Особенности, преимущества и недостатки литиевых аккумуляторов для шуруповерта

Если ручной электроинструмент с питанием от бытовой электросети привязан к розетке проводом, ограничивая движения человека, держащего прибор в руках, то аккумуляторные собратья агрегатов «на привязи» обеспечивают куда большую свободу действий в работе. Наличие аккумулятора весьма важно, когда речь идет об использовании шуруповертов.

В зависимости от типа применяемой аккумуляторной батареи, их можно условно разделить на две группы – с аккумуляторами никелевыми и литиевыми, причем особенности последних делают этот электроинструмент наиболее интересным для пользователя.

Устройство литиевого аккумуляторного элемента питания не слишком отличается от конструкции аккумуляторов на базе иной химии. Но принципиальной особенностью является применение безводного электролита, что позволяет предотвратить выделение при работе свободного водорода. Это являлось существенным недостатком аккумуляторов предшествующих конструкций и приводило к высокой вероятности пожара.

Анод выполняется из пленки оксида кобальта, нанесенной на алюминиевую основу-токосъемник. Катодом служит сам электролит, содержащий соли лития в жидком виде. Электролитом пропитывается пористая масса из электропроводного химически нейтрального материала. Для него подходит рыхлый графит или кокс. Токосъем осуществляется с медной пластинки, наложенной на тыльную сторону катода.

Для нормальной работы аккумулятора пористый катод требуется достаточно плотно прижимать к аноду. Поэтому в конструкции литиевых элементов питания обязательно присутствует пружина, сжимающая «бутерброд» из анода, катода и отрицательного токосъемника. Попадание атмосферного воздуха может нарушить тщательно выверенный баланс химических процессов. А попадание влаги и вовсе грозит опасностью пожара и даже взрыва. Поэтому готовый аккумуляторный элемент обязательно тщательно герметизируется.

Аккумуляторная батарея плоской формы конструктивно проще. При прочих равных условиях плоский литиевый аккумулятор будет легче, гораздо компактнее и обеспечит значительный ток (то есть, большую мощность). Но проектировать устройство с литиевыми аккумуляторами плоской формы приходится в комплексе, а, значит, батарея будет иметь узкое, специализированное применение. Такие аккумуляторы дороже своих собратьев.

Чтобы рынок сбыта был шире, производители выпускают аккумуляторные элементы универсальной формы и стандартных размеров.

Среди литиевых батарей сегодня фактически доминирует вариант 18650. Такие аккумуляторы имеют вид, похожий на привычные в быту цилиндрические пальчиковые батарейки. Но стандарт 18650 специально предусматривает несколько большие габариты. Это помогает избежать путаницы и не позволяет ошибочно вставить такой блок питания на место обычной солевой батарейки. А ведь это было бы очень опасно, так как литиевый аккумулятор имеет в два с половиной раза большее стандартное напряжение (3.6 вольта против 1.5 вольт для солевого элемента питания).

Для электрического шуруповерта литиевые элементы последовательно собирают в батарею. Это позволяет увеличить напряжение, подаваемое на двигатель, что обеспечивает необходимые для инструмента мощность и крутящий момент.

Аккумуляторная батарея обязательно содержит в своей конструкции датчики температуры и специализированное электронное устройство – контроллер.

Эта схема:

• следит за равномерностью заряда отдельных элементов;
• контролирует ток заряда;
• не допускает чрезмерного разряда элементов;
• предотвращает перегрев батареи.

Аккумуляторы описанного типа называются ионными. Существуют также литий-полимерные элементы, это модификация литий-ионных. Их конструкция принципиально отличается лишь материалом и конструктивным оформлением электролита.

• Главным преимуществом литиевых батарей является высокая электрическая емкость. Это позволяет создавать легкий и компактный ручной инструмент. С другой стороны, если пользователь готов работать с более тяжелым прибором, он получит очень мощную батарею, позволяющую долго работать шуруповертом.
• Еще одно преимущество – возможность относительно быстрого наполнения энергией литиевых батарей. Типичное время полного заряда составляет примерно два часа, а некоторые батареи при наличии особого зарядного устройства можно зарядить даже за полчаса! Это преимущество может стать исключительным доводом в пользу комплектации шуруповерта литиевой батареей.

Есть у литиевых аккумуляторов и некоторые специфические недостатки.

• Самым заметным является существенное падение практической емкости при работе на морозе. При отрицательных температурах инструмент, оснащенный литиевыми батареями, время от времени приходится отогревать, при этом электрическая емкость полностью восстанавливается.
• Вторым заметным недостатком является не слишком большой срок службы. Несмотря на заверения производителей, лучшие образцы при самой аккуратной эксплуатации выдерживают не более трех-пяти лет. Уже через год после покупки литиевый аккумулятор любой распространенной марки при самом аккуратном использовании может потерять до трети емкости. Через два года от исходной емкости останется едва ли половина. Средний срок нормальной эксплуатации – два-три года.
• И еще один заметный недостаток: цена литиевых батарей намного выше, чем стоимость все еще широко применяемых в ручном электроинструменте батарей никель-кадмиевого типа.

