Комунальний заклад позашкільної освіти Менська станція юних техніків (Менська СЮТ)

Дуже часто після придбання універсального мікропроцесорного зарядного пристрою багато хто задається питанням: а як же правильно заряджати акумулятори різних типів і застосувань? І які налаштування виставляти в зарядному пристрої?

Не претендуючи на дуже повне висвітлення цієї теми, ми постаралися дати основні відомості щодо застосовуваних у даний час в моделізму типів перезаряджаються батарей. Перша частина статті коротко описує основні типи акумуляторів. Друга частина дає деякі теоретичні відомості про засади заряду акумуляторів, їх експлуатації і обслуговуванні. І, нарешті, в третій частині даються практичні поради для тих, хто хоче всього лише зарядити свої батареї.

Основні види акумуляторів, що використовуються моделистами

На сьогоднішній день моделісти використовують 5 основних типів акумуляторів:
- Pb (lead-acid або свинцево-кислотні);
- NiCd (нікель-кадмієві);
- NiMh (нікель-металгідридні);
- LiPo (літій-полімерні);
- LiFePO4 (літій-ферофосфатні, також відомі як А123, LiFe, LiFo, літій-фосфати).

Свинцево-кислотні (Pb) акумулятори в авиамоделизме використовуються, практично, тільки в якості джерела енергії для підзарядки в польових умовах інших типів акумуляторів і як джерело живлення стартера і стартової панелі для силових установок з ДВС. Дуже часто в якості такого акумулятора виступає бортовий акумулятор автомобіля. Акумулятори характерні невибагливістю, високими отдаваемыми струмами, але великою вагою і повільним зарядом.

Нікель-кадмієві (NiCd) акумулятори часто використовуються в якості батареї живлення передавачів, а також як силові в тих випадках, де важливі віддаються струми і великий ресурс. Не кожен NiCd акумулятор може бути використаний як силовий. Побутові NiCd батареї, як правило, не здатні до віддачі великих струмів і придатні тільки для живлення передавача і в деяких випадках - бортової електроніки на ДВС. Для живлення силової установки слід застосовувати промислові акумулятори, розраховані на великі струми. NiCd акумулятори характерні своєю невибагливістю, але мають досить велику вагу при не дуже великій питомій ємності. Недоліком, дещо ускладнює їх експлуатацію, є так званий «ефект пам'яті», про яке ми скажемо трохи нижче.

Нікель-металгідридні (NiMh) акумулятори прийшли на заміну NiCd. Все вищесказане про NiCd, загалом, відноситься і до NiMh. Відмінність NiMh в тому, що вони мають, як правило, помітно більшу ємність при тій же вазі, що і аналогічні NiCd. Ефект пам'яті у них менш виражений. Термін служби NiMh, як правило, менше, ніж NiCd.

В останні роки для літаючих моделей отримали велике поширення літій-полімерні (LiPo) акумулятори. Вони легкі, мають дуже високу ємність по відношенню до їх вазі і розміру, високі віддаються струми, можливість швидкого заряду. Завдяки цьому вони стали, мабуть, основним джерелом енергії для силових установок літаючих моделей. На жаль, не обійшлося і без недоліків: LiPo акумулятори виявилися досить критичними до режимів експлуатації. У разі розряду такої батареї нижче допустимого вона необоротно виходить з ладу. Перевищення напруги на батареї може призвести до її вибухового самозаймання. Тим не менш, переваги їх, як правило, переважають, а тому їх використовують, дотримуючи певні правила поводження.

