Каталог

Зарядка и эксплуатация аккумуляторов

/upload/uf/eb6/obzor_stati.png

Довольно часто, приобретя себе универсальное микропроцессорное зарядное устройство, большинство задается вопросами о правильной зарядке разных типов и применений аккумуляторов, и о выставлении необходимых настроек зарядного устройства

В данной статье поданы самые основные сведения, касающиеся типов перезаряжаемых батарей, которые на сегодняшний день применяются в моделизме. В первой части статьи вкратце описаны главные виды аккумуляторов. Во второй части поданы некоторые теоретические данные касательно обслуживания, эксплуатации и принципов заряда аккумуляторов. И, наконец, третья часть содержит практические рекомендации тем моделистам, которые хотят всего лишь правильно заряжать свои батареи.

Основные типы аккумуляторов, которыми пользуются моделисты.

На данное время моделистами используются аккумуляторы 5-ти основных типов:

  • LiFePO4 (литий-ферро-фосфатные, известные также как литий-фосфаты, LiFo, LiFe,А123);
  • LiPo (литий-полимерные);
  • NiMh (никель-металлгидридные);
  • NiCd (никель-кадмиевые);
  • Pb (lead-acid или свинцово-кислотные).

Свинцово-кислотный (Pb) аккумулятор используется в авиамоделизме, практически, лишь как источник питания при подзарядке прочих видов аккумуляторов в обстановке полевых условий и в качестве источника энергии для стартовой панели и стартера в силовых установках с ДВС. Довольно часто в его роли можно повстречать использование бортового автомобильного аккумулятора. Для подобных аккумуляторов характерна неприхотливость, высокие отдаваемые токи, но при этом большой вес и медленный заряд.

Никель-кадмиевый (NiCd) аккумулятор часто используется как батарея питания передатчика, а также в качестве силового в случаях важности отдаваемых токов и большого ресурса. Не всякую NiCd аккумулятор можно использовать в качестве силового. Бытовая NiCd батарея, обычно, не способна отдавать большие токи, и пригодна лишь для питания передатчика, а в отдельных случаях и бортовой электроники на ДВС. В качестве источника энергии для силовой установки используются промышленные аккумуляторы, которые рассчитаны на высокие токи. Для NiCd аккумуляторов характерна неприхотливость, но при этом наличие достаточно большого веса наряду с небольшой удельной емкостью. Недостаток таких батарей, который несколько затрудняет их использование, представляет собой наличие «эффекта памяти», о котором сказано немного ниже.

Никель-металлгидридный (NiMh) аккумулятор пришел вместо NiCd. В целом, все характеристики NiCd касаются и NiMh. Отличаются NiMh аккумуляторы наличием, обычно, заметно большой емкости при том же весе, что и в аналогичных NiCd, менее выраженным эффектом памяти и, как правило, меньшим сроком службы, чем у NiCd.

Литий-полимерный (LiPo) аккумулятор за последнее время получил значительное распространение среди летающих моделей. Такие батареи довольно легкие, обладают очень высокой емкостью относительно своего веса и размера, высокими отдаваемыми токами, возможностью быстрой зарядки. Благодаря этому они являются, очевидно, главным источником питания силовых установок в авиамоделях. Но кроме того имеются и некие недостатки: LiPo аккумуляторы довольно критичны относительно режимов эксплуатации. При разряде таких батарей ниже дозволенного, они необратимо выходят из строя, а в случае превышения напряжения батареи может возникнуть ее взрывное самовозгорание. Впрочем, их достоинства, обычно, превышают, а поэтому они все же используются с соблюдением определенных правил эксплуатации.

