Литий-полимерные аккумуляторы LiPo
Современные электронные устройства развиваются очень быстро, а вместе с ними развиваются и аккумуляторные батареи для радиоуправляемых моделей. На смену NiCd и NiMh приходят литиевые аккумуляторы. При схожем весе они обладают большей ёмкостью, а также значительно большими токами разряда. И конечно удобство пользования! Литиевые аккумуляторы можно заряжать как из разряженного состояния, так из частично заряженного.
Существет несколько видов литиевых аккумуляторов: литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (LiPo, Li-Po или Li-Pol). Основное отличие это тип используемого электролита. В LiIon применяется гелевый электролит, а в LiPo специальный полимер, насыщенный литийсодержащим раствором. Сейчас наиболее распространены литий-полимерные аккумуляторы.
Литий-полимерные аккумуляторы при схожем весе могут превосходить по энергоемкости NiCd батареи в 4-5 раз, а NiMH в 3-4 раза. Количество рабочих циклов около 600-1000 в зависимости от производителя и условий эксплуатации. Как и все другие типы аккумуляторов, литиевые батареи подвержены старению и со временем теряют до 20% своей ёмкости. Емкость данного вида аккумуляторов зависит от характеристик каждого элемента, а напряжение от их коллечества.
Литий-полимерные аккумуляторы можно разделить на 2 подвида: обычные и быстроразрядные (Hi discharge). Главное отличие в максимальном разрядном токе который способе выдавать аккумулятор. Он указывается или в амперах, или в единицах емкости аккумулятора, обозначаемой букой “С”. Максимальный ток разряда обычных аккумуляторов, обычно не превышает 3С, при этом быстроразрядные аккумуляторы способны выдавать ток разряда до 50С. Отличаются быстроразрадные батареи немного большим весом могут иметь особую маркировку, где в названии после цифр емкости есть буквы HD или HC. Стоимость литий-полимерных аккумуляторов выше стоимости NiMH батарей, но разница в технических характеристиках того стоит.
Использование литий-полимерных аккумуляторов
Использование литий-полимерных аккумуляторов позволяет увеличить время работы модели и снизить вес батареи, что важно в радиоуправляемых самолетах и вертолетах. Особенно незаменимы литиевые аккумуляторы при использовании в сверхмаленьких комнатных самолетах и вертолетах.
LiPo аккумуляторы в твердых корпусах применяются во всех современных радиоуправляемых машинах, ведь только они способны обеспечить необходимые токи при использовании сверхможных бесколлекторных электромоторов.
Зарядка литий-полимерных аккумуляторов
Заряжать LiPo аккумуляторы рекомендуется с помощью качественных профессиональных зарядников способных точно отслеживать выдаваемые токи и состояние заряжаемого аккумулятора. В целом заряд осуществляется по достаточно простому алгоритму — заряд от источника постоянного напряжения 4.20 вольт/элемент. Заряд считается оконченным, когда ток заряда упадет до 0.1-0.2С.
Для того, чтобы заряжать литиевые аккумуляторы с количеством элементов более 1 (напряжение больше 3.7v) необходимо использовать зарядное устройство с балансиром. Для этого на аккумуляторе кроме толстых силовых, есть отдельные тонкие провода. В течении долгой эксплуатации батареи ее элементы из-за изначального небольшого разброса емкостей становятся несбалансированными — какие-то банки “изнашиваются” раньше других и теряют свою емкость быстрее. При большем числе банок в батарее процесс идет быстрее. Использование балансира, позволяет заряжать каждую банку одинаково, что положительно влият на ресурс аккумулятора и его рабочии характеристики.
Зарядные устройства также можно разделить на 2 подтипа, первый это простые, не компьютерные зарядники, с невысокой ценой, второй это дорогие универсальные предназначенные для различных типов аккумуляторов, в том числе и для LiPo и Li-Ion. К зарядным устройствам предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда — не хуже 0.01 на банку.
Простые зарядные устройства обычно имеют светодиодную индикацию заряда. Главное достоинство цена, а недостаток не очень высокая точность определения окончание заряда и низкие токи заряда.
У более дорогих универсальных зарядников возможности намного шире, большинство из них показывает и напряжение и ток и емкость которую аккумулятор уже получил в процессе зарядки.
Важно! Необходимо правильно выставить на заряднике количество банок в батарее которую вы заряжаете, а также ток заряда. Обычно он равен 1С. При необходимости и если ваш аккумулятор для этого предназначен, можно заряжать большими токами, но при этом необходимо контролировать температуру аккумулятора. В целом для LiPo аккумуляторов работает следующее правило, чем больше ток зарада, тем меньше общий ресурс.
