Совместимые батареи Makita LXT: зарядка, разборка, схема и модификация

Аккумуляторы форм-фактора Makita LXT сейчас являются практически стандартом для беспроводного инструмента средней мощности – с ними работает как большое количество оригинального инструмента Makita, так и еще большее число «совместимого». Поэтому совершенно неудивительно, что на рынке в этом форм-факторе предлагается много «совместимых» аккумуляторов от различных китайских производителей. В сравнении с несравненным оригиналом они подкупают нас своей демократичной ценой, но так ли они действительно хороши? Сегодня этот вопрос и рассмотрим.

Оригинал

Аббревиатура LXT расшифровывается как Lithium-Ion Extreme Technology, что в переводе означает «Экстремальная литий-ионная технология», и на рынок эта линейка вышла аж в далеком 2005-м году. Батарея LXT состоит из пяти последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов форм-фактора 18650, поэтому её максимальное напряжение в заряженном состоянии составляет 21 В. Однако, маркируется она лишь как «18 В», ведь в те далекие времена еще было принято говорить покупателям хотя бы часть правды. Поэтому производитель честно взял среднее напряжение стандартного литий-ионного элемента (3.6 В), умножил его на пять и получил те самые 18 В, которыми и промаркировал батарею. Но те времена прошли, говорить правду из моды вышло даже у крупных и известных компаний, поэтому следующая линейка Makita XGT, где последовательно соединены уже 10 элементов, получила гордую маркировку «40 В» вместо положенных 36-ти. Ну, а что, ведь чем больше – тем лучше.

Но вернемся к LXT. Почему «экстремальная», спросите вы? Потому что на тот момент стандартом для беспроводного инструмента и одновременно лидером по отдаче тока являлись никель-кадмиевые аккумуляторы. Литий-ионные же, хоть и значительно выигрывали по удельной емкости на килограмм веса, но всё еще не могли похвастаться такой же высокой токоотдачей, из-за чего для электрического инструмента с его высокими нагрузками подходили плохо. Поэтому штатное применение таких батарей в инструменте тогда казалось чем-то экстремальным, что и было отражено в названии линейки.

Вот так выглядит современный оригинальный аккумулятор Makita LXT на 3 Ач:


Внешне его отличает от «совместимых», прежде всего, литой блестящий пластик и небольшое изображение звездочки, про которую расскажу чуть позже. Фото того, что внутри, к сожалению, сделать не могу, т.к. батарея еще на гарантии, но есть фотография пары плат BMS от заблокировавшегося аккумулятора Макита одного из предыдущих поколений (которые совсем недавно приобрел знакомый и отдал мне с просьбой разблокировать):


С электрической точки зрения батарея LXT имеет три контакта (минус, плюс, «ТН») и сервисный желтый разъем, используемый при зарядке и для диагностики батарей на фирменном оборудовании. Говорят, что изначально батарея особо никаких защит не имела – минусовой и плюсовой контакты шли через предохранитель прямо на сборку элементов и предназначались для подключения инструмента, а контакт ТН соединялся внутри с плюсом через нормально замкнутое термореле и использовался для зарядки. Таким образом, батарея могла лишь только сигнализировать о перегреве пропаданием напряжения на выводе ТН. Защиту от переразряда инженеры Макиты возложили на подключаемый инструмент, а от перезаряда – на зарядное устройство. Но побаночного контроля напряжения в батарее не было, и в случае разбалансировки был вполне реальный шанс перезаряда некоторых элементов с разными возможными последствиями. Спасало такие батареи только использование качественных элементов и термореле, отключающее зарядку в крайнем случае.

Вы можете справедливо заметить – на батарее ведь есть еще 7-контактный желтый разъем, наверняка Макита вывела туда провода от отдельных элементов, чтобы осуществлять её балансировку при зарядке? А вот и нет, таких выводов батарея не имеет, поэтому её балансировка внешними средствами невозможна. И, может это и к лучшему – ведь контакты желтого разъема легко может замкнуть металлическая стружка, отлетевшая туда в процессе работы, что вызвало бы короткое замыкание. Поэтому желтый разъем имеет лишь интерфейсную функцию, о которой будет рассказано ниже.

