Полимер

Литий-полимерные аккумуляторы

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMH (никель-металлогидридным) мы получили возможность использовать литиевые аккумуляторы. При одинаковом весе они имеют большую, по сравнению с NiCd и NiMH, емкость, кроме того, напряжение одного элемента у них в 3 раза выше - 3,6 В/элемент вместо 1,2 В. Так что для большинства моделей достаточно батареи из двух или трех банок.
Среди литиевых аккумуляторов различают два основных типа - литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (LiPo). Но для использования в силовых установках моделей наибольшее распространение получили литий-полимерные аккумуляторы, так что в дальнейшем разговор пойдет именно о них. Впрочем, жесткое разделение тут весьма условно, поскольку оба типа отличаются в основном используемым электролитом, и все, что будет сказано про литий-полимерные аккумуляторы, практически в полной мере относится и к литий-ионным (заряд, разряд, особенности эксплуатации, техника безопасности). С практической точки зрения нас волнует только тот момент, что литий- полимерные аккумуляторы в настоящий момент обеспечивают более высокие разрядные токи. Поэтому на модельном рынке в качестве источника энергии для силовых установок в основном предлагают именно их.

Основные характеристики

Литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости NiCd в 4-5 раз, NiMH в 3-4 раза. Количество рабочих циклов - 500-600, при разрядных токах в 2С до потери емкости в 20%, для сравнения у NiCd - 1000 циклов, у NiMH - 500. Вообще говоря, каких-либо данных по количеству рабочих циклов пока еще очень мало и к приведенным в данном случае их характеристикам необходимо относиться критически. Кроме того, технология их изготовления совершенствуется и возможно, что в данный момент цифры по этому типу аккумулятора уже другие. Например, из опыта эксплуатации по многочисленным отзывам можно сделать вывод , что при разрядных токах в 8-10 С аккумуляторы живут около 200 циклов.
Из всего многообразия силовых литий-полимерных аккумуляторов, имеющихся в продаже, можно выделить две основные группы — быстро-разрядные (Hi discharge) и обычные. Отличаются они между собой максимальным разрядным током - его указывают или в амперах, или в единицах емкости аккумулятора, обозначаемой буквой "С". Например, если ток разряда ЗС, а емкость аккумулятора - 1 Ач, то ток будет равен 3 А. Максимальный ток разряда обычных аккумуляторов, как правило, не превышает ЗС, некоторые производители указывают 5С. Быстрораз-рядные аккумуляторы допускают ток разряда до 8-10 С. Такие аккумуляторы несколько тяжелее своих слаботочных собратьев (примерно на 20%), и в названии у них после цифр емкости присутствуют буквы HD или НС, например ККМ1500 - обычный аккумулятор емкостью 1500 мАч, а KKM1500HD - быстроразрядный.

Области применения

Применение литий-полимерных аккумуляторов позволяет решить две важные задачи - увеличить время работы мотора и снизить вес батареи.
При замене батареи 8,4 В NiMH 650 мАч двумя обычными, не быстроразрядными литиевыми емкостью 2 Ач, получаем батарею легче на 11 г и несколько меньшим напряжением (7,2 В), и в 3 раза большей емкости! А если использовать быстроразрядные аккумуляторы, вот тогда и большие самолеты могут летать, не уступая в энерговооруженности ДВСу. В подтверждение этому, 7-е место в первенстве мира по пилотажным моделям F3A занял американец на электролете. Причем это была не маленькая жужжалка, а нормальный двухметровый самолет, как у остальных участников с двигателями внутреннего сгорания!
Очень хорошо зарекомендовали себя литий-полимерные аккумуляторы на небольших вертолетах, таких как Piccolo или Hummingbird -например, даже при использовании стандартного коллекторного мотора время полета на двух банках емкостью 1 Ач составляет более 25 минут! А при замене мотора на бесколлекторный - более 40 минут!
И, конечно, литиевые аккумуляторы просто незаменимы, когда речь идет о комнатных самолетах весом 1 -20 г! В этой области NiCd с ними сравниться не может - просто нет таких батарей (например, вес 20 мАч банки - 0,7 г, 150 мАч - 3,2 г!), чтобы в при таком малом весе давали необходимую мощность - пусть даже в течение 1 минуты!
Единственная область, где пока литий-полимерные аккумуляторы уступают NiCd - это область супервысоких (40-50 С) разрядных токов. По цене, в пересчете на емкость, литий-полимерные аккумуляторы стоят примерно столько же, сколько NiMH.

