Литиево-полимерными аккумуляторами оснащаются практически все современные электронные гаджеты. Широкое применение они нашли на летающих радиоуправляемых моделях, квадрокоптерах, вертолетах и самолетах. У литий-полимерных аккумуляторов есть немало преимуществ, в том числе - высокая плотность энергии, низкий саморазряд и отсутствие так называемого «эффекта памяти».

В результате для моделей с силовыми электроагрегатами Li Pol батарее практически не существует достойной альтернативы. Следует ожидать, что они будут применяться все более широко, особенно в таких областях, как непилотируемые летательные аппараты, электромобили и т.п.

Несмотря на все преимущества, LiPol батареи имеют репутацию капризных, опасных и маложивущих источников питания. На самом деле, эти недостатки несколько преувеличены. Если их правильно использовать, проблемы будут сведены к минимуму.

Правила зарядки

Для того чтобы в эксплуатации источника питания не возникало проблем, необходимо правильно заряжать LiPo батареи. В противном случае велик риск их повреждения и даже самовозгорания. Рассмотрим, как правильно зарядить литий полимерный аккумулятор , чтобы избежать возможных проблем:

• Зарядить LiPo аккумулятор любым ЗУ не получится, для этого требуются специальные зарядные устройства. Связано это с особенностями двухфазного процесса зарядки.

• Зарядка аккумуляторов Li Pol проходит в две фазы (метод CC-CV). На первой стадии напряжение на всех банках АКБ возрастает. К окончанию фазы оно достигает 4,2 Вольт. По сути, к этому моменту зарядка Li Pol аккумуляторов достигает 95%. Дальше начинается вторая фаза. Для недопущения перезаряда, губительного для литий-полимерной АКБ, ток снижается. В случае превышения напряжения более 4,25 Вольт увеличивается риск самовозгорания.
• Не рекомендуется допускать полной разрядки источника питания, перед повторной зарядкой в нем должно оставаться около 10-20%, иначе он быстро выйдет из строя.
• Важно следить, чтобы напряжение не падало ниже 3 Вольт на каждой банке. При таком снижении показателей напряжения велик риск того, что батарея может вздуться. При этом вздувшийся LiPo аккумулятор потеряет более 50% своей емкости. Если вздулась LiPo батарея, ее останется только выбросить - потеря емкости необратима.

То, что литий-полимерные источники питания вздуваются, является одной из серьезных проблем их эксплуатации. Все банки должны заряжаться и разряжаться равномерно. При этом зарядное устройство для литий полимерных батарей отслеживает только суммарное напряжение, но при большом разбросе показателей вероятность того, что LiPo аккумулятор вздулся увеличивается в разы. Также это приводит к перезаряду отдельных банок, увеличению риска самовозгорания.

Для решения этой проблемы зарядку Li Pol батарей необходимо выполнять с использованием балансира, который способен отслеживать напряжение на каждой банке, либо ЗУ со встроенным балансиром. Не заряжайте источник питания ЗУ с таймером. Если ток будет недостаточным, ЗУ отключится, не зарядив его полностью. Ток заряда не должен превышать 1С и быть меньше 0,5 С. Также нужно помнить, что чем больше емкость LiPo аккумулятора, тем дольше он будет заряжаться.

Эксплуатация

Для того чтобы продлить срок службы Li Pol устройств или, как минимум, не сократить его, важна и правильная эксплуатация аккумуляторов. Когда мы заряжаем источник питания, нельзя допускать его нагрева выше 60 градусов. Если нагрев все же произошел, прежде чем использовать батарею, ей нужно дать остыть. Также нельзя и ставить на зарядку перегревшийся накопитель.

На хранение нельзя оставлять полностью разряженную АКБ. Обязательно зарядите ее. Самые оптимальные показатели - 60%. В целом, при соблюдении этих несложных правил, проблем с использованием литий-полимерных батарей не возникает.

Портативные зарядные устройства стали неотъемлемым элементом современного обихода. Качество аккумуляторов – главное условие их работоспособности, эффективности и безопасности. Производители зарядных устройств используют в конструкции два вида аккумуляторов – литий-ионный и литий-полимерный. Для рядового потребителя, незнакомого с особенностями разных видов, часто становится проблемой выбрать тот или иной тип аккумулятора.

В чем отличие между этими разновидностями, какой из них выбрать будет правильнее – все эти вопросы требуют детальных знаний о каждом типе. В этой статье мы раскроем особенности литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, познакомим с их техническими свойствами, методами зарядки, сроком службы.

Отличия литий-ионного и литий-полимерного аккумуляторов

Модели аккумуляторов, произведенных по разным технологиям, выполняют одну и ту же функцию энергообеспечения. Особенности конструкции каждого типа влияют на сообщаемую мощность, долговечность эксплуатации, степень защиты от взрыва. Нельзя утверждать однозначно, что более современный тип аккумулятора лучше устаревшего. В обеих технологиях есть практические преимущества и недостатки. Модели Li-pol и Li-ion имеют сходные схемы работы, но отличаются конфигурацией и техническими параметрами.

