пятница, 10 октября 2014 г.

Аккумуляторная сборка Turnigy Nano-Tech 1300mAh 25-50C 4S Li-Po как замена для батареи дрели-шуруповёрта


Относительно удачный опыт замены начинки батареи дрели-шуруповёрта. Это первая часть обзора, включающая минимальную сборку. Как только приедут необходимые детали, займусь вопросами зарядки и индикации. Предыстория замены очевидна - старая батарея сдохла, нужна новая, новой в магазине либо нет, либо слишком дорого. В данном случае захотелось ещё и сменить тип батареи, заменить ячейки типа Ni-Cd на Li-Po.

Пациент - аккумуляторная дрель-шуруповёрт FIT CD-14C (80204). На её месте может быть любая другая напрочь китайская модель, либо наоборот что-то более приличное, уже на литиевых аккумуляторах, где электроника будет более готова принять подобный источник.

Что планировалось заменить и добавить:
  • заменить старую сборку из 12 NiCd банок на эту
  • добавить индикатор состояния батареи
  • модифицировать штатное зарядное устройство для работы с новой батареей
  • добавить разъём для балансировки
  • добавить плату защиты
Но стоимость каждого из этих дополнений и изменений стоит таких денег, что модификация становится совсем бессмысленной, проще купить готовое устройство от хорошего производителя. Поэтому вместо индикатора состояния батареи (показ напряжений на банках отдельно и вместе) будет использован простой индикатор общего напряжения, и придётся использовать батарею не до самого низа, а только, например, до 14 В. Плату защиты ставить не буду совсем, просто буду аккуратнее использовать инструмент, избегать больших нагрузок и заклинивания. К старому зарядному устройству добавлю преобразователь напряжения с ограничителем тока.

Магазин и покупка

Батарею покупал в HobbyKing, где их выбор огромен. Как это обычно бывает для эксклюзива, цены высоковаты, в данном случае $15 за батарею, включая доставку. Заказывал с европейского склада, так получилось дешевле, и если учесть проблемы вывоза аккумуляторов из Китая, это ещё и хороший способ увеличить шансы вообще получить посылку. Посылка дошла за месяц, упакована в большую коробку, внутри коробки скомканная бумага и ещё одна коробочка поменьше (болтается, это нехорошо), в которой уже лежит замотанный в пупырку аккумулятор.

Недавно открылся ещё и российский склад, но цены там ещё выше, хотя сроки доставки наверняка меньше. Например, этот аккумулятор с российского склада с самой дешёвой доставкой обойдётся уже в $22. Это моя первая покупка в этом магазине, поэтому не было никаких скидок и купонов. Бадди-код (местное название реферальных купонов) на этот товар не нашёл, они индивидуальны для каждого склада, и европейский не очень популярен.

Выбор модели

Необходимо выбрать тип сборки, максимальный ток и ёмкость. Выбор пал на аккумуляторную сборку из четырёх последовательно соединенных элементов с общей ёмкостью 1,3 А*ч и отдачей 25-50C, причины описаны далее.

В пределах модельного ряда более ёмкий аккумулятор может отдавать пропорционально больший ток. Поэтому ток в подобных батарейных сборках часто указывают как множитель для ёмкости. Например, данная сборка может отдавать 25C постоянно и 50C в пике, где C - ёмкость, что в пересчёте на амперы составляет 32,5 А и 65 А. Не знаю, сколько потребляет моя дрель, но обычно в таких аккумуляторах, только литиевых, старых, встречаются банки 18650 примерно на 25-30 А. Чтобы дополнительно определиться с пределами, я залез внутрь дрели и определил тип силового транзистора, через который происходит управление двигателем, им оказался STP60NF06, рассчитанный на ток до 60 А. Значит, максимальный необходимый ток выбранный аккумулятор сможет отдать.


Но здесь же получается и проблема. Кажется, новый аккумулятор может отдать больше мощности, чем старый, а поэтому можно сжечь двигатель, либо испортить любой другой элемент схемы, включая провода, просто из-за слишком большой нагрузки на инструмент.

Верхняя планка по току ограничена только сопротивлениями двигателя, силового транзистора и батареи (проводку посчитал идеальной, хотя это не так). Замер бытовым мультиметром показал сопротивление двигателя около 0,3 Ом, сопротивление транзистора по спецификации 0,014 Ом, сопротивление батареи ещё меньше (продавец заявляет 3 мОм, скорее всего на каждую ячейку, в сумме 0,012 Ом), а значит даже при полностью заряженной батарее ток будет не более 50 А, что ниже и максимального тока батареи, и максимального тока транзистора, вопрос остаётся только по двигателю, сможет ли он работать на 50 А. К сожалению, единственная надпись на нём - это "14.4V". При использовании ограничительной муфты вплоть до максимального положения проблем быть не должно, но если переключиться в режим дрели, то ток при заклинивании может получиться слишком большим.