Зарядка Li-Po аккумуляторов

Заряд аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму - от источника постоянного напряжения 4,20 В/элемент с ограничением тока в 1 С. Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0,1-0,2 С.
После перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1C аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около двух часов. К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце за ряда - не хуже 0,01 В/банку.
Из представленных на рынке зарядных устройств можно выделить два основных типа — простые, не "компьютерные" зарядники в ценовой категории 10-40$, предназначенные только для литиевых аккумуляторов, и универсальные в ценовой категории 120-400$, предназначенные для различных типов аккумуляторов.
Первые, как правило, имеют только светодиодную индикацию заряда, количество банок и ток в них выставляются перемычками. Достоинство таких зарядных устройств -низкая цена. Главный недостаток - некоторые из таких устройств не умеет правильно показывать окончание заряда. Они показывают лишь момент перехода от режима стабилизации тока к режиму стабилизации напряжения, что составляет примерно 70-80% емкости.
У второй группы зарядников возможности намного шире, как правило, они все показывают напряжение, ток, и емкость (мАч), которую аккумулятор "принял" в процессе заряда, что позволяет более точно определять, насколько заряжен аккумулятор.
При использовании зарядного устройства самое главное - правильно выставить на заряднике нужное количество банок в батарее и ток заряда, который, как правило, равен 1C.

Эксплуатация и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые "нежные" из существующих, т.е. требуют обязательного соблюдения нескольких несложных правил.
Перечислим их в порядке убывания опасности.
1. Заряд до напряжения, превышающего 4,20 В/банку.
2. Короткое замыкание аккумулятора.
3. Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С.
4. Разряд ниже напряжения 3 В/банку.
5. Нагрев аккумулятора выше 60 С.
6. Разгерметизация аккумулятора.
7. Хранение в разряженном состоянии
Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, всех остальных - к полной или частичной потере емкости.
Из всего сказанного можно сделать следующие выводы.
Чтобы не было пожара, надо иметь нормальный зарядник и правильно выставлять на нем число заряжаемых банок. Необходимо также использовать разъемы, исключающие возможность короткого замыкания батареи и контролировать ток, потребляемый мотором на "полном газу". Кроме того, не рекомендуется на модели закрывать аккумуляторы со всех сторон от поступления потока воздуха, а если это невозможно, то следует предусмотреть специальные каналы для охлаждения.
Если ток, потребляемый двигателем, составляет более ЗС, а аккумулятор на модели закрыт со всех сторон, после 5-6 минут работы мотора следует его остановить, а затем вытащить и потрогать аккумулятор -не слишком ли горячий. Дело в том, что после нагрева выше определенной температуры (около 70 ) в аккумуляторе начинает идти "цепная реакция", превращающая запасенную им энергию в тепло, аккумулятор буквально растекается, поджигая все, что может гореть.
Если замкнуть почти разряженный аккумулятор, то пожара не будет, он тихо и мирно "умрет" из-за переразряда. Отсюда следует второе важное правило: следите за напряжением в конце разряда аккумулятора и обязательно отключайте его после работы!
Некоторые регуляторы скорости (особенно этим грешат Jeti) не отключают потребление тока регулятором после выключения штатного выключателя. Что заставило чехов принять такое странное решение? Не знаю. Но факт остается фактом, практически все модели контроллеров для бесколлекторных моторов Jeti не обеспечивают полное обесточива-ние цепи штатным выключателем. Отключаются только приемник и серво-машинки, а контроллер продолжает потреблять ток около 20 мА. Это особенно опасно, так как не видно, что питание включено, машинки стоят, мотор молчит... И если забыть о подключенном аккумуляторе на сутки-другие, то с ним можно попрощаться - не любит литий глубокого разряда.
Конечно, следует помнить о том, что контроллер двигателя должен уметь работать с литиевыми аккумуляторами, т.е. иметь регулируемое напряжение отключения двигателя. И надо не забывать программировать контроллер на нужное количество банок. Впрочем, сейчас появилось новое поколение контроллеров, которые автоматически определяют количество подключенных банок.
Разгерметизация - также причина выхода литиевых аккумуляторов из строя. Внутрь элемента не должен попадать воздух. Это может произойти при повреждении внешнего защитного пакета (аккумулятор запаян в пакет наподобие термоусадочной трубки) в результате удара, или повреждения острым предметом, или при сильном перегреве вывода аккумулятора при пайке. Вывод - не ронять с большой высоты и паять аккуратно.
Храненить аккумуляторы, судя по рекомендациям производителей, следует в заряженном на 50-70% состоянии, лучше в прохладном месте, при температуре не выше 30°С. Хранение в разряженном состоянии отрицательно сказывается на сроке службы - как и у всех аккумуляторов, у литий-полимерных есть небольшой саморазряд.