Сравнительно недавно на рынке появились аккумуляторы, которые выпускает американская компания A123 Systems, откуда и происхождение их популярного названия A123. Эти батареи представляют собой развитие линии LiPo, а их основой является химическая формула LiFePO4 (литий-ферро-фосфат). Благодаря данной формуле они получили разные альтернативные названия - литий-фосфаты, LiFo, LiFe и т.д. Нами предпочитается применение оригинального названия A123, производителями же зарядных устройств они чаще всего обозначаются как LiFe. На первый взгляд эти аккумуляторы показались настоящей находкой, поскольку являются неприхотливыми, неубиваемыми, долгоживущими, нетребовательными к частой балансировке, им не страшны умеренные перезаряды и переразряды, они дают высокие токи, а что самое главное - штатно позволяют весьма быструю зарядку в течении 15-20 мин., что для полевых условий попросту неоценимо. Тем не менее, и здесь без недостатков не обошлось: большой вес сравнительно с LiPo, узкая линия емкостей (начально лишь 2300 мАh), малое напряжение банки и довольно значительная его просадка от нагрузки. Не учитывая данных недостатков, эти батареи заняли бы место LiPo. Но в данное время они больше используются в тренировочных полетах, предоставляя соревнованиям более результативные LiPo. Немного времени спустя другие фирмы начали изготовлять батареи с подобной химией, но получить близкий к оригиналу результат, насколько известно, пока не удавалось никому. У всех китайских аналогов имеются меньшие подаваемые токи, из-за чего все прочие их достоинства сводятся на «нет».

Обслуживание и эксплуатация

Все типы выше наведенных батарей заряжаются при использовании всего двух основных методов: метод постоянного тока с отдельными версиями (для NiMh, NiCd) и метод CC-CV (для LiFePO4, LiPo, Pb). Далее рассмотрим особенности зарядки только NiMh, NiCd и LiPo, не останавливаясь подробно на каждом типе.

NiMh (никель-металлгидридные) и NiCd (никель-кадмиевые) аккумуляторы

Почти во всех зарядных устройствах для подобных аккумуляторов используется метод установления завершения зарядки «дельта пик» («минус дельта ВЭ» или «–dV»). Данный метод использует свойство присуще никелевым аккумуляторам, которое заключается в снижении напряжения на аккумуляторе под конец зарядки на кое-какую небольшую величину (до 30 мV на одну пачку). Абсолютная величина напряжения при этом играет никакой роли, она может быть в районе 1.4 - 2.0 V на одну пачку. Также не играет никакой роли абсолютная величина номинальной емкости в аккумуляторе, из-за чего во многих зарядных устройствах этот параметр настройки отсутствует. В NiMh аккумуляторах снижение напряжения под конец зарядки менее выражено, нежели в NiCd аккумуляторах, и составляет только около 2 мV на пачку (ZeroPeak).

Метод установления завершения зарядки «дельта пик» работает хорошо при токе заряда от 0.3C и больше, где С обозначает номинальную емкость аккумулятора. К примеру, если емкость аккумулятора 1500 мАh, то для уверенной работы метода «дельта пик» минимальный зарядный ток, должен составлять 1500*0.3=450 мА~0.5 А. Меньшие токи грозят опасностью того, что напряжение аккумулятора под конец зарядки может не начать снижение, а зависнуть на каком-то уровне. При этом, факт конца зарядки зарядным устройством точно определен не будет и оно не сможет отключиться, а перезаряд при токе больше 0.1С вредит аккумулятору, путеп уменьшения его емкости. Максимальную величину тока ограничивает типоисполнение определенного аккумулятора. Данную величину, обычно, на самой батарее не пишут, а найти ее можно на сайте производителя деталей батареи среди технических характеристик. На данное время, почти все аккумуляторы NiMh и NiCd могут заряжаться током до 1С при наличии естественного воздушного охлаждения. Кроме того, имеются аккумуляторы, которые способны выдерживать зарядный ток до 4С (15 мин. зарядного режима) без последствий. Такого рода аккумуляторы, как правило, используют в электромоделях как силовые, а так как почти вся ниша силовых электроустановок занята литиевыми аккумуляторами, то такие встречаются весьма редко.