Время шло, элементная база совершенствовалась и инженеры Макиты наконец осознали, что батарею необходимо как-то защитить. Поскольку форм-фактор менять не хотелось, они придумали совместимое с предыдущими версиями решение – разделили контакт ТН на два. Теперь та половина, которая находилась ближе к внешней части батареи стала использоваться для зарядки, а та, что осталась «глубже» в корпусе – для считывания её состояния. Обновленному инструменту также изменили третий контакт – он стал касаться только внутренней половины ТН. А чтобы отличать такие батареи и инструмент от предыдущих версий, им добавили дополнительную маркировку в виде звезды:


После чего гордо заявили, что «батарея и инструмент обмениваются данными в режиме реального времени, чтобы защитить батарею от перегрузки, переразряда и перегрева». Помните о рассказе правды покупателю? Аналогичная ситуация – вроде и действительно, некая защита добавилась, но назвать контроль напряжения одного контакта обменом данными в реальном времени я бы не решился.

Что же дало разделение контакта и как это вообще работает? Поскольку первоначально контакт ТН использовался для зарядки, он должен был пропускать зарядный ток. А чтобы не растягивать CV-часть заряда, он еще и должен был иметь минимальное сопротивление до положительного полюса батареи. Решение с термореле это вполне выполняло – и ток могло большой пропустить, и сопротивление малое имело. Однако, сигнализировать могло лишь о перегреве.

Чтобы добавить сигнализацию о переразряде или перегрузке можно было, конечно, начать коммутировать этот контакт двумя силовыми p-канальными MOSFET’ами, но, видимо, такое решение показалось инженерам Макиты неподходящим. Возможно, это сильно увеличивало цену батареи, возможно, коммутация ключей потребляла питание, что высаживало батарею при хранении. Или же, нужно было просто немного обновить линейку, сохранив обратную совместимость. В общем, контакт поделили.

Теперь внешняя половина, использующаяся для зарядки, продолжила соединяться с положительным контактом батареи через специальный термопредохранитель SEFUSE, который дополнительно имеет в своем составе нагреватель (!), позволяющий управляющей схеме пережигать его намеренно:


А внутренняя половина стала выходом схемы, сообщающей состояние батареи подключенному инструменту. Причем, чтобы данная схема не потребляла питание постоянно, она активируется подачей напряжения на этот самый выход, и такое, кстати, автоматически происходит в момент вставки батареи в инструмент – третий контакт в промежуточном положении замыкает половинки ТН. Также схема активируется сама при повышении потребляемого от батареи тока примерно до 5 А.

Таким образом, защита от перезаряда стала в современной батарее одноразовой – стоит батарее хоть раз обнаружить критическую ситуацию и встроенный в BMS микроконтроллер отдаст термопредохранителю команду на самоуничтожение, после чего восстановить работоспособность батареи можно будет только заменой деталей. Наверное, инженеры Макиты считают, что так безопасней, ведь они настолько уверены в качестве своих литиевых элементов, что рассматривают появившуюся разбалансировку сигналом к окончанию их эксплуатации.

А вот защита от переразряда при этой модификации никаких изменений не претерпела. Батарея всё еще полагается на подключенный инструмент и лишь сообщает ему, что пора выключиться, но физически питание не разрывает.

Но на этом история не заканчивается. Спустя некоторое время инженеры Макиты одумались и добавили в современные ёмкие батареи (5 и 6 Ач) мощный n-канальный полевой транзистор, который может разрывать минусовую цепь в критической ситуации. Что именно считается критической ситуацией на данный момент до конца не известно, предположительно, это короткое замыкание по выходу или переразряд батареи. Причем, в случае переразряда батарея сначала сигнализирует инструменту снижением напряжения на половинке ТН и только спустя небольшой интервал времени выключает транзистор. Но происходит это лишь при выходном токе более 5 А. Если разряжать батарею меньшим током, транзистор не отключается. Возможно, при меньшем токе BMS Макиты просто не запускается? В любом случае, есть мнение, что батарея считает количество аварийных отключений, и, если оно доходит до некого порога, блокируется.

Из этого можно сделать простой вывод – зарядка оригинальных батарей в неоригинальном заряднике может привести к их блокировке, использование оригинальных батарей в совместимом инструменте, который не поддерживает Star Protection – тоже. Так что я крайне рекомендую заряжать оригинальные батареи Макита только на оригинальном зарядном устройстве. Если вы не боитесь большого зарядного тока (до 9 А), берите DC18RC, если же вам по душе «стандартный» ток 2.6 А – DC18SD. Так как у Макиты бывают акции, когда она выгодно продает кейсовые комплекты инструмента вместе с аккумулятором и зарядным устройством, много новых зарядок доступны для покупки на вторичном рынке по достаточно привлекательным ценам. Да, они оказываются немного дороже китайских, что можно приобрести на маркетплейсах, но и оригинальные аккумуляторы стоят недешево. Так что это именно то место, где «кроилово ведет к попадалову».

