Ремонт шуруповерта
путем замены аккумулятора литий-ионным

В современные шуруповерты устанавливаются литий-ионные аккумуляторы, но у домашних мастеров валяется без дела много поломанных шуруповертов, из-за выработавших свой ресурс Ni-Cd аккумуляторов при исправном электродвигателе и зажимном патроне.

Ni-Cd по сравнению с Li-ion имеют меньшую удельную энергоёмкость, (Вт·ч/кг), большой ток саморазряда (через месяц, полностью заряженный аккумулятор разряжается) и эффект памяти (если заряжать не полностью разряженный аккумулятор, то его емкость падает до величины, которой не хватало до полного заряда). Современные литиевые аккумуляторы лишены этих недостатков.

Стоимость ремонта не превысит 30% стоимости нового шуруповерта, поэтому, если механика и электродвигатель его исправны, то экономически, целесообразно заняться ремонтом. Даже если вы впервые возьметесь за замену аккумулятора в шуруповерте, то данная инструкция поможет вам самостоятельно отремонтировать шуруповерт без затруднений.

Технология замены Ni-Cd на Li-ion в шуруповерте

Для выбора комплектующих деталей для ремонта необходимо определить электротехнические характеристики шуруповерта. Это напряжение аккумулятора, его емкость и габаритные размеры отсека, где установлены аккумуляторы

Определение количества Li-ion аккумуляторов

Обычно параметры аккумулятора указываются на корпусе шуруповерта, а с учетом того, что по удельной энергоемкости литиевые аккумуляторы многократно больше (110-270 Вт·ч/кг) Ni-Cd (45-65 Вт·ч/кг), то о размерах отсека, куда планируется установка аккумуляторов можно не задумываться, войдут точно.

Как видно из таблички на корпусе шуруповерта, в нем установлено шесть соединенных последовательно банок Ni-Cd аккумуляторов суммарным напряжением на 7,2 В емкостью 1,2 А·ч каждая.

Так как одна банка нового заряженного Ni-Cd аккумулятора имеет номинальное напряжение 1,2 В, то для определения их количества достаточно поделить указанное на шуруповерте напряжение на 1,2 В. Делим 7,2/1,2=6 шт.

Таким же способом определяется и количество Li-ion аккумуляторов для замены. Номинальное напряжение одного Li-ion аккумулятора 3,7 В. Делим величину напряжения, которое должна иметь штатная батарея аккумуляторов шуруповерта на напряжение одного элемента Li-ion аккумулятора 3,7 В. 7,2/3,7=1,95 шт. После округления получается, что необходимо 2 банки.

Стоит отметить, что величина напряжения подаваемого на электродвигатель шуруповерта не является критичной, и ее увеличение до 20% не нанесет вреда, только немного увеличится рабочая мощность двигателя. Поэтому округлять количество аккумуляторов при расчете желательно в большую сторону.

После разборки аккумуляторного отсека оказалось, что родные аккумуляторы уже однажды заменялись новыми. Это было видно по пайке и в отличии маркировки емкости аккумуляторов на корпусе шуруповерта и на корпусах банок.

Стоит отметить, что соединенные последовательно аккумуляторы выходят из строя не все одновременно. Поэтому иногда получается из двух аккумуляторных батарей от электроинструмента, выбрав еще исправные банки, сделать одну рабочую. Но срок службы ее будет недолгим, поэтому таким ремонтом стоит заниматься только в крайнем случае.

Выбор Li-ion аккумулятора

На следующем шаге нужно выбрать тип и определиться с параметрами Li аккумулятора. В настоящее время нашли широкое распространение два вида – Li-Ion (литий-ионные) или Li-Polymer (литий-полимерные). По техническим характеристикам, в отличие от цены, они отличаются незначительно.