Сборка батареи

Для получения батарей с высокой токоотдачей или большой емкости используют параллельное соединение аккумуляторов. Если вы покупаете готовую батарею, то по маркировке можно узнать, сколько в ней банок и как они соединены. Буква Р (parallel) после числа обозначает количество соединенных параллельно банок, a S (serial) - последовательно. Например, "Kokam 1500 3S2P" обозначает батарею, соединенную последовательно из трех пар аккумуляторов, и каждая пара образована двумя параллельно соединенными аккумуляторами емкостью по 1500 мАч, т.е. емкость батареи будет 3000 мАч (при соединении параллельно емкость возрастает), а напряжение - 3,6 В х 3=10,8 В.
Если вы покупаете аккумуляторы отдельно, то перед соединением их в
батарею нужно уравнять их потенциалы, особенно это касается варианта параллельного включения, так как при этом одна банка начнет заряжать другую и зарядный ток может превысить значение 1C. Желательно все купленные банки перед соединением разрядить до 3 В током около 0,1- 0,2 С. Напряжение надо контролировать цифровым вольтметром с точностью не ниже 0,5%. Это обеспечит надежное функционирование батареи в будущем.
Выравнивание потенциалов (балансировку) также желательно проводить даже уже на собранных фирменных батареях перед их первым зарядом,так как многие фирмы,собирающие элементы в батарею, не балансируют их перед сборкой.
Из-за падения емкости в результате эксплуатации ни в коем случае нельзя добавлять новые банки последовательно старым - батарея будет при этом разбалансирована.
Конечно, также нельзя соединять в батарею аккумуляторы разных, даже близких емкостей - например 1800 и 2000 мАч, а также использовать в одной батарее аккумуляторы разных производителей, поскольку различное внутренне сопротивление приведет к разбалансировке батареи.
При пайке следует соблюдать аккуратность, нельзя допускать перегрева выводов - это может нарушить герметизацию и навсегда "убить" еще не успевший полетать аккумулятор. Некоторые типы аккумуляторов поставляются с уже припаянными кусочками печатной платы к выводам для удобства распайки проводов. При этом добавляется лишний вес - около 1 г на элемент, зато греть места для припайки проводов можно гораздо дольше - стеклотекстолит плохо проводит тепло. Также провода с разъемами следует закрепить на корпусе батареи, хотя бы скотчем, чтобы случайно не оторвать вывод под корень.

Нюансы применения

Приведем еще несколько полезных примеров, вытекающих из ранее сказанного, но неочевидных на первый взгляд.

