Li-pol akumulátory (akumulátory mobilních telefonu) (Odborné texty)
Akumulátory
Stěží najdeme výrobek určený pro modeláře, okterém bylo v posledních letech napsáno tolik. Tolik protichůdných, správných,nesprávných nebo vysloveně nesmyslných informací máme opravdu jen oakumulátorech. Není v našich silách uvést vše na pravou míru, ale věříme, že vnásledujících řádkách najdete užitečné informace pro volbu toho „správného“akumulátoru. Jak si možná z hodin fyziky vzpomínáte, akumulátory fungují nazákladě vratné (obousměrné) chemické reakce mezi elektrolytem a povrchem dvouelektrod - kladné a záporné. Při vybíjení běží reakce v jednom směru, přinabíjení v druhém. Jak už je to v přírodě zařízeno, celý proces neběží se 100%účinností, přičemž elektrická energie se neztrácí, ale proměňuje v teplo.
V modelářské praxi se nejčastěji používají tři typy akumulátorů: niklkadmiové (NiCd), niklmetalhydridové (NiMH),olověné (Pb) a nejmodernější Lithiumpolymerové (Li-poly). První dva druhy ovládajíoblast elektrického pohonu a napájení vysílačů a přijímačů, olověné akumulátorynaopak dominují jako zdroje pro žhavení svíček spalovacích motorů, pro startérya palivová čerpadla a pro pohon větších modelů lodí.
Niklkadmiové (NiCd) akumulátory jsou stále nejrozšířenější - jejich výhodou jenižší cena, schopnost dávat vyšší vybíjecí proud, vyšší spolehlivost a delšíživotnost.
Niklmetalhydridové (NiMH) akumulátory mají při stejné velikosti vyšší kapacitu,ale poskytnou menší vybíjecí proud při vyšším poklesu napětí při zatížení ajejich životnost a schopnost snášet hrubé zacházení je nižší.
Některé parametry a „akumulátorové“ pojmy:
Kapacita -udává velikost elektrického náboje (množství energie) uloženého v akumulátoru.Udává se v ampérhodinách (Ah) nebo v praxi častěji v miliampérhodinách (mAh).Akumulátor o kapacitě 1 Ah (=1000 mAh) je teoreticky schopen dávat proud 1ampér po dobu jedné hodiny.
Vnitřní odpor -udává schopnost akumulátoru dávat větší nebo menší vybíjecí proud. Pronázornost si představte dvě láhve (akumulátory) na-plněné stejným množstvímvody (se stejnou kapacitou). Jedna má hrdlo o průměru 1 cm (velký vnitřníodpor) a druhá hrdlo o průměru 5 cm (malý vnitřní odpor). Pokud se jerozhodneme vyprázdnit, bude to samozřejmě láhvi s malým hrdlem trvat déle (dávámenší vybíjecí proud).
Jmenovité napětí akumulátoru - proNiCd a NiMH akumulátory je to 1,2 V, pro olověné 2 V na článek. V provozu setoto napětí mění v rozmezí 0,8 - 1,5 V u NiCd a NiMH a asi 1,7 - 2,3 V uolověných.
Nabíjecí proud, vybíjecí proud -udává se v ampérech (A) nebo miliampérech (mA). Důležitý údaj je proud, jehožvelikost odpovídá číselné hod-notě kapacity akumulátoru - označuje se jako 1C(např. pro akumulátor 1700 mAh je 1C=1,7 A)
Nabíjecí křivka -udává průběh napětí na akumulátoru při nabíjení konstantním proudem vzávislosti na čase. Na první pohled můžeme odvo-dit metodu nejčastějipoužívanou pro automatické ukončení nabíjení NiCd a NiMH akumulátorů - tzv.delta-peak - sleduje se malý pokles (řádově desítky mV) napětí plně nabitéhoakumulátoru. Vidíme, že změna napětí je mnohem menší při nízkém nabíjecímproudu - automatika nabíječky nemusí pracovat správně. Křivky dle obrázku platípro akumulátory s nízkým vnitřním odporem; akumulátory s větším vnitřnímodporem opět dávají delta-peak menší. Stejně tak je sledovaný pokles napětíNiMH akumulátorů mnohem menší, než u NiCd. Důsledkem je, že starší nabíječky sdelta--peak obvodem nemusejí být schopny spolehlivě ukončovat nabíjení NiCdakumulátorů s velkým vnitřním odporem (to se vztahuje i na pohonné akumulátorys kapacitou pod 500 mAh) a NiMH článků. U olověných akumulátorů se hlídá nárůstnapětí na určitou úroveň (2,3 V).
