Pimp my drill! – Conversione a batterie al Litio

DISCLAIMER – Le batterie al litio sono pericolose. Noi più o meno sappiamo quello che facciamo e nel farlo mettiamo in pericolo solo noi stessi. Non ci riteniamo responsabili per qualunque danno a persone o cose causate dalle vostre azioni in seguito alla lettura di questo articolo.

Looking for the English version?

Il nostro caro vecchio trapano a batterie ormai non ha più forza perchè le batterie sono cotte, ma dato che il motore funziona ancora benissimo, perchè buttarlo?

Spoiler: risultato finale

Spoiler: risultato finale

In passato avevo già convertito un trapano Ni-Cd a delle batterie LiFePO4 (A123), con ottimi risultati. Purtroppo, la ditta che produceva tali batterie è fallita e ormai quelle in vendita sono old stock e le loro performance sono molto ridotte. Peccato, perchè erano quasi indistruttibili e molto facili da bilanciare per via della curva di carica che superati i 3.5V “impenna”, permettendo di bilanciare le celle con dei semplici zener.

Per questo progetto mi sono dovuto orientare su delle batterie INR, in particolare delle batterie SAMSUNG INR18650-25R, specifiche per power tools. Si tratta di celle da 2500 mAh che sono in grado di fornire 25A continui senza problemi e sono comunque più sicure delle LiPo per via della composizione chimica che è meno prona ad esplodere. Per dispositivi ad alto assorbimento come un trapano è fondamentale non basarsi esclusivamente sulla capacità ma anche sulla corrente che sono in grado di sostenere. Molte batterie difficilmente reggono una scarica a più di 2C (ossia, ad una corrente doppia rispetto alla capacità – ad es. 2A per una batteria da 1Ah, 4A per una da 2Ah, ecc) senza rovinarsi.

Le singole celle devono essere saldate assieme: l’ideale sarebbe usare una puntatrice e le apposite piattine nichelate, ma per chi non ha a disposizione questo attrezzo (ad esempio noi), c’è un metodo che ho sperimentato con successo e che è molto più artigianale.

Vi servirà un saldatore da almeno 80W impostato a piena potenza, dello stagno al piombo (idealmente 63/37 dato che fonde ad una temperatura bassa) e del flussante acido – garantisce una buona adesione dello stagno, ma necessita di una pulizia finale per evitare che i residui possano far arrugginire le celle. Vi consiglio di pre-tagliare il filo di rame (io ho usato un 2.5mmq, un buon compromesso tra la resistenza elettrica e la facilità di saldarlo) in spezzoni lunghi poco più della distanza che separa i centri di due batterie quando le si mettono fianco a fianco per facilitare l’assemblaggio finale. Bisogna ricordarsi di tenere due pezzi di filo più lunghi (consiglio sui 20cm) per poter in seguito raggiungere i contatti del vecchio pacco batterie).

Per poter efficacemente saldare le batterie consiglio di chiedere l’aiuto di un altro essere umano. Le batterie vanno saldate in serie, ricordandosi di saldare assieme al filo da 2.5mmq i fili per il connettore per il bilanciamento delle celle. Saldare le batterie è un’operazione molto delicata: bisogna mettere il flussante sul contatto della batteria, stagnare la batteria e subito soffiare per farla raffreddare (è FONDAMENTALE evitare che le batterie si surriscaldino, specialmente quando si salda il contatto positivo perchè le celle integrano una specie di fusibile che si rompe rendendole completamente inutilizzabili se si surriscaldano – ed a me con una cella sulla quale mi sono soffermato troppo col saldatore è capitato). L’ideale sarebbe usare del filo con isolante siliconico perchè il normale PVC si scioglie quasi completamente con le temperature in gioco (ciononostante, noi abbiamo usato il filo in PVC perchè era quello che avevamo).

Batterie saldate assieme

Batterie saldate assieme

A questo punto vorrei spiegare in breve il funzionamento del circuito bilanciatore che ho impiegato, perchè a quanto ne so non è simile a nessuno di quelli che girano in rete, ed è frutto della disponibilità di 148 fotoaccoppiatori per i quali non avevo alcun uso 🙂

