Особенности зарядки и эксплуатации аккумуляторов

Очень часто после приобретения универсального микропроцессорного зарядного устройства многие задаются вопросом: а как же правильно заряжать аккумуляторы различных типов и применений? И какие настройки выставлять в зарядном устройстве?

Не претендуя на очень полное освещение этой темы, мы постарались дать основные сведения касательно применяемых в данное время в моделизме типов перезаряжаемых батарей. Первая часть статьи кратко описывает основные типы аккумуляторов. Вторая часть дает некоторые теоретические сведения о принципах заряда аккумуляторов, их эксплуатации и обслуживании. И, наконец, в третьей части даются практические советы для тех, кто хочет всего лишь зарядить свои батареи.

Основные виды аккумуляторов, используемых моделистами

На сегодняшний день моделисты используют 5 основных типов аккумуляторов:
- Pb (lead-acid или свинцово-кислотные);
- NiCd (никель-кадмиевые);
- NiMh (никель-металлгидридные);
- LiPo (литий-полимерные);
- LiFePO4 (литий-феррофосфатные, также известные как А123, LiFe, LiFo, литий-фосфаты).

Свинцово-кислотные (Pb) аккумуляторы в авиамоделизме используются, практически, только в качестве источника энергии для подзарядки в полевых условиях других типов аккумуляторов и как источник питания стартера и стартовой панели для силовых установок с ДВС. Очень часто в качестве такого аккумулятора выступает бортовой аккумулятор автомобиля. Аккумуляторы характерны неприхотливостью, высокими отдаваемыми токами, но большим весом и медленным зарядом.

Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы часто используются в качестве батареи питания передатчиков, а также как силовые в тех случаях, где важны отдаваемые токи и большой ресурс. Не каждый NiCd аккумулятор может быть использован как силовой. Бытовые NiCd батареи, как правило, не способны к отдаче больших токов и пригодны только для питания передатчика и в некоторых случаях - бортовой электроники на ДВС. Для питания силовой установки следует применять промышленные аккумуляторы, рассчитанные на большие токи. NiCd аккумуляторы характерны своей неприхотливостью, но имеют достаточно большой вес при не очень большой удельной емкости. Недостатком, несколько затрудняющим их эксплуатацию, является так называемый «эффект памяти», о котором мы скажем чуть ниже.

Никель-металлгидридные (NiMh) аккумуляторы пришли на замену NiCd. Все вышесказанное про NiCd, в целом, относится и к NiMh. Отличие NiMh в том, что они имеют, как правило, заметно большую емкость при том же весе, что и аналогичные NiCd. Эффект памяти у них менее выражен. Срок службы NiMh, как правило, меньше, чем NiCd.

В последние годы для летающих моделей получили большое распространение литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы. Они легкие, имеют очень высокую емкость по отношению к их весу и размеру, высокие отдаваемые токи, возможность быстрого заряда. Благодаря этому они стали, пожалуй, основным источником энергии для силовых установок летающих моделей. К сожалению, не обошлось и без недостатков: LiPo аккумуляторы оказались достаточно критичными к режимам эксплуатации. В случае разряда такой батареи ниже допустимого она необратимо выходит из строя. Превышение напряжения на батарее может привести к ее взрывному самовозгоранию. Тем не менее, достоинства их, как правило, перевешивают, а потому их все же используют, соблюдая определенные правила обращения.