Верхнюю границу тока заряда определяет не только типоисполнение, но и условия охлаждения определенного аккумулятора. Не секрет, что во время зарядки NiMh и NiCd аккумуляторы сильнее греются, зависимо от роста тока заряда, при этом разогрев NiMh аккумуляторов заметно выше, особенно под конец зарядки. Максимально допустимой при зарядке большей части аккумуляторов является температура около 55-60°С. Следовательно, ток заряда подбирается так, чтобы температура во время зарядки не превышала допустимый порог. С ухудшением условий охлаждения, должен уменьшатся ток заряда, но при этом надежная работа метода «дельта пик» обеспечивается при токе не ниже 0.3С. На данное время, наиболее массово NiMh и NiCd аккумуляторы применяются моделистами на передатчиках аппаратуры управления и бортового питания для моделей с ДВС. В обоих случаях охлаждение аккумуляторов ограниченное. Но зарядный ток около 0.5С обычно не должен вызывать перегрев аккумуляторов ни на борту, ни в передатчиках. Из всего этого вытекает вывод о том, что оптимальный зарядный ток аккумуляторов данного использования порядка 0.3-0.5С. К примеру, передатчику Spektrum DX7, аккумуляторы которого 1500 мАh, оптимальный зарядный ток от 1500*0.3=450 мА до 1500*0.5=750 мА. При этом, многие передатчики имеют встроенный предохранитель в аккумуляторной цепи и, чтобы избежать его сгорания, заряд аккумулятора передатчика током выше 1А недопустим.

Как говорилось выше, у NiMh и NiCd аккумуляторов имеется «эффект памяти», который заключается в том, что аккумулятор во время разряда «привыкает» отдавать то количество емкости, которая была получена во время последних зарядов. При зарядке полуразряженного аккумулятора, для «добивания» его к максимуму, спустя некоторое время он начнет отдавать лишь эту половину, с потерей емкости. Чтобы обеспечить продолжительную жизнь никелевым аккумуляторам их нужно циклировать (хотя бы раз в месяц) дабы предотвратить появление данного эффекта. Циклирование представляет собой полный разряд аккумулятора и последующий его заряд. При наличии старого аккумулятора с уменьшенной из-за «эффекта памяти» емкостью, есть возможность частично (до 10-20%) его реанимировать, путем проведения 3-х циклов такой процедуры, поскольку все последующие, как правило, позитивного результата уже не дадут.

Затем следует перейти от теории к практике разряда. В зарядных устройствах для разряда аккумуляторов имеются две главных настройки – разрядный ток и напряжение, к которому нужно разрядить аккумулятор. Касательно тока все легко - чем разрядный ток меньше, тем процесс эффективнее (разряд полнее). При отсутствии временных ограничений, оптимальным будет ток 0.1А, а если же время поджимает, то вполне допустимы разрядные токи до 0.3С. Что касается напряжения, к которому разряжается аккумулятор, то тут немного сложнее. Суть в том, чтобы не был допущен полный разряд (до 0) хотя бы одной из банок батареи. К примеру, имеется последовательная батарея, которая состоит из 4-х банок, причем у одной банки имеется несколько меньшая емкость (что бывает крайне часто). Во время разряда данная банка разрядится первой, и напряжение на ней будет снижаться к нулю, а на остальных банках при этом оно будет номинальным. Если не остановить в этот момент разряд батареи, то сквозь банку с нулевым напряжением дальше будет протекать разрядный ток других банок, тем самим, перезаряжая ее в противоположной полярности. Данный режим губительный для самой слабой части батареи. На основе этого минимальное разрядное напряжение для аккумулятора, который состоит из N последовательных банок можно установить по формуле: U=1.25*(N-1). Но некоторые зарядные устройства задают разрядное напряжение из расчета на одну банку, поэтому формула будет иной: U=1.25*(N-1)/N. Наряду с двумя основными настройками в режиме циклирования могут быть еще кое-какие настройки, к примеру, время перерыва между циклами, которое необходимо для остывания аккумулятора после заряда и разрядом.