Совместимые батареи

Но это оригинальные батареи. А что с совместимыми или «китайскими»? Их существует большое множество разных. Часть из них более полно копируют Макиту, добавляя желтый разъем и, таким образом, позволяя им заряжаться на оригинальных зарядках, а другая часть даже не заморачиваются этим, устанавливая для зарядки дополнительное гнездо 5.5х2.5 и предоставляя в комплекте свое зарядное устройство. Заряжать такие батареи на оригинальных зарядках не получится, т.к. они просто туда не встанут физически из-за отсутствия интерфейсного разъема.

Внутри батарей также могут находиться очень разные платы BMS, их уже известно более десятка. Некоторые имеют побаночный контроль, полную защиту от перезаряда и переразряда и даже балансировку, более простые могут ограничиться лишь контролем напряжения одного (первого по схеме) элемента. Естественно, чем больше защиты предоставляет батарея – тем лучше.

На момент, когда я выбирал себе совместимые батареи, всех тонкостей и внутренних вышеописанных особенностей я не знал, поэтому руководствовался, прежде всего, наличием желтого разъема для совместимости с оригинальной зарядкой, а также присутствием побаночного контроля и большого числа хороших отзывов. Варианты с отдельным круглым разъемом и своим зарядником в комплекте я отмел сразу, так как мне нужна совместимость с оригинальным инструментом, а у таких батарей её обычно нет, да и просто считаю их колхозом. В итоге, на Озоне были выбраны и куплены вот такие две батареи:


Маленькая (она продавалась как 1.5 Ач) бралась для шуруповерта, т.к. ему большие ёмкости и токи не нужны, а большая – для более тяжелого инструмента, такого как МФИ, про который я рассказывал в прошлый раз.

Батареи пришли быстро, наполовину заряженные и внешне выглядели хорошо. Но самое важное – это характеристики элементов, поэтому начнем с разборки:


В обоих батареях установлены какие-то безымянные литиевые ячейки неизвестной ёмкости и непонятного происхождения, но обладающие вполне адекватным внутренним сопротивлением около 15 мОм. Это примерно соответствует максимальному длительному разрядному току 20 А. Изначальный баланс неплохой, максимальная разница напряжений между ячейками составила всего 5 мВ.


Платы в батареях очень разные, но и там, и там к ним идут провода от всех ячеек, значит, побаночный контроль быть должен. Хорошо видно, что плюс и минус ячеек идут напрямую к контактам, то есть, физической защиты от короткого замыкания и переразряда в батареях нет. В маленькой батарее в качестве силовых линий используются обычные провода, но ей простительно, она весьма недорогая и на слишком большие токи не претендует. В большой всё сделано более правильно, и соединительные пластины уже непосредственно впаяны в плату. Но они, скорее всего, стальные, значит, при длительной нагрузке большими токами могут и перегреться. Также на плате большой батареи виден одинокий мощный MOSFET, вероятно, это защита от перезаряда. У маленькой батареи никаких деталей не видно, они все находятся на нижней стороне платы, поэтому придется отпаивать провода и снимать её:


При отпайке и обратной запайке плат BMS батарей всегда следует руководствоваться простым правилом: начинаем отпаивать с точки наиболее высокого напряжения, заканчиваем минусовым проводом. То есть, сначала плюс батареи, потом плюс четвертой ячейки, плюс третьей, плюс второй, плюс первой и, наконец, минусовой провод. А назад припаиваем в обратной последовательности, от минуса к плюсу. В таком случае вероятность случайно вывести плату BMS из строя минимальна.

Рассмотрим, из чего состоит BMS маленькой батареи. Микроконтроллер здесь используется ABOV Semicon A94B114FRN: 8051, 16 МГц, 8К ПЗУ, 512 байт ОЗУ, на борту ADC 12 бит и некоторая другая периферия. Достаточно неплохо для батарейки, где, наверное, хватило бы и ATTiny13.


Небольшая 8-выводная микросхема – это контроллер ячеек Cellwise CW1051ALKM. Её особенностью является то, что защищает батарею она только от перезаряда и по документации должна работать с теми самыми «программно уничтожаемыми предохранителями», но такого на данной плате нет.


Около плюсового контакта установлено параллельно два полевых транзистора HYG110P04: p-channel, 55 A, 9 мОм каждый, на которых реализована защита от перезаряда. И это невероятный overkill для цепи, где вряд ли протекает ток больше, чем три ампера. Если, конечно, транзисторы не поддельные.


Кроме этого, на плате разбросано десятка четыре различных мелких компонентов, включая даже несколько транзисторов.

