Ходовые аккумуляторы для радиоуправляемых моделей.

Силовые аккумуляторы фирмы Sanyo.

    Эта статья посвящена описанию важных для моделистов особенностей эксплуатации, и свойств аккумуляторов. В радиомоделизме аккумуляторы используются очень активно, и как силовые источники энергии, и для питания аппаратуры. На сегодняшний день применяются аккумуляторы трех основных видов: NiCd (никель-кадмиевые), NiMH (никель-металгидридные) и литий-полимерные (LiPo, LiPol или Li-Poli).
    Так как в статье будут рассматриваться специфические вопросы связанные с электротехникой, мы предлагаем просмотреть словарь наиболее важных терминов.

Немного истории
    Первая щелочная аккумуляторная батарея была изготовлена в 1899 году химиком Юнгером (Junger). Он применил никель для положительного электрода, а кадмий - для отрицательного. В качестве электролита использовался гидроксид калия (едкое кали). Щелочная природа электролита и обусловила название элемента. Почти через 50 лет (1946) Нейман (Neumann) создал первую герметично закрытую никель-кадмиевую батарею.

Демонстрация первой батареи Вольта.	Устройство современного аккумулятора

    До начала 90-х годов никель-кадмиевые батареи являлись самыми распространёнными аккумуляторами.
    Первыми среди новых типов батарей стали никель-металлгидридные аккумуляторы. Они обеспечивают более высокую плотность энергии 120 Вт/кг, против 80 Вт/кг у никель-кадмиевых элементов. Кроме того, эти аккумуляторы не используют кадмий - высокотоксичный тяжёлый металл.
В 1991 году впервые появились в продаже литиево-ионные аккумуляторы. Литий является самым лёгким металлом, и литиево-ионные аккумуляторы обеспечивают ещё более высокую энергетическую плотность - 160 Вт/кг, и низкую степень саморазряда - всего около 10% ёмкости в месяц.

Почему аккумуляторы а не батарейки?
    В большинстве недорогих бытовых устройств мы привыкли использовать обычные батарейки (здесь батарейками будем называть неперезаряжаемые источники электроэнергии). Они дешевле аккумуляторов, более распространены в продаже, не требуют зарядки, и у них меньше саморазряд. Эти достоинства вполне оправдывают выбор батареек для тех устройств, которые мы длительное время используем понемногу, без особой нагрузки. Если же необходим большой разрядный ток, или постоянная работа, то аккумуляторы являются единственным выбором. Батарейки не способны отдавать большие разрядные токи, а их частая замена очень быстро сведет на нет выигрыш в цене. Таким образом, применение батареек оправдано разве что в недорогих радиоуправляемых игрушках, время жизни которых сопоставимо с временем жизни самих батареек.

Особенности силовых аккумуляторов.
    Силовые или ходовые аккумуляторы предназначены для питания электромоторов обеспечивающих движение моделей. Какими же свойствами они должны обладать? Силовые аккумуляторы должны выдерживать большие разрядные токи. Такой способностью обладают только аккумуляторы, имеющие низкое внутреннее сопротивление, специально разработанные и изготовленные для этой цели. Обычные аккумуляторы, как и батарейки, не в состоянии разряжаться большими токами. Еще одно немаловажное свойство - это способность к быстрому заряду. Для этого аккумулятор должен позволять заряд током превышающим 1С. Мало кому захочется, разрядив батарею за несколько минут работы мотора, ждать 12-14 часов, пока она зарядится током 1/10С! Специальные силовые аккумуляторы способны заряжаться током порядка 2-3С, что сокращает время заряда до вполне приемлемых 30-40 минут. И, наконец, от силовых аккумуляторов требуется высокая ёмкость, которая, собственно, и определяет продолжительность работы ходового двигателя модели. На сегодняшний день, всеми перечисленными требованиями в полной мере обладают только никель-кадмиевые и никель-металгидридные аккумуляторы, литий-полимерные батареи можно использовать в качестве ходовых аккумуляторов с некоторыми ограничениями.
    Основные производители NiCd и NiMH элементов, способных отдавать большие токи, являются фирмы Sanyo, GP и Panasonic.

Силовые аккумуляторы.