Часто встречается вопрос о том, можно ли заряжать NiMh или NiCd аккумуляторы несколькими приемами: частично их зарядив, после чего продолжить заряд? В целом можно, но начинать заряд сразу же после его прекращения не рекомендуется - нужно немного подождать. Кроме того, нельзя заряжать уже целиком заряженную батарею, поскольку может не сработать метод установления конца зарядки -dV, вследствие чего батарея перезарядится, что только ей повредит. Также, если пользоваться батареей между подобными дозарядами, то во время второго заряда, отдав часть емкости, она будет «добиваться», что вызовет появление «эффекта памяти». Подобное допустимо лишь в некоторых случаях, но не в виде постоянной практики, при отсутствии регулярной циклировки.

У некоторых зарядных устройств для NiMh и NiCd имеются альтернативные методы зарядки на подобие Reflex. Их смысл заключается в периодической подаче кратковременных импульсов обратного разрядного тока во время зарядки прямым током. Некоторые данные утверждают, что благодаря этому снижается появление «эффекта памяти», путем разрушения образованных внутри кристаллов и улучшения рассасываемости пузырьков газов выделяемых внутри, что позволяет дозаряжать батарею без циклировки. Трудно говорить о том, насколько эффективен этот метод на практике, но если в зарядном устройстве он есть, то почему бы и не воспользоваться?

LiPo (литий-полимерные) аккумуляторы

Такие аккумуляторы по праву заслужили статус «самых привередливых, опасных, ненадежных и маложивущих», но несмотря на это, в авиамодельном спорте стремительно растет применение таких аккумуляторов, поскольку значение удельной (на массу) энергии у них непревзойденное и, кроме того, они способны давать высокие разрядные токи. Поэтому для електромоделей сейчас, практически, нет альтернативы этим аккумуляторам.

Краткий список основных правил использования LiPo аккумуляторов:

  1. Заряжать LiPo батареи нужно лишь при помощи специально предназначенного зарядного устройства и исключительно под присмотром. При каком-либо внутреннем повреждении при зарядке может возникнуть самовозгорание и пожар.
  2. Ни в коем случае не допускайте заряда аккумулятора без балансира. В устройствах типа G.T.Power A6, iMax B6 и подобных им, имеется вмонтированный балансир с выбором метода заряда, в котором всегда нужно выбирать режим Balance Charge, а не простой LiPo Charge, который не выполняет балансировки и контроля каждой банки.
  3. При заряде в полевых условиях следует использовать ток не выше 1С, а в домашних - порядка 0.5-0.7С. Некоторые данные свидетельствуют о продлении срока службы аккумуляторов при более медленном заряде.
  4. Настраивая регулятор хода (ESC) постоянно нужно настраивать его функцию отсечки LiPo. Выбрав режим NiMh, питание двигателя не будет отключено вовремя, и батарея при этом необратимо выведется из строя.
  5. Постарайтесь не разряжать батарею полностью. Оставьте лучше около 10-20% емкости и зарядите ее повторно, не увивая до конца.
  6. По возможности используйте батареи, у которых имеется некоторый запас номинального тока. Благодаря этому срок их службы продлится.

Как говорилось раньше, у LiPo батарей очень критичный режим эксплуатации. Для их заряда применяется метод CC-CV, что говорит об исходном заряде батареи при помощи некоторого фиксированного тока (CC -constant current), во время которого растет напряжение банок батареи. Достигнув на каждой банке напряжения 4.20 V, батарея уже примерно на 95% заряжена, после чего на зарядном устройстве начинается вторая фаза зарядного алгоритма - постоянное напряжение (CV - constant voltage,). При этом происходит постепенное снижение тока для удерживания напряжения каждой банки не выше 4.20 V. Это значение обозначается химией LiPo, и его превышение допускается не более 4.25 V, а при достижении значения 4.30 V и выше, может произойти взрывное самовозгорание.

Фазу заряда CV можно упустить в полевых условиях, так ка при помощи нее добавляется лишь конечные 5% емкости, но это процесс занимает треть или половину общего зарядного времени при токе 1C. Поэтому для экономии времени можно завершить заряд после достижения батареей максимальной величины напряжения.