Теперь большой аккумулятор. Устройство его BMS схоже с маленьким – микроконтроллер, микросхема защиты ячеек (тут уже используется полнофункциональная CM1051-DS), транзистор на зарядку. Поэтому отпаивать плату не стал, учитывая запаянные соединительные пластины и желательность соблюдения определенной последовательности отпайки, это сделать будет значительно труднее. Да и особого смысла нет, ведь все детали размещены на верхней стороне платы, которая, кстати, покрыта слоем лака:


Что можно сказать по итогу – аккумуляторы нормальные, ячейки неплохие, использовать в быту можно. Побаночный контроль и защита от перезаряда есть, значит, заряжать их должно быть вполне безопасно. С точки зрения разряда всё похуже, если использовать с неоригинальным инструментом, можно разрядить хоть до нуля и, таким образом, вывести их из строя. На оригинальном инструменте так сделать не выйдет, т.к. при снижении напряжения на контакте ТН до 12-13 В он отключится сам. Кстати, контакт ТН на маленьком аккумуляторе состоит лишь из одной «половинки» — той, что отвечает за состояние батареи. Видимо, здесь скопировано самое первое решение Макиты, когда ТН соединялся внутри батареи с плюсовым контактом через термореле, только вместо термореле используется полевой транзистор. А вот на большом аккумуляторе ТН уже современный и состоит из двух половинок, а сигнал состояния формируется CM1051-DS.

Еще один минус обоих батарей – в них нет защиты от КЗ. И если на маленькой батарее в случае КЗ еще есть шанс, что от большого тока и перегрева отпаяется один из проводов, ведущих от ячеек к плате, то большая будет жарить «на все деньги». Также в обеих батареях нет и балансировки, но её необходимость при «стандартной» реализации на токах порядка 40 мА сомнительна и является темой для отдельного обсуждения.

Теперь осталось проверить обе батареи на совместимость с оригинальной зарядкой. На тот момент в наличии у меня была лишь быстрая версия DC18RC, поэтому проверял с ней. И обе батареи эту проверку успешно прошли, зарядка их «увидела» и стала заряжать. Значит, микроконтроллеры на их платах установлены не зря. Ваттметр в первичной цепи показал потребление в районе 180 – 200 Вт в обоих случаях. То есть, те самые 9 А во вторичной цепи. И если для оригинальной Макитовской батареи это еще и, возможно, допустимо, то для таких вот «совместимых» точно нет. Возможно, они сообщают зарядке неверную информацию через интерфейсный разъем, и она задирает ток, ведь совершенно неизвестно что и как скопировали китайцы. В любом случае, заряжать такие батареи быстрой зарядкой не стоит.

А чем же стоит? Прежде всего, стандартной зарядкой Макиты DC18SD, которая выдает 2.6 А. Этот ток будет чуть великоват, но еще допустим для маленькой батареи и вполне комфортен для большой.

Но у меня на тот момент DC18SD не было, а батареи надо было заряжать, поэтому решил сделать всё «по-старинке» с помощью лабораторного БП в режиме CC/CV. Каково же было мое удивление, когда ни одна из батарей не стала заряжаться от лабораторника! То есть, они просто не брали от него ни одного миллиампера, как будто их контакт ТН вообще не был никуда подключен. Причем, обе батареи с разными платами вели себя абсолютно одинаково. Я даже еще раз проверил их на оригинальной зарядке, чтобы убедиться, что они всё еще исправны. После чего разобрал и снова полез внутрь, чтобы понять, что именно там происходит.

А происходила там очень простая вещь – в обоих платах полевые транзисторы, отвечающие за заряд ячеек, были просто закрыты. И никакие внешние манипуляции с напряжением, включая подачу его на контакт ТН не могли заставить их открыться. Оставалось только зарядить батареи «напрямую», подав напряжение на основные терминалы. Но такой способ нельзя применять на постоянной основе, ведь в этом случае из схемы исключается абсолютно любая защита от перезаряда и перегрева, что для литий-ионных батарей, состоящих из нескольких элементов попросту небезопасно.

Схема

Так как я делаю свою зарядное устройство, надо было разбираться в ситуации, и начать я решил с зарисовки схемы маленькой батареи, ведь её плату легче снимать. Качество при фотографировании получилось не очень, т.к. рисовал карандашом, но основные моменты видны:


Рассмотрим схему BMS. Контроль напряжений ячеек выполнен на CW1051, но её выходной сигнал не управляет защитой напрямую, а только подает сигнал о перезаряде на вход 7 МК, который, в свою очередь, уже управляет всей схемой. По умолчанию зарядные ключи закрыты за счет резистора 10К между затвором и истоком, открываются они с помощью биполярного транзистора ВС847, которым управляет МК через вывод 16. За счет резистора в цепи коллектора образуется делитель напряжения, что защищает затворы полевых транзисторов от пробоя.