Как видно из таблицы Li-Polymer аккумуляторы являются более безопасными и имеют гораздо меньший размер, чем Li-Ion, но дороже и не могут отдавать в нагрузку большие токи, что необходимо для пуска и работы электродвигателя шуруповерта. Поэтому выбираем Li-Ion аккумулятор. Номинальный ток нагрузки должен быть не менее 20 А, емкость не меньше, чем у штатных Ni-Cd аккумуляторов, то есть более 1,2 А·ч.

Осталось зайти на сайт Алиэкспресс выбрать и заказать подходящие по техническим характеристиками и цене аккумуляторы. При поиске аккумуляторов нужно исходить не только из технических требований, но и надежности продавца. Критерием является количество заказов и отзывы. Чем больше, тем лучше. Значит, оборот аккумуляторов большой и они не залеживаются годами на складе.

Выбирать лучше аккумуляторы с приваренными гибкими отводами, так как Li-Ion не любят перегрева и лишний раз паять их не желательно. В дополнение под положительным выводом аккумулятора часто для защиты от перегрева вмонтирована биметаллическая пластина, выгибающаяся в сторону вывода при нагреве. Кстати, иногда удается отремонтировать перегретый аккумулятор, выгнув эту пластину через имеющиеся отверстия в обратное положение.

В результате поиска был найден Li-Ion аккумулятор типоразмера 18650 (18-диаметр в мм, 65-высота в мм, 0-цилиндрической формы) Liito Kala емкостью 3,0 А·ч, рабочим током 20 А и стоимостью всего 328 рублей за пару с учетом стоимости доставки.

Перед выбором аккумулятора шуруповерт был подключен к стационарному блоку питания и измерен ток потребления. В режиме свободного вращения, без нагрузки ток составил 2,7 А. При нагрузке не превышал 15 А. Поэтому не стал нести лишние затраты для покупки аккумулятора с большим рабочим током.

Как влияет величина напряжения аккумулятора
на продолжительность работы шуруповерта

Многие затрудняются с выбором шуруповерта или другого инструмента на аккумуляторах, не понимая, как влияет величина напряжения (измеряется в Вольтах) на продолжительность его работы. Влияет, но косвенно, так как еще есть такой параметр как емкость аккумулятора (силу тока, которую может выдавать аккумулятор в течение оного часа).

Поэтому для того, чтобы узнать какой электроинструмент лучше, нужно рассчитать мощность установленной в него аккумуляторной батареи. Для этого нужно умножить напряжение на емкость аккумулятора.

Например, мощность выбранного аккумулятора для ремонтируемого шуруповерта составит 7,4 В·3,0 А·ч=22,2 Вт. Аккумулятор имеющий напряжение 14,4 В и емкость 1,5 А·ч будет иметь мощность 21,6 Вт. Как видите, во втором случае напряжение в два раза больше, а емкость меньше. В результате время работы электроинструментов будет одинаковым.

Выбор платы защиты BMS

Несмотря на большую удельную емкость и практически отсутствие саморазряда, Li-Ion аккумуляторы требуют неукоснительного соблюдения ряда правил при их эксплуатации. Эту задачу обычно выполняет плата BMS. Она не допускает при зарядке превышение напряжения более 4,2 В на один аккумулятор, а при работе снижения напряжения ниже 2,55 В. Контролирует максимально допустимый ток (срабатывает защита) и обеспечивает балансировку тока зарядки между элементами батареи.

Главными параметрами при выборе платы BMS является количество последовательно соединенных аккумуляторов (обозначается 2S, 3S, 4S, 5S и так далее, где цифра указывает число аккумуляторов) и ток защиты в Амперах.

Для ремонта шуруповерта мне необходимо было подключить два аккумулятора, рабочий ток которых составлял 20 А. Поэтому была выбрана плата BMS типа 2S на ток защиты 20 А. Схема подключения аккумуляторов к плате BMS показана на фотографии. Необходимо строгое соблюдение полярности. К красному и черному проводам подключается электрическая схема шуруповерта. На эти же провода подается напряжение при зарядке аккумуляторов.