Деякий час тому в продажу з'явилися батареї, що випускаються компанією A123 Systems, звідки і пішла їх популярне назва A123. Вони є розвитком напряму літій-полімерів і в своїй основі мають хімічну формулу LiFePO4 (феррофосфат літію). Завдяки цій формулі вони отримали багато альтернативних назв - LiFe, LiFo, літій-фосфати, і т. п. Ми воліємо використовувати оригінальна назва A123, виробники зарядних пристроїв найчастіше позначають їх як LiFe. Дані батареї виявилися, на перший погляд, просто знахідкою: невибагливі, незламні, живучі, невимогливі до частої балансування, не бояться помірних перезарядов і переразрядов, віддають великі струми, і головне - штатно допускають дуже швидкий заряд за 15-20 хвилин, що в польових умовах просто неоціненне. Однак, і тут не обійшлося без недоліків: обмежений ряд ємностей (початково тільки 2300 мАч), чималий порівняно з LiPo вага, низька напруга на банку і досить велика його просідання під навантаженням. Якби не це - вони могли б зайняти нішу LiPo. Але поки що їх використовують для тренувальних польотів, залишаючи для змагань більш ефективні LiPo. Трохи пізніше батареї з аналогічною хімією стали випускати і інші фірми, проте, близького до оригіналу результату, наскільки нам відомо, поки що ніхто не домігся. Всі китайські аналоги мають менші віддаються струми, що зводить на «ні» всі решта їх гідності.

Експлуатація та обслуговування

Для заряду всіх типів перерахованих типів батарей використовується всього два основних методи: метод постійного струму з деякими варіаціями (для NiCd, NiMh) і метод CC-CV (для Pb, LiPo, LiFePO4). Детально зупинятися на особливостях зарядки кожного типу ми не будемо, розглянемо лише NiCd, NiMh і LiPo.

NiCd (нікель-кадмієві) і NiMh (нікель-металгідридні) акумулятори

Практично, всі зарядні пристрої для акумуляторів використовують метод «дельта пік» (він же «–dV», він же «мінус дельта ВЕ») для визначення закінчення заряду. У даному методі використовується властивість нікелевих акумуляторів, при якому в кінці заряду напруга на акумуляторі починає знижуватися на деяку незначну величину (приблизно до 30 мВ з розрахунку на одну банку). При цьому абсолютне значення напруги не має ніякого значення, воно може бути від 1.4 до 2.0 на одну банку. Точно також не має ніякого значення абсолютне значення номінальної ємності акумулятора, що пояснює відсутність такого параметра настройки у багатьох зарядних пристроїв. У NiMh акумуляторів спад напруги в кінці заряду менш виражений, ніж у NiCd акумуляторів, і може становити всього лише 2 мВ на банку (ZeroPeak).

Метод визначення кінця заряду «дельта пік» добре працює при струмі заряду від 0.3 C та вище, де С - номінальна ємність акумулятора. Наприклад, для акумулятора ємністю 1500 маг мінімальний струм заряду, при якому буде впевнено працювати метод «дельта пік», дорівнює 0.3*1500=450 мА~0.5 А. При менших струмах існує небезпека того, що напруга на акумуляторі в кінці заряду не почне знижуватися, а зависне на деякому рівні, зарядний пристрій не зможе точно визначити факт закінчення заряду і не відключиться, а перезаряд при струмах понад 0.1 завдає шкоди акумулятора, зменшуючи його ємність. Максимальне значення струму обмежується типоисполнением конкретного акумулятора. Це значення, як правило, не написано на самій батареї, але його можна знайти в технічних характеристиках на сайті виробника елементів батареї. На сьогоднішній день, практично, всі NiCd і NiMh акумулятори, здатні заряджатися струмом до 1С за умови нормального (природного повітряного) охолодження. Але існують акумулятори, здатні без наслідків витримувати зарядні струми до 4С (15-ти хвилинний режим заряду). Такі акумулятори зазвичай використовуються в якості силових в електромоделях, а оскільки літієві акумулятори, практично, повністю зайняли нішу силових електроустановок, зустрічаються ці акумулятори досить рідко.

Отже, верхня межа зарядного струму визначається не тільки типоисполнением, але й умовами охолодження конкретного акумулятора. Як відомо, в процесі заряду NiCd і NiMh акумулятори розігріваються тим сильніше, чим більше зарядний струм, причому у металгідридних акумуляторів розігрів помітно сильніше, особливо в кінці заряду. Максимальна допустима температура при заряді для більшості акумуляторів дорівнює 55-60 градусів. Таким чином, зарядний струм потрібно підбирати так, щоб температура при заряді не перевищила зазначений поріг. Чим гірші умови охолодження, тим менше повинен бути зарядний струм, але для надійної роботи методу «дельта пік», як вже було зазначено вище, він повинен бути не менше 0.3 С. На сьогоднішній день саме масове застосування NiCd і NiMh акумуляторів у моделістів - це передавачі апаратури управління і бортове харчування на моделях з ДВС установками. І в одному, і в іншому випадку акумулятори мають обмежене охолодження. Але, як правило, струм заряду близько 0.5 С не викликає перегрівання акумуляторів в передавачах і на борту.