Эксплуатация LiPo аккумуляторов и важные меры предосторожности
Литий-полимерные аккумуляторы являются самыми требовательными в плане обслуживания и использования. При неправильной или неосторожной эксплуатации такой аккумулятор может загореться или очень быстро “умереть”.
Наиболее опасным для этого типа батарей является:
1. Заряд до напряжения, превышающего 4.20 вольт/банку.
2. Короткое замыкание аккумулятора.
3. Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С.
4. Разряд ниже напряжения 3.00 вольта/банку.
5. Нагрев аккумулятора выше 60°С.
6. Разгерметизация аккумулятора.
7. Хранение в разряженном состоянии.
Несоблюдение первых трех правил приводит к возгоранию, а остальных к полной или частичной потере емкости. Для того чтобы исключить возможность возникновения таких ситуаций нужно использовать качественное зарядное устройство и правильно выставлять на нем число заряжаемых банок. Также важно использовать качественные разъемы, исключающие возможность короткого замыкания и контролировать ток, потребляемый мотором на полном газу. При больших зарядных токах, более 2 А, не стоит использовать тонкие провода от зарядника до батареи, а также подключение “крокодилами”, это приводит к тому, что зарядник раньше переходит в режим стабилизации напряжения, что увеличивает время заряда.
В случае, когда в силу конструктивных особенностей модели, аккумулятор получается закрыт от поступления потока воздуха, стоит предусмотреть специальные каналы для охлаждения. Если ток, потребляемый вашей моделью превышает 2С, а батарея закрыта со всех сторон, желательно проверить её температуру после 5-6 минут работы мотора. Это необходимо потому, что при нагреве выше 70 градусов в аккумуляторе начинает идти цепная реакция, превращающая его энергию в тепло и аккумулятор буквально растекается, поджигая вокруг все, что может гореть.
Если произойдёт замыкание в разряженном аккумуляторе, то пожара не будет, а просто он тихо умрет из-за переразряда, поэтому всегда отключайте аккумулятор после использования!
Разгерметизация является ещё одной возможной причиной выхода литиевых аккумуляторов из строя. Разгерметизация может произойти при повреждении внешнего защитного пакета, в результате удара или повреждения острым предметом.
Есть мнение, что литий-полимерные аккумуляторы нельзя эксплуатировать при отрицательных температурах. Но тут есть своя особенность, в процессе использования внутреннее выделение тепла в аккумуляторе оказывается в данный момент полезным свойством, не позволяющим батарее замерзнуть. Поэтому просто держите батарею в тепле до момента использования.
Хранить LiPo аккумуляторы
Следует в заряженном на 50-70% состоянии и в прохладном месте.
Влияние температуры LiPo аккумулятора на его сопротивление
7 Фев 2018, 14:10
Многие пилоты заметили, что в зимнее время года, когда температура на улице и внутри помещений понижается, такая характеристика аккумулятора, как сопротивление (mΩ), при измерении тестерами и спец. устройствами, показывает не совсем идеальные результаты, которые принято считать в диапазоне 2-4mΩ. Ниже попробуем разобраться, почему это происходит.
Все химические батареи превращают химическую энергию в электрическую. С точки зрения химии, в электролите внутри ячейки происходит растворение одного электрода и восстановление другого. При этом от растворяющегося электрода отрываются ионы этого вещества, которые с собой уносят положительный заряд. А электроны, ранее принадлежащие этому атому металла и не имеющие возможности уйти с ним, остаются на этом электроде.
В итоге получается, что под воздействием внешнего источника электрического поля (при заряде аккумулятора) мы принудительно превращаем одни вещества в другие, а при подключении к цепи квадрокоптера, мы позволяем накопленной электроэнергии выйти, посредством обратного химического превращения веществ.
Химическая реакция состоит из серии процессов, которые идут с определенной скоростью. На скорость протекания реакции может влиять следующий фактор — кинетика. Во многих химических реакциях, в том числе и в тех, которые проходят в LiPo, реагирующие виды образуют промежуточные виды вещества, которые затем реагируют обратно. Для этого необходимо наличие определенного «активного» уровня кинетической энергии. Все реагенты в ячейке имеют разный уровень кинетической энергии, который распределяется по параболе. Лишь те реагенты, уровень кинетической энергии которых выше или равен уровню активации, могут вступать в химические реакции.
Поскольку температура является мерой кинетической энергии, она напрямую влияет на реакции внутри ячеек. Более низкая температура ячеек означает меньшую кинетическую энергию, что означает, что меньшее количество видов реагентов будет иметь достаточную энергию для активации химической реакции. Как следствие, количество проводящих электронов уменьшается и увеличивается сопротивление банок.
