracać dodatkowo ich żywotności przy ładowaniu.

Wykorzystałem obudowę po starej ładowarce do Ni-Cd, ponieważ nie chciałem wyprowadzać żadnych wtyczek z akumulatora, oraz ciężko by się montowało wtyczkę wewnątrz, bo akumulatorki zajęły większość miejsca. Aby użyć starej obudowy musiałem wlutować wszystkie elementy z wnętrza, gdyż potrzebowałem starą płytkę, bo były na niej zamontowane gniazda do podłączenia akumulatora. Na wszelki wypadek zabezpieczyłem spód ładowarki i przetwornicy taśma kaptonową, aby nie zrobiło się zwarcie.

Aktualizacja #1

Odpowiedz na pytanie 1:

Wkretarke używam średnio dwa razy w tyg. i ładuję ją raz na dwa miesiące. Mimo tej ogromnej zalety przez 3/4 swojego czasu na akumulatorze napięcie jest niższe niż 12V co da się odczuć. Wkrętarka ma mniejszą dynamikę niż przy swieżym akumulatorze.

Mam dwa pomysły na rozwiązanie tego problemu. Pierwszy polega na zastosowaniu przetwornicy Step-up na wyjściu BMS, która pilnowała by, aby napięce utrzymywało się na granicy 12V, a nawet ciut więcej. Pomysł dobry ale kosztowny, gdyż układ o takiej mocy nie jest tani.

Drugim pomysłem jest przerobienie calkowicie ukladu i wykonanie go na 4 ogniwach polaczonych szeregowo. Wymaga to zastosowania BMS na 4 ogniwa oraz stabilizatora na 12V. Koszt by byl tańszy, gdyz latwiej jest zbic napiecie niz je podnieść. Niestety musial bym zmniejszyc liczbe akumulatorow do 4 szt ponieważ wiecej sie w obudowie by nie zmieściło.

Podsumowanie

1. Teraz akumulator jest bardziej wydajny i ma ponad dwukrotnie większą pojemność (4,4Ah) od starego, w którym wynosiła ona 1,7Ah.
2. Jestem bardzo zadowolony z tego ze udało mi się wykorzystać obudowę po starej ładowarce, dzięki temu całość wygląda profesjonalnie.
3. Modernizując akumulator jeszcze raz dodał bym na wyjsciu BMS przetwornicę Step-up lub zastosował układ na 4 akumulatory.

Pytania do wyjaśnienia:

1. Jaką wydajność ma wkrętarka, gdy akumulator ma napięcie, gdy na ogniwach panuje 3 * 3,7V = 11,1V?

Plany na przyszłość:

1. Zastosować przetwornice utrzymującą zawsze 12V na wyjściu w akumulatorze

Linki i źródła:

• zgrzewarka do ogniw z transformatora z mikrofalówki
• zgrzewarka do ogniw z akumulatora żelowego 12V