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

Li-Po 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 Li-Po 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 - 1Ач, то ток будет равен 3А.

Максимальный ток разряда обыч­ных аккумуляторов, как правило, не превышает ЗС, некоторые произво­дители указывают 5С. Быстроразрядные 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 Li-Po 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 1С. Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0,1-0,2С. После перехода в режим стаби­лизации напряжения при токе в 1С 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 заряда - не хуже 0,01В/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 1С.

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 4,20В/банку.

2. Короткое замыкание аккумулято­ра.

3. Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагре­вающими аккумулятор выше 60°С.

4. Разряд ниже напряжения 3В/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 обесточивание цепи штатным выключателем. От­ключаются только приемник и сервомашинки, 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 1С. Желательно все купленные банки перед соедине­нием разрядить до 3 В током около 0,1 - 0,2С. 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 (2А и более) использование тонких про­водов от заряднико 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- 4,19В. 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 свето- диодов 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- 2,8В более гу­бительно сказывается на емкости, чем, например перезаряд до напря­жения 4,4В. 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...

Потупчик Сергей.