Некоторое время назад в продаже появились батареи, выпускаемые американской компанией A123 Systems, откуда и пошло их популярное название A123. Они являются развитием направления литий-полимеров и в своей основе имеют химическую формулу LiFePO4 (феррофосфат лития). Благодаря этой формуле они получили много альтернативных названий - LiFe, LiFo, литий-фосфаты, и т.п. Мы предпочитаем использовать оригинальное название A123, производители зарядных устройств чаще всего обозначают их как LiFe. Данные батареи оказались, на первый взгляд, просто находкой: неприхотливые, неубиваемые, долгоживущие, нетребовательные к частой балансировке, не боятся умеренных перезарядов и переразрядов, отдают большие токи, и главное - штатно допускают очень быстрый заряд за 15-20 минут, что в полевых условиях просто неоценимо. Однако, и тут обошлось не без недостатков: ограниченный ряд емкостей (исходно только 2300 мАч), немалый по сравнению с LiPo вес, низкое напряжение на банке и достаточно большая его просадка под нагрузкой. Если бы не это - они могли бы занять нишу LiPo. Но пока что их больше используют для тренировочных полетов, оставляя для соревнований более эффективные LiPo. Чуть позже батареи с аналогичной химией стали выпускать и другие фирмы, однако, близкого к оригиналу результата, насколько нам известно, пока никто не добился. Все китайские аналоги имеют меньшие отдаваемые токи, что сводит на «нет» все остальные их достоинства.

Эксплуатация и обслуживание

Для заряда всех типов вышеперечисленных типов батарей используется всего два основных метода: метод постоянного тока с некоторыми вариациями (для NiCd, NiMh) и метод CC-CV (для Pb, LiPo, LiFePO4). Подробно останавливаться на особенностях зарядки каждого типа мы не будем, рассмотрим лишь NiCd, NiMh и LiPo.

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

Практически, все зарядные устройства для таких аккумуляторов используют метод «дельта пик» (он же «–dV», он же «минус дельта ВЭ») для определения окончания заряда. В данном методе используется свойство никелевых аккумуляторов, при котором в конце заряда напряжение на аккумуляторе начинает снижаться на некоторую незначительную величину (порядка до 30 мВ из расчета на одну банку). При этом абсолютное значение напряжения не имеет никакого значения, оно может быть от 1.4 до 2.0 В на одну банку. Точно также не имеет никакого значения абсолютное значение номинальной емкости аккумулятора, что объясняет отсутствие такого параметра настройки у многих зарядных устройств. У NiMh аккумуляторов спад напряжения в конце заряда менее выражен, чем у NiCd аккумуляторов, и может составлять всего лишь 2 мВ на банку (ZeroPeak).

Метод определения конца заряда «дельта пик» хорошо работает при токах заряда от 0.3C и выше, где С - номинальная емкость аккумулятора. Например, для аккумулятора емкостью 1500 мАч минимальный ток заряда, при котором будет уверенно работать метод «дельта пик», равен 0.3*1500=450 мА~0.5 А. При меньших токах существует опасность того, что напряжение на аккумуляторе в конце заряда не начнет снижаться, а зависнет на некотором уровне, зарядное устройство не сможет точно определить факт окончания заряда и не отключится, а перезаряд при токах более 0.1С наносит вред аккумулятору, уменьшая его емкость. Максимальное же значение тока ограничивается типоисполнением конкретного аккумулятора. Это значение, как правило, не написано на самой батарее, но его можно найти в технических характеристиках на сайте производителя элементов батареи. На сегодняшний день, практически, все NiCd и NiMh аккумуляторы способны заряжаться током до 1С при условии нормального (естественного воздушного) охлаждения. Но существуют аккумуляторы, способные без последствий выдерживать зарядные токи до 4С (15-ти минутный режим заряда). Такие аккумуляторы обычно используются в качестве силовых в электромоделях, а поскольку литиевые аккумуляторы, практически, полностью заняли нишу силовых электроустановок, то встречаются эти аккумуляторы довольно редко.