Pomalé nabíjení(„nabíjení přes noc“) - nabíjení proudem 0,1C (např. 50 mA pro akumulátor 500mAh). Používá se pro úvodní zformování akumulátorů a pro akulátory do vysílačůa pro přijímače. Výhodou je, že není třeba přesně hlídat konec nabíjení. Pokudnabíjíme déle, proud se sice mění na teplo, ale je tak malý, že akumulátor neníohrožen.
Zrychlené nabíjení -nabíjení proudem 0,3-0,6C - stále ještě poměrně šetrná metoda, vyžaduje užspolehlivý způsob ukončení nabíjení (aspoň časovým spínačem). Vhodné pro Tx aRx akumulátory.
Rychlonabíjení -nabíjení proudem 1-2C nebo více, nezbytně vyžaduje automatické ukončenínabíjení (delta-peak, měření teploty, dodaného náboje atd.). Časový spínač jenevhodný.
Vybíjecí křivka - proakumulátory je typická malá změna napětí v průběhu cca 90% doby vybíjení. Protoje velmi obtížné zjišťovat okamžitý stav akumulátoru dle měřeného napětí.
Na obrázcích rovněž vidíme rozdíl meziakumulátorem s malým vnitřním odporem (tzv. tvrdým, černá křivka) a akumulátorems velkým vnitřním odporem (tzv. měkkým, červená křivka). Zatímco při malémvybíjecím proudu je rozdíl malý, s nárůstem proudu vidíme větší pokles napětína měk-kém akumulátoru a pokles dodaného náboje. S růstem vybíjecího prouduklesá velikost odevzdaného náboje, což je způsobeno poklesem účinnostiakumulátoru - více energie se promění na teplo. U tvrdých pohonných akumulátorůNiCd je pokles kapacity v rozmezí 1C až 8C asi 20-25%, u měk-kých NiCd a NiMHje to více. Vybíjecí křivky NiMH akumulátorů jsou podobné; dosavadní typy majíponěkud blíže k NiCd akumulátorům s větším vnitřním odporem.
Samovolné vybíjení, samovybíjení -akumulátor není schopen trvale udržovat jednou nabitý náboj, protože - jak užjsme si řekli - je reakce na elektrodách vratná. Nabitý akumulátor se samovolněvybíjí - u NiCd akumulátoru ztrácíme asi 1% elektrického náboje denně(akumulátory s větším vnitřním odporem se vybíjejí méně, s nízkým vnitřnímodporem více), u NiMH akumulátorů může jít až o 3 - 4% za den.
Akumulátorové sady („packy“) - jenvyjímečně se akumulátory používají jednotlivě (kompaktní žhavící koncovky prospalovací motory), větši-nou jsou spájeny v sadě. Čtyř- a pětičlánkové sady sepoužívají pro napájení přijímačů a serv, šestičlánky v modelech aut a lodí, sedmi-a vícečlánkové sady v modelech letadel. Akumulátory se vždy zapojují do série(za sebou), nikdy paralelně (vedle sebe). Kapacita takové sady se rovnákapacitě jednotlivého článku, jmenovité napětí je součtem jmenovitých napětíjednotlivých článků.
Formování akumulátorů - jeobdobou záběhu spalovacích motorů. Nový nebo dlouho nepoužívaný akumulátor jetřeba podrobit nejméně třem (lépe pěti) cyklům pomalého nabití proudem 0,1C apomalého vybití proudem max. 1C. Tento pomalý postup „rozhýbe vnitřnosti“ článkůa zá-roveň umožní článkům v sadě vyrovnat svoje parametry. Další cykly už mohouprobíhat s rychlonabíjením a vybíjením v normálním provozu.
Provoz akumulátorů -všeobecným problémem akumulátorových sad je to, že jednotlivé články nejsounikdy úplně stejné. V provozu potom dochází k tomu, že jeden článek se vybijenejdříve, načež se ho zbytek sady snaží dobíjet. Tento článek se více ohřívá av průběhu opakovaných vy-bíjecích cyklů se jeho parametry stále více zhoršují aodchylují od zbytku sady. Navenek se to projeví poklesem náboje, který je sadaschopna dodat, nárůstem vnitřního odporu, který způsobuje větší ohřev sady přivybíjení a poklesem maximálního vybíjecího proudu, který je akumulátor schopendávat. Postupem času tento proces může vést až ke zničení článku. Je třebaříci, že „současná medicína“ není schopna tomuto jevu zabránit, lze jej jenomezit. Musíme se prostě smířit s tím, že akumulátorová sada, kterou mymodeláři nutíme pracovat na hranici možností, nevydrží věčně. Můžeme ale hodněudělat pro to, aby vydržela déle.