МК имеет возможность измерять напряжение батареи на выводе 15, куда оно подается через делитель и ключ на транзисторе BSS84. Наличие ключа позволяет отключать цепочку от аккумулятора в режиме хранения, чтобы не разряжать его впустую – надо сказать, достаточно грамотное решение, учитывая желание китайцев экономить на всем. Ключ измерителя управляется выводом 2 МК через отдельный биполярный транзистор по аналогичной с основным ключом схемы. Контроль температуры батареи осуществляется измерением напряжение на выводе 17, куда оно подается с делителя, где в качестве нижнего плеча установлен терморезистор.

Выводы 14, 6 и 4 МК используются для организации интерфейса с зарядкой и с их назначением еще придется разобраться, поэтому перейдем к самому главному – питание МК получает с желтого разъема и только с него. То есть, пока желтый разъем ни к чему не подключен, МК обесточен и не может открыть зарядный транзистор. И поэтому заряд таких аккумуляторов просто невозможен на простых зарядках, не имеющих интерфейсного разъема. Еще есть у этой схемы и интересная особенность – за счет паразитного диода в зарядном MOSFET, напряжение на выводе ТН оказывается примерно на 0.4 – 0.6 В ниже батарейного, что автоматически делает батарею совместимой с оригинальным инструментом.

Тогда я стал искать в интернете информацию по распиновке желтого разъема. И был очень удивлен, когда практически ничего не нашел. Из собранного по крупинкам материала с разных сайтов удалось составить примерное назначение выводов (я буду считать их снизу вверх по вышеприведенной схеме BMS):

1. Общий провод. В китайских батареях обычно соединяется с минусовым терминалом, но в современных оригинальных может быть просто никуда не подключен.
2. Основной интерфейсный сигнал. Макита использует модификацию протокола 1-Wire с несколько увеличенными таймингами, возможно, чтобы «никто не догадался».
3. Не известно.
4. Аналоговый сигнал, назначение не известно.
5. Не известно.
6. Питание +5 В. Китайские BMS питаются непосредственно от этого вывода, современные оригинальные лишь используют этот сигнал, чтобы проснуться.
7. Не подключен.

Хорошо, зная примерную распиновку уже можно было подать питание на МК, что я и незамедлительно сделал. Но чуда не произошло и зарядный транзистор не открылся. Расстроенный я пошел искать на Авито самую дешевую зарядку DC18SD, чтобы расковырять её (DC18RC была на гарантии) и посмотреть, что внутри, а также изучить сигналы и команды, которые она подает батарее. К счастью, удалось найти продавца прямо в моем городе, так что долго ждать не пришлось, и скоро зарядка была уже у меня:


Внутренности не фотографировал, если кому надо – пишите в комментариях, разберу и сфотографирую, а пока скажу лишь, что там два обратноходовых преобразователя, один выдает +5 В и питает МК зарядки, второй выдает основное напряжение и, судя по всему, умеет работать в CC/CV режиме. По крайней мере, оптрона на плате три.

Протокол обмена

Итак, подключаем осциллограф, вставляем батарею в выключенную зарядку, включаем зарядку в розетку и получаем такую интересную картинку (желтый канал – интерфейсный обмен на втором контакте, розовый – 4-й контакт, голубой – напряжение на батарее):


Сразу после включения на 4-м контакте интерфейсного разъема устанавливается напряжение около 1 В. Спустя примерно полсекунды начинается обмен данными на 2-м контакте и напряжение на 4-м поднимается до 3 В. Затем всё останавливается на 4 секунды, после чего включается в работу силовая часть зарядки. Напряжение на батарее немного возрастает до примерно 22 В. И это означает, что зарядный ключ уже открыт! Еще через 5 секунд напряжение на 4-м контакте снижается, а еще через 10 секунд падает обратно до 1 В. Через полторы секунды зарядка выключается и стартует второй сеанс обмен данными, после чего (предположительно) зарядка сигнализирует об окончании заряда. Далее никаких изменений по шинам не происходит.