Чтобы понять, что лучше - Li-polymer или Li-ion, рассмотрим подробно каждый вид в отдельности. Сравнивать типы аккумуляторов и делать выбор в сторону того или иного вида следует по следующим показателям:

• цена;
• соотношение веса и емкости;
• безопасность;
• целевое использование в устройстве конкретного назначения;
• температурный режим эксплуатации.

Выбирая один из двух видов, учитывайте сферу применения и финансовые возможности.

Литий-ионные аккумуляторы: особенности и характеристики

Изначально модели на базе лития выпускались с применением марганца и кобальта в качестве основного элемента (активный электролит). Современные батареи литий-ионного типа претерпели конструктивные изменения. Их продуктивность зависит не от использованного вещества, а от порядка размещения элементов в блоке. Составные части современной батареи Li-Ion – электроды и сепаратор. Материалы – алюминий и медь (медные аноды и алюминиевая фольга в качестве катодной основы).

Специальные клеммы-токосъемники обеспечивают внутреннее соединение анода и катода, а электролитная пропитка массы сепаратора задает благоприятную среду для обслуживания заряда. Положительные заряды ионов лития запускают химические реакции, формируют связи и обеспечивают выход энергии. Принцип действия источника питания на литий-ионной базе напоминает работу полноформатной гелевой АКБ.

Литий-полимерные батареи

Поскольку литий-ионные модели не справляются со многими современными задачами, постепенно их начали вытеснять полимерные элементы. Батареи Li-ion не обладали высоким уровнем безопасности и довольно дорого стоили. Чтобы устранить эти недостатки и проблемы эксплуатации, сделать батареи более эффективными, разработчики приняли решение о смене электролита. Вместо пропитки пористого сепаратора в конструкции батареи применили полимерные электролиты.

Литий-полимерный элемент имеет толщину 1 мм, что позволяет сделать размеры аккумулятора компактными. Замена жидких электролитов полимерными пленками исключило высокий риск воспламенения батареи и сделало ее безопасной. Представленная ниже сравнительная таблица поможет наглядно определить, чем отличается Li-ion от Li-Pol.

Конструкция полимерно-литиевых аккумуляторных устройств полностью исключает присутствие электролита в форме жидкости или геля. Наглядно представить себе разницу технологий можно при рассмотрении принципа работы современных автомобильных питающих устройств. Интересы безопасности стали причиной исключения из повседневной практики жидкостных электролитов. Но в автомобильных АКБ до последнего времени использовались пористые структуры с пропиткой.

Внедрение полимерно-литиевых элементов предполагало уже твердотельную основу. Характерным отличием от литий-ионных аккумуляторов является процесс контактного действия пластины активного вещества с литием и предотвращение образования дендритов во время циклирования. Именно эта особенность защищает аккумуляторные элементы от возгорания или взрыва.

Срок службы

Как литий-ионные, так и литий-полимерные аккумуляторы подвержены интенсивному старению. Они обеспечивают около девятисот полных циклов зарядки, после чего становятся непригодными. При этом не имеет значение, насколько активной была эксплуатация устройства. Если батарею длительное время вообще не использовали, сокращение ресурса, тем не менее, будет иметь место.

Уже через год емкости становятся существенно уменьшенными в ресурсе, а через два или три года можно констатировать, что батарея и вовсе вышла из строя. Это общий недостаток литиевых аккумуляторов, и выбирать более долговечную модель стоит только в зависимости от репутации производителя и отзывов о конкретных моделях.

Дополнительная защита

Если рассматривать вопрос о том, в чем разница Li-ion от Li-Pol аккумуляторов, стоит обратить внимание на встроенные защитные системы. Модели, работающие на полимерно-литиевой основе, требуют использования дополнительных функций внутренней защиты. Для них характерны случаи перегорания из-за перегрева элементов. К таким последствиям приводит внутреннее напряжение различных рабочих участков.

Для того, чтобы обезопасить устройство от несанкционированных перезарядов, от перегрева деталей и перегорания, в конструкции использована специальная стабилизирующая система и механизм ограничения тока. Это повышает безопасность литий-полимерных моделей, но ощутимо повышает стоимость аккумулятора за счет использования защитных элементов.

Частично в конструкции задействованы электролитические компоненты в гелевой формации. Комбинированные элементы питания используются во многих портативных приборах. Они крайне чувствительны к температурным перепадам и требуют строгого соблюдения правил эксплуатации. Аккумулятор на полимерной базе можно использовать в устройствах с нагревом в диапазоне 60-100 градусов.

Производители заключают внутреннюю часть в корпус с теплоизолирующими свойствами – использовать такие аккумуляторы удобно в жарком климате. В условиях, где температурный режим не соответствует требованиям эксплуатации, элементы с полимерной составляющей применяются как резервные.

