Данная статья содержит обзор литий-полимерных (Li-Pol) аккумуляторов с приведением их основных характеристик, областей применения, стоимости, производителей. Описание алгоритмов зарядки Li-Pol аккумуляторов, их эксплуатации, нюансов применения и мер предосторожности.

Введение

Совершенствование происходит постоянно, и на смену использования традиционных NiMh (никель-металлогидридных) и NiCd (никель-кадмиевых) теперь появилась возможность пользоваться литиевыми аккумуляторами. При относительно равном весе одной банки сравнительно с NiMh и NiCd они обладают довольно большой емкостью, причем напряжение на банку у них имеется в три раза большее - вместо 1.2V 3.6V/банку. Поэтому большинству моделей достаточной будет батарея из 2-3-х банок.

Литиевые аккумуляторы делятся на два основных типа - литий-полимерные (Li-Pol, Li-Po или LiPo) и литий-ионные (Li-Ion). Разницу между ними составляет используемый тип электролита. В LiIon применяется гелевый электролит, в LiPo – особый полимер насыщенный раствором, содержащим литий. Так как для силовых установок моделей наиболее распространенно используются LiPo аккумуляторы, то далее разговор будет вестись именно о них. Однако, строгий раздел здесь весьма условный, поскольку у обоих типов главным отличием является используемый электролит, и все сказанное об LiPo аккумуляторах, практически полностью касается и Li-Ion (техника безопасности, особенности эксплуатации, заряд, разряд). С точки зрения практики нас интересует лишь то, что LiPo аккумуляторы в данное время способны обеспечить большие значения разрядных токов. Потому на рынке моделей в большинстве именно их предлагают как источник энергии силовых установок.

Главные характеристики

При равном весе LiPo аккумуляторы своей энергоемкостью превосходят NiMh в 3-4 раза, а NiCd в 4-5 раз. При токе разряда 2С до 20% потери емкости число рабочих циклов составляет 500 – 600 (у NiMh – 500, у NiCd- 1000). В общем, сейчас еще крайне мало каких–либо данных касающихся количества рабочих циклов, поэтому в данном случае следует критически отнестись к приведенным характеристикам. Так как, их технологическое изготовление постоянно совершенствуется, вполне может быть, что на нынешний день для этого типа аккумулятора уже иные значения. Литиевые, как и все прочие аккумуляторы, подвергаются старению. Спустя около 2-х лет емкость батареи теряется примерно на 20%.

Среди всего, имеющегося в продаже, разнообразия силовых LiPo выделяют две главные группы - обычные и быстроразрядные (Hi discharge). Их отличие в максимальном разрядном токе, указываемом либо в амперах (А), либо в единицах емкости (С) аккумулятора. К примеру, при емкости аккумулятора 1 Аh, разрядный ток равен 3С, то ток составляет 3 А.

Максимальный разрядный ток в простых аккумуляторах обычно не превышает 3С, некоторыми производителями указывается 5С. У быстроразрядных аккумуляторов допускается разрядный ток до 8-10С. У таких аккумуляторов, по сравнению с их слаботочными собратьями, вес несколько превышает (около 20%), и название у них дополняется буквами HC или HD после цифр емкости, к примеру, KKM1500 – простой аккумулятор, емкость которого 1500 mAh, а KKM1500HD – быстроразрядный. Для экспериментаторов сразу хочется сделать маленькое замечание. Быстроразрядные аккумуляторы для бытовой техники не используются. Потому если у вас появится идея по дешевке получить аккумулятор, используемый в сотовом телефоне или видеокамере, то рассчитывать при этом на хороший результат сложно. Подобная батарея, скорее всего, может очень быстро умереть по причине нарушения необходимых эксплуатационных режимов.

Сфера использования и цена

Применение LiPo решает две существенные задачи - увеличивает рабочее время мотора и снижает вес батареи.

Заменив батарею 8.4V NiMh 650 mAh на два обычные, не быстроразрядные литиевые аккумуляторы емкостью 2 Аh, можно получить в 3-е большую емкость батареи, которая на 11 г легче, и имеет несколько меньшее напряжение - 7.2 V! А при использовании быстроразрядных аккумуляторов, могут летать даже большие самолеты, которые при этом в своей энерговооруженности не будут уступать самим ДВС. Как подтверждение этому, в первенстве мира по модельному пилотированию F3A 7-е место было занято американским электролетом. Причем была это не мелкая жужалка, а вполне нормальный самолет в два метра длиной, как и у прочих участников, обладавших моделями на ДВС!