Итак, верхняя граница зарядного тока определяется не только типоисполнением, но и условиями охлаждения конкретного аккумулятора. Как известно, в процессе заряда NiCd и NiMh аккумуляторы разогреваются тем сильнее, чем больше зарядный ток, причем у металлгидридных аккумуляторов разогрев заметно сильнее, особенно в конце заряда. Максимальная допустимая температура при заряде для большинства аккумуляторов равна 55-60 градусам. Таким образом, зарядный ток нужно подбирать так, чтобы температура при заряде не превысила указанный порог. Чем хуже условия охлаждения, тем меньше должен быть зарядный ток, но для надежной работы метода «дельта пик», как уже было обозначено выше, он должен быть не менее 0.3С. На сегодняшний день самое массовое применение NiCd и NiMh аккумуляторов у моделистов - это передатчики аппаратуры управления и бортовое питание на моделях с ДВС установками. И в одном, и другом случае аккумуляторы имеют ограниченное охлаждение. Но, как правило, ток заряда порядка 0.5С не вызывает перегрева аккумуляторов в передатчиках и на борту. Из всего вышесказанного следует вывод, что для аккумуляторов данного применения оптимальным является ток заряда 0.3-0.5С. Например для передатчика Spektrum DX7 с аккумуляторами 1500 мАч оптимальным является ток заряда от 0.3*1500=450 мА до 0.5*1500=750 мА. Кроме того, во многих передатчиках в цепи аккумулятора встроен предохранитель, во избежание сгорания которого не следует заряжать аккумулятор передатчика током более 1А.

Как было отмечено выше, NiCd и NiMh аккумуляторы имеют так называемый «эффект памяти». Практический смысл его в том, что аккумулятор «привыкает» отдавать в процессе разряда ту емкость, которую он получил при последних зарядах. Если заряжать полуразряженный аккумулятор, просто «добивая» его до максимума, то со временем он начинает отдавать только эту половину, теряя емкость. Потому для продолжительной жизни никелевых аккумуляторов их следует циклировать (достаточно хотя бы один раз в месяц) для предотвращения появления этого эффекта. Процесс циклирования заключается в полном разряде аккумулятора с последующим его зарядом. Если аккумулятор уже старый и уже имеет уменьшенную емкость из за эффекта памяти, то его можно реанимировать в небольших пределах (но не полностью - до 10-20%). Для такой процедуры достаточно сделать 3 цикла, все последующие циклы обычно уже не дают положительного результата.

Теперь от теории разряда перейдем к практике. Зарядные устройства имеют две основных настройки для разряда аккумуляторов - ток разряда и напряжение, до которого следует разряжать аккумулятор. С током всё просто - чем меньше ток разряда, тем эффективнее процесс (полнее разряд). Если у вас нет ограничений по времени, ток 0.1А будет правильным выбором, а если времени совсем в обрез, то токи разряда до 0.3С вполне допустимы. С напряжением, до которого разряжать аккумулятор, дело обстоит немного сложнее. Смысл в том, чтобы не допустить полного разряда (до нуля) хотя бы одной банки в батарее. Например, имем последовательную батарею, состоящую из 4 банок, причем одна из банок имеет несколько меньшую емкость (что встречается очень часто). При разряде эта банка первая разрядится, и напряжение на ней начнет падать вплоть до нуля, в то время как на остальных банках напряжение будет номинальным. Если в этот момент не остановить процесс разряда батареи, то по банке, на которой напряжение равно нулю, будет всё также протекать ток разряда остальных банок, перезаряжая ее в обратной полярности. Такой режим является губительным для «самого слабого звена» батареи. Отсюда для аккумулятора, состоящего из N последовательных банок минимальное напряжение разряда можно определить по формуле: U=1.25*(N-1). Например, для передатчика Spektrum DX7, в котором батарея состоит из 8 последовательных банок, минимальное напряжение разряда будет равно: U=1.25*(8-1)=8.75~8.8 вольт. Но в некоторых зарядных устройствах напряжение разряда задается из расчета на одну банку, тогда формула будет такая: U=1.25*(N-1)/N. Для DX7 это будет U=1/25*(8-1)/8=1.09~1.1 вольт/банку. Кроме двух основных настроек режим циклирования может иметь ещё некоторые настройки, например время паузы между циклами. Это время нужно для того, чтобы дать аккумулятору остыть после заряда перед тем, как начать разряд.