Аккумуляторы в свою очередь тоже могут различаться химическим составом, который более или менее подрвежен влияюнию температур. Так же некоторые аккумуляторы выходят на свое рабочее сопротивление (и даже емкость) через несколько циклов заряда-разряда после заводского хранения ячеек.
Стоит и обратить внимание на то, что даже дорогие зарядные устройства от известных фирм измеряют сопротивление банок с некоторой погрешностью, основываясь на разнице напряжений банок под нагрузкой и без по закону Ома (чем больше зарядка может выдать нагрузку, тем точнее измерение). Поэтому доверять цифрам стоит лишь относительно измерений «плохих» и «хороших» банок.
Мы сделали замеры на аккумуляторе Flymod Acro Power Space 4S 1500mAh 90C при разных температурах аккумулятора и показали разницу в показаниях сопротивления на видео.
При увеличении температуры ячеек, в гипотетически эталонном аккумуляторе сопротивление стремится к нулю. Для большинства LiPo аккумуляторов, представленных в интернет-магазине Flymod.net, рекомендованной температурой для использования является 26-30 градусов по Цельсию. В работе (полете) аккумулятор нагревается, поэтому сопротивление банок уменьшается и не ухудшает параметры емкости и токоотдачи.
Не забывайте, что зимой на полетушках на открытом воздухе желательно не переохлаждать аккумуляторы, лучше будет обернуть их тканью из шерсти или ковриком с подогревом.
Поделиться:
Литий-полимерный аккумулятор – плюсы и минусы
Литий-полимерные аккумуляторы – это современные элементы питания с отличными эксплуатационными характеристиками. Они стали новой ступенью развития литий-ионной технологии. Аккумуляторы типа Li-Polymer применяются в смартфонах, планшетах, электронных книгах, квадрокоптерах, моделях на радиоуправлении, портативных электроинструментах и другой технике.
Использование полимерного электролита повышает безопасность использования аккумуляторов, предоставляет свободу форм и размеров, в т. ч. позволяет получать сверхтонкие модели.
Изначально Li-Pol элементы питания уступали Li-ion аналогам по ионной проводимости и диапазону допустимых температур. Но модели обоих типов, используемые в современной технике и электронике, по рабочим характеристикам практически идентичны.
Особенности Li-Pol технологии
Главное отличие Li-Pol моделей от Li-ion аналогов состоит в типе применяемого электролита. При производстве накопителей энергии категории Li-ion катод и анод разделяют пористым сепаратором. В его порах содержится жидкий электролит. У элементов питания категории Li-Pol роль электролита выполняет полимер с токопроводящими добавками.
Основой для производства Li-Polymer аккумуляторов стали полимеры, которые при внедрении в их структуру ионов электролита переходят в полупроводниковое состояние с многократным возрастанием проводимости.
Ученым удалось создать несколько групп Li-Po аккумуляторов с разным составом электролита:
- С сухим полимером – такие модели производятся с применением полиэтиленоксида и солей лития.
- С мелкопористой полимерной матрицей – в нее внедряются неводные растворы солей лития.
- С гомогенным электролитом в форме геля – создаются путем встраивания в полимерную структуру солей лития.
Характерным отличием Li-Polymer батарей является гибкая форма и мягкая оболочка вместо жесткого корпуса. Эта особенность обеспечивает элементам питания более легкий вес – на 20% по сравнению с Li-ion аналогами.
Принцип работы
По принципу работы Li-Po и Li-ion аккумуляторы идентичны. Заряд переносят ионы лития, которые перемещаются от катода к аноду и обратно, внедряясь в молекулярную структуру материалов. При зарядке элементов питания ионы Li + переходят от катода к аноду, а при разрядке – в обратном направлении. Проводящей средой для ионов Li+ служит полимер с включенными в его состав добавками из солей лития. Напряжение Li-Po ячеек в разряженном состоянии составляет от 2,7 до 3 В, а в заряженном – достигает 4,2 В.
Плюсы и минусы литий-полимерных батарей
Экспериментируя с используемыми материалами катода, анода и электролита, ученые добились повышения плотности тока и увеличения температурного диапазона Li-Po ячеек. У разных брендов технологии изготовления Li-Pol аккумуляторов. Поэтому и характеристики элементов питания отличаются. Но в целом плюсами литий-полимерных аккумуляторов являются:
- стойкость к токовым перегрузкам, сжатию, вибрациям и другим воздействиям;
- компактность;
- легкий удельный вес;
- низкое внутреннее сопротивление;
- разнообразие форм и толщин – вплоть до 1 мм;
- высокая удельная энергоемкость;
- малый саморазряд;
- невыраженный эффект памяти;
- стабильность напряжения в процессе разряда;
- напряжение 3,7 В на ячейку;
- высокий уровень безопасности;
- диапазон рабочих температур от -20 до +40 °С;
- ресурс от 500 циклов и выше.