Исторически первыми по-настоящему массовыми аккумуляторными батареями для ручного электроинструмента были батареи никель-кадмиевые. При невысокой цене они вполне допускают относительно большие нагрузки и обладают удовлетворительной электрической емкостью при разумных габаритах и массе. Аккумуляторы этого типа до сих пор широко распространены, особенно в недорогом секторе ручных электроприборов.

Главное отличие литиевых аккумуляторов от никель-кадмиевых аккумуляторных батарей – малая масса при высокой электрической емкости и очень хорошей нагрузочной способности.

Кроме того, очень важным отличием литиевых элементов питания является существенно меньшее время зарядки. Такую батарею можно зарядить за пару часов. А вот полный цикл заряда никель-кадмиевых аккумуляторов занимает не менее двенадцати часов.

С этим связана еще одна особенность: в то время как литиевые батареи совершенно спокойно переносят как хранение, так и эксплуатацию в не полностью заряженном состоянии, никель-кадмиевые обладают крайне неприятным «эффектом памяти». На практике это означает, что для продления срока службы, а также, чтобы не допустить быструю потерю емкости, никель-кадмиевые аккумуляторы желательно использовать до полного разряда. После чего обязательно заряжать до полной емкости, что занимает значительное время.

Литиевые аккумуляторные батареи лишены этого недостатка.

Когда речь идет о выборе аккумулятора для шуруповерта, задача сводится к подбору самого электрического прибора, в комплекте с которым окажется батарея конкретной модели.

Рейтинг недорогих аккумуляторных шуруповертов этого сезона выглядит так:

• Makita HP331DZ, 10.8 вольт, 1,5 А*ч, литий;
• Bosch PSR 1080 LI, 10.8 вольт, 1.5 А*ч, литий;
• Bort BAB-12-P, 12 вольт, 1.3 А*ч, никель;

• «Интерскол ДА-12ЭР-01», 12 вольт 1.3 А*ч, никель;
• Kolner KCD 12M, 12 вольт, 1.3 А*ч, никель.

Лучшими среди профессиональных моделей являются такие:

1. Makita DHP481RTE, 18 вольт, 5 А*ч, литий;
2. Hitachi DS14DSAL, 14.4 вольта, 1,5 А*ч, литий;
3. Metabo BS 18 LTX Impuls 201, 18 вольт, 4 А*ч, литий;
4. Bosch GSR 18 V-EC 2016, 18 вольт, 4 А*ч, литий;
5. Dewalt DCD780M2, 18 вольт 1.5 А*ч, литий.

Лучшие по надежности аккумуляторные шуруповерты:

1. Bosch GSR 1440, 14.4 вольта, 1,5 А*ч, литий;
2. Hitachi DS18DFL, 18 вольт, 1,5 А*ч, литий;
3. Dewalt DCD790D2, 18 вольт, 2 А*ч, литий.

Это напряжение считается отраслевым профессиональным стандартом для литиевых аккумуляторных батарей. Так как профессиональный инструмент рассчитан на долгую активную работу, а также подразумевает дополнительный уровень комфорта, значительная часть выпускаемых аккумуляторов для шуруповерта напряжением 18 вольт между собой полностью совместимы, и порой даже взаимозаменяемы между инструментами различных производителей.

Кроме того, широко распространены стандарты 10.8 вольт и 14.4 вольта. Первый вариант встречается только среди самых недорогих моделей. Второй традиционно является «середнячком» и может встречаться как среди профессиональных моделей шуруповертов, так и в моделях среднего (промежуточного) класса.

А вот обозначения 220 вольт в характеристиках лучших моделей нельзя увидеть, поскольку это говорит о том, что шуруповерт проводом соединен с розеткой бытовой электросети.

Зачастую у мастера уже есть старый аккумуляторный шуруповерт, который его полностью устраивает. Но аппарат оснащен устаревшими никель-кадмиевыми аккумуляторами. Так как аккумуляторную батарею все равно придется менять, возникает желание заменить старый аккумулятор на что-то более новое. Это не только обеспечит более комфортную работу, но и избавит от необходимости искать на рынке аккумуляторы устаревшей модели.

Самое простое, что приходит на ум, это собрать в корпусе старой батареи блок питания из электронного трансформатора. Теперь можно будет пользоваться шуруповертом, подключив его к бытовой электросети.