Один из часто задаваемых вопросов: можно ли заряжать NiCd или NiMh батареи в несколько приемов, зарядив их частично, а затем позже продолжив заряд? Ответ такой: в целом можно, но не следует включать заряд немедленно после его прекращения - следует выждать некоторое время. И не следует ставить на заряд уже полностью заряженную батарею - при этом метод определения конца заряда -dV может не сработать, и батарея будет перезаряжена, что не пойдет ей на пользу. Кроме того, если между такими дозарядами батарею использовать, то второй заряд будет "добивать" батарею после отдачи ей части емкости, что напрямую повлияет на возникновение эффекта памяти. Так что в отдельных случаях это допустимо, но не как постоянная практика, если не делать регулярного циклирования.

Некоторые зарядные устройства для NiCd и NiMh имеют альтернативные методы заряда, такие, как Reflex. Смысл их в том, что в процессе заряда прямым током батарее периодически даются кратковременные импульсы обратного тока разряда. По некоторым данным это уменьшает проявление эффекта памяти, разрушая образованные внутри кристаллы и улучшая рассасываемость выделяемых внутри пузырьков газов, что дает возможность дозаряжать батарею без циклирования. Трудно точно сказать, насколько этот метод эффективен на практике, но если он имеется в зарядном устройстве - почему бы и не попробовать?

LiPo (литий-полимерные) аккумуляторы

Эти аккумуляторы по праву заслужили такие отзывы как «самые привередливые, опасные, ненадежные и маложивущие», но несмотря на все эти недостатки, использование данных аккумуляторов в авиамодельном мире стремительно растет, так как они имеют непревзойденный показатель удельной (на массу) энергии, а также способны отдавать большие токи разряда. Так что в моделях с силовой электроустановкой этим аккумуляторам, практически, нет пока альтернативы.

Кратко перечислим основные правила эксплуатации LiPo аккумуляторов, дав ниже подробные объяснения причин для интересующихся:

1. При заряде LiPo заряжайте их только специальным зарядным устройством для LiPo и только под присмотром. В случае какого-то внутреннего повреждения во время заряда может произойти самовозгорание и пожар.
2. Никогда не заряжайте аккумулятор без балансира - устройства, контролирующего и выравнивающего напряжения на каждой «банке» в последовательно соединенной батарее. Для устройств типа iMax B6, G.T.Power A6 и им подобных, имеющих встроенный балансир и выбор методов заряда, всегда выбирайте режим Balance Charge вместо просто LiPo Charge. Последний не балансирует и не контролирует каждую из банок.
3. Для заряда используйте ток величиной не более 1С, если вы на поле, и около 0.5-0.7С в домашних условиях. По некоторым данным, более медленный заряд продлит срок службы аккумулятора.
4. При настройке регулятора хода (ESC) всегда настраивайте его режим отсечки LiPo. При выборе режима NiMh он не отключит питание двигателя вовремя, и батарея будет необратимо выведена из строя.
5. По возможности не доводите батарею до полного разряда - лучше оставить в ней 10-20% емкости и зарядить ее повторно, чем убить ее за один полет.
6. Если есть возможность - старайтесь использовать батареи с некоторым запасом по номинальному току. Это продлит срок их службы.

Как указывалось выше, LiPo батареи очень критичны к режиму эксплуатации. При заряде их используется метод CC-CV. То есть, исходно батарея заряжается некоторым фиксированным током (constant current - CC), при этом напряжение на банках батареи растет. По достижении напряжения 4.20 вольт на каждой банке батарея уже заряжена примерно на 95%, и зарядное устройство переходит ко второй фазе алгоритма заряда CV (constant voltage, постоянное напряжение). При этом ток постепенно снижается так, чтобы напряжение на каждой банке не превысило 4.20 вольт. Эта величина определяется химией LiPo батареи. Превышение ее допустимо не более, чем до 4.25 вольт, а достижение значения 4.30 и выше чревато взрывным самовозгоранием.