Во время разряда при эксплуатации не допускается понижение напряжения на каждой банке менее 3 V. Даже при одноразовой разрядке LiPo до 2.5 V на банку, обычно, ее уже можно будет выбрасывать. При таком разряде батарея может «вздуться», теряя больше половины емкости и переставая подавать номинальный разрядный ток. Со временем емкость батареи теряется, практически, полностью.

Выходя из этого, проблема эксплуатации LiPo заключается в необходимости контроля напряжения при заряде на каждой банке, чтобы избежать выведения ее из строя, а во время последующего разряда нужно контролировать одинаковый разряд всех банок в пределах допустимого минимума. В обычном зарядном устройстве контролируется напряжение целой батареи, и в случае большого разброса напряжений на банках довольно часто случается, что одна из них только 4.05 V, а вторая уже 4.30 V. Устройство видит лишь суммарное значение 8.35 V и дальше заряжает батарею до 8.40 V (4.20*2). Напряжение второй банки вследствие этого превысит 4.30 V, что, скорее всего, приведет к возгоранию. Во время разряда несбалансированной батареи такая проблема вызывает переразряд отдельной из банок, несмотря на высокое (более 3 V * число банок) суммарное напряжение.

Решить эту проблему можно при использовании специального устройства, называемого балансиром, которое контролирует напряжение на каждой банке при заряде, выравнивая их между собой. Процесс заряда будет вовремя отключен зарядным устройством, и аккумулятор не выйдет из строя. Во время разряда сбалансированной батареи все банки на модели будут разряжаться, практически, равномерно, и со снижением общего напряжения до 3 V на банку срабатывает отсечка регулятора, предотвращающая выход из строя батареи. Во многих современных зарядных устройствах уже имеется встроенный балансир, пользоваться которым следует обязательно, путем подключения отдельного балансировочного разъема батареи параллельно с силовым, выбрав при этом соответственный зарядный режим. При отсутствии встроенного балансира, необходимо обзавестись отдельным внешним устройством.

Максимальный зарядный ток LiPo должен быть ниже емкости аккумулятора, и составляет 1С. К примеру, чтобы зарядить аккумулятор емкостью 2200 мАh необходим зарядный ток не более 2.2С, и не менее 0.5С. Некоторые зарядные устройства (Duratrax ICE) для заряда LiPo аккумуляторов имеют неотключаемый таймер на 3 часа. При установленном маленьком токе, заряд аккумулятора может полностью не завершится, поскольку устройство будет отключено по таймеру. У некоторых зарядных устройства этот таймер настраиваемый, но его применение для заряда LiPo не имеет большого смысла.

Принудительный разряд или циклирование литиевых аккумуляторов не имеет смысла, поскольку у этих батарей нет «эффекта памяти», и хранить их нужно в заряженном состоянии (оптимально - при заряде 60%). Разряд аккумулятора может происходить при любом токе, не высшем номинального, который указан в единицах емкости C на этикетке. К примеру, 20С на батарее 1000 мАh говорит о максимальном непрерывном разрядном токе равном 1000*20=20000 мА=20 А. нужно помнить, что при использовании аккумулятора на гране его возможностей, он сможет прослужить гораздо меньшее число циклов. Например, на одном фирменном дорогом LiPo с номинальным током 30С приведены следующие типовые данные: в случае заряда и разряда током в 1С производителем гарантируется 500 циклов без значительной утраты емкости. В случае заряда током 1С, а разряда максимально допустимым - 30С, число циклов упадет к 50 (10 раз меньше). Это является хорошим примером того, что в процессе подбора силовой установки не мешало бы обладать запасом по току батареи.

При заряде или разряде нельзя допускать нагрев аккумулятора больше 60°С. Место установления аккумулятора в модели должно хорошо вентилироваться и даже продуваться. Нельзя оборачивать аккумулятор в теплоизоляционные материалы (пенопласт, поролон). Если же аккумулятор все-таки нагрелся, необходимо дать ему остынуть перед дальнейшем применением (разрядом или зарядом).