LiPo аккумуляторы довольно хорошо себя зарекомендовали в малых вертолетах, типа Hummingbird или Piccolo – к примеру, даже используя стандартный коллекторный мотор, полетное время двух банок емкостью 1 Аh составит больше 25 минут! А заменив мотор на бесколлекторный - больше 45 минут!

Когда речь заходит о комнатных самолетах, вес которых около 4-20 г, литиевые аккумуляторы, разумеется, просто незаменимы. NiCd в этой ситуации с ними не сравнится, поскольку таких батарей (к примеру, 45 mAh банка весит 1 г, 150 mAh - 3.2 г), которые могли бы дать нужную мощность при таком малом весе, пусть даже на протяжении 1 минуты, просто нет.

Единая область, в которой LiPo пока уступают NiCd - это сфера очень высоких (40-50С) токов разряда. Поскольку развитие не стоит на месте, быть может, через несколько лет мы услышим об новых успехах в данной области, так как всего 2 года назад о быстроразрядных литиевых аккумуляторах тоже никто не знал...

Как пример предоставим немного главных характеристик LiPo аккумуляторов Kokam:

По цене, учитывая емкость, LiPo аккумуляторы стоят приблизительно столько же, как и NiMh.

Производители

На данный момент существует несколько фирм, производящих LiPo аккумуляторы. Компания Kokam является лидером с количества изготовляемых аккумуляторов и занимает дно из первых мест по их качеству. Кроме того известны марки E-Tec, I-Rate , Thunder Power, Tanic (возможно, это другое имя Thunder Power или же один из их продавцов под своим собственным именем). Еще имеется Platinum Polymer, предположительно это второе имя I-Rate.

Емкость аккумуляторов имеет весьма широкий ассортимент – от 50 mAh до 3000 mAh. Чтобы получить большие емкости пользуются параллельным соединением аккумуляторов.

Все батареи по своей форме плоские. Их толщина, как правило, больше 3-х раз меньше чем самая короткая сторона, выводы изготавливаются в виде плоских пластин на короткой стороне.

Насколько известно, фирмой I-Rate, быстроразрядные аккумуляторы пока не выпускаются. У их аккумуляторов имеется одна особенность: один электрод у них из алюминия, и паять его сложно, что придает лишних неудобств во время самостоятельной сборки батареи.

Аккумуляторы фирмы E-Tec являются чем-то средним, они не названы быстроразрядными, но их разрядный ток выше, чем у простых – 5-7С.

Самыми популярными среди фирм являются Thunder Power и Kokam, причем Kokam в большинстве используется на легкие и средние модели, а Thunder Power на средние, большие и гигантские (больше 10 кг!). По-видимому, это определено стоимостью и наличием в ассортименте сборок мощностью до 30 V и емкостью 8 Аh. После них идут E-tec и Tanic, а о I-rate вообще мало упоминаний. Что на счет Platinum Polymer то его популярность растет почему-то лишь в Америке, и используют его, практически, только для медленных слоуфлаеров.

Заряд LiPo аккумуляторов

Алгоритм осуществления заряда аккумуляторов достаточно простой – для заряда нужен источник с постоянным напряжением в 4.20 V/банку и ограничением тока до 1С. Зарядка считается завершенной при падении тока к 0.1-0.2С. Перейдя при токе 1С в режим стабилизации напряжения, емкость набираемая аккумулятором составит около 70-80%. Чтобы осуществить полную зарядку нужно около 2-х часов времени. Требования, предъявляемые к зарядному устройству, довольно строгие на счет точного поддержания напряжения под конец заряда - не менее 0.01 V/банку.

Среди зарядных устройств, имеющихся на рынке, выделяют два основных вида:

• обычные, не компьютеризованные устройства, которые предназначены лишь для зарядки литиевых аккумуляторов, их стоимость в районе 10-40$;
• универсальные, которые предназначены для разных видов аккумуляторов, учитывая Li-Ion и LiPo, их стоимость около 120-400$.