Фазой заряда CV в полевых условиях можно пренебречь: она добавляет только последние 5% емкости, но занимает от трети до половины общего времени заряда при заряде током 1C. Потому можно прекращать заряд по достижении батареей максимального значения напряжения, экономя время.

При разряде в процессе эксплуатации недопустимо снижение напряжения на каждой из банок ниже 3-х вольт. Достаточно один раз посадить LiPo батарею до 2.5 вольт на банку, и ее, как правило, можно будет выбросить. После такого разряда батарея может «вздуться», она теряет более половины емкости и перестает отдавать номинальный ток разряда. В течение некоторого времени батарея теряет емкость, практически, полностью.

Отсюда проблема эксплуатации LiPo заключается в том, что при заряде необходимо контролировать напряжение на каждой из банок, чтобы не вывести ее из строя, а при последующем разряде все банки разряжались одинаково, но не ниже допустимого минимума. Обычное зарядное устройство может контролировать напряжение на батарее в целом, но при большом разбросе напряжений на банках вполне возможен вариант, когда на одной из них еще 4.05 вольт, а на второй уже 4.30. Зарядка видит только суммарные 8.35 и продолжает заряжать батарею до 8.40 (4.20*2). При этом напряжение на второй банке превышает 4.30, что с большой вероятностью приводит к возгоранию. При разряде несбалансированной батареи эта же проблема способна привести к переразряду отдельно взятой банки несмотря на то, что суммарное напряжение еще выше, чем 3 вольта * количество банок.

Для решения этой проблемы используется специальное устройство, называемое балансиром. В процессе заряда оно следит за напряжением на каждой из банок и выравнивает их между собой. При этом зарядное устройство отключит заряд вовремя, не выводя аккумулятор из строя. При разряде сбалансированной батареи на модели все банки также разряжаются более-менее равномерно, и при снижении суммарного напряжения до 3 вольт на банку должна сработать отсечка регулятора, что предотвратит выход батареи из строя. Многие современные зарядные устройства уже имеют встроенный балансир, которым обязательно следует пользоваться, подключая отдельный балансировочный разъем батареи наряду с силовым и выбирая соответствующий режим заряда. Для устройств, не имеющих встроенного балансира, следует купить отдельное внешнее устройство.

Ток заряда LiPo не должен превышать емкости аккумулятора, т.е. максимальный ток заряда равен 1С. Например, для заряда аккумулятора емкостью 2200 мАч ток заряда не должен превышать 2.2 А. В то же время не следует ставить ток заряда меньше, чем 0.5С. В некоторых зарядных устройствах (Duratrax ICE) стоит неотключаемый таймер на заряд LiPo аккумуляторов на 3 часа. Поставив маленький ток, зарядное устройство может не зарядить аккумулятор полностью, а отключиться по таймеру. Есть зарядные устройства, у которых этот таймер настраивается, но большого смысла в его применении для заряда LiPo нет.

Принудительно разряжать или циклировать литиевый аккумулятор нет никакого смысла, так как эти батареи не имеют эффекта памяти и должны храниться в заряженном состоянии (наиболее оптимальный режим хранения - 60% заряда). Ток разряда аккумулятора может быть любым, но не более его номинала, указанного на этикетке также в единицах величины емкости C. Например 20С на аккумуляторе 1000 мАч означает, что максимальный непрерывный ток разряда равен 20*1000=20000 мА=20 А. Следует заметить, что если не использовать аккумулятор на пределе его возможностей, то он проживет гораздо большее количество циклов. Скажем, для одного из фирменных дорогих LiPo с номинальным током 30С приводятся такие типовые данные: при заряде и разряде токами в 1С производитель гарантирует 500 циклов без существенной потери емкости. При заряде током 1С, но разряде максимальным допустимым током в 30С количество циклов составит всего 50 (упадет в 10 раз). Это дает хороший пример того, почему желательно иметь запас по току батареи при подборе силовой установки.