Il funzionamento del circuito è relativamente semplice: sfrutto il terzo contatto del pacco batterie, normalmente utilizzato per un termistore che verifica la temperatura del pacco, per fornire alimentazione (circa 3mA) al lato LED degli OP817C, i quali a loro volta fanno scorrere corrente (circa 6mA) proveniente dalla cella al litio verso la base di un transistor NPN, che viene portato in saturazione. A sua volta, l’NPN accende il TL431, che grazie al trimmer è impostato in modo tale da far scorrere una corrente di circa 50mA quando la tensione ai suoi capi è 4.15V, che sommati ai circa 50mV dell’NPN in saturazione ci portano a 4.20V, abbastanza stabili. I TL431 si scaldano abbastanza, quindi ho aggiunto un piccolo dissipatore per sicurezza, anche se in teoria non stiamo superando il limite termico del package. In questa condizione di funzionamento, i TL431 funzionano da bleeder balancer, andando a consumare la corrente necessaria per evitare che la tensione della cella superi i 4.20V. 50mA dovrebbero essere più che sufficienti perchè dopo il bilanciamento iniziale è improbabile che le singole celle si sbilancino troppo. La funzione degli optocoupler è che i TL431 siano alimentati solo quando il pacco batterie è nel caricabatterie: infatti, una volta tolta l’alimentazione al lato LED, il fototransistor esce dalla conduzione, portando solo una corrente di buio di 100nA entrante in base dell’NPN, che è quindi in regime di corrente costante nell’ordine del uA, che ci permette di evitare di scaricare significativamente la batteria quando non in uso.

Questo ci permette di realizzare un circuito di bilanciamento che impiega solo componenti allo stato solido (avremmo potuto usare un relè invece dei fotoaccoppiatori, ma mettere un relè in un pacco batterie di un trapano che realisticamente verrà abusato, non è una buona idea) e che costa veramente poco (comprando su aliexpress, con meno di 10€ si possono comprare 100 fotoaccoppiatori, 100 transistor, 50 TL431, la millefori e anche i trimmer, per cui il prezzo del singolo bilanciatore è sui 2€).

Bilanciatore

Bilanciatore

Il bilanciatore va connesso al connettore di bilanciamento del pacco batterie, e messo all’interno della “scatola”: in questo modo non c’è rischio di collegare il connettore al contrario o cortocircuitare il connettore di bilanciamento (che è comunque collegato a batterie in grado di fornire svariati ampere e bruciare i fili in un secondo in caso di corto).

A questo punto è sufficiente saldare i due fili principali ai connettori della batteria e il filo di alimentazione del bilanciatore al contatto centrale; la parte delle batterie è terminata. Ora, bisogna modificare il caricabatterie.

Del caricabatterie terremo solo la scatola, il trasformatore e lo stadio di raddrizzamento – tutto il resto verrà sostituito da un modulo DC-DC regolabile (anch’esso 2€ da Aliexpress), che fornisce tutto quanto necessario per caricare la batteria al litio con un algoritmo CC-CV ed anche accendere il LED di fine carica quando la corrente scende sotto una soglia impostata – davvero fenomenale per 2€.

Due dettagli da tenere a mente:

  • è necessario aggiungere un dissipatore se la corrente richiesta è più di 1A (e nel nostro caso vogliamo sfruttare un paio di Ampere).
  • dobbiamo aumentare la capacità di smoothing posta dopo il raddrizzatore; noi abbiamo messo un condensatore 35V 2200uF.

Siamo riusciti a fare stare tutto all’interno della scatola del caricabatterie originale, sfruttando un po’ di abilità acquistata giocando a Tetris e un po’ di colla a caldo. I due LED originali del caricabatterie sono stati riutilizzati in altro modo: quello verde è in serie al contatto centrale del caricabatterie ed indica quindi il corretto funzionamento del circuito i bilanciamento; quello rosso è stato collegato al posto del led del modulo DC-DC che indica la fase CC, di conseguenza quando esso è spento significa che la batteria è in fase CV e quindi è alla fine della carica o quasi.

Veniamo ora alla modifica fatta al trapano stesso: un indicatore di carica per evitare di sovrascaricare le batterie al litio.

Originariamente avevo progettato un circuito basato su un LM324 ed un altro TL431 per accendere 4 LED di diversi colori in base al voltaggio della batteria, tuttavia non siamo riusciti a trovare sufficiente spazio all’interno del trapano per farcelo stare; ad ogni modo, le foto e lo schematico li rendo comunque disponibili.

Per questioni di spazio abbiamo optato per un mini Voltmetro con display a 7 segmenti cinese attivato da un piccolo PCB basato anch’esso su un paio di optocoupler ed un BJT (vedasi schematiche, è la parte “Indicator enable“) che permette di attivare il voltmetro solo quando il motore è alimentato, indipendentemente dalla direzione di marcia. Un condensatore rimuove l’effetto del PWM sul motore e rende la lettura del voltaggio abbastanza affidabile (a parte un offset di -50mV circa dovuta alla tensione di saturazione del transistor).

Ed ora una bella galleria con tutte le foto che documentano il processo:

4-cell-balancer
Bilanciatore - schematico
« 1 di 35 »

 

Ed ora un rapido video che mostra il funzionamento. Non è un gran che, scusateci.