У первых, как правило, имеется лишь светодиодная индикация заряда, при помощи перемычек в них можно выставить ток и количество банок. Достоинством подобных зарядных устройств является низкая стоимость. Главным недостатком – неумение некоторых из них верно показывать завершение зарядки. Они способны показать только момент при переходе режимов от стабилизации тока к стабилизации напряжения, который становит около 70-80% емкости. Чтобы заряд был полностью окончен, необходимо подождать еще 30-40 минут.

Вторая группа зарядных устройств имеет намного больше возможностей. Как правило, все они способны показывать значения напряжения, тока и емкости, принятой аккумулятором во время заряда, при помощи чего можно более точно определить степень заряда аккумулятора.

Используя зарядное устройство, самим главным является правильное выставление на нем нужного количества банок в батарее и зарядного тока, как правило, равного 1С.

Меры предосторожности и эксплуатация

С уверенностью можно сказать, что LiPo являются самыми «нежными» аккумуляторами среди существующих, так как требуют непременного следования кое-каким несложным, но обязательным правилам, что в противном случае может привести к пожару, или «смерти» аккумулятора.

Перечислены они в порядке возрастания опасности:

• Аккумулятор хранится в разряженном состоянии.
• Аккумулятор разгерметизирован.
• Нагрев аккумулятора более 60°С.
• Разрядка ниже напряжения 3.00 V/банку.
• Разрядка токами, которые превышают нагрузочную возможность или нагревают аккумулятор более 60°С.
• Короткое замыкание на аккумуляторе.
• Зарядка до напряжения, которое превышает 4.20 V/банку.

Пренебрежение последними тремя пунктами может вызвать пожар, всеми остальными - полную или частичную потерю емкости.

Просуммировав все вышесказанное можно сделать выводы:
Во избежание пожара, необходимо обзавестись нормальным зарядным устройством и верно устанавливать на нем количество заряжаемых банок. Кроме того нужно пользоваться разъемами, исключающими вероятность коротких замыканий батареи (поскольку это может привести к пожару) и контролировать ток, который потребляется мотором на «полном ходу». Также, не советуется закрывать аккумуляторы на модели от поступления к ним со всех сторон потоков воздуха, при невозможности это соблюдать, необходимо обеспечить для охлаждения особые каналы.

При потреблении двигателем тока более 2С, в то время как на модели аккумулятор со всех сторон закрыт, следует остановить его спустя 5-6 минут работы двигателя, после чего вынуть и проверить, не чересчур ли горячий аккумулятор. Суть в том, нагревшись выше обусловленной температуры (примерно 70°С) внутри аккумулятора начинается «цепная реакция», которая превращает полученную им энергию в тепло, при этом аккумулятор в буквальном смысле растекается и поджигает все, что может загореться.

При замыкании почти разряженного аккумулятора, то пожар не возникнет, он тихо и спокойно «умрет» вследствие переразряда... Из этого вытекает другое значимое правило: контролируйте напряжение под конец разряда аккумулятора и не забывайте отключать аккумулятор по окончании работы!

У некоторых регуляторов скорости (в особенности Jeti), после того как выключен штатный выключатель, потребление тока не прекращается. Из-за чего чехи приняли подобное решение - не понятно, но факт остается фактом. Почти у всех моделей контроллеров на бесколлекторные моторы Jetti (в том числе и в новой серии «Advanced»), имеющих BEC (стабилизатор питания машинок и приемника от силового питания), абсолютное обесточивание цепи при помощи штатного выключателя не обеспечивается. Происходит отключение только приемника и сервомашинок, контроллером же продолжается потребление тока около 20 mAh. Подобное особо опасно, поскольку включенное питание не заметно, ведь мотор молчит и машинки стоят... И если аккумулятор оставить подключенным на сутки-две, то после этого с ним можно будет распрощаться, так как литий не любит глубокого разряда.

Безусловно, нельзя забывать о необходимом умении контроллера двигателя обращаться с литиевыми аккумуляторами, а именно о наличии в нем регулируемого напряжения отключения двигателя. Надо помнить о программировании контроллера на необходимое число банок. Тем не менее, сейчас появились контроллеры нового поколения, автоматически определяющие число подключенных банок.