Рассмотрим момент начала заряда подробнее:


Удивительно, но оказывается, что напряжение на 4-м контакте поднимается раньше, чем начинается интерфейсный обмен. То есть, не обмен вызывает повышение напряжения, оно происходит само. А обмен выглядит следующим образом:


Чтобы легче было разобрать, что здесь происходит, следует вспомнить основы 1-Wire. В этом протоколе для передачи данных в обе стороны используется всего один провод, который подтягивается к плюсу питания через резистор, а каждое устройство наделяется правом понижения его потенциала до нуля в нужные моменты, задаваемые главным устройством. Такой вот аппаратный AND. Обычно для понижения потенциала используются выходы с открытым коллектором или открытым стоком, но в данной батарее для этого стоит отдельный транзистор. По схеме видно, что интерфейсный сигнал проходит через резистор 100 Ом, из-за чего на осциллограмме лего определить, кто именно выставил логический ноль на шину. Когда ноль выставляет зарядка, он опускается немного сильнее, чем когда это делает батарея, ведь у зарядки такого резистора нет.

К сожалению, в мой осциллограф поддержку декодирования 1-Wire не завезли, поэтому придется декодировать вручную. Обмен начинается с того, что зарядка отправляет на шину команду сброса, а батарея подтверждает свое присутствие. Затем зарядка передает байты 0xCC, 0xF0, 0x00, на которые батарея отвечает последовательностью из 32-х байт, после чего обмен полностью прекращается до момента окончания заряда.

Send: CC, F0, 00
Recv: F1, 26, BD, 13, 14, 58, 00, 00, 94, 94, 40, 21, D0, 80, 02, 08, C3, D0, 8E, 67, 60, F0, 00, 01, 02, 02, 0E, 00, 00, 00, 00, 21

В конце заряда обмен возобновляется и видно, что он состоит уже их 4-х пакетов (я не стал их декодировать):


Если смотреть на стандарт 1-Wire, то первый байт, отправляемый зарядкой (0xCC) – это команда “Skip ROM”, которая означает, что главное устройство будет обращаться ко всем подчиненным устройствам на шине, поэтому не будет передавать конкретного адреса (отсюда и название Skip). В случае обмена между двумя устройствами такой подход очевиден, ведь адресат только один. Далее идут специфичные для протокола Макиты байты (F0, 00), значения которых я не знаю.

Параллельно с моими исследованиями я нашел в интернете интересный проект по разблокировке BMS Makita и обратился за помощью к его автору, Мартину. Он подтвердил мне, что зарядка передает батарее байты CC, F0, 00, после чего батарея отвечает неким сообщением (Battery Message), в котором содержится емкость батареи, коды ошибок, количество циклов зарядки и т.д., однако, как именно его декодировать рассказывать не стал, потому что он не поддерживает создание альтернатив оригинальным зарядкам Макита, а для «совместимых» батарей это не нужно.

Но конкурировать с оригиналом я и не планировал, потому что искренне считаю, что оригинальные батареи Макита следует заряжать оригинальными зарядками хотя бы для того, чтобы избежать случайной блокировки их BMS. Так что Martin, if you are reading this, do not worry, I’m not planning on faking Makita charger and charging the original batteries, I just need all this information to know how to properly charge the compatible ones.

Также вместе с Мартином нам удалось немного раскрыть назначение 4-го контакта интерфейсного разъема. Судя по всему, это аналоговый выход, на котором батарея сообщает свое состояние зарядке. Когда у батареи всё в порядке, она подает на этот вывод более высокое напряжение, если батарея находится в состоянии «перезаряда», напряжение падает примерно до 0.87 В, когда же у батареи наступает перегрев, оно понижается еще ниже – до 0.18 В. Рассматриваемая батарея формирует это напряжение с помощью PWM на частоте 62.5 КГц, отсюда и наличие ФНЧ на схеме:


Оказалось, что ранее я сделал неверный вывод, потому что попал в достаточно интересную ситуацию – за счет того, что CW1051 имеет гистерезис и не выходит из «перезаряда» до тех пор, пока напряжение на ячейках не упадет ниже 4.12 В, моя батарея всё время находилась в аварийном состоянии, в которое вошла в момент обратной запайки платы к элементам. Дело в том, что если микросхема не видит напряжения на какой-либо отдельной ячейке, она считает, что с ячейкой что-то случилось и тоже переходит в состояние ошибки. А выйти из него может только при напряжении на ячейках ниже 4.12 В, чего не случилось, т.к. моя батарея была полностью заряжена.

В общем, если батарея находится в аварийном состоянии, после подачи питания на МК она открывает зарядный транзистор, кратковременно повышает напряжение на 4-м контакте до 3 В, ждет около 10 секунд, понижает напряжение до 2.9 В, ждет еще 10 секунд, снижает напряжение до 0.87 В, а еще через 10 секунд закрывает зарядный транзистор и более ни на что не реагирует (это, кстати, и было отражено на осциллограмме выше). За счет того, что я при эксперименте подал питание на МК всего один раз и сразу не посмотрел напряжение на 4-м контакте и состояние выходного транзистора, 30 секунд прошло, момент был упущен и я решил, что батарее требуется какая-то внешняя команда от зарядки!