Vyplatí se kupovat kvalitní značkovéakumulátory: u NiCd je zvláště pro pohonné účely volba jednoznačná - SANYO.Podobně je tomu u NiMH článků, ale vzhledem k tomu, že tento výrobce nenabízíčlánky v některých populárních velikostech, můžete se spolehnout na značku KAN.Věnujeme pozornost důkladnému formování nové sady, snažíme se akumulátorypravidelně cyklovat. Pokud delší dobu sadu nepoužíváme, skladujeme NiCdakumulátory zásadně plně vybité a NiMH plně nabité. Po delší přestávce (měsíc avíce), provedeme formování, jako by šlo o novou sadu. Dobrý nabíječ jesamozřejmostí. Pro rychlonabíjení by měl mít spolehlivou delta-peak automatiku,v ideálním případě jištěnou ještě další meto-dou. Měl by být vybaven funkcívybíjení nebo si pořídíme vybíječ zvláštní (JETI, BEL). Pokud chceme provozovatelektrický pohon na úrovni jen tro-chu nad občasným poletováním o nedělích,měli bychom uvažovat o zakoupení nabíječe s displejem, který bude umět měřitvybitý a nabitý náboj. Budeme tak mít mnohem důkladnější informace o stavuakumulátorů. Pro omezení vlivu „rozbíhání parametrů“ jednotlivých článků bychomměli v pravidelných intervalech provést 1-2 cykly pomalé nabití/pomalé vybitíjako při formování. Umožníme tak článkům svoje parametry v klidu „srovnat“. Uvysílačových, přijímačových a pohonných NiCd sad by mělo stačit provést tentoúkon 2-3x ročně, u pohonných NiMH akumulátorů doporučujeme provádění častější.Zvláštní péči si vyžadují pohonné NiMH články kapacit do 1000 mAh, které jsousilně přetěžovány - tam by měl pomalý cyklus nabití/vybití následovat po 12-15„ostrých“ cyklech.
Sady z vybíraných článků - výšepopsaný problém je možno omezit také tím, že sadu sestavíme z akumulátorůpředem otestovaných. Vyberou se články s co nejbližšími parametry - díky tomu,že se vybírané akumulátory navzájem méně „přetahují“, je vyšší maximálnívybíjecí proud, napětí akumulátoru při vybíjení i kapacita. Samozřejmě jemnohem vyšší i cena takové sady. V praxi pro rekreační létání se sadami do 10článků se vybírané sady asi nevyplatí. Pokud máte vyšší nároky, zvláště pokudhodláte používat napájení - řekněme s 20 články a více, stojí to za úvahu.
Paměťový efekt - jestrašidlo obcházející modeláře podobně, jako strašidlo komunismu obcházeloEvropou. Jen v krátkosti - paměťový efekt skutečně existuje, ale jde ozáležitost zcela okrajovou, nikoliv o „požírače kapacity“. Postihuje NiCd iNiMH akumulátory, ale bát se jej nemusíme. Prostě neexistují žádné „paměťovébaterky“, jak se stále ještě můžete doslechnout. Pokud značkový akumulátorztrácí kapacitu, je to důsledkem výše popsaného „rozbíhání parametrů“,nesprávného nabíjení (přebíjení), přetěžování v provozu (opravdu, našemodelářské nároky jsou nesmírně vysoké), mechanického poškození (po tvrdémpřistání) atd.
Prostě platí stará moudrost o kupování levných věcí a rozhodně se vyplácípravidelná péče o akumulátory.
Lithium polymerové akumulátory
Lithium polymerové (Li-poly) akumulátorypředstavují nejmodernější zdroj energie pro pohon modelů. Vynikají především nízkouhmotností a vysokou energetickou hustotou - tj. velikostí uloženéhoelektrického náboje vztaženého na jednotku hmotnosti. Vzhledem k tomu, že zakrátkou dobu jejich používání se okolo těchto článků již vyrojila řada pověr anepřesných informací, povíme si o nich něco podrobněji.
Vzhledem ke zcela odlišnému typuelektrochemické reakce probíhající uvnitř článků vyžadují zcela jiné zacházenínež běžné niklkadmiové (NiCd) nebo niklmetalhydridové (NiMH) akumulátory.