Особенности зарядки аккумуляторов

Чтобы пополнить заряд литий-полимерного аккумулятора, потребуется не менее трех часов зарядки. При этом блок не нагревается. Предусмотрено два этапа наполнения. Первый протекает до установки пикового режима, который поддерживается до тех пор, пока зарядка не достигнет 70%. При нормальном режиме напряжения набирается остаточный заряд 30%. Подзарядку нужно выполнять по строгому графику, дожидаясь полной разрядки и проводя процедуру через каждые 500 часов использования устройства. Таким режимом поддерживается постоянный объем наполнения.

Подключать аккумулятор необходимо только к стабильно работающей электросети, без перепадов напряжения и помех. Эксплуатировать следует только соответствующие зарядные приборы, совпадающие по заявленным в описании характеристикам. Важный момент: в процессе зарядки все разъемы должны быть подключены корректно, нельзя допускать размыкания. Элементы Li-Pol крайне чувствительны ко всевозможным перегрузкам, превышенным показателям тока, механическим ударам и переохлаждению. Следует следить за герметичностью твердотельных элементов.

Элементы Li-ion заряжаются примерно по таким же принципам, как и полимерные, но являются более чувствительными и менее надежными в отношении безопасности. Время зарядки у обоих типов примерно одинаково, но полимерный элемент «капризнее» к качеству точки энергоснабжения.

Чем лучше литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы более привычны для потребителя, у них есть ряд эксплуатационных преимуществ:

• цена ниже литий-полимерного аккумулятора;
• стандартизированные типоразмеры позволяют не ошибаться при выборе модели;
• распространенная сфера применения.

Мощные литиевые аккумуляторы эффективно используются для устройств, требующих кратковременного высокого потребления тока. Температурный режим, как и у устройств на полимерной базе, имеет ключевое значение при эксплуатации.

Ощутимой разницы рядовой пользователь не ощущает, но, с точки зрения рациональности сферы применения, этот вид аккумуляторов удобен в зарядных устройствах для следующей техники:

• аккумуляторные инструменты (шуруповерты, пилы, болгарки);
• ноутбуки;
• мобильные телефоны;
• электромобили;
• домашние роботы;
• инвалидные коляски.

Прежде чем выбрать оптимальный тип зарядки, нужно точно знать, для какого прибора она будет использоваться. Особенно это важно, если планируется универсальное применение и обслуживание сразу нескольких портативных устройств.

Литий-полимерные аккумуляторы рационально применять там, где важными факторами являются вес и температура. Они «боятся» мороза и не очень удобны для переносных инструментов и гаджетов. Поэтому основная область использования:

• квадрокоптеры;
• страйкбольные ружья;
• игрушки;
• камеры видеонаблюдения.

Выбирая подходящий тип зарядного устройства, обратите внимание на сферу использования, стоимость и уровень безопасности. Читайте отзывы пользователей о товарах разных производителей и делайте выбор.

В числе самых распространенных видов аккумуляторов - литий-полимерные и литий-ионные. В чем их особенности?

Факты о литий-полимерных аккумуляторах

В литий-полимерных аккумуляторах задействуется твердый полимерный электролит. В самых первых образцах батарей рассматриваемого типа, созданных в 70-х годах, он присутствовал преимущественно в сухой модификации. Данный электролит фактически не проводил электрический ток, однако в нем мог осуществляться обмен ионами, образуемыми соединениями лития. В современных устройствах - ноутбуках, мобильных телефонах, гаджетах - используются аккумуляторы, в которых также есть некоторое количество электролита в виде геля.

Литий-полимерные батареи способны обеспечивать высокий уровень плотности электроэнергии в расчете на свои размеры и массу. Они характеризуются довольно невысоким саморазрядом, не обладают так называемым эффектом памяти - когда заряженный аккумулятор в процессе использования иногда разряжается только до уровня, который соответствует моменту постановки батареи на зарядку (то есть необязательно до нуля), а также могут работать при широком диапазоне температур.

Однако литий-полимерные аккумуляторы не всегда безопасны - особенно при перегреве или слишком долгой зарядке. Батареи рассматриваемого типа имеют порядка 800-900 рабочих циклов, при которых уровень потери емкости не превышает 20 %. Те же 20 % производительности аккумулятор теряет после 2 лет эксплуатации, даже если он не используется, а находится на хранении.

У литий-полимерных аккумуляторов зачастую очень небольшие размеры - теоретически возможен выпуск батарей толщиной порядка миллиметра. Применение металлического корпуса в их конструкции необязательно.

Факты о литий-ионных аккумуляторах

Конструкция литий-ионного аккумулятора состоит из электродов и сепараторов, пропитанных обычно жидким электролитом. Первые представлены катодами из алюминия и анодами из меди. Электрический заряд в аккумуляторах рассматриваемого типа переносится положительно заряженным ионом лития, который имеет способность встраиваться в кристаллические решетки других веществ и формировать таким образом новые соединения. Катоды в современных литий-ионных аккумуляторах, как правило, представлены соединениями лития с кобальтом, никелем, марганцем, а также фосфатом железа.

