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

Не претендуючи на дуже повне висвітлення цієї теми, ми постаралися дати основні відомості щодо застосовуваних на даний час у моделізмі типів батарей, що перезаряджаються.

Перша частина статті коротко описує основні типи акумуляторів. Друга частина дає деякі теоретичні відомості про принципи заряду акумуляторів, їх експлуатацію та обслуговування. І, нарешті, у третій частині даються практичні поради для тих, хто хоче лише зарядити свої батареї.

Основні види акумуляторів, що використовуються моделістами

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-фосфатиы).

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

Нікель-кадмієві (NiCd) акумулятори часто використовуються як батареї живлення передавачів, а також як силові в тих випадках, де важливі струми, що віддаються, 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 лише для живлення передавача та в деяких випадках – бортової електроніки на ДВС. Для живлення силової установки слід застосовувати промислові акумулятори, які розраховані на великі струми. NiCd акумулятори характерні своєю невибагливістю, але мають досить велику вагу при невеликій питомій ємності. Недоліком, який дещо ускладнює їх експлуатацію, є так званий «ефект пам’яті», про який ми скажемо трохи нижче.

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

В останні роки для літаючих моделей набули великого поширення літій-полімерні (LiPo) акумулятори. Вони легкі, мають дуже високу ємність по відношенню до їх ваги і розміру, високі струми, що віддаються, можливість швидкого заряду. Завдяки цьому вони стали, мабуть, основним джерелом енергії для силових установок моделей, що літають. На жаль, не обійшлося і без недоліків: акумулятори LiPo виявилися досить критичними до режимів експлуатації. У разі розряду такої батареї нижче за допустимий вона незворотно виходить з ладу. Перевищення напруги на батареї може призвести до вибухового самозаймання. Тим не менш, переваги їх, як правило, переважують, а тому їх все ж таки використовують, дотримуючись певних правил використання.

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.

Експлуатація та обслуговування

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

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

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

Метод визначення кінця заряду “дельта пік” добре працює при струмах заряду від 0.3C і вище, де С – номінальна ємність акумулятора. Наприклад, для акумулятора ємністю 1500 мАг мінімальний струм заряду, при якому впевнено працюватиме 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 знижуватись , а зависне на певному рівні, зарядний пристрій не зможе точно визначити факт закінчення заряду і не відключиться, а перезаряд при струмах більше 0.1С завдає шкоди акумулятору, зменшуючи його ємність. Максимальне значення струму обмежується типовиконанням конкретного акумулятора. Це значення, як правило, не написано на 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-хвилинний режим заряду). Такі акумулятори зазвичай використовуються як силові в електромоделях, а оскільки літієві акумулятори практично повністю зайняли нішу силових електроустановок, то зустрічаються ці акумулятори досить рідко.

Отже, верхня межа зарядного струму визначається як типовиконанням, а й умовами охолодження конкретного акумулятора. Як відомо, у процесі заряду NiCd і NiMh акумулятори розігріваються тим сильніше, чим більше зарядний струм, причому у металгідридних акумуляторів розігрів помітно сильніший, особливо в кінці заряду. Максимальна припустима температура при заряді для більшості акумуляторів дорівнює 55-60 градусів. Таким чином, зарядний струм потрібно підбирати так, щоб температура заряду не перевищила зазначений поріг. Чим гірші умови охолодження, тим менше має бути зарядний струм, але для надійної роботи методу «дельта пік», як було зазначено вище, він повинен бути не менше 0.3С. На сьогоднішній день наймасовіше застосування NiCd і NiMh акумуляторів у моделістів – це передавачі апаратури керування та бортове живлення на моделях із ДВС установками. І в одному, і в іншому випадку акумулятори мають обмежене охолодження. Але, зазвичай, струм заряду порядку 0.5С викликає перегріву акумуляторів в передавачах і борту. З усього вищесказаного випливає, що для акумуляторів даного застосування оптимальним є струм заряду 0.3-0.5С. Наприклад, для передавача Spektrum DX7 з акумуляторами 1500 мАч оптимальним є струм заряду від 0.31500=450 мА до 0.51500=750 мА. Крім того, у багатьох передавачах в ланцюгу 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 зміст його в тому, що акумулятор звикає віддавати в процесі розряду ту ємність, яку він отримав при останніх зарядах. Якщо заряджати напіврозряджений 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 циклювати (достатньо хоча б один раз на місяць) для запобігання появі цього ефекту. Процес циклування полягає у повному розряді акумулятора з наступним його зарядом. Якщо акумулятор вже старий і вже має зменшену ємність через ефект пам’яті, його можна реанімувати в невеликих межах (але не повністю – до 10-20%). Для такої процедури достатньо зробити 3 цикли, всі наступні цикли зазвичай вже не дають позитивного результату.