В более мощные шуруповерты устанавливаются и аккумуляторы с большим рабочим и импульсным током. Соответственно надо плату BMS выбирать исходя из максимального импульсного тока. Обычно это 30 А или 40 А. Если выбрать плату BMS с маленьким током, то при включении шуруповерта двигатель может не запускаться, так как пусковой ток обычно большой, и будет срабатывать схема защиты, отключая подачу питания на двигатель.

Выбор зарядного устройства

Так как при работе шуруповерта аккумулятор разряжается, его нужно своевременно заряжать с помощью специального зарядного устройства (ЗУ).

Отличительной особенностью ЗУ для Li-Ion аккумуляторов является сочетание генератора тока и стабилизатора максимального напряжения. Величина тока на протяжении всего времени зарядки постоянна, а напряжение растет до величины 4,2 В, в случае зарядки одного аккумулятора, и больше не поднимается. А величина тока в конце зарядки снижается до нуля. Обычно в ЗУ есть индикатор, цвет которого по окончании зарядки меняется с красного на зеленый цвет.

Зарядные устройства для Li-Ion аккумуляторов выбираются исходя из количества последовательно включенных аккумуляторов в батарее и необходимого тока зарядки. Максимально допустимое напряжение для одного Li аккумулятора составляет 4,2 В. Поэтому зарядное устройство должно выдавать напряжение 4,2 В, умноженное на количество аккумуляторов в батарее.

В таблице для удобства выбора приведено выходное напряжение, которое должно выдавать ЗУ в зависимости от числа элементов в батарее.

Зарядный ток может достигать величины емкости Li-Ion аккумулятора, для выбранных аккумуляторов это 3 А. Но мощное ЗУ дороже, поэтому, решил, так как шуруповерт используется редко и не продолжительное время, то оптимальным будет приобрести ЗУ на ток заряда величиной 1 А. Такое ЗУ зарядит аккумулятор до полной емкости менее, чем за три часа.

Для подключения зарядного устройства к блоку аккумуляторов нужно приобрести разъем, такого же типа, как и на ЗУ. Обычно это гнездо под штекер 5,5×2,1 мм.

Зарядка аккумуляторов штатным ЗУ от шуруповерта

Если есть измерительные приборы и желание использовать родное зарядное устройство от шуруповерта, то можно приобрести специальную универсальную плату для Li-Ion аккумулятора, обеспечивающую стабилизацию тока и ограничение напряжения.

С помощью подстроечных резисторов надо будет выставить ток и максимальное напряжение по выше приведенной таблице, в зависимости от количества аккумуляторов в батарее. Плата стабилизатора обеспечивает при входном напряжении постоянного тока от 12,5 до 36 В выходное напряжение от 4 до 38 В при токе до 5 А. Ток зарядки нужно выбирать исходя из разрешенных для аккумулятора и мощности штатного зарядного устройства или имеющегося блока питания.

Есть и платы, с вмонтированным в нее цифровым индикатором, показывающим ток или напряжение зарядки. Такая плата в два раза дороже, но зато можно следить за параметрами зарядки. В дополнение питающее напряжение можно подавать не только через клеммную колодку, но и через разъем USB.

Все из рассмотренных зарядных устройств обеспечат качественную зарядку Li-Ion аккумулятора переделанного шуруповерта, но я предпочел специальное ЗУ. Чем меньше деталей, тем надежнее система в целом.

Индикатор емкости литиевой батареи

Индикаторы степени заряда аккумулятора бывают светодиодными и цифровыми. Цифровые показывают величину напряжения и не очень удобные. Приходится сопоставлять величину напряжения со степенью заряда аккумулятора. Гораздо нагляднее светодиодные индикаторы.