Еще одной причиной выхода из строя литиевых аккумуляторов является разгерметизация, так как воздух не должен попадать внутрь элемента. Подобное может произойти из-за повреждения наружного защитного пакета (подобного на термоусадочную трубку) при ударе или повреждении острым объектом, или в результате сильного перегрева вывода при пайке аккумулятора. Вывод нужно очень аккуратно паять и стараться не уронить с большой высоты.

Принимая во внимание рекомендации производителей, хранить аккумуляторы следует в почти заряженном состоянии (на 50-70%), в прохладном помещении, температурах которого не превышает 20°С. Разряженное состояние при хранении, негативно влияет на срок службы - у LiPo как и у прочих аккумуляторов, имеется незначительный саморазряд.

Сборка батареи

Чтобы получить батарею с высокой отдачей тока или большой емкостью аккумуляторы соединяют параллельно. При покупке готовой батареи можно узнать количество входящих банок и вид их соединения по маркировке на ней. Буквой S (serial), находящейся после числа, обозначается количество банок соединенных последовательно, а буквой P (parallel) – параллельно. К примеру, «Kokam 1500 3S2P» обозначается батарея из 3-х пар аккумуляторов соединенных последовательно, и каждая из пар сформирована 2-мя аккумуляторами соединенными параллельно, емкость которых по 1500 mAh, а батареи будет иметь емкость 3000 mAh (емкость повышается при параллельном соединении), а напряжение – 3*3,7 = 11,1 V.

При отдельной покупке аккумуляторов, до соединения их в батарею их потенциалы необходимо уравнять. Это в особенности относится к параллельному включению, поскольку при нем одна банка будет заряжаться другой, вследствие чего и ток заряда может стать выше 1С. Перед соединением все приобретенные банки желательно разрядить до 3 V током 0.1С – 0.2С. При помощи цифрового вольтметра нужно контролировать напряжение с точностью не менее 0.5%, что в будущем обеспечит надежную работу батареи.

Даже на фирменных уже собранных батареях до первого их заряд желательно также проводить балансировку (выравнивание потенциалов), поскольку на многих фирмах, которые собирают банки в батарею, перед сборкой их не балансируют.

Если при эксплуатации емкость снижается, то новые банки последовательно добавлять к старым категорически запрещается, так как при этом батарея будет разбалансированной.

Кроме того, в батарею нельзя соединять аккумуляторы с разными, даже близкими емкостями, к примеру, 1800 mAh и 2000 mAh, а также не допускается использование в одной батарее аккумуляторов от разных фирм, поскольку в результате разного внутреннего сопротивления батарея будет разбалансирована. В процессе пайки нужно быть очень аккуратными и не допускать перегрев выводов, который может привести к разгерметизации и навсегда убить аккумулятор, не успевший даже полетать. В некоторых типах аккумуляторов Kokam уже имеются припаянные к выводам кусочки печатной платы, что делает распайку проводов более удобной. Это добавляет лишнего веса, примерно 1г на банку, но зато места припайки проводов можно гораздо дольше прогревать, так как тепло стеклотекстолитом проводится плохо. Провода с разъемами рекомендуется зафиксировать на корпусе батареи, хотя бы при помощи скотча, чтобы избежать случайного отрывания вывода под корень.

Нюансы использования

Следует еще раз подчеркнуть самые значительные пункты по использованию LiPo аккумуляторов:

• Использовать нормальное зарядное устройство.
• Применять разъемы, которые исключают вероятность замыкания батареи.
• Не превышать допустимые разрядные токи.
• Контролировать температуру аккумулятора, если охлаждение отсутствует.
• Не разряжать аккумулятор менее 3 V/банку (после полета обязательно отключать аккумулятор!).
• Не подвергайть батарею ударам.

Следует привести еще некоторые полезные примеры, которые вытекают из ранее сказанных, но на первый взгляд неочевидны.

При высоких токах заряда (2 А и более) применение тонких кабелей от зарядного устройства к батарее, а также подсоединение при помощи «крокодилов» а не штатных разъемов батареи к заряднику может привести к снижению напряжения в кабелях и контактах, зарядное устройство при этом начинает раньше переходить к режиму стабилизации напряжения, из-за чего увеличивается зарядное время. К примеру, используя штатные провода с «крокодилами» на устройстве «Triton» при токе 1.5 А зарядное время повысится на 20 минут сравнительно с толстыми (1 мм2) кабелями без «крокодилов».