Никель-кадмиевые аккумуляторы.
    Из всех рассматриваемых в статье аккумуляторов, никель-кадмиевые батареи в наибольшей степени подходят на роль ходовых аккумуляторов. Они имеют наибольший из всех срок службы - 1500 циклов, их уровень саморазряда относительно невелик - 20%. В то же время, они более других подвержены "эффекту памяти". Заряжать эти аккумуляторы можно простейшими зарядными устройствами, дельта-пик у них наиболее хорошо выражен, они менее других боятся чрезмерного заряда и глубокого разряда. Управляя режимом заряда никель-кадмиевых аккумуляторов, можно в некоторой степени повлиять на его разрядные. При продолжительном заряде аккумулятора малым током, он будет отдавать энергию более равномерно и более продолжительное время. При заряде большим током - 2-2,5С, в начале разряда напряжение на аккумуляторе будет несколько выше, но время работы пропорционально сократится, то есть батарея будет работать как бы в форсированном режиме, что для некоторых спортивных классов весьма полезно. После работы на модели, перед новой зарядкой батареи следует полностью разрядить, чтобы снизить влияние "эффекта памяти". Лучше всего это делать специальным компьютеризированным зарядным устройством. Такое устройство само прекратит разряд батареи в нужный момент. Хранить никель-кадмиевые аккумуляторы длительное время лучше всего в разряженном состоянии, в прохладном месте, а перед установкой на модель провести несколько циклов разряд/заряд, что лучше всего делать тем же автоматическим зарядным устройством.

Простейшее зарядное устройство.	Автоматическое универсальное зарядное устройство для всех видов батарей.

Никель-металгидридные аккумуляторы.
    Никель-металгидридные батареи по своим эксплуатационным характеристикам заметно отличаются от никель-кадмиевых. Никель-металгидридные аккумуляторы имеют большой саморазряд, и заряжать их задолго до установки на модель не стоит. Кроме того, время службы этих аккумуляторов составляет примерно 500 циклов. Хотя "эффект памяти" у них выражен значительно слабее, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов но он все же есть. Это значит, что батареи можно иногда заряжать без полного разряда, но периодически разряжать аккумулятор полностью все равно нужно. Никель-металгидридные батареи очень не любят как глубокого разряда - меньше чем 0,9 вольт на банку, так и перезаряда. Кроме того, дельта-пик у них выражен намного слабее, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. В связи с этим, в устройствах для заряда никель-металгидридных батарей должен быть специальный режим, который имеет более чувствительный алгоритм распознавания дельта-пика. Во время заряда следует следить за температурой, так как эти батареи не любят перегрева, и их обычно охлаждают специальным вентилятором.
     Хранить длительное время никель-металгидридные аккумуляторы как и никель-кадмиевые, следует в прохладном месте. Зарядить до 30-40% и раз в 2-3 месяца "тренировать" батарею проводя циклы разряд/заряд.

Батареи лучше хранить в прохладном месте.	Вентилятор для охлаждения батарей

Литий-полимерные аккумуляторы.
    Литий-полимерные аккумуляторы являются разновидностью литий ионных, и отличаются от них особенным составом электролита. У литий-ионных аккумуляторов электролит находится в виде геля - желеобразной массы. У литий-полимерных аккумуляторов электролит пропитывает специальную полимерную губку. В моделизме сегодня наибольшее распространение получили именно литий-полимерные аккумуляторы. Основное отличие всех аккумуляторов на основе лития - напряжение 3,6 вольта на банку, а не 1,2 как у NiCd и NiMH. Срок службы литий-полимерных аккумуляторов составляет 1000 циклов. Как уже отмечалось, удельная емкость литий-полимерных аккумуляторов на 30% больше, чем у NiCd, кроме того, литий-полимерные аккумуляторы не имеют "эффекта памяти". Ассортимент батарей по ёмкости очень велик - от 40 до 3600 ма/час, и превышает ассортимент любых других типов батарей. Особенно ценно, что имеется много очень легких разновидностей, что делает их незаменимыми для маленьких электролетов. Разрядные токи у литий-полимерных аккумуляторов не велики - 3-5С для лучших образцов на сегодня. Хотя, для многих задач хватает и таких токов, для тяжелых моделей это маловато. К недостаткам Li-Poli аккумуляторов относятся значительно более высокая цена, меньшие разрядные и зарядные токи, необходимость в специальных контроллерах двигателей, не позволяющих аккумулятору глубоко разрядиться, и необходимость применять "интеллектуальные" зарядные устройства. Аккумуляторы на основе лития подвержены быстрому старению, и теряют 20% ёмкости в год, даже без эксплуатации. Особенно печально то, что превышение зарядно-разрядных токов, снижение напряжения на батарее ниже критического или её переохлаждение на морозе, способны полностью "убить" дорогой аккумулятор за один раз, в отличие от других типов батарей, которые "умирают" постепенно. Нарушение условий эксплуатации литий-полимерных аккумуляторов может даже привести к их возгоранию или взрыву. Однако при правильном использовании батарей, всех этих неприятностей можно избежать. Так, для повышения разрядного тока несколько элементов соединяют параллельно. В результате, разрядный ток и ёмкость увеличиваются во столько раз, сколько батарей были параллельно соединены.