Ещё один немаловажный параметр - максимальный ток заряда. Также измеряется в множителях ёмкости. Почти все старые модели подобных сборок позволяют заряжать на токах до 2C, в данном случае это 2,6 A. Я предполагал возможность использования большого тока заряда, да и запас не лишний (дальше от предела - меньше нагрев), поэтому выбрал сборку поновее, с зарядом до 5C (6,5 A). В действительности буду использовать либо модифицированную старую зарядку на 500 мА, либо клон Imax B6 с балансировкой с токами до 3,3 А (ограничение для этого типа батареи у зарядного устройства).

Конечно, следует озаботиться и напряжением аккумулятора. Старая батарея дрели состоит из 12 последовательно соединённых баночных аккумуляторов с номиналом 1,2 В. Номинал у аккумуляторов указывается как среднее значение, на самом деле напряжение при разряде падает примерно с 1,35 В до 1 В. Литиевые ячейки обычно имеют номинал 3,6-3,7 В, и разряд от 4,2 В до 3 В. Поэтому при выборе замены каждые три ячейки Ni-Cd можно заменить одной Li-Po. Отсюда получаем, что мне нужна батарея с четырьмя последовательно соединёнными ячейками, что обозначается как 4S. Номинал 14,8 В, максимум 16,8. У старой батареи номинал 14,4 В и максимум 16,2 В. Рабочий диапазон новой батареи остаётся почти таким же, как у старой, поэтому проблем здесь быть не должно.

Следующий важный параметр - размер батареи. Я хотел взять подобную сборку на 2200 мА*ч, но её размеры оказались слишком близки к размерам внутреннего пространства старой батареи, и я решил не рисковать. Для первого раза взял минимальный вариант с ёмкостью не ниже старой (изначально 1200 мА*ч). Оказалось, что размеры батареи указываются без учёта кабелей, поэтому хорошо, что я не взял сборку на 2200 мА*ч, она бы не влезла в длину. Заявленный размер 72*30*35 мм, длина с кабелями в действительности миллиметров на 5 больше.

Дополнительную информацию о батарее смотрите в обзоре "Аккумуляторная сборка Turnigy Nano-Tech 1300mAh 25-50C 4S Li-Po".

Зарядка

По-хорошему, зарядку подобных сборок необходимо производить с балансировкой (выравниванием заряда ячеек). Это увеличит и ёмкость, и долговечность батареи. Ещё лучше выполнять и разряд с балансировкой, но при таких токах это выливается в затраты на дополнительную электронику, сопоставимые с самой батареей. Поэтому пока решил заряжать и разряжать без балансировки в полевых условиях и заряжать с балансировкой в домашних. В этой батарее выводы для балансировки уже распаяны и выведены наружу с типовым для этого применения разъёмом XH2.54-5P (белый на фото выше).


Провода у этой батареи отличные. Основные силовые - 16AWG (1,31 мм2) 200°C, балансировочные - 22AWG на те же 200°C, производитель здесь не особо экономил. Основной силовой провод мог бы быть и потолще, но учитывая кратковременность нагрузок в дрели, сойдут и эти. Основной коннектор типа XT60-мама, он мне здесь не нужен, и я его отпаял. Провода изначально короткие, но их лучше укоротить ещё так, чтобы не было ничего лишнего. Мне это не понадобилось, провода по длине подошли идеально.

Сборка

Всё, что нужно сделать, это убрать старые банки и подпаять новую сборку к старым контактам. Раньше площадка с контактами опиралась на банки, теперь же пришлось закрепить её термоклеем. Нагрузок здесь не будет, может хватить и такого решения, но когда я полностью завершу все модификации батареи, продумаю крепление получше, например эту площадку можно прикрутить к корпусу (дополнение: так в итоге и сделал).


Контакты нужно отдирать очень аккуратно, иначе придётся изготавливать новые самостоятельно, но нужного материала под рукой может не оказаться.


Есть следы перегрева, поэтому лучше поискать пластины потолще и переделать контакты. Пока оставлю как есть

Дальнейший процесс сборки также прост. Просто подпаиваем новую батарею к этим контактам, соблюдая полярность, и крепим батарею к корпусу так, чтобы она не болталась. Очень важно не допускать короткого замыкания батареи, это может повредить не только ей, но и вам.

Необходимо позаботиться о противоударной защите, я просто оставил здесь транспортировочную пузырьковую плёнку. Так как я буду ещё модифицировать батарею, выполнил монтаж элементарными способами - на дно положил мягкую подкладку, а саму батарею подвесил за пупырку к верхней части с помощью термоклея. Красота здесь не важна, но важна аккуратность. Лучше добавить ещё наполнителя по бокам от батареи, в конечном варианте так и сделаю, либо закреплю батарею к корпусу более жёстко.