- Обычные – с разрядными токами до 3–5С. Такие устройства применяются в смартфонах, планшетах, других видах электроники и бытовой технике.
- Быстроразрядные или силовые (обозначение Hi discharge, HC или HD в маркировке) – устройства с допустимым током разряда до 8–10С. Они применяются в радиоуправляемых моделях, портативном электроинструменте, электромобилях и других устройствах, которым нужны большие разрядные токи.
Минусами литиево-полимерных аккумуляторов считается их относительно высокая цена, временное снижение емкости на морозе и подверженность естественной деградации – старению. Как и все элементы питания на основе лития, Li-Polymer модели постепенно теряют свою емкость – около 20% за 2 года активной работы.
Типы Li-Po батарей
В зависимости от допустимых разрядных токов Li-Po батареи делятся на 2 группы:
LiPo-аккумулятор как и зачем?
LiPo-аккумулятор (литий-полимерный, Li-Po, Li-Pol или Li-polymer) — один из типов литиевых аккумуляторов. Более совершенная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя.
Многие так называемые «модельные» LiPo-аккумуляторы способны отдавать ток в 10 и даже 100 раз превышающий численное значение ёмкости. Такие аккумуляторы применяются также в портативном электроинструменте и в некоторых современных электромобилях.
Преимущества
Способность отдавать ток в 10 и даже 100 раз превышающий численное значение ёмкости;
Большая плотность энергии на единицу объёма и массы;
Низкий саморазряд;
Толщина элементов от 1 мм;
Возможность получать очень гибкие формы;
Незначительный перепад напряжения по мере разряда.
Обозначения литий-полимерных источников питания
Рассмотрим обозначения LiPo-аккумуляторов на примере аккумулятора с популярными характеристиками 2200mAh 20C, для такого аккумулятора встречается также обозначение 2200mAh 20C.
Что такое «mAh»
В этих единицах указывается ёмкость аккумулятора — в данном случае 2200 мА·ч. Чем больше ёмкость, тем дольше аккумулятор сможет поддерживать нужный ток и напряжение для работы нагрузки. Также от ёмкости прямо пропорционально зависит максимальный ток разряда и заряда.
Li-Po-аккумуляторы состоят из одной или нескольких элементов («банок»). Каждая банка имеет номинальное напряжение 3,7В и максимальное (до которого заряжается) — 4,2В.
То есть аккумулятор — три банки, три элемента питания соединенных последовательно (плюс одной банки с минусом другой) с общим номинальным напряжением 11,1В и максимальным 12,6В.
В запечатанных сборках, для соблюдения балансировки при заряде, банки в начале параллелят и уже потом соединяют последовательно. Если соединять 2 аккумулятора через силовые провода, то желательно так же соединить и их балансировочные разъёмы.
Что такое «С»
Важной характеристикой LiPo-аккумуляторов является максимальный разрядный ток (токоотдача), то есть способность обеспечивать в нагрузочной цепи некий максимальный разрядный ток. Токоотдача измеряется в единицах С, и вычисляется как отношение допустимого разрядного тока к эквивалентной ёмкости аккумулятора (заряду в ампер-часах).
Например, если на аккумуляторе указана ёмкость 2200mAh и максимальный разрядный ток 20С, то это значит что аккумулятор может обеспечивать ток не выше 2200 * 20 = 44000 mA = 44 A, что нужно учитывать при подключении нагрузки к нему.
Также можно описать эту величину как максимальную скорость разряда в обратных единицах. То есть 20С — это значит, что аккумулятор может быть безопасно разряжен (при максимальном токе) минимум за 1/20 часа, то есть за 3 минуты.
Отдельно в характеристиках аккумулятора фигурирует максимальный зарядный ток, определяемый в тех же единицах C. Всё вышесказанное справедливо и для зарядного тока.
При превышении максимального тока разряда (когда нагрузка требует ток, больший чем может обеспечить аккумулятор) или заряда — неминуемо следует перегрев аккумулятора, при котором внутри него происходят необратимые химические реакции. Как следствие — аккумулятор вздувается, теряет ёмкость. Также может последовать воспламенение или даже взрыв аккумулятора. Некоторые производители указывают пиковую токоотдачу (обычно в 2 раза больше номинальной), которая допустима при разряде аккумулятора кратковременно, обычно до 10 секунд.
Если максимальная токоотдача аккумулятора значительно превышает требуемый ток нагрузочной цепи, то в этом нет ничего страшного, т.к. реальный ток определяется прежде всего нагрузкой, а не способностью аккумулятора. Минусом такого подключения могут быть лишь неоправданно большие размеры и масса аккумулятора.
Любые аккумуляторы для страйкбола можно приобрести в магазине «Калибр 6.03»