Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионные - Своими руками
Своими руками

Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионные

>

Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеНекоторое время назад вышел из строя аккумулятор на циркулярной пиле мастера. Пила была уже старой модели, и производитель перестал выпускать к данному инструменту запасные аккумуляторы. Встал вопрос приобретать новую пилу или попробовать заменить никель-кадмиевые батареи на литий-ионные.
Инструменты и материалы:-Паяльник;-Точечная сварка;-5 литий-ионных элементов питания 18650;-Никелевая полоса;-Плата BMS с балансировкой ячеек;-Провод;-Чип резистор 51 кОм;-Стабилитрон, 22В;-Каптоновая лента;
-МДФ;
Шаг первый: аккумулятор
Сначала нужно аккуратно вскрыть корпус аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея состоит из 15 никель-кадмиевых элементов емкостью 1500 мАч. Номинальное напряжение никель-кадмиевого элемента составляет 1,2 В при номинальном рабочем напряжении от 1,3 до 1В. Это обеспечивает номинальное напряжение батареи 18 В (15 x 1,2 В) с диапазоном рабочего напряжения от 19,5 В до 15 В.

Литий-ионный элемент имеет номинальное напряжение 3,7 В и номинальный диапазон рабочего напряжения от 4,2 В до 3В. Пять литий-ионных элементов обеспечат батарею напряжением 18,5 В с рабочим диапазоном от 21 до 15В. Блок из 5 последовательно соединенных литий-ионных элементов будет иметь примерно такой же диапазон рабочих напряжений, что и блок NiCd аккумуляторов.
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеПять литий-ионных ячеек свободно поместятся в корпусе и останется место для платы зарядки.
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеШаг второй: схема аккумуляторной батареи
Аккумуляторная батарея имеет три контакта. Положительная и отрицательная клемма и клемма для зарядки. Терминал зарядки имеет последовательно включенный тепловой выключатель для отключения зарядного устройства, если аккумулятор перегревается во время зарядки.
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеШаг третий: ток двигателя
Фактором, который необходимо учитывать при такой работе, является пусковой ток двигателя. На рисунке ниже представлена схема измерения пускового тока и рабочего тока двигателя без нагрузки. Показанный блок 5S 18650 был собран из элементов Sony-Fukushima US18659GR GP4. Эти элементы имеют максимальный непрерывный ток разряда всего 4 А и используются только для измерения тока двигателя. Измеренные значения тока будут использоваться для выбора ячеек, которые имеют максимальный ток разряда, необходимый для этого двигателя.

На диаграммах показаны графики напряжения и тока аккумулятора во время запуска двигателя. Пиковый ток (синяя кривая) составляет 31,06 А (1,62 В / 0,049 Ом). Во время запуска напряжение батареи падает до 5В. Сопротивление двигателя составляет 0,102 Ом ((5.0-1.62)/33.06). Внутреннее сопротивление батареи составляет 0,151 Ом (5,0/33,06) или 0,03 Ом на ячейку.

Измерение пикового тока в 31А является низким из-за относительно высокого сопротивления резистора считывания тока 0,05 Ом.
Ток двигателя без нагрузки составляет около 3,1А.
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеШаг четвертый: выбор аккумуляторов
Литий-ионные элементы для этого проекта требуют высокого номинального тока непрерывного разряда, а также спецификации сильноточного импульса. Ток, протекающий через двигатель, будет варьироваться от тока холостого хода до тока блокировки. Такие типы ячеек классифицируются как силовые.

Аккумулятор Samsung INR18650-25R был бы идеальным аккумулятором для этого проекта, но на момент реализации проекта такие аккумуляторы отсутствовали в продаже.

Тогда мастер решил использовать аккумуляторы Epoch 18650-3000P. Это элементы емкостью 3000 мАч, рассчитанные на непрерывный ток 15 А.
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеМастер собрал пакет 5S, используя ячейки Epoch. Ячейки склеены вместе с помощью термоклея. Соединяются отдельные элементы с помощью никелевые полосы толщиной 0,15 мм и шириной 8 мм, приваренных точечной сваркой к клеммам ячеек.