Пример заряда LiPo GE 2200 25C 22V

Как иллюстративный материал к поданной ниже информации, приведен образец типового графика заряда LiPo сборки с двумя последовательно соединенными аккумуляторами GE 2200 25C 11.1V в результате их применения вертолетом Hurricane 550. Для получения графика использовано зарядное устройство Infinity 960SR с наружным балансиром LCB12s, которое было подключено к компьютеру.

Зарядка и эксплуатация аккумуляторов

Красная линия обозначает зарядный ток, синяя - напряжение батареи, цветные - напряжения каждой из 6-ти банок данной сборки.

График показывает следующее:

  1. Начально установлен ток, порядка 0.5С (1.1А), которым осуществляется зарядка батареи где-то к 95% ее емкости (фаза CC - постоянный ток), в процессе чего, постепенно повышается напряжение на батарее около 19.8 V - 25.2 V.
  2. Провал тока (10 минута) был вызван процессом измерения зарядным устройством внутреннего сопротивления батареи (значимого параметра для оценивания состояния батареи).
  3. Достигнув максимального напряжения на батарее (25.2 V или 4.2 V на банку) ток начинает понижаться, а напряжение стает неизменным (фаза CV - постоянное напряжение).
  4. Хорошо заметен максимальный разброс напряжений на банках на первых 10% емкости. Это является одной из причин, из-за чего не следует допускать разряд батареи на 100%, поскольку, собственно на последних 10%, быстро падает напряжение на банках со значительным разбросом, и батарея выводится из строя именно в этот момент.
  5. Заметно, что балансиром в течение первых 10-ти минут заряда было, практически, полностью выровнено напряжение на банках. На 50-й минуте видны колебания тока, которые вызвал небольшой разброс параметров на банках, что снова относится к работе балансира, неизбежно воздействующего на зарядный ток, который поддерживается устройством.
  6. Выполнение заряда происходит до падения тока к 1/10 от начального его значения. Щадящий режим заряда был установлен с величиной тока 1.1А, и при падении его менее 0.11А произошло отключение. Значения емкости, тока и напряжения, обретенных батареей по окончании заряда, отображаться численно.

Полагаясь на график, можно сказать, что у конкретной батареи имеется заявленная емкость (при номинале в 2200 мАh после полета она приняла 2190 мАh). При этом, баланс банок аккумулятора, практически, идеален, что прямо доказывает качество не только конкретной батареи, но и данного бренда.

Практические рекомендации для основных типов аккумуляторов

NiCd, NiMh

Зарядный ток: 0.3С - 0.5С, где С - емкость батареи в ампер-часах (Ач). При хорошем охлаждении и контроле температуры - до 1С.

Разрядный ток: 0.3С - 0.1С (чем ниже – тем лучше, но дольше).

Минимальное напряжение разряда на батарее определяется по формуле U=1.25*(N-1) или U=1.25*(N-1)/N для расчета на каждую банку.

Пример для батареи NiMh 1500 мАh на 8 банок (передатчик Spektrum DX7):

  • зарядный ток: 0.5 - 0.8 С;
  • разрядный ток: при циклировке 0.1 - 0.4С (чем ниже – тем лучше);
  • минимальное напряжение: на батарее 8.8 V или 1.1 V на банку.

LiPo

Зарядный ток: 0.5С -1С (чем ниже – тем лучше).

Разрядный ток: в целом не превышает номинальный, выраженный в единицах емкости C, не нуждается в циклировании.

Минимальное напряжение: 3 V на банку.

Пример для батареи LiPo 2200 20C 11.1в:

  • зарядный ток: 1.1 - 2.2 А;
  • разрядный ток: до 44 А;
  • минимальное напряжение: на батарее 9 V (на банке не менее 3 V).

Получить бонус

Персональный бонус
за регистрацию

получить