При больших зарядных токах (2 А и более) использование тонких про водов от зарядника до батареи, а также подключение "крокодилами", а не штатными разъемами батареи к заряднику приводит к паразитному падению напряжения в контактах и проводах, зарядник раньше переходит в режим стабилизации напряжения, что увеличивает время заряда. Например, на заряднике "Triton" при использовании штатных проводов с "крокодилами" время заряда на токе 1,5 А увеличивается на 20 мин по сравнению с толстыми (1 мм2) проводами без "крокодилов".
При использовании коллекторных моторов нужно не допускать ситуаций, когда мотор застопорен (например, модель лежит на земле), а на передатчике дан полный газ. Ток при этом слишком велик, и мы рискуем взорвать батарею (если раньше не сгорит мотор или регулятор).
В течение долгой эксплуатации батареи ее элементы из-за изначального небольшого разброса емкостей становятся несбалансированными - какие-то банки "стареют" раньше других и теряют свою емкость быстрее. При большем числе банок в батарее процесс идет быстрее.
Отсюда вытекает следующее правило - иногда необходимо контролировать емкость каждого элемента батареи в отдельности. Для этого можно измерить его напряжение в конце заряда. Как часто? Как правило, рекомендуют примерно через 40-50 циклов после начала эксплуатации раз в 10-20 циклов производить проверку напряжения элементов батареи при заряде для выявления "плохих банок".
Также не рекомендуется "высаживать в ноль" батарею, гоняя мотор до тех пор, пока он не перестанет вообще вращаться. Новой батарее такое обращение не повредит, а для немного разбалансированной - это лишний риск разрядить самую "плохую банку" ниже 3 В, из-за чего она еще больше потеряет емкость.
Когда емкости различаются более чем на 20%, такую батарею без специальных мер заряжать всю целиком нельзя!
Для автоматической балансировки элементов батареи при заряде используют так называемые балансеры (balancer). Это небольшая плата, подключаемая к каждой банке, содержащая нагрузочные резисторы, схему управления и светодиод, показывающий, что напряжение на данной банке достигло уровня 4,17-4.19 В. При превышении напряжения на отдельном элементе порога в 4,17В балансер замыкает часть тока "на себя", не позволяя напряжению превысить критический порог. По одновременности зажигания светодиодов видно, какие банки имеют меньшую емкость - на их балансере светодиод зажжется первым. К балансерам предъявляется одно важное дополнительное требование: ток, потребляемый ими от батареи в "ждущем" режиме, должен быть мал, обычно он составляет 5-10 мкА.
Следует добавить, что от переразряда некоторых банок в разбалансированной батарее балансер не спасает, он служит только для защиты от повреждения элементов при заряде и средством индикации "плохих" элементов в батарее.
Вышесказанное относится к батареям, составленных из трех элементов и более, для двух баночных батарей балансеры, как правило, не применяют.
По многочисленным отзывам, переразряд литиевых аккумуляторов до напрряжения 2,7- 2,8 В более губительно сказывается на емкости, чем, например перезаряд до напряжения 4,4 В. Особенно вредно хранить батарею в переразряженном состоянии.
Существует мнение, что литий-полимерные аккумуляторы нельзя эксплуатировать при отрицательных температурах. Действительно, в технических характеристиках на батареи указан рабочий диапазон 0-50°С (при 0°С сохраненяется 80% емкости). Но тем не менее летать на них при температурах около-10...-15°С можно. Дело в том, что не надо перед полетом морозить батарею - положите ее в карман, где тепло. А в полете внутреннее выделение тепла в аккумуляторе оказывается в данный момент полезным свойством, не позволяя батарее замерзнуть. Конечно, отдача аккумулятора будет несколько ниже, чем при нормальной температуре.



Заключение

Учитывая, какими темпами двигается технический прогресс в области электрохимии, можно предположить, что будущее за литий-полимерными аккумуляторами, если их не догонят топливные элементы. Поживем — увидим...

(с) Потупчик Сергей