Батареи рассматриваемого типа характеризуются, как и литий-полимерные изделия, низким саморазрядом, но несколько превышают их по энергоемкости. Литий-ионные аккумуляторы нет необходимости периодически заряжать и разряжать в целях поддержания функциональности.

Устаревшие модели литий-ионных аккумуляторов считаются небезопасными в эксплуатации, но те, что включают в себя элементы из соединения лития с фосфатом железа, признаны достаточно надежными. Как и литий-полимерные устройства, батареи рассматриваемого типа теряют в емкости с течением времени - даже если не используются.

Сравнение

Главное отличие литий-полимерного от литий-ионного аккумулятора заключается в применении в структуре первых преимущественно сухого электролита (с небольшим процентом гелевого), в то время как во вторых используется, как правило, жидкий электролит. Это предопределяет возможность, прежде всего, не применять в конструкции литий-полимерных батарей металлическую оболочку и произвести аккумулятор небольшого размера и толщины. В литий-ионных аккумуляторах, в свою очередь, она необходима - иначе электролит вытечет. Важность использования металлической оболочки может затруднять уменьшение размера выпускаемых батарей фирмами-производителями.

Определив, в чем разница между литий-полимерным и литий-ионным аккумулятором, отразим выводы в небольшой таблице.

Таблица

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) мы получили возможность использовать литиевые аккумуляторы. При сравнимом весе одного элемента они имеют большую, по сравнению с NiCd и NiMH емкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше - 3.6V/элемент вместо 1.2V. Так что для большинства моделей достаточно батареи из двух или трех элементов.

Среди литиевых аккумуляторов различают два основных типа - литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (LiPo, Li-Po или Li-Pol). Разница между ними – в типе используемого электролита. В случае LiIon – это гелевый электролит, в случае LiPo – специальный полимер, насыщенный литийсодержащим раствором. Но для использования в силовых установках моделей наибольшее распространение получили литий-полимерные аккумуляторы, так что в дальнейшем разговор пойдет именно о них. Впрочем, жесткое разделение тут весьма условно, так как оба типа отличаются в основном используемым электролитом, и все, что будет сказано про литий-полимерные аккумуляторы, практически в полной мере относится и к литий-ионным (заряд, разряд, особенности эксплуатации, техника безопасности). С практической точки зрения нас волнует только тот момент, что литий-полимерные аккумуляторы в настоящий момент обеспечивают более высокие разрядные токи. Поэтому на модельном рынке в качестве источника энергии для силовых установок в основном предлагают именно их.

Основные характеристики

Литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости NiCd в 4-5 раз, NiMH в 3-4 раза. Количество рабочих циклов 500- 600, при разрядных токах в 2С до потери емкости в 20% (для сравнения - у NiCd- 1000 циклов, у NiMH – 500). Вообще говоря, каких–либо данных по количеству рабочих циклов пока еще очень мало и к приведенным в данном случае их характеристикам необходимо относиться критически. Кроме того, технология их изготовления совершенствуется, и возможно, что в данный момент цифры по этому типу аккумулятора уже другие. Так же, как и все аккумуляторы, литиевые подвержены старению. Через 2 года батарея теряет около 20% ёмкости.

Из всего многообразия силовых литий-полимерных аккумуляторов, имеющихся в продаже, можно выделить две основные группы - быстроразрядные (Hi discharge) и обычные. Отличаются они между собой максимальным разрядным током - его указывают или в амперах, или в единицах емкости аккумулятора, обозначаемой букой «С». Например, если ток разряда 3С, а емкость аккумулятора – 1 Ач, то ток будет равен 3 А.

Максимальный ток разряда обычных аккумуляторов, как правило, не превышает 3С, некоторые производители указывают 5С. Быстроразрядные аккумуляторы допускают ток разряда до 8-10С. Такие аккумуляторы несколько тяжелее своих слаботочных собратьев (примерно на 20%), и в названии у них после цифр емкости присутствуют буквы HD или HC, например KKM1500 – обычный аккумулятор емкостью 1500 мАч, а KKM1500HD – быстроразрядный. Хочется сразу сделать небольшое замечание для любителей экспериментов. В бытовой технике быстроразрядные аккумуляторы не применяются. Поэтому если вас посетит идея добыть по дешевке аккумулятор из сотового телефона или видеокамеры, то на хороший результат тут рассчитывать сложно. Скорее всего, такая батарея очень быстро умрет из-за нарушения предусмотренных режимов эксплуатации.

Области применения и стоимость

Применение литий-полимерных аккумуляторов позволяет решить две важные задачи - увеличить время работы мотора и снизить вес батареи.

При замене батареи 8.4 V NiMH 650 мАч двумя обычными, не быстроразрядными литиевыми аккумуляторами емкостью 2 А*ч, получаем батарею в 3 раза большей емкости, легче на 11 г и с несколько меньшим напряжением (7.2 вольта)! А если использовать быстроразрядные аккумуляторы, вот тогда и большие самолеты могут летать, не уступая в энерговооруженности ДВСу. В подтверждение этому, 7-е место в первенстве мира по пилотажным моделям F3A занял американец на электролете. Причем это была не маленькая жужжалка, а нормальный двухметровый самолет, как у остальных участников, имевших модели с двигателями внутреннего сгорания!