Типичная Li-Poly батарея.	Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов.	Li-Poly батарея с током разряда 10С.

    Основными производителями литий-полимерных аккумуляторов применяемых в моделизме являются фирмы Kokam, Power, I-Rate, E-Tec. Количество производителей стремительно растет, особенно за счет представителей Китая.

Новости технологии

Построен новый тип сверхъёмкого литиевого аккумулятора

    Американская компания Sion Power сделала новый шаг в технологии литиевых аккумуляторов: литий-серные батареи, потенциально способные отправить все прежние типы аккумуляторов на свалку Истории. Потенциально, потому что технология ещё сырая и обладает, наряду с достоинствами, весомым недостатком.
    Сначала о достоинствах. Батареи, тип которых разработчик называет Li-S, в противовес хорошо известным Li-ion, обладают просто феноменальной плотностью энергии: 300-350 ватт-часов на килограмм, что примерно вдвое выше, чему у нынешних литий-ионных аккумуляторов для мобильной электроники и даже ничуть не хуже, чем у новейших метаноловых топливных элементов со встроенным риформером.
    В дальнейшем же, полагает Sion Power, ей удастся поднять этот показатель до удивительных 600 ватт-часов на килограмм.
    Опытный образец литий-серной батареи от Sion Power имеет размер 11 х 35 х 55 миллиметров и вмещает 2,2 ампер-часа энергии (напряжение 2,1 вольта).
    Его отличительная особенность — жидкий катод с содержанием серы, отделённый от электролита специальной мембраной, и, очевидно, несколько отличные электрохимические процессы, проходящие при заряде и разряде батареи.
    Компания пишет, что эти батареи, в серийном производстве, будут заметно дешевле существующих литий-ионных и литий-полимерных, а также — более экологичны после завершения жизненного цикла, так как не содержат тяжёлых металлов.
Также новые батареи способны отдавать 65% выходной мощности при температуре 40 градусов ниже нуля по Цельсию, что очень пригодится, к примеру, для электромобилей и гибридных авто.
    Сейчас же Sion Power ведёт совместную работу с Intel, по адаптации новой технологии к продукции знаменитой "железячной" компании.
    Однако прежде, чем это произойдёт, литий-серные аккумуляторы нужно будет довести до ума. А именно — устранить главный на данный момент и, увы, совершенно фатальный недостаток: батарейка эта имеет жизненный цикл всего в 60 зарядок от сети.
    У создателей новинки ещё есть время для доработок. На рынок такие элементы, по плану компании, должный выйти в начале 2008 года.

Сравнительная таблица параметров разных типов аккумуляторов.

Тип батареи	Напряжение (вольт)	Ресурс (циклов)	"эффект памяти"	глубокий разряд	перезаряд	макс. ток заряда	макс. ток разряда	цена
NiCd	1,2	1500	сильный	не боится	не боится	3С	30С	низкая
NiMH	1,2	500	слабый	боится	боится	2,5С	20С	средняя
Li-Poli	3,6	1000	отсутствует	не выносит	не выносит	1С	10С	высокая

Селективные батареи.
    Для применения на спортивных моделях в условиях соревнований, где даже небольшое преимущество может быть существенным, моделисты используют батареи собранные из специально отобранных аккумуляторов. Такие батареи называют "селективными". Возможность отбора связана с неизбежными небольшими погрешностями в процессе изготовления банок, в результате которых некоторые аккумуляторы оказываются чуть лучше, а некоторые чуть хуже, чем основная масса. В процессе отбора (селектирования), из очень большого количества однотипных аккумуляторов, отбирают такие, напряжение которых чуть выше, чем у остальных. Собранные из этих банок батареи могут обеспечить несколько большее напряжение, и соответственно, отдаваемую мощность. Как правило, селективные аккумуляторы продают в виде набора, из которого моделист сам собирает нужную по количеству банок и форме батарею. Цена таких аккумуляторов существенно выше, чем у обычных банок такого же типа, так как количество "удачных" батарей в партии не превышает 1%!