Ячейки были заряжены примерно на 95% напряжением примерно 4,08 В на элемент, 20,4 В для пяти элементов, соединенных последовательно.
Пиковый ток (синяя кривая на диаграмме №3) составляет 100,4 А (2,46 В / 0,0245 Ом). Напряжение на элементах упало до 12,8 В или 2,56 В на элемент (диаграмма №2). Рабочий ток двигателя составляет около 3,3 А (0,080 В / 0,0245 Ом) (диаграмма № 4).

Эти измерения указывают на две проблемы с использованием ячеек 5S Epoch. Высокий пусковой ток и напряжение ячейки падает ниже порогового значения напряжения разряда схемы защиты батареи(PCM).
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеШаг пятый: схема защиты аккумулятора (PCM)
Для защиты ячейки мастер использовал плату PCM с ограничением тока короткого замыкания 50А. Дополнительной функцией является защита от перегрузки по току с двумя значениями задержки, чтобы обеспечить высокий пусковой ток без активации функции отключения при перегрузке по току.
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеФото ниже представляет собой схему PCM, с подключенной нагрузкой. На следующем фото показана контактная площадка для установки перемычки задержки по перегрузки. Резисторы с сопротивлением 0,001243 Ом на PCM используются для измерения формы волны тока.
Первоначальный тест проводился с разомкнутой перемычкой задержки перегрузки по току. Синяя кривая представляет собой форму волны тока, а отключение по перегрузке по току активируется примерно через 12 мс с пиковым током около 105А (130 мВ / 0,001243 Ом. ).

Испытание было повторено с установленной перемычкой задержки отключения по току. Измерения напряжения батареи (желтый график) и тока (синий график). Задержка отключения при перегрузке по току увеличена примерно до 120 мс , что дает время, чтобы ток двигателя упал ниже порогового значения в 50А. Тестирование многократного пуска и холостого хода показало надежную работу устройства.
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеШаг шестой: модификации зарядного устройства
Зарядное устройство, которое поставлялось с этим аккумулятором, является зарядным устройством постоянного тока. Измерение параметра зарядного устройства показало, что потребуется его модификация. Зарядный ток был измерен на уровне 1,31А в диапазоне напряжения батареи от 15В до почти 29В. Ток должен был отключиться при напряжении около 18,75В (15 никель-кадмиевых элементов x 1,25В на элемент). Вторая проблема заключалась в том, что напряжение холостого хода зарядного устройства составляло около 41В, что слишком много для зарядки этого типа аккумуляторной батареи.

На рисунках следующих фото показаны изображения печатной платы зарядного устройства и схема, на которой зарядное устройство очерчено пунктирной линией.

Напряжение холостого хода было снижено примерно до 26В путем замены стабилитрона ZD2 на стабилитрон 22В.
Напряжение аккумулятора во время зарядки контролируется AD6610. Зарядка литий-ионного аккумулятора завершена, когда его напряжение составляет около 21,25 В (4,25 В на элемент). Резистор R71 был заменен на резистор 51К. На фото показано расположение резистора и стабилитрона.

После этой доработки мастер протестировал зарядное и после успешного теста собрал его.
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеШаг седьмой: сборка аккумуляторной батареи
После сборки аккумуляторного блока мастер обмотал батареи каптоновой лентой. Затем отрезал прямоугольник из МДФ и примотал к аккумуляторам. МДФ обеспечивает электрическую и механическую изоляцию печатной платы PCM и батареи.
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеДальше помещает батарею в корпус. На дно корпуса проложил полоску мягкого материала.
Терминал зарядки имеет последовательно включенный тепловой выключатель, который отключает зарядное устройство, если аккумулятор нагревается во время зарядки. Термовыключатель крепится к батарее с помощью полоски каптонной ленты.

Положительный провод от батареи подсоединяется к положительной клемме корпуса, а клемма P – к отрицательной клемме корпуса. Места соединения проводов закрываются термоусадочной трубкой.
Замена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеЗамена никель-кадмиевых элементов на литий-ионныеПосле сборки нужно зарядить батарею. Напряжение батареи после зарядки составило 20,95 В, или 4,19 В на элемент.

SitesReady

Только те, кто предпринимают абсурдные попытки, смогут достичь невозможного. - Альберт Эйнштейн

Follow us

Don't be shy, get in touch. We love meeting interesting people and making new friends.