В процессе заряда или разряда не допускайте нагрева аккумулятора более 60 градусов. Место, в которое установлен аккумулятор на модели, должно быть хорошо вентилируемым и даже продуваемым. Не оборачивайте аккумулятор теплоизоляционными материалами (поролон, пенопласт). Если так уж случилось, что аккумулятор нагрелся, дайте ему остыть перед использованием (зарядом или разрядом).

Пример заряда LiPo GE 2200 25C 22V

В качестве иллюстрации к сказанному ниже показан типовой график заряда литий-полимерной сборки из двух последовательно соединенных аккумуляторов GE 2200 25C 11.1V после использования их на вертолете Hurricane 550. График получен с помощью зарядного устройства Infinity 960SR с внешним балансиром LCB12s, подключенного к компьютеру.

GE 2200 25C 6s charge

Красной линией показан ток заряда, синей - напряжение на батарее, цветными - 6 графиков напряжений на каждой из банок полученной сборки.

На графике видно следующее:

1. Изначально устанавливается ток, равный 0.5С (1.1А), и этим током выполняется заряд батареи до примерно 95% ее емкости (фаза постоянного тока, CC). При этом напряжение на батарее постепенно растет примерно от 19.8 вольт до 25.2.
2. Провал тока на 10-й минуте заряда вызван тем, что зарядное устройство измеряло внутреннее сопротивление батареи (важный параметр для оценки состояния батареи).
3. После достижения батареей максимального напряжения (4.2 вольта на банку или 25.2 на всю батарею) ток начал снижаться, а напряжение стало постоянным (фаза постоянного напряжения, CV).
4. Хорошо видно, что на первых 10% емкости разброс напряжений банок максимальный. Это одна из причин, почему не рекомендуется разряжать батарею на 100% - именно на последних 10% происходит быстрое падение напряжений на банках с большим разбросом, и именно в этот момент можно вывести батарею из строя.
5. Видно, что за первые 10 минут заряда балансир, практически, полностью выровнял напряжения на банках. Колебания тока на 50-й минуте вызваны небольшим разбросом параметров банок - снова работа для балансира, который неизбежно влияет на ток заряда, поддерживаемый устройством.
6. Заряд выполняется, пока ток не упадет до величины, равной 1/10 от начальной. Был установлен щадящий режим заряда током 1.1А, и отключение произошло при падении тока ниже 0.11А. Значения полученной батареей емкости, тока и напряжения в момент окончания заряда отображены численно.

Из графика можно сделать выводы, что конкретная батарея имеет заявленную емкость (в данном случае при номинале в 2200 мАч она после полета получила 2190 мАч. Кроме того, баланс банок батареи, практически, идеальный, что непосредственно указывает на качество данного бренда и конкретной батареи, в частности.

Практические советы по основным типам батарей

NiMh, NiCd

Ток заряда: от 0.3С до 0.5С, где С - емкость аккумулятора в ампер-часах. При условии хорошего охлаждения и контроля температуры - до 1С.

Ток разряда: от 0.3С до 0.1А (чем меньше – тем лучше, но дольше).

Минимальное напряжение при разряде определяется как U=1.25*(N-1) или в расчете на каждую банку U=1.25*(N-1)/N.

Пример для батареи NiMh 1500 мАч 8 банок (передатчик Spektrum DX7):
- ток заряда 0.5-0.8 А;
- ток разряда при циклировании 0.1-0.4А (меньше - лучше);
- минимальное напряжение на батарее 8.8 вольт или 1.1 вольт/банку.

LiPo

Ток заряда: 0.5-1С (меньше - лучше).

Ток разряда: циклирование не требуется, но в целом не выше номинального, выраженного в единицах емкости C.

Минимальное напряжение: 3 вольта на банку.

Пример для батареи LiPo 2200 20C 11.1в:
- ток заряда 1.1-2.2 А;
- ток разряда: до 44А;
- минимальное напряжение на батарее: 9 вольт (но не менее 3 вольта на каждой из банок).