Набор селективных аккумуляторв GP.

Балансировка батареи.
    После нескольких циклов заряд/разряд, особенно большими токами, начинает проявляться разбалансировка батареи. Суть этого явления опять же в неабсолютной однородности характеристик отдельных аккумуляторов в батарее. Одни банки разряжаются чуточку быстрее и больше чем другие, а потом в процессе заряда слегка недозаряжаются. С увеличением количества отработанных циклов, разница между напряжениями на каждом отдельном аккумуляторе увеличивается. Это приводит к заметному снижению ёмкости всей батареи, и общему снижению её напряжения. Чтобы уменьшить влияние разбалансировки на качество батареи, периодически её элементы нужно балансировать - то есть выравнивать остаточные напряжения на отдельных банках батареи после её разряда. После этого, желательно зарядить батарею током 1/10С в течении 12-14 часов.

Балансировочное устройство.

Терминология.

Элемент (банка) - один аккумулятор, из которых собирается аккумуляторная батарея.

Параллельное соединение элементов - соединение банок в батарею, при котором все "плюсовые" электроды соединяются вместе, и так же вместе соединяются "минусовые" электроды. Такая схема сборки батареи дает увеличение ёмкости, которая будет равняться сумме ёмкостей составляющих батарею эллементов.

Последовательное соединение элементов - соединение банок в батарею, при котором "плюсовой" электрод первой банки соединяется с "минусовым" электродом следующей банки, и так далее. При такой схеме сборки происходит суммирование напряжений всех элементов составляющих батарею. В моделизме эта схема наиболее распространена.

Внутреннее сопротивление аккумулятора - сопротивление, оказываемое аккумулятором прохождению через него постоянного разрядного или зарядного тока. Является "вредным" параметром, так как оно ограничивает максимальные значения разрядного тока. Рост внутреннего сопротивления ведет к более быстрому падению разрядного напряжения и, как следствие, к снижению разрядной емкости аккумулятора. Сопротивление заряженного аккумулятора составляет от нескольких тысячных до сотых долей ома и складывается из сопротивлений электродов, электролита, сепараторов, межэлементных перемычек и других токоведущих деталей, а также так называемого сопротивления поляризации. Каждая из этих составляющих не является постоянной величиной и зависит как от конструкции элементов и температуры электролита, так и от степени заряженности аккумулятора. Сопротивление электродов и токоведущих деталей мало изменяется с изменением температуры.

Номинальная ёмкость аккумулятора (1С) - параметр, характеризующий фактическую ёмкость аккумулятора при его использовании в рамках оговоренных производителем параметров. Основными - являются разрядный ток и температура. С повышением разрядного тока и уменьшением температуры ниже указанных производителем, ёмкость значительно уменьшается. Обычно, токи заряда и токи разряда указывают через "С".

Разрядная емкость аккумулятора - параметр, характеризующий фактическую ёмкость аккумулятора при его использовании в реальных условиях. Зависит от внутреннего сопротивления, разрядного тока, температуры, качества сборки батареи, длины и сечения проводов, и ряда других параметров. Может сильно отличаться от номинальной емкости аккумулятора.

Зарядный ток - сила тока применяемого при зарядке аккумулятора. Обозначается в долях от "С" (номинальной ёмкости), стандартный зарядный ток обычно составляет 1/10С, т.е. если номинальная ёмкость батареи составляет 2400 ма/ч, то зарядный ток составит одну десятую от этой величины - 240ма.

Разрядный ток - сила тока отдаваемая аккумулятором при его разряде. Тоже выражается через "С" (номинальную ёмкость). Например, если аккумулятор позволяет производить разряд током 10С, при ёмкости в 2400 ма/ч, то разрядный ток составит 24000ма, или 24А (ампера).

Дельта-пик - характерное изменение напряжения на аккумуляторе при окончании его заряда. Обычно, в конце заряда напряжение на элементе относительно быстро возрастает, а затем начинает снижаться. Эта особенность зарядной кривой используется для определения окончания заряда батареи автоматическими зарядными устройствами.

Саморазряд - способность источника тока терять имеющуюся энергию в течении времени.

Эффект памяти - постепенное снижение емкости аккумулятора если его заряжать, не разрядив предварительно полностью. В значительной степени присущ NiCd-аккумуляторам, в слабой - и NiMH. К счастью, применяемые сегодня Li-Ion-аккумуляторы практически полностью лишены данного неприятного эффекта, что облегчает жизнь пользователю.