Základní vlastnosti Li-poly článků:
Li-poly články mají zpravidla tvar plochého hranolu s dvojicí tenkých páskovýchelektrod vyčnívajících na kratší straně. Celek je zavařen v tuhé plastovéfólii. Vzhledem k tomu, že vlastní elektrody jsou z materiálů obtížněpájitelných, jsou k nim naplocho bodově přivařeny pásky z materiálu, který lzepájet běžnou páječkou a cínovou pájkou. Pozor: pájitelný povrch elektrod je zté strany článku, kde je natištěno označení polarity a číselný kód. Elektrodynesmějí být opakovaně mechanicky namáhány (ohýbány atd.).
Jmenovité napětí Li-poly článku je 3,6 V (na rozdíl od 1,2 V u NiCd a NiMHakumulátorů). V provozu nesmí v žádnémpřípadě napětí článku překročit 4,2 V při nabíjení a poklesnout pod 3 V.Překročení těchto hodnot znamená s vysokou pravděpodobností nevratné poškozeníakumulátoru.
Z tohoto důvodu je třeba používat pronabíjení speciální nabíječe pro Li-poly akumulátory, stejně jako používatspeciální regulátory, jejichž ochranné obvody (PCO) zabrání vybití článků podbezpečnou mez.
Nedodržení správného postupu při nabíjení,stejně třeba jako zkrat článku, vede k přehřátí článku a jeho poškozenívyvíjenými plyny. Pokud teplota uvnitř článku překročí cca 150 stupňů Celsia,dojde k nastartování exotermní chemické reakce (reakce doprovázená vývojemtepla), která může samovolně pokračovat i při odpojení nabíječe. V důsledkutoho může dojít k explozi článku a k vzniku požáru, neboť vystříknutá náplňčlánku se na vzduchu sama vznítí. Ačkoliv jsou Li-poly akumulátory při správnémzacházení zcela bezpečné, toto nebezpečí nepodceňujte.
Oproti NiCd a NiMH článkům je zásadní výhodou, že Li-poly články je možnospojovat do sad nejen sériově (a dosáhnout tak vyššího napětí při stejnéjmenovité kapacitě), ale i paralelně (vedle sebe, kapacita článků se sčítá,stejně jako maximální velikost dodávaného proudu). Podmínkou je důkladný výběrčlánků, jejich napětí se nesmí lišit o více než 0,01 V, musejí být ze stejnévýrobní série a mít za sebou stejnou historii používání. Rovněž během provozuje třeba pravidelně (po 5-7 cyklech) kontrolovat napětí článků. Pokudzaznamenáte vyšší rozdíl, je třeba parametry článků vyrovnat cyklovánímjednotlivých článků. Sériově řazené články se označují písmenem „s“ (3s jsoutři články v sérii, sada 3s z 1200 mAh článků má potom jmenovité napětí 3x3,6=10,8V, kapacita zůstává 1200 mAh), paralelně řazené písmenem „p“ (3s2p jsou dvatříčlánky propojené paralelně; sada 3s2p z 1200 mAh článků má jmenovité napětí3x3,6=10,8 V, kapacitu 2x1200=2400 mAh a je schopna poskytovat dvojnásobnýproud). Oproti NiCd a NiMH článkům nevyžadují Li-poly akumulátory úvodníformování, ale je možné, že během několika úvodních cyklů se bude využitelnákapacita poněkud zvyšovat. Li-poly akumulátory také není třeba před nabíjenímvybíjet - je tak např. možno zcela bezpečně nabíjet akumulátory vybité na 50%.
Zhotovování akumulátorových sad
Vzhledem k páskovým elektrodám z tenkého plechu,které není možno mechanicky namáhat a nárokům kladeným na výběr článků,doporučujeme nákup již továrně zhotovených sad. Pro hloubavější modeláře jsoutu postupy převzaté z časopisu Quiet&Electric Flight International (lednovéa listopadové vydání, 2003).
Jednotlivý článek: Horní část článku ovineme 1-2vrstvami samolepící pásky - tak vytvoříme základní izolační vrstvu. Na přednístranu elektrod připájíme kabely se silikonovou izolací odpovídajícího průřezu;pájíme krátce, abychom zamezili přehřátí. Elektrody nyní opatrně ohneme nazadní stranu článku a celek ovineme 2-3 vrstvami samolepící pásky (páska byměla fixovat kabely v délce 1-2 cm. Takto jednoduše vývody zároveň zaizolujemei ochráníme proti mechanickému namáhání.