Очень хорошо зарекомендовали себя литий-полимерные аккумуляторы на небольших вертолетах, таких, как Piccolo или Hummingbird - например, даже при использовании стандартного коллекторного мотора время полета на двух банках емкостью 1 Ач составляет более 25 минут! А при замене мотора на бесколлекторный - более 45 минут!

И, конечно, литиевые аккумуляторы просто незаменимы, когда речь идет о комнатных самолетах весом 4-20 г. В этой области NiCd с ними сравниться не может - просто нет таких батарей (например, вес 45 мАч банки-1 г, 150 мАч - 3.2 г), которые при столь малом весе давали бы необходимую мощность - пусть даже в течение 1 минуты!

Единственная область, где пока литий-полимерные аккумуляторы уступают Ni-Cd - это область супервысоких (40-50С) разрядных токов. Но прогресс идет вперед, и, может быть, через пару лет мы услышим про новые успехи в этой области - ведь 2 года назад про быстроразрядные литиевые аккумуляторы тоже никто не слышал...

Вот, для примера, основные характеристики LiPo аккумуляторов Kokam:

По цене, в пересчете на емкость, литий-полимерные аккумуляторы стоят примерно столько же, сколько NiMH.

Производители

В настоящее время существует несколько фирм-производителей литий- полимерных аккумуляторов. Лидером по количеству выпускаемых аккумуляторов и одним из первых по качеству является Kokam. Также известны фирмы Thunder Power, I-Rate , E-Tec, и Tanic (предположительно, это второе название Thunder Power или же это один из продавцов Thunder Power под своим названием). Посмотреть типы Kokam-а можно на сайте www.fmadirect.com , батареи разных производителей предлагаются на сайте www.b-p-p.com и www.lightflightrc.com .

Есть еще Platinum Polymer, предлагаемый на сайте www.batteriesamerica.com , предположительно - это другое название I-Rate .

Ассортимент емкости аккумуляторов весьма широк – от 50 до 3000мАч. Для получения больших емкостей используют параллельное соединение аккумуляторов.

По форме все батареи плоские. Как правило, их толщина меньше самой короткой стороны более чем в 3 раза, и выводы делаются с короткой стороны в виде плоских пластин.

I-Rate, насколько мне известно, быстроразрядных аккумуляторов пока не делает, и их аккумуляторы имеют одну особенность: один из электродов у них алюминиевый, и паять его проблематично. Это делает их неудобными при самостоятельной сборке батареи.

Аккумуляторы E-Tec - нечто среднее, они не заявлены как быстроразрядные, но ток их разряда выше, чем у обычных – 5-7С.

Лидерами по популярности являются Kokam и Thunder Power, причем Kokam в основном используют в легких и средних моделях, а Thunder Power на средних, больших и гигантских (более 10 кг!). Очевидно, это обусловлено ценой и наличием в ассортименте мощных сборок - до 30 вольт и 8Ач емкостью. Далее идут Tanic и E-tec, а вот про I-rate упоминаний мало. Platinum Polymer популярен почему-то только в Америке, причем используют его почти исключительно на медленных слоуфлаерах.

Зарядка литий-полимерных аккумуляторов

Заряд аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму - заряд от источника постоянного напряжения 4.20 вольт/элемент с ограничением тока в 1С. Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0.1-0.2С. После перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1С аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около 2-х часов. К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда - не хуже 0.01 в/банку.

Из представленных на рынке зарядных устройств можно выделить основных типа - простые, не «компьютерные» зарядники, в ценовой категории 10-40$, предназначенные только для литиевых аккумуляторов, и универсальные - в ценовой категории 120-400$, предназначенные для различных типов аккумуляторов, в том числе и для LiPo и Li-Ion.

Первые, как правило, имеют только светодиодную индикацию заряда, количество банок и ток в них выставляются перемычками. Достоинство таких зарядных устройств - низкая цена. Главный недостаток – некоторые из них не умеют правильно показывать окончание заряда. Они показывают лишь момент перехода от режима стабилизации тока к режиму стабилизации напряжения, что составляет примерно 70-80% емкости. Для полного окончания заряда надо еще подождать минут 30-40.

У второй группы зарядников возможности намного шире, как правило, они все показывают напряжение, ток и емкость (мАч), которую аккумулятор «принял» в процессе заряда, что позволяет более точно определять, насколько заряжен аккумулятор.

При использовании зарядного устройства самое главное - правильно выставить на заряднике нужное количество банок в батарее и ток заряда. Ток заряда, как правило, равен 1С.

Эксплуатация и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случается или пожар, или аккумулятор «умирает».

Перечислим их в порядке убывания опасности:

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.