Особенности работы

При первом включении дрели никаких проблем не возникло, работает отлично, батарея не греется. Новая батарея получилась более лёгкой - 240 г против старых 530 г. Это заметно облегчило инструмент в целом (вес дрели без батареи 930 г), но изменило балансировку, теперь более заметен перевес на переднюю часть. Места внутри корпуса батареи осталось много, всегда можно доложить болтов :-)

У Ni-Cd аккумуляторов есть важная особенность - их можно хранить сильно разряженными. А вот литиевые наоборот нельзя разряжать ниже 2,5-3 В даже на короткое время. Отсюда вытекает особенность работы с этими типами аккумуляторов - никелевые приходится заряжать перед работой, а литиевые - после. Второе намного удобнее, особенно при эпизодическом использовании инструмента, и если учесть, что у дешёвых дрелей в комплекте самая дешёвая зарядка, затягивающая процесс на несколько часов.

Недостаток лития (непереносимость сильного разряда) компенсируется очень низким саморазрядом, аккумуляторы могут хранить заряд месяцами и даже годами. Я не проверял пока этот факт для этого аккумулятора, но на хороших аккумуляторах я такое видел. Тем не менее, контролировать разряд необходимо. Я решил пока обойтись индикацией напряжения на встроенном (в дрель и/или зарядку) вольтметре.

В инструкции на дрель сказано, что при хранении переключатель направления нужно переводить в среднее положение (отключено), иначе возможен саморазряд. Зная, что я редко слежу за этим, решил проверить ток утечки во "включенном" состоянии. Так как батарея уже была собрана, а для измерения тока нужно разрывать цепь, решил сделать разрывающую цепь вставку под контакт батареи. Делается она просто - две пластины, тонкий двухсторонний скотч между ними, два провода.



Похоже на конденсатор :-) Но это отлично сработало, я смог измерить токи без пайки основной схемы. Мои опасения оказались напрасны, во всех режимах переключателя направления при отпущенной кнопке ток не доходил и до 1 мкА (меньше мой мультиметр не показывает), то есть его просто не было. Это значит, что аккумулятор можно оставлять без присмотра на долгое время, не беспокоясь за правильное положение переключателя.

Решил также попробовать, сколько инструмент может потреблять. На холостом ходу токи оставались в пределах возможностей мультиметра, в районе 3-5 А. При использовании предохранительной муфты ток также не выходил за пределы 10 А. Но как только в режиме дрели я рукой попытался затормозить патрон, мультиметр показал перегрузку. Ещё пару раз так понажимал, не более секунды, и пошёл дым. Оказалось, что начала гореть изоляция проводов токоизмерительной вставки, я их сделал довольно тонкими, 28AWG, на фото выше видно оплавление и вздутие в нескольких местах, да и провода раньше шли раздельно, теперь сплавились. Остановить рукой патрон мне не удалось, поэтому при реальном заклинивании можно ожидать ещё большие токи, что снова заставляет задуматься об ограничении тока в цепи.

Итого

Инструмент работает, заряжаю пока от понижающего преобразователя (возникли проблемы со старой зарядкой, но об этом в следующий раз). Дальнейшие доработки будут связаны с установкой разъёма для балансировки и модификацией старого зарядного устройства. Если найду подходящую плату защиты, то установлю и её, возможно это также избавит от необходимости работать с балансирующей зарядкой.

Наибольшее опасение вызывает большой ток при заклинивании, которого я раньше не боялся. Также опасно то, что при заклинивании инструмент выворачивает руку. Всё больше думаю об установке платы защиты с защитой от большого тока. Уже нашёл пару вариантов, но стоить будет 7-8 баксов (поправочка: по отзывам, найденный вариант глючит именно в этой функции).

В действительности проблема может возникнуть только при использовании перьевых свёрл по дереву из-за их шестигранных хвостов, обычные же свёрла при заклинивании просто провернутся в патроне. Ещё опасные варианты - биты для Torx (звёздочка), многогранников, болтов, они не разрывают связь при заклинивании. Но достаточно будет не включать инструмент в режиме дрели (предохранительная муфта отключена), максимального режима с защитой достаточно почти для всего.

Эксперимент считаю удачным, хотя экономическая целесообразность под сомнением, особенно если докупать платы защиты или балансировочное зарядное устройство. Так выйдет примерно $45 за пару аккумуляторов и переделку З/У, по нынешнему курсу это почти 2000 руб., что очень недалеко от цены нового инструмента схожего качества, причём уже на литии.

См. также

Комментариев нет:

Отправить комментарий