А, на самом деле, такой команды не нужно – если батарея не находится в аварийном режиме, она автоматически включает зарядный транзистор сразу же после подачи питания на МК. На 4-м выводе, кстати, в этом случае можно наблюдать очень интересную картину:


Напряжение с 3 В за 90 секунд падает до примерно 1.5 В, после чего остается на данном уровне до возникновения какой-либо критической ситуации или отключения питания. Большая батарея, кстати, не смотря на использование совершенно другой платы, абсолютно точно повторяет такую же логику работы. Видимо, это какой-то китайский стандарт в эмулировании протокола Макиты.

Как заряжать?

Какой можно подвести итог? Для себя алгоритм заряда «совместимых» батарей с желтым разъемом я нашел. Выглядит он следующим образом:

1. Подать 5 В на 6-й контакт.
2. Подождать пол секунды.
3. Отправить батарее команду сброса по интерфейсу 1-Wire.
4. Если батарея не заявляет о своем присутствии, перейти к шагу 2.
5. Отправить батарее команду CC, F0, 00
6. Считать 32 байта.
7. Включить зарядку по алгоритму CC/CV.
8. Непрерывно мониторить напряжение 4-го контакта. Если оно вдруг упадет ниже 1.4 В, сообщить об ошибке и выключить зарядку.
9. Окончить зарядку по снижению зарядного тока до заданного уровня.

В принципе, если вам не хочется заморачиваться поддержкой протокола 1-Wire (ведь это требует наличие микропроцессора в зарядке), алгоритм можно серьезно упростить до простой подачи 5 В на 6-й контакт и последующей зарядки обычным алгоритмом CC/CV. Но тогда не будет возможности диагностировать проблемы на стороне батареи, поэтому у себя я решил такой протокол поддержать. Ну, и, возможно, когда-нибудь получится и какую-то полезную информацию из батареи вычитать.

Доработки

Теперь о возможных доработках батарей. Основных недостатка у них три:

• Отсутствие защиты от КЗ.
• Отсутствие защиты от переразряда.
• Отсутствие балансира.

КЗ у батарей в таком корпусе может произойти только в очень редкой ситуации, когда, например, подключенный инструмент вышел из строя. Поэтому я планирую добавить защиту от КЗ по принципу Макиты – установить в минусовой провод плавкие одноразовые предохранители. Для маленькой батареи думаю установить на 40 А, для большой – на 90 А. Я уже заказал SMD-предохранители в корпусе 1808, 40 А соберу как 20 А*2, а 90 А как 30 А*3. В маленькой батарее установлю их прямо в разрез минусового провода.

Защита от переразряда в моем случае не нужна – я планирую использовать батареи только с оригинальным инструментом, а он такую защиту имеет.

Нужен ли батареям балансир – вопрос отдельный. С формальной точки зрения – да, нужен. На практике – далеко не факт. Дело в том, что при «стандартном» токе балансировки порядка 40 мА он и отбалансировать толком ничего не может, так как работает очень непродолжительное время перед окончанием заряда, когда напряжение на части ячеек уже достигло 4.2 В. Увеличить ток тоже нельзя, т.к. резисторы пассивного балансира будут слишком сильно нагреваться и начнут перегревать батарею. А от этого ей станет даже хуже, чем от полного отсутствия балансировки.

Тем не менее, у меня есть вот такие платы балансировки, заказанные с Али по весьма низкой цене порядка 70 рублей за штуку:


Физически плата рассчитана на батарею из 8-ми ячеек, но я заказывал версию на 5, поэтому распаяно только 5 секций, остальная часть платы пустует. Тем не менее, вся плата идеально входит внутрь корпуса маленькой батареи, ничего даже не надо отламывать или подпиливать:


Снизу плата абсолютно гладкая, поэтому её легко можно закрепить на двухсторонний скотч. Хоть ток балансировки у платы и чуть выше – порядка 68 мА, я пока не знаю, будет ли практический смысл от её установки. У предыдущего моего шуруповерта Deko, купленного в 2017 году и не имеющего никакого балансира в батареях, проблемы начались только года полтора назад, то есть 6 лет он нормально работал. Когда же проблема стала заметна, я понял и её причину – сильно повышенный саморазряд у одной из ячеек. И вот тут сомневаюсь, что балансировка таким небольшим током в состоянии что-то исправить, потому что измеренный дисбаланс составлял уже половину ёмкости аккумулятора (750 мАч)!