Тепер від теорії розряду перейдемо до практики. Зарядні пристрої мають дві основні настройки для розряду акумуляторів – струм розряду та напруга, до якого слід розряджати акумулятор. Зі струмом все просто – чим менше струм розряду, тим ефективніший процес (повніше розряд). Якщо у вас немає обмежень за часом, струм 0.1А буде правильним вибором, а якщо часу зовсім обмаль, то струми розряду до 0.3С цілком допустимі. З напругою, до якої розряджати акумулятор, справа трохи складніша. Сенс у 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 трохи меншу ємність (що зустрічається дуже часто). При розряді ця банка перша розрядиться, і напруга у ньому почне падати до нуля, тоді як інших банках напруга буде номинальною. Якщо в цей момент не зупинити процес розряду батареї, то в банці, на якій напруга дорівнює нулю, буде 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, мінімальну напругу 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 дорівнює: U=1.25(8-1)=8.75~8.8 вольт. Але у деяких зарядних пристроях напруга розряду задається з розрахунку 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 розпочати розряд.

Одне з питань, що часто ставляться: чи можна заряджати NiCd або NiMh батареї в кілька прийомів, зарядивши їх частково, а потім пізніше продовживши заряд? Відповідь така: загалом 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 перезаряджена, що не піде на користь. Крім того, якщо між такими дозарядами батарею використовувати, другий заряд “добиватиме” 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 NiCd і NiMh мають альтернативні методи заряду, такі, як Reflex. Сенс в тому, що у процесі заряду прямим струмом батареї періодично даються короткочасні імпульси зворотного струму розряду. За деякими даними це зменшує прояв ефекту пам’яті, руйнуючи утворені всередині кристали і покращуючи розсмоктування газів, що виділяються всередині бульбашок, що дає можливість дозаряджати батарею без циклування. Важко точно сказати, наскільки цей метод ефективний практично, але якщо він є в зарядному пристрої – чому б і не спробувати?

LiPo (літій-полімерні) акумулятори

Ці акумулятори по праву заслужили такі відгуки як «найвибагливіші, небезпечні, ненадійні та маложивучі», але незважаючи на всі ці недоліки, використання даних акумуляторів в авіамодельному світі стрімко зростає, оскільки 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 поки альтернативи.

Коротко перерахуємо основні правила експлуатації LiPo акумуляторів, давши нижче докладні пояснення причин для тих, хто цікавиться:

1. Під час заряджання LiPo заряджайте їх лише спеціальним зарядним пристроєм для LiPo і лише під наглядом. У разі якогось внутрішнього пошкодження під час заряду може статися самозаймання та пожежа.
2. Ніколи не заряджайте акумулятор без балансу – пристрою, що контролює і вирівнює напруги на кожній «банку» в послідовно з’єднаній батареї. Для пристроїв типу iMax B6, G.T.Power A6 і подібних до них, що 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 не більше 1С, якщо ви на полі, і близько 0.5-0.7С в домашніх умовах. За деякими даними, повільніший заряд продовжить термін служби акумулятора. Додаток: деякі нові типи батарей типу Hyperion G3 допускають заряд струмами до 5C. В цьому випадку можна рекомендувати такий заряд у польових умовах, а в домашніх – 2-3C буде достатньо, хоча 1C вдома гірше не зробить :-)
4. При налаштуванні регулятора ходу (ESC) завжди налаштовуйте його режим відсікання LiPo. При виборі режиму NiMh він не відключить живлення двигуна вчасно, і батарея буде незворотно виведена з ладу.
5. По можливості не доводьте батарею до 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 їхньої служби.

Як вказувалося вище, батареї LiPo дуже критичні до режиму експлуатації. При заряді використовується метод CC-CV. Тобто вихідно батарея заряджається деяким фіксованим струмом (constant current – CC), при цьому напруга на банках батареї зростає. Після досягнення 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, постійна напруга). У цьому струм поступово знижується те щоб напруга кожному банку 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 самозайманням.

Фазу 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 після досягнення батареєю максимального значення напруги, заощаджуючи час.

При розряді в процесі експлуатації неприпустиме зниження напруги на кожній із 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 «здутися», вона втрачає більше половини ємності та 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 із банок, щоб не вивести її з ладу, а при наступному розряді всі банки розряджалися однаково, але не нижче за допустимий мінімум. Звичайний зарядний пристрій може контролювати напругу на батареї в цілому, але при великому розкиді напруги на банках цілком можливий варіант, коли на одній з них ще 4.05 вольт, а на другій вже 4.30. Зарядка бачить лише сумарні 8.35 та продовжує заряджати батарею до 8.40 (4.20*2). При цьому напруга на другому банку перевищує 4:30, що з великою ймовірністю призводить до займання. При розряді незбалансованої батареї ця проблема здатна призвести до перерозряду окремо взятої банки незважаючи на те, що сумарна напруга ще вище, ніж 3 вольта * кількість банок.