Více článků: doporučujeme zhotovit malý plošný spoj z kuprexitu s rozměryodpovídajícími čelům článků (stačí proškrabáním měděné fólie) s úzkýmištěrbinami pro elektrody vyříznutými lupenkovou pilkou. Na plošném spoji snadnovytvoříme požadované sériové nebo paralelní zapojení. Články navzájem slepímeoboustrannou lepící páskou a celek ochráníme smršťovací fólií. Výstupní kabelyse pájejí na plošný spoj.
Na obrázku vlevo je znázorněn plošný spoj pro dva články v sérii.
Nabíjení
Pro nabíjení vždy používejte speciální nabíječurčený pro Li-poly nebo lithium-iontové (Li-ion) akumulátory. Musí být vybavenautomatikou zajišťující, že nebude překročeno maximální povolené napětí 4,2 Vna článek a maximální nabíjecí proud (výrobci obvykle udávaných 0,7C*, v žádnémpřípadě ne více než 1C). Používá se několik metod nabíjení, nejčastěji taková,při níž se nabíjí konstantním proudem do momentu, kdy napětí na článek dosáhne4,2 V (tak je článku dodáno cca 90% náboje), poté se postupně snižujícímproudem (aby se nepřekročilo mezní napětí) nabíjí do úplného nabití. V žádném případě nepoužíváme režim nabíjení sautomatickým nastavením nabíjecích parametrů ani jakékoliv programy, kterénejsou určeny pro nabíjení Li-poly (nebo Li-ion) akumulátorů.Vhodné typy nabíječů se síťovým i 12V napájením najdete v našem katalogu.
Vybíjení
Při provozování pohonných systémů s Li-polyakumulátory je třeba brát ohled na to, že tyto články byly vyvinuty pro aplikace,v nichž je požadována vysoká kapacita a nízký proudový odběr (mobilní telefonyapod.). Výrobci proto zaručují vysokou životnost při proudech, které dostačujíjen pro pohon lehkých modelů slow- a park-fly. Např. pro klasické články E-Tecse zaručuje při vybíjení proudem 4C pokles kapacity o 10% až po 300 nabíjecícha vybíjecích cyklech. V modelářské praxi se ale proudy běžně pohybují v rozmezí6-10C i více, což samozřejmě vede k omezení životnosti, kterou není možnosrovnávat se současnými NiCd akumulátory. Pohonný systém je proto lépe volit smotorem s vyšším počtem závitů a větším počtem článků v sérii, což dovolujepracovat při stejném výkonu s nižšími vybíjecími proudy. Tento problém doznačné míry odstraňují články nové řady HP, které mají zaručený vybíjecí proudvyšší než 10C.
Naprosto nezbytné je používání elektronických regulátorů otáček přizpůsobenýchpro napájení z Li-poly resp. Li-ion akumulátorů. Vhodné typy pro stejnosměrné istřídavé motory najdete v našem katalogu.
A na závěr ještě znovu dvanáctero základních zásad bezpečnéhopoužívání Li-poly akumulátorů
1) Pozor na zkrat ujednotlivých článků i sad - požívejte konektory s bezpečně izolovanýmikontakty, nenechávejte jednotlivé články jen tak povalovat - např. v zásuvce,kde je může zkratovat volně „poletující“ šroubovák.
2) Li-poly akumulátory nepatří do rukou dětem, ani osobám, které si nepřečetlynebo nejsou ochotny dodržovat tento návod.
3) Chraňte články před mechanickým poškozením - vytržení elektrod, propíchnutí.Mohlo by přitom dojít k vnitřnímu zkratu s výše popsanými následky (exploze,požár).
4) Nepropichujte ani „nafouknuté“ články - nafouknutí je známkou vnitřníhopoškození a článek by se mohl po propíchnutí proměnit v plamenomet.
5) Při nabíjení se nejprve dvakrát přesvědčete, že jste správně nastaviliparametry nabíjení (počet článků, nabíjecí proud). Nepoužívejte programy sautomatickým nastavením parametrů.
6) Nabíjený akumulátor umístěte na nehořlavou podložku. V blízkosti se nesmějínacházet hořlavé předměty nebo kapaliny.
8) Při nabíjení neponechávejte akumulátory bez dozoru.
9) Akumulátory nenabíjejte uvnitř automobilu (je to hořlavý předmět!)
10) Pravidelně kontrolujte napětí na jednotlivých článcích sady zvláště vparalelním zapojení, nemělo by se lišit o více než 0,01 V.
11) Po havárii vyjměte články z modelu, odložte je na bezpečné místo a poněkolik hodin z bezpečného odstupu sledujte.
12) Před definitivním vyhozením článek zcela vybijte ponořením na 12 hodin donádoby se slanou vodou.