Используя коллекторные моторы нельзя не допускать застопорения мотора (к примеру, при лежании модели на земле) при полном газе передатчика, так как при этом слишком высокий ток, и есть риск взрыва батареи (если регулятор или мотор не сгорит раньше). Данную проблему неоднократно обсуждали на форумах RC Groups. Большое количество регуляторов в коллекторных моторах, в результате потери сигнала от передатчика, отключают двигатель. Если у вашего регулятора присутствует эта способность, то при падении модели, к примеру, в траву вдали от вас, рекомендуется выключать передатчик. Так уменьшается риск задеть ручку газа на болтающемся на ремне передатчике, не заметив этого, во время поиска модели.

При долгом использовании батареи ее элементы со временем становятся разбалансированными по причине изначального незначительного разброса емкостей – некоторые из банок «стареют» раньше чем другие, быстрее теряя свою емкость. Че больше количество банок в батарее, тем быстрее идет процесс.

Из этого вытекает следующее правило - порой нужно следить за емкостью в каждом элементе батареи отдельно. Для этого измеряйте его напряжение после завершения зарядки. Насколько часто? Пока это сложно установить точно, так как опыта по использованию накоплено слишком мало. Как правило, по истечении около 40-50 циклов после начала использования рекомендуется раз в 10-20 циклов проверять напряжение в банках батареи во время заряда для выявления «устаревшых».

Садить батарею «в ноль», гоняя мотор до полного прекращения его вращения, не рекомендуется. Для новой батареи подобное обращение вредным не будет, но для немного разбалансированной – представляет собой риск разряда самой «плохой банки» ниже 3 V, чего приведет к еще большей потери ею емкости.

При различии емкостей более 20% - заряжать такую батарею целиком без особых мер нельзя!

Автоматическая балансировка банок в батарее во время заряда выполняется при помощи так называемых балансеров (balancer), представляемых собой небольшую плату, подключаемую к каждой из банок, содержащую схему управления, нагрузочные резисторы и светодиод, который показывает достижение напряжения на банке значения в 4.17 V - 4.19 V. В случае превышения напряжения на отдельной банке уровня 4.17 V часть тока замыкается балансером «на себя», что не позволяет напряжению превышать граничное значение. По зажигании светодиодов видно, у каких банок имеется меньшая емкость - на них светодиод балансера зажжется в первую. В балансерах должно выполняться одно важное требование - ток, который они потребляют от батареи во время «ждущего» режима должен быть низким, и составлять около 5-10 мкА.

Нужно помнить, что балансер не способен спасать банки от переразряда в разбалансированной батарее, так как его функция заключается лишь в защите элементов от повреждения в процессе заряда, и как средство индикации «плохих» банок батареи. Все это касается батарей, составленных из 3-х и более банок, адля 2-х элементных батарей балансеры, как правило, не применяются.

Существуют мнения, что эксплуатация LiPo аккумуляторов при отрицательных температурах запрещена. И правда, технические характеристики батарей указывают диапазон работы при 0-50°С (при 0°С сохраняется 80% емкости). Однако, при температуре в районе -10°С...-15°С, летать на них все же можно. Для этого перед полетом следует положить батарею в теплый карман, не морозя ее. А внутреннее тепло, выделяемое аккумулятором при полете, в данной ситуации оказывается полезным свойством, так как не позволяет батарее замерзнуть. Разумеется, что при этом отдача аккумулятора станет немного ниже, по сравнению с нормальной температурой.

Заключение

Смотря на темпы продвижения технического прогресса в сфере электрохимии, можно зделать предположение о том, что будущее за LiPo аккумуляторами – при условии, если топливные элементы их не догонят. С увеличением объема выпуска аккумуляторов и повышением спроса на них, их стоимость будет неминуемо падать, в результате чего литий, в конце концов, станет таким же распространенным, как и NiMh, что уже и случилось на Западе, по крайней мере, в Америке. Электролеты на LiPo аккумуляторах стают все популярнее. Хочется надеяться на скорое удешевление бесколлекторных моторов и контроллеров к ним, но прогресс снижения цен в этой сфере происходит менее стремительно. Поскольку только пару лет назад на форумах задавался вопрос: «А реально кто-нибудь летает на brushless?». В то время упоминания о литиевых аккумуляторах вообще не было...

Ну, одним словом, поживем – увидим!