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, всех остальных - к полной или частичной потере емкости.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:

Чтобы не было пожара, надо иметь нормальный зарядник и правильно выставлять на нем число заряжаемых банок. Необходимо также использовать разъемы, исключающие возможность короткого замыкания батареи (из-за этого у моего друга обгорел стол, на котором заряжались аккумуляторы, и занавеска) и контролировать ток, потребляемый мотором на «полном газу». Кроме того, не рекомендуется на модели закрывать аккумуляторы со всех сторон от поступления потока воздуха, а если это невозможно, то следует предусмотреть специальные каналы для охлаждения.

В случаях, когда ток, потребляемый двигателем, составляет более 2С, а аккумулятор на модели закрыт со всех сторон, после 5-6 минут работы мотора следует его остановить, а затем вытащить и потрогать аккумулятор - не слишком ли горячий. Дело в том, что после нагрева выше определенной температуры (около 70 градусов) в аккумуляторе начинает идти «цепная реакция», превращающая запасенную им энергию в тепло, аккумулятор буквально растекается, поджигая все, что может гореть.

Если замкнуть почти разряженный аккумулятор, то пожара не будет, он тихо и мирно умрет из-за переразряда...Отсюда следует второе важное правило: следите за напряжением в конце разряда аккумулятора и обязательно отключайте аккумулятор после работы!

Некоторые регуляторы скорости (особенно этим грешат Jeti) не прекращают потребление тока после выключения штатного выключателя. Что заставило чехов принять такое странное решение – не знаю. Но факт остается фактом, практически все модели контроллеров для бесколлекторных моторов Jetti (включая и новую серию "Advanced"), в которых есть BEC, то есть стабилизатор питания приемника и машинок от силового питания, не обеспечивают полное обесточивание цепи штатным выключателем. Отключаются только приемник и сервомашинки, а контроллер продолжает потреблять ток около 20 мА. Это особенно опасно, так как не видно, что питание включено, машинки стоят, мотор молчит... И если забыть о подключенном аккумуляторе на сутки-другие, то окажется, что с ним можно попрощаться - не любит литий глубокого разряда.

Конечно, следует помнить о том, что контроллер двигателя должен уметь работать с литиевыми аккумуляторами, то есть иметь регулируемое напряжение отключения двигателя. И надо не забывать программировать контроллер на нужное количество банок. Впрочем, сейчас появилось новое поколение контроллеров, которые автоматически определяют количество подключенных банок.

Разгерметизация – еще одна причина выхода литиевых аккумуляторов из строя, поскольку внутрь элемента не должен попадать воздух. Это может произойти при повреждении внешнего защитного пакета (аккумулятор запаян в пакет наподобие термоусадочной трубки), в результате удара или повреждения острым предметом, или при сильном перегреве вывода аккумулятора при пайке. Вывод - не ронять с большой высоты и паять аккуратно.

Хранение аккумуляторов, судя по рекомендациям производителей, следует производить в заряженном на 50-70% состоянии, лучше в прохладном месте, при температурах не выше 20°С. Хранение в разряженном состоянии отрицательно сказывается на сроке службы - как и у всех аккумуляторов, у литий-полимерных есть небольшой саморазряд.

Сборка батареи

Для получения батарей с высокой токоотдачей или большой емкости используют параллельное соединение аккумуляторов. Если вы покупаете готовую батарею, то по маркировке можно узнать, сколько в ней банок и как они соединены. Буква P (parallel) после числа обозначает количество соединенных параллельно банок, а S (serial) –последовательно. Например, "Kokam 1500 3S2P" обозначает батарею, соединенную последовательно из 3-х пар аккумуляторов, и каждая пара образована 2-мя параллельно соединенными аккумуляторами емкостью по 1500мач., то есть емкость батареи будет 3000мАч (при соединении параллельно емкость возрастает), а напряжение – 3,7*3 = 11,1В..

Если вы покупаете аккумуляторы отдельно, то перед соединением их в батарею нужно уравнять их потенциалы. Особенно это касается варианта параллельного включения, так как при этом одна банка начнет заряжать другую, и зарядный ток может превысить значение 1С. Желательно все купленные банки перед соединением разрядить до 3-х вольт током 0.1С – 0.2С. Напряжение надо контролировать цифровым вольтметром с точностью не ниже 0.5%. Это обеспечит надежное функционирование батареи в будущем.

Выравнивание потенциалов (балансировку) также желательно проводить даже уже на собранных фирменных батареях перед их первым зарядом, так как многие фирмы, собирающие элементы в батарею, не балансируют их перед сборкой.

Из-за падения емкости в результате эксплуатации ни в коем случае нельзя добавлять новые банки последовательно старым - батарея будет при этом разбалансирована.