З усього вищесказаного випливає висновок, що для акумуляторів даного застосування оптимальним є струм заряду 0.3-0.5 С.

Наприклад для передавача Spektrum DX7 з акумуляторами 1500 маг оптимальним є струм заряду від 0.3*1500=450 мА до 0.5*1500=750 мА. Крім того, у багатьох передавачах в ланцюзі акумулятора вбудований запобіжник, щоб уникнути згоряння якого не слід заряджати акумулятор передавача струмом більше 1А.

Як було зазначено вище, NiCd і NiMh акумулятори мають так званий «ефект пам'яті». Практичний сенс його в тому, що акумулятор «звикає» віддавати в процесі розряду ту ємність, яку він отримав при останніх зарядах. Якщо заряджати полуразряженный акумулятор, просто «добиваючи» його до максимуму, то з часом він починає віддавати тільки цю половину, втрачаючи ємність. Тому для тривалого життя нікелевих акумуляторів їх слід циклировать (досить хоча б один раз в місяць) для запобігання появи цього ефекту. Процес циклування полягає в повному розряді акумулятора з подальшим його зарядом. Якщо акумулятор вже старий і вже має зменшену ємність з-за ефекту пам'яті, то його можна реанімувати в невеликих межах (але не повністю - до 10-20%). Для такої процедури досить зробити 3 циклу, всі наступні цикли зазвичай вже не дають позитивного результату.

Тепер від теорії розряду перейдемо до практики. Зарядні пристрої мають дві основні налаштування для розряду акумуляторів - струм розряду та напруга, до якого розряджати акумулятор. З струмом все просто - чим менше струм розряду, тим ефективніше процес (повніше розряд). Якщо у вас немає обмежень за часом, струм 0.1 А буде правильним вибором, а якщо часу зовсім обмаль, то струми розряду до 0.3 З цілком припустимі. З напругою, до якого розряджати акумулятор, справа йде трохи складніше. Сенс в тому, щоб не допустити повного розряду (до нуля) хоча б однієї банки в батареї.

Наприклад, маємо послідовну батарею, що складається з 4 банок, причому одна з банок має дещо меншу ємність (що трапляється дуже часто). При розряді ця перша банку розрядиться, і напругу на неї почне падати аж до нуля, у той час як на інших банках напруга буде номінальним. Якщо в цей момент не зупинити процес розряду батареї, то з банку, на якій напруга одно нулю, буде все також протікати струм розряду інших банок, перезаряджаючи її в зворотній полярності. Такий режим є згубним для «найслабшої ланки» батареї. Звідси для акумулятора, що складається з N послідовних банок мінімальна напруга розряду можна визначити за формулою: U=1.25*(N-1). Наприклад, для передавача Spektrum DX7, в якому батарея складається з 8 послідовних банок, мінімальна напруга розряду буде дорівнює: U=1.25*(8-1)=8.75~8.8 вольт. Але в деяких зарядних пристроях напруга розряду визначається з розрахунку на одну банку, тоді формула буде така: U=1.25*(N-1)/N. Для DX7 це буде U=1/25*(8-1)/8=1.09~1.1 вольт/банку. Крім двох основних налаштувань режим циклування може мати ще деякі налаштування, наприклад час паузи між циклами. Цей час потрібен для того, щоб дати акумулятору охолонути після заряду перед тим, як почати розряд.
Один з поширених питань: чи можна заряджати NiCd або NiMh батареї в кілька прийомів, зарядивши їх частково, а потім пізніше продовживши заряд? Відповідь така: в цілому можна, але не слід включати заряд негайно після його припинення - слід почекати деякий час. І не слід ставити на заряд вже повністю заряджену батарею - при цьому метод визначення кінця заряду -dV може не спрацювати, і батарея буде перезаряджаючи, що не піде їй на користь. Крім того, якщо між такими дозарядами батарею використовувати, то другий заряд буде "добивати" батарею після віддачі їй частини ємності, що безпосередньо вплине на виникнення ефекту пам'яті. Так що в окремих випадках це допустимо, але не як постійна практика, якщо не робити регулярного циклування.
Деякі зарядні пристрої для NiCd і NiMh мають альтернативні методи заряду, такі, як Reflex. Сенс їх у тому, що в процесі прямим струмом заряду батареї періодично даються короткочасні імпульси зворотного струму розряду. За деякими даними це зменшує прояв ефекту пам'яті, руйнуючи утворені всередині кристали і покращуючи розсмоктування виділяються всередині бульбашок газів, що дає можливість дозаряджати батарею без циклування. Важко точно сказати, наскільки цей метод ефективний на практиці, але якщо він мається на зарядному пристрої - чому б і не спробувати?