На этом можно считать, что основная информация по теме зарядки батарей Макита изложена, внутренний мир и особенности батарей с желтым разъемом раскрыты. Поэтому если вам не интересно программирование, можно сразу перейти к секции комментариев. Я же далее поделюсь своей необычной реализацией протокола 1-Wire для AVR.

1-Wire

К сожалению, аппаратной поддержки 1-Wire в AVR (ATMega328p) нет, поэтому надо в любом случае делать это программно. Стандартная реализация (библиотека 1-Wire для Ардуино) давно существует, но работает в синхронном режиме и использует программные задержки, что может оказаться очень нежелательно в большом проекте, особенно если он активно использует прерывания. А мой проект зарядки оказался именно таким, так что не оставалось никакого выхода, кроме как писать что-то своё.

Раз программные задержки мне не подходят, надо полностью менять архитектуру. У меня в проекте есть обработчик прерывания таймера, работающий с частотой 62.5 КГц (интервал 16 мкс), и он отлично подходит по таймингам как к оригинальному, так и к модифицированному Макитой протоколу 1-Wire, потому что все действия протокола можно выполнять с шагом 16 микросекунд. Так что было решено реализовать поддержку именно здесь. Однако, обработчик и так уже достаточно загруженный, поэтому дополнительно нагружать его каким-либо сложным кодом не хотелось, надо было уложиться в минимальное количество тактов.

И тогда родилась мысль, чтобы обработчик лишь бездумно менял уровни сигнала на выходе, а также сохранял считанные значения в память, а уже другой код, работающий в более свободном временном режиме, производил последующую обработку данных. Таким образом, в обработчик прерываний добавился следующий кусок кода:


Прежде всего он проверяет значения счетчика, и если оно равно нулю, то не делает абсолютно ничего. Это основной режим работы, когда обмена данными по шине 1-Wire нет. Если же значение счетчика больше 1, код просто уменьшает его на 1 и сохраняет обратно. Это режим отработки задержки выставления какого-либо уровня на шину 1-Wire.

Если же значение счетчика равно единице, программа переводит вывод 1-Wire в режим ввода, после чего считывает из программного буфера очередной байт управления, а на его место помещает считанное из порта значение. Затем устанавливает на шине уровень, содержащийся в младшем бите байта управления, а остальные 7 бит использует как новое значение счетчика. Таким образом, каждый байт управления задает уровень, который необходимо вывести на шину 1-Wire и продолжительность, сколько этот уровень необходимо держать в 16-микросекундных тиках.

Для подготовки буфера управления используется уже код, написанный на Си:


За один раз в буфер управления помещаются команды, позволяющие вывести на шину или считать с неё 1 байт, что требует размера буфера 17 байт. В итоге, получился синхронно-асинхронный вариант реализации, который полностью стабилен по временным показателям, так как не зависит от программных задержек. В принципе, если бы была необходимость, его легко переделать в полностью асинхронный, однако для моей задачи это не нужно.

А вот так выглядит осциллограмма начала обмена данными с использованием представленного кода:


Здесь происходит сброс шины и последующая отправка в неё байта 0xCC. Кстати, при чтении уровня шины, по-хорошему, следовало бы подождать 5-10 микросекунд перед операцией чтения, чтобы дать время зарядиться ёмкости шины. Но такую задержку я организовать не могу, т.к. код выполняется с интервалом 16 мкс. Всё, что получилось – это порядка 800 нс с момента установки на шине высокого уровня. Однако, такой задержки вполне хватает, так как длительность положительного фронта составляет примерно 600 нс:

Итого

Что можно сказать в итоге? Батареями я доволен, ячейки, на первый взгляд, неплохие (15 мОм), правда, пока не дошли руки измерить их ёмкость – еще ни одну не разрядил до конца, чтобы померять при заряде, а на разряд измерять нечем. Но чудес я не ожидаю и предполагаю, что малая будет 1.5 Ач, как и заявлено, а большая – что-то в районе 4 Ач. Батареи полностью совместимы с оригинальными продуктами Макиты, также теперь понятно, как их заряжать на самодельных зарядках. Единственный минус, который я для себя вижу – это отсутствие защиты от КЗ по выходу, но его я предполагаю исправить предохранителями. В остальном – смотрите сами, нравятся ли вам такие батареи или нет.

UPD: недавно появилась информация о новых «батареях-комбайнах» от TPCELL. Они включают полноценную BMS, имеют желтый разъем и поддерживают оригинальную зарядку. Но, кроме этого, могут как заряжаться от встроенного Type-C разъема, так и выполнять роль пауэр-банка для питания различной техники. Но цена такого чуда «два-в-одном» тоже, естественно, выше.

На этом у меня всё, спасибо за внимание!