Конечно, также нельзя соединять в батарею аккумуляторы разных, даже близких емкостей – например 1800 и 2000 мАч, а также использовать в одной батарее аккумуляторы разных производителей, так как различное внутреннее сопротивление приведет к разбалансировке батареи. При пайке следует соблюдать аккуратность, нельзя допускать перегрева выводов, - это может нарушить герметизацию и навсегда убить еще не успевший полетать аккумулятор. Некоторые типы аккумуляторов Kokam поставляются с уже припаянными кусочками печатной платы к выводам, для удобства распайки проводов. При этом добавляется лишний вес - около 1г на элемент, зато греть места для припайки проводов можно гораздо дольше - стеклотекстолит плохо проводит тепло. Провода с разъемами следует закрепить на корпусе батарее, хотя бы скотчем, чтобы случайно не оторвать вывод под корень.

Нюансы применения

Итак, подчеркнем еще раз самые важные моменты, связанные с использованием литий-полимерных аккумуляторов.

• Используйте нормальный зарядник.
• Применяйте разъемы, исключающие возможность замыкания батареи.
• Не превышайте допустимые токи разряда.
• Следите за температурой аккумулятора при отсутствии охлаждения.
• Не разряжайте аккумулятор ниже напряжения 3 V/банку (не забывать отключать аккумулятор после полета!).
• Не подвергайте батарею ударам.

Приведем еще несколько полезных примеров, вытекающих из ранее сказанного, но неочевидных на первый взгляд.

При использовании коллекторных моторов нужно не допускать ситуаций, когда мотор застопорен (например, модель лежит на земле), а на передатчике дан полный газ. Ток при этом слишком велик, и мы рискуем взорвать батарею (если раньше не сгорит мотор или регулятор). Эта проблема неоднократно обсуждалась в форумах RC Groups . Большинство регуляторов для коллекторных моторов выключают мотор при потере сигнала от передатчика, и, если ваш регулятор умеет это делать, я бы советовал выключать передатчик, если модель упала, например, в траву далеко от вас, - меньше риск при поиске модели задеть ручку газа болтающегося на ремне передатчика и не заметить этого.

В течении долгой эксплуатации батареи ее элементы из-за изначального небольшого разброса емкостей становятся несбалансированными - какие-то банки «стареют» раньше других и теряют свою емкость быстрее. При большем числе банок в батарее процесс идет быстрее.

Отсюда вытекает следующее правило - иногда необходимо контролировать емкость каждого элемента батареи в отдельности. Для этого можно измерить его напряжение в конце заряда. Как часто? Точно это пока установить сложно - слишком мало опыта эксплуатации накоплено. Как правило, рекомендуют примерно через 40-50 циклов после начала эксплуатации раз в 10-20 циклов производить проверку напряжения элементов батареи при заряде для выявления «плохих банок».

Не рекомендуется «высаживать в ноль» батарею, гоняя мотор до тех пор, пока он не перестанет вообще вращаться. Новой батарее такое обращение не повредит, а для немного разбалансированной - это лишний риск разрядить самую «плохую банку» ниже 3-х вольт, из-за чего она еще больше потеряет емкость.

Когда емкости различаются более, чем на 20% - такую батарею без специальных мер заряжать всю целиком нельзя!

Для автоматической балансировки элементов батареи при заряде используют так называемые балансеры (balancer). Это небольшая плата, подключаемая к каждой банке, содержащая нагрузочные резисторы, схему управления и светодиод, показывающий, что напряжение на данной банке достигло уровня 4.17 - 4.19 вольт. При превышении напряжения на отдельном элементе порога в 4.17 вольт балансер замыкает часть тока «на себя», не позволяя напряжению превысить критический порог. По одновременности зажигания светодиодов видно, какие банки имеют меньшую емкость - на их балансере светодиод зажжется первым. К балансерам предъявляется одно важное дополнительное требование- ток, потребляемый ими от батареи в «ждущем» режиме должен быть мал, обычно он составляет 5-10 мкА.

Следует добавить, что от переразряда некоторых банок в разбалансированной батарее балансер не спасает, он служит только для защиты от повреждения элементов при заряде и средством индикации «плохих» элементов в батарее. Вышесказанное относится к батареям, составленным из 3-х и более элементов, для 2-х баночных батарей балансеры, как правило, не применяют.

Существует мнение, что литий-полимерные аккумуляторы нельзя эксплуатировать при отрицательных температурах. Действительно, в технических характеристиках на батареи указан рабочий диапазон 0-50 °С(при 0 °С сохраняется 80% емкости). Но тем не менее, летать на них при температурах около –10...-15 °С можно. Дело в том, что не надо перед полетом морозить батарею - положите ее в карман, где тепло. А в полете внутреннее выделение тепла в аккумуляторе оказывается в данный момент полезным свойством, не позволяя батарее замерзнуть. Конечно, отдача аккумулятора будет несколько ниже, чем при нормальной температуре.