Для вирішення цієї проблеми використовується спеціальний пристрій, який називається балансиром. У процесі заряду воно стежить за напругою на кожній із банок і вирівнює їх між собою. При цьому зарядний пристрій вимикає заряд вчасно, не виводячи акумулятор з ладу. При розряді збалансованої батареї на моделі всі банки також розряджаються більш-менш рівномірно, і при зниженні сумарної напруги до 3 вольт на банку повинна спрацювати відсікання регулятора, що запобігатиме виходу батареї з ладу. Багато сучасних зарядних пристроїв вже мають вбудований балансир, яким обов’язково слід користуватися, підключаючи окремий балансувальний роз’єм батареї поряд із силовим та 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 мАг струм заряду не повинен перевищувати 2.2 А. У той же час не слід ставити струм заряду менше, ніж 0.5С. У деяких зарядних пристроях (Duratrax ICE) стоїть таймер, що не відключається, на заряд LiPo акумуляторів на 3 години. Поставивши маленький струм, зарядний пристрій може не повністю зарядити акумулятор, а відключитися по таймеру. Є зарядні пристрої, які мають цей таймер налаштовується, але великого сенсу в його застосуванні для заряду LiPo немає.

Примусово розряджати або циклувати літієвий акумулятор немає сенсу, оскільки 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 акумуляторі 1000 мАч означає, що максимальний безперервний струм розряду дорівнює 20 * 1000 = 20000 мА = 20 якщо не використовувати акумулятор на межі його можливостей, то він проживе набагато більше циклів. Скажімо, для одного з фірмових дорогих LiPo з номінальним струмом 30С наводяться такі типові дані: при заряді та розряді струмами в 1С виробник гарантує 500 циклів без суттєвої втрати ємності. При заряді струмом 1С, але розряді максимальним допустимим струмом 30С кількість циклів складе всього 50 (впаде в 10 разів). Це дає гарний приклад того, чому бажано мати запас струму батареї при підборі силової установки.

У процесі заряду або розряду не допускайте нагрівання акумулятора понад 60 градусів. Місце, в яке встановлений акумулятор на моделі, має бути добре вентильованим і навіть продувається. Не обертайте акумулятор теплоізоляційними матеріалами (поролон, пінопласт). Якщо так 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 збірки з двох послідовно з’єднаних акумуляторів GE 2200 25C 11.1V після використання їх на вертольоті Hurricane 550. Графік отриманий за допомогою зарядного пристрою Infinity 960SR з зовнішнім балансом.

Червоною лінією показаний струм заряду, синьою – напруга на батареї, кольоровими – 6 графіків напруг на кожній із банок отриманої збірки.

На графіку видно таке:

1. Спочатку встановлюється струм, що дорівнює 0.5С (1.1А), і цим струмом виконується заряд батареї приблизно до 95% її ємності (фаза постійного струму, CC). При цьому напруга на батареї поступово зростає 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 оцінки стану батареї).
3. Після досягнення батареєю максимальної напруги (4.2 вольта на банку або 25.2 на всю батарею) струм почав знижуватися, а напруга стала постійною (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 струм заряду, підтримуваний пристроєм.
6. Заряд виконується, поки струм не впаде до величини, що дорівнює 1/10 від початкової. Було встановлено щадний режим заряду струмом 1.1А, і відключення сталося під час падіння струму нижче 0.11А. Значення отриманої батареєю ємності, струму та напруги в момент закінчення заряду відображено чисельно.

З графіка можна зробити висновки, що конкретна батарея має заявлену ємність (у 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 0.3С до 0.5С, де С – ємність акумулятора в ампер-годиннику. За умови хорошого охолодження та контролю температури – до 1С.

Струм розряду: від 0.3С до 0.1А (що менше – то краще, але довше).

Мінімальна напруга при розряді визначається як U=1.25(N-1) або з 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 циклуванні 0.1-0.4А (менше – краще);е);
• 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 від номінального, вираженого в одиницях ємності C.

Мінімальна напруга: 3 вольти на банку.

Приклад для батареї LiPo 2200 20C 11.1в:

• струм заряду 1.1-2.2 А;
• струм розряду: до 44А;
• мінімальна напруга на батареї: 9 вольт (але не менше 3 вольти на кожній із банок).

Джерело: www.os-propo.info