Светодиодные индикаторы нужно выбирать исходя из количества последовательно включенных аккумуляторов. Они обозначаются, как и платы BMS – 2S (два аккумулятора), 3S (три аккумулятора) и так далее. Есть и универсальные индикаторы, в которых в зависимости от количества аккумуляторов, на плате паяется перемычка.

Если аккумуляторная батарея разряжена, то светиться только красный контур, шуруповертом работать нельзя. Нужно зарядить аккумулятор хотя бы до свечения одного прямоугольного сектора.

При зарядке до полной емкости светятся все светодиодные сектора. Для исключения разряда аккумуляторов индикатор подключается через кнопку, разрывающую подачу на него напряжения.

Индикатор степени заряда аккумулятора не является обязательным устройством, но красиво и всегда можно проверить, не подведет ли шуруповерт в работе. Рекомендую установить.

Сводная таблица для быстрого выбора
комплекта деталей по напряжению питания шуруповерта

Решил всю выше представленную информацию по подбору комплектующих для ремонта шуруповерта или любого другого аккумуляторного изделия свести в общую таблицу. По напряжению питания шуруповерта можно подобрать необходимое число аккумуляторов, тип платы защиты BMS, зарядное устройство и индикатор степени зарядки аккумуляторов.

Как не сложно заметить, число с буквой S (например, 3S) в типе платы BMS, зарядного устройства и индикатора степени заряда аккумуляторной батареи обозначает количество последовательно соединенных Li-Ion аккумуляторов.

Электрическая схема переделки шуруповерта под Li-Ion аккумуляторы

Комплектующие изделия подобраны, и теперь можно составить электрическую сборочную схему. Источником работы шуруповерта является бытовая электропроводка, с которой через зарядное устройство и плату BMS заряжаются аккумуляторы. На плате BMS есть две печатные площадки, к которым подключается зарядное устройство и шуруповерт. Кстати, если аккумулятор почти разряжен, а надо работать, то можно одновременно заряжать его и работать шуруповертом.

Выводы аккумуляторов припаиваются непосредственно к плате BMS, так как при работе шуруповерта они отдают большой ток и чем короче и большего сечения проводники, тем меньше потери энергии.

Непосредственно к выводам аккумуляторов подключается через кнопку включения индикатор уровня заряда. Одно деление соответствует 25% . Литиевые аккумуляторы не обладают эффектом памяти и их можно заряжать в любой момент, не ожидая полной разрядки.

Производители Li-Ion аккумуляторов рекомендуют, чтобы аккумулятор набрал полную мощность его пару раз надо полностью разрядить с последующей полной зарядкой.

При сборке схемы, для исключения выхода из строя компонентов, требуется неукоснительное соблюдение полярности подключения. На схеме провода положительной полярности обозначены красным цветом, а отрицательной – синим.

Пример замены Ni-Cd аккумулятора на Li-Ion в шуруповерте

После подбора, и приобретения необходимой комплектации можно приступать к ремонту шуруповерта путем замены неисправной Ni-Cd аккумуляторной батареи на Li-Ion.

Еще перед заказом выше представленного набора деталей аккумуляторный корпус шуруповерта был разобран для удобства измерения величины тока потребления электродвигателя и оценки возможности размещения аккумуляторов и индикатора степени их заряда. Фотография извлеченных Ni-Cd аккумуляторов показана в начале статьи.

Измерения показали, что в нижнюю часть корпуса для аккумулятора можно свободно разместить пару Li-Ion аккумуляторов типа 18650 (18-диаметр в мм, 65-высота в мм), балансировочную плату BMS-2S-20А и разъем для подключения зарядного устройства. Места для индикатора уже не оставалось.

Поэтому индикатор 8,4В-2S и кнопку его включения пришлось разместить в верхней части корпуса для аккумулятора. Как оказалось такое решение оказалось удачным, так как индикатор оказался защищенным от механических повреждений во время работы шуруповертом.