Заключение

Учитывая, какими темпами двигается технический прогресс в области электрохимии, можно предположить, что будущее за литий-полимерными аккумуляторами - если их не догонят топливные элементы. По мере повышения спроса на аккумуляторы и увеличения объема их выпуска цена будет неизбежно падать, и тогда литий станет, наконец, также распространен, как NiMH. На Западе это время уже полгода как наступило, по крайней мере, в Америке. Популярность электролетов с литий-полимерными аккумуляторами все растет. Хочется надеяться, что бесколлекторные моторы и контроллеры к ним тоже подешевеют, но в этой области прогресс снижения цен движется менее стремительно. Ведь всего два года назад задавался в форуме вопрос - «А кто- нибудь реально летает на brushless?». А про литиевые аккумуляторы тогда упоминания не было вообще...

В общем, поживем - увидим.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Инженерная мысль непрерывно развивается: ее стимулируют постоянно возникающие проблемы, требующие для своего решения разработки новых технологий. В свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас место литий-ионных (Li-ion) пытаются занять литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы. NiMH аккумуляторы в какой-то степени потеснили NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, не смогли обеспечить их полноценной замены. А вот как обстоит дело с литиевыми аккумуляторами? Каковы их особенности и чем отличаются Li-pol аккумуляторы от Li-ion? Попробуем разобраться в этом вопросе.

Как правило, все мы при покупке мобильника или портативного компьютера не задумываемся о том, какой аккумулятор у них внутри и чем вообще различаются эти устройства. И только потом, столкнувшись на практике с потребительскими качествами тех или иных аккумуляторов, начинаем анализировать и выбирать. Тем, кто спешит и желает сразу получить ответ на вопрос, какой аккумулятор является оптимальным для сотового телефона, я отвечу коротко — Li-ion. Дальнейшая информация предназначена для любознательных.

Для начала небольшой экскурс в историю.

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые были внедрены в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных с обеспечением безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды, характеризуются и высоким напряжением, и превосходной емкостью. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах было выяснено, что циклическая работа (заряд — разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, в результате которых уменьшается тепловая стабильность и появляется угроза выхода теплового состояния из-под контроля. Когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития — и начинается бурная реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения.

Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи обратили свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые Li-ion аккумуляторы.

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd , а в перспективе, благодаря применению новых активных материалов, предполагается еще больше увеличить ее и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристик подобна и отличается лишь напряжением).

На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа, но отличить их по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств, и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных аккумуляторов.

Основные преимущества.

• Высокая плотность энергии и как следствие большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.
• Низкий саморазряд.
• Высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители сегодня применяют в сотовых телефонов именно такой одноэлементный аккумулятор (вспомните Nokia). Однако, чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо отдать более высокий ток. А это требует обеспечения низкого внутреннего сопротивления элемента.
• Низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов) - результат отсутствия эффекта памяти, требующего периодических циклов разряда для восстановления емкости.

Недостатки.

Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается. Она обновляется приблизительно каждые шесть месяцев, и понять, как «ведут себя» новые аккумуляторы после длительного хранения, трудно.

Словом, всем был бы Li-ion аккумулятор хорош, если бы не проблемы с обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость. Попытки решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol или Li-polymer) аккумуляторов.

Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, применялся сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется большей безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. К тому же отсутствие жидкого или гелевого электролита исключает возможность воспламенения. Толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, необходимую для современных средств связи и электропитания жестких дисков переносных компьютеров. В то же время при нагревании до 60 °C и более электропроводность Li-polymer увеличивается до приемлемого уровня, однако для массового использования это не годится.

Исследователи продолжают разработку Li-polymer аккумуляторов с сухим твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Подобные аккумуляторы, как ожидается, станут коммерчески доступными к 2005 году. Они будут стабильными, допускать 1000 полных циклов заряда-разряда и иметь более высокую плотность энергии, чем сегодняшние Li-ion аккумуляторы

Тем временем некоторые виды Li-polymer аккумуляторов в настоящее время используются в качестве резервных источников питания в жарком климате. Например, часть производителей специально устанавливает нагревающие элементы, поддерживающие благоприятную для аккумулятора температуру.

Вы спросите: как же так? На рынке вовсю продают Li-polymer аккумуляторы, изготовители комплектуют ими телефоны и компьютеры, а мы тут говорим, что для коммерческой эксплуатации они пока не готовы. Все очень просто. В данном случае речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом. Для того чтобы повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов, в них добавляют некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство Li-polymer аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов, фактически являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит. Правильнее было бы их называть литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в рекламных целях маркируют их просто как Li-polymer. Остановимся подробнее на этом типе литий-полимерных аккумуляторов, поскольку на данный момент именно они представляют наибольший интерес.

Итак, в чем различие между Li-ion и Li-polymer аккумулятором с добавкой гелеобразного электролита? Хотя характеристики и эффективность обеих систем во многом сходны, уникальность Li-ion полимерного (можно его и так назвать) аккумулятора заключается в том, что в нем все же используется твердый электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит добавляется только для увеличения ионной электропроводности.

Технические трудности и задержка в наращивании объемов производства задержали внедрение Li-ion полимерных аккумуляторов. Это вызвано, по мнению