Модели напряжением 14.4 вольта можно подключать к автомобильным аккумуляторам. Собрав из корпуса старой батареи переходник-удлинитель с клеммами или штекером прикуривателя, получаешь незаменимый прибор для гаража или работы «в поле».

Если мы переделываем старую аккумуляторную батарею на литий, можно принять во внимание то, что на рынке чрезвычайно широко распространены литиевые элементы стандарта 18650. Таким образом, мы сможем сделать аккумуляторы для шуруповерта на основе легкодоступных деталей. Более того, распространенность стандарта 18650 позволяет выбирать аккумуляторы любого производителя.

Вскрыть корпус старой аккумуляторной батареи и извлечь из него прежнюю начинку труда не составит. Важно не забыть пометить на корпусе контакт, к которому ранее подсоединялся «плюс» старой аккумуляторной сборки.

В зависимости от напряжения, на которое был рассчитан старый аккумулятор, надо подобрать количество литиевых элементов, соединяемых последовательно. Стандартное напряжение литиевого элемента ровно втрое больше, чем у никелевого (3.6 В вместо 1.2 В). Таким образом, каждый «литий» заменяет три последовательно соединенных «никеля».

Предусмотрев конструкцию батареи, в которой один за другим соединяются по три литиевых элемента, можно получить батарею на напряжение 10.8 вольт. Среди никелевых батарей такие встречаются, но нечасто. При соединении в гирлянду четырех литиевых элементов получаем уже 14.4 вольта. Это позволит заменить никелевую батарею как на 12 вольт, так и на 14.4 вольта – это очень распространенные стандарты никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов. Все зависит от конкретной модели шуруповерта.

После того как удалось определиться с количеством последовательных ступеней, наверняка выяснится, что в старом корпусе все еще остается свободное место. Это позволит соединить в каждой ступени по два элемента параллельно, что удвоит емкость батареи. Для соединения литиевых аккумуляторов между собой на производствах применяют никелевую ленту. Отрезки ленты соединяются между собой и с литиевыми элементами контактной сваркой. Но в быту вполне допустима пайка.

Паять литиевые элементы нужно с особой аккуратностью. Место соединения предварительно следует тщательно очистить и нанести хороший флюс. Лужение производится очень быстро, хорошо разогретым паяльником достаточно большой мощности.

Сама пайка производится быстрым и уверенным прогревом места присоединения провода к литиевому элементу. Чтобы избежать опасного перегрева элемента, длительность пайки не должна превышать трех-пяти секунд.

Хорошо, что сейчас в продаже есть готовые электронные модули контроля и балансировки по довольно низким ценам. Достаточно выбрать решение, подходящее в конкретном случае. В основном такие контроллеры различаются между собой количеством последовательно соединенных «ступеней», напряжение между которыми подлежит уравниванию (балансировке). Кроме того, они отличаются допустимым током нагрузки и способом контроля температуры.

В любом случае, заряжать самодельную литиевую батарею с помощью старого зарядного устройства для никелевых батарей теперь нельзя. У них принципиально разные алгоритмы зарядки и контрольные напряжения. Понадобится специализированное зарядное устройство.

Литиевые аккумуляторы довольно привередливы к характеристикам зарядного устройства. Такие батареи можно довольно быстро зарядить значительным током, но чрезмерное превышение тока зарядки приводит к сильному разогреву и опасности пожара.

Также нужно учитывать, что при последовательном соединении элементов в батарее литиевые источники очень склонны к неравномерному заряду отдельных элементов. Это приводит к тому, что зарядить батарею до полной емкости не удается, а элемент, регулярно работающий в режиме недозаряда, попросту быстрее изнашивается. Поэтому зарядные устройства обычно строятся по схеме «балансировщик заряда».

К счастью, все современные литиевые батареи заводского производства (кроме откровенных подделок) имеют встроенные цепи защиты и балансировки. Тем не менее, зарядное устройство для таких батарей должно быть специализированным.

Что хорошо в литиевых аккумуляторах, так это то, что они не слишком требовательны к условиям хранения. Их можно складировать хоть заряженными, хоть разряженными, при почти любой разумной температуре. Лишь бы не было слишком холодно. Температуры ниже 25 градусов мороза для большинства видов литиевых аккумуляторов губительны. Ну, и выше 65 градусов жары тоже лучше не перегревать.

Однако при хранении литиевых батарей следует обязательно учитывать весьма немалую вероятность пожара.

Правильные условия хранения – это когда степень заряда аккумулятора составляет не менее 50%, а температура в помещении – от 0 до +40 градусов. Желательно при этом сберечь аккумуляторы от влаги, в том числе в виде капельных осадков (росы).

Какой аккумулятор лучше для шуроповерта, узнаете в следующем видео.