К зачищенным и залуженным припоем контактным пластинам в соответствии с полярностью, обозначенной на корпусе аккумуляторного блока, были припаяны провода красного (плюс) и синего (минус) цветов. Две отрицательные пластины пришлось соединить перемычкой. Так как пусковой и рабочий токи имеют большую величину, то сечение проводов должно быть не менее 2 мм²

Так как токопроводящие пластины отвалились от колодки, пришлось их закрепить термоклеем. Эти участки пластин не участвуют в передаче тока от аккумулятора к двигателю шуруповерта.

Когда в аккумуляторном контейнере были установлены Ni-Cd элементы, то они удерживали клеммную колодку, поэтому пришлось ее зафиксировать в конечном положении тоже с помощью термоклея.

Колодка была вставлена в батарейный отсек шуруповерта и на провода подано питающее напряжение от стационарного блока питания. Без нагрузки ток потребления составил 2,7 А, а при торможении рукой за патрон не превышал 15 А. Эти данные необходимы были для выбора аккумуляторов и платы защиты BMS.

Далее после проверки (фото проверки показаны выше) в верхней части корпуса батарейного блока было вырезано прямоугольное отверстие и в него вставлен дисплей светодиодного индикатора, а в круглое отверстие кнопка его включения.

Так как индикатор и кнопка имели малый вес и при эксплуатации не подвергались механическим нагрузкам, то после припайки проводов они были приклеены к корпусу блока термоклеем. После установки индикатора он был проверен, подачей на провода питающего напряжения постоянного тока величиной около 8 В. Следует не забывать о полярности подключения.

Так как по центру планировалась установка разъема для подключения зарядного устройства, то аккумуляторы пришлось устанавливать на расстоянии. Для удобства была вырезана из стеклотекстолита пластина, по ширине равная дну нижней части корпуса аккумуляторного блока. На нее приклеены две полоски двухстороннего скотча.

Далее пластина размещена в корпусе и на нее приклеены аккумуляторы таким образом, чтобы между ними было максимальное расстояние. Это хорошо еще и тем, что будут лучше условия их охлаждения.

При установке нужно обратить внимание, чтобы выводы по полярности совпадали с платой защиты BMS. Со стороны положительного вывода аккумулятора 18560 имеется канавка и сам вывод выпуклый с отверстиями по бокам.

Средняя точка на плате для припайки не совпадала с выводами аккумуляторов, поэтому с печатного проводника было в двух точках удалено защитное покрытие и нанесен припой.

С выводов аккумуляторов была снята изоляция и полоски залужены припоем. Пластины сделаны из никеля и для их пайки использовался флюс ФИМ.

После подготовки выводы были прижаты к плате и прогреты паяльником. Длина выводов аккумулятора для припайки к контактным площадкам платы, промаркированным 0V и 8.4V, была недостаточной, и поэтому пришлось нарастить отрезками одножильного провода сечением 2 мм².

На следующем шаге в центре нижней половинки батарейного корпуса было просверлено отверстие, в котором была установлена ответная часть разъема для подключения зарядного устройства.

После всех подготовительных работ осталось только припаять к плате BMS выводы от клемм подключения двигателя шуруповерта вместе с проводами от разъема подключения зарядного устройства и непосредственно к выводам аккумулятора провода от индикатора уровня емкости аккумуляторов.

Еще не скрученный аккумуляторный блок был подключен к шуруповерту. Но нажатие на клавишу включения патрон не завращался.

Измерение напряжения, подаваемого на шуруповерт показало его величину меньше 4 В, хотя должно было быть около 8 В. Непосредственно на выводах аккумуляторах напряжение было в норме. Стало очевидным, что неправильно работает плата защиты.

Подумал уже, что придется заказывать новую. Подключил зарядное устройство и попробовал опять нажать кнопку пуска. Шуруповерт заработал. Похоже, что при пайке выводов аккумулятора к плате BMS произошло срабатывание защиты, и ее схема зависла в неопределенном состоянии. Но как оказалось, это были не последние грабли.

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.