LiPo (літій-полімерні) акумулятори
Ці акумулятори по праву заслужили такі відгуки, як «найвибагливіші, небезпечні, ненадійні і маложивущие», але незважаючи на всі ці недоліки, використання даних акумуляторів в авіамодельному світі стрімко зростає, так як вони мають неперевершений показник питомої (на масу) енергії, а також здатні віддавати великі струми розряду. Так що в моделях з силовою електроустановкою цим акумуляторам, практично, немає альтернативи.
Коротко перерахуємо основні правила експлуатації LiPo акумуляторів, давши нижче докладні пояснення причин для зацікавлених:
1. При заряді LiPo заряджайте їх тільки спеціальним зарядним пристроєм для LiPo і лише під наглядом. У разі якогось внутрішнього пошкодження під час заряду може статися самозаймання і пожежа.
2. Ніколи не заряджайте акумулятор без балансира - пристрій, що контролює і вирівнює напруги на кожній «банку» послідовно з'єднаної батареї. Для пристроїв типу iMax B6, G. T. Power A6 і їм подібних, які мають вбудований балансир і вибір методів заряду, завжди вибирайте режим Balance Charge замість просто LiPo Charge. Останній не балансує і не контролює кожну з банок.
3. Для заряду використовуйте струм величиною не більше 1С, якщо ви на полі, і біля 0.5-0.7 З в домашніх умовах. За деякими даними, більш повільний заряд продовжить термін служби акумулятора.
Додаток: деякі нові типи батарей начебто Hyperion G3 допускають заряд струмами до 5C. В цьому випадку можна рекомендувати такий заряд в польових умовах, а в домашніх - 2-3C буде достатньо, хоча 1C будинку гірше не зробить :-)
4. При настройці регулятора ходу (ESC) завжди налаштовуйте його режим відсічення LiPo. При виборі режиму NiMh він не відключить живлення двигуна вчасно, і батарея буде необоротно виведена з ладу.
5. По можливості не доводьте батарею до повного розряду - краще залишити в ній 10-20% ємності і зарядити її повторно, ніж убити її за один політ.
6. Якщо є можливість, намагайтеся використовувати батареї з деяким запасом по номінальному струму. Це продовжить термін їх служби.

Як зазначалося вище, LiPo батареї дуже критичні до режиму експлуатації. При заряді їх використовується метод CC-CV. Тобто, початково батарея заряджається деяким фіксованим струмом (constant current - CC), при цьому напруга на банках батареї зростає. По досягненні напруги 4.20 вольт на кожній банці батарея вже заряджена приблизно на 95%, і зарядний пристрій переходить до другої фази алгоритму заряду CV (constant voltage, постійне напруження). При цьому струм поступово знижується так, щоб напруга на кожній банці не перевищила 4.20 вольт. Ця величина визначається хімією LiPo батареї. Перевищення її допустимо не більше, ніж до 4.25 вольт, а досягнення значення 4.30 і вище загрожує вибуховим самозаймання.
Фазою заряду CV в польових умовах можна знехтувати: вона додає тільки останні 5% ємності, але займає від третини до половини загального часу заряду при заряді струмом 1C. Тому можна припиняти заряд по досягненні батареєю максимального значення напруги, заощаджуючи час.
При розряді в процесі експлуатації неприпустимо зниження напруги на кожній з банок нижче 3-х вольт. Достатньо один раз посадити LiPo батарею до 2.5 вольт на банку, і її, як правило, можна буде викинути. Після такого розряду батарея може роздутися», вона втрачає більше половини ємності і перестає віддавати номінальний струм розряду. Протягом деякого часу батарея втрачає ємність, практично, повністю.
Звідси проблема експлуатації LiPo полягає в тому, що при заряді необхідно контролювати напругу на кожній з банок, щоб не вивести її з ладу, а при наступному розряді всі банки розряджалися однаково, але не нижче допустимого мінімуму. Звичайний зарядний пристрій може контролювати напруга на батареї в цілому, але при великому розкиді напруг на банках цілком можливий варіант, коли на одній з них ще 4.05 вольт, а на другий вже 4.30. Зарядка бачить тільки сумарні 8.35 і продовжує заряджати батарею до 8.40 (4.20*2). При цьому напруга на другий банку перевищує 4.30, що з великою ймовірністю призводить до займання. При розряді незбалансованої батареї ця ж проблема здатна призвести до переразряду окремо взятої банки незважаючи на те, що сумарна напруга ще вище, ніж 3 вольта * кількість банок.
Для вирішення цієї проблеми використовується спеціальний пристрій, зване балансиром. В процесі заряду воно стежить за напругою на кожній з банок і вирівнює їх між собою. При цьому зарядний пристрій відключить заряд вчасно, не виводячи акумулятор з ладу. При розряді збалансованої батареї на моделі всі банки також розряджаються більш-менш рівномірно, і при зниженні сумарного напруги до 3 вольт на банку повинна спрацювати відсічення регулятора, що запобіжить виходу батареї з ладу. Багато сучасні зарядні пристрої вже мають вбудований балансир, яким обов'язково слід користуватися, підключаючи окремий балансувальний роз'єм батареї поряд з силовим і вибираючи відповідний режим заряду. Для пристроїв, які не мають вбудованого балансира, слід придбати окремий зовнішній пристрій.
Струм заряду LiPo не повинен перевищувати ємності акумулятора, тобто максимальний струм заряду дорівнює 1С. Наприклад, для заряду акумулятора ємністю 2200 ма струм заряду не повинен перевищувати 2.2 А. В той же час не слід ставити струм заряду менше, ніж 0.5 С. В деяких зарядних пристроях (Duratrax ICE) варто відключається таймер на заряд LiPo акумуляторів на 3 години. Поставивши маленький струм, зарядний пристрій може не зарядити акумулятор повністю, а відключення по таймеру. Є зарядні пристрої, у яких цей таймер настроюється, але великого сенсу в його застосуванні для заряду LiPo немає.
Примусово розряджати або циклировать літієвий акумулятор немає ніякого сенсу, так як ці батареї не мають ефекту пам'яті і повинні зберігатися в зарядженому стані (найбільш оптимальний режим зберігання - 60% заряду). Струм розряду акумулятора може бути будь-яким, але не більше його номіналу, зазначеного на етикетці також в одиницях величини ємності C. Наприклад 20С на акумулятор 1000 маг означає, що максимальний безперервний струм розряду дорівнює 20*1000=20000 мА=20 А. Слід зауважити, що якщо не використовувати акумулятор на межі його можливостей, то він проживе набагато більшу кількість циклів. Скажімо, для одного з фірмових дорогих LiPo з номінальним струмом 30С наводяться такі типові дані: при заряді і розряді струмами в 1С виробник гарантує 500 циклів без істотної втрати ємності. При заряді струмом 1С, але розряді максимальним допустимим струмом в 30С кількість циклів складе всього 50 (впаде в 10 разів). Це дає хороший приклад того, чому бажано мати запас по струму батареї при підборі силової установки.
В процесі заряду або розряду не допускайте нагрівання акумулятора більше 60 градусів. Місце, в яке встановлений акумулятор на моделі, повинно бути добре вентильованим і навіть продувається. Не обертайте акумулятор теплоізоляційними матеріалами (поролон, пінопласт). Якщо так вже сталося, що акумулятор нагрівся, дайте йому охолонути перед використанням (зарядом або розрядом).

Приклад заряду LiPo GE 2200 25C 22V

В якості ілюстрації до сказаного нижче показаний типовий графік заряду літій-полімерної складання з двох послідовно з'єднаних аккумуляторовGE 2200 25C 11.1 Vпосле використання їх на вертолетеНиггісапе 550. Графік отриманий за допомогою зарядного устройстваInfinity 960SRс зовнішнім балансиромLCB12s, підключеного до комп'ютера.

Червоною лінією показаний струм заряду, синій - напруга на батареї, кольоровими - 6 графіків напруги на кожній з банок отриманої складання.
На графіку видно наступне:
1. Спочатку встановлюється струм, рівний 0.5 З (1.1 А), і цим струмом виконується заряд батареї до приблизно 95% її ємності (фаза постійного струму, CC). При цьому напруга на батареї поступово зростає приблизно від 19.8 вольт до 25.2.
2. Провал струму на 10-й хвилині заряду викликаний тим, що зарядний пристрій вимірював внутрішній опір батареї (важливий параметр для оцінки стану батареї).
3. Після досягнення батареєю максимальної напруги (4.2 вольта банку або 25.2 на всю батарею) струм почав знижуватися, а напруга стало постійним (фаза постійної напруги, CV).
4. Добре видно, що на перших 10% ємності розкид напруг банок максимальний. Це одна з причин, чому не рекомендується розряджати батарею на 100% - саме на останніх 10% відбувається швидке падіння напруги на банках з великим розкидом, і саме в цей момент можна вивести батарею з ладу.
5. Видно, що за перші 10 хвилин заряду балансир, практично, повністю вирівняв напруги на банках. Коливання струму на 50-й хвилині викликані невеликим розкидом параметрів банок - знову робота для балансира, який неминуче впливає на струм заряду, підтримуваний пристроєм.
6. Заряд виконується, поки струм не впаде до величини, що дорівнює 1/10 від початкової. Був встановлений щадний режим заряду струмом 1.1 А, і сталося відключення при падінні струму нижче 0.11 А. Значення отриманої батареєю ємності, струму і напруги в момент закінчення заряду відображені чисельно.

З графіка можна зробити висновки, що конкретна батарея має заявлену ємність (в даному випадку при номіналі в 2200 маг вона після польоту отримала 2190 маг. Крім того, баланс банок батареї практично ідеальний, що безпосередньо вказує на якість даного бренду і конкретної батареї, зокрема.

Практичні поради щодо основних типів батарей
NiMh, NiCd

Струм заряду: від 0.3 до 0.5 С, де С - ємність батареї в ампер-годинах. За умови гарного охолодження та контролю температури - до 1С.
Струм розряду: від 0.3 до 0.1 А (чим менше – тим краще, але довше).
Мінімальна напруга при розряді визначається як U=1.25*(N-1) або в розрахунку на кожну банку U=1.25*(N-1)/N.
Приклад для батареї NiMh 1500 маг 8 банок (передавач Spektrum DX7):
- струм заряду 0.5-0.8 А;
- струм розряду при циклировании 0.1-0.4 А (менше - краще);
- мінімальна напруга на батареї 8.8 вольт або 1.1 вольт/банку.

LiPo

Струм заряду: 0.5-1С (менше - краще).
Струм розряду: циклування не потрібно, але в цілому не вище номінального, вираженого в одиницях ємності C.
Мінімальна напруга: 3 вольт на банку.
Приклад для батареї LiPo 2200 20C 11.1 у:
- струм заряду 1.1-2.2 А;
- струм розряду: до 44А;
- мінімальна напруга на батареї: 9 вольт (але не менше 3 вольта на кожній з банок).

Додаток: в останні роки з'явилися LiPo батареї, що допускають заряди струмами до 5-7C за 10-15 хвилин. Вони мають відповідне маркування. Деякі виробники, наприклад, Гіперіон за результатами тестів стверджують, що заряд струмами 1C або 5C мало відрізняється з точки зору терміну служби батареї. Тим не менш, має сенс дотримуватися такого правила: у домашніх умовах заряджати батареї обмеженими струмами в межах 1-2C. Ну а в полі на виїзді можна заряджати максимально швидко (але строго під наглядом), щоб літати як можна більше разів за день. Зрештою, дорогі батареї для того і купуються, щоб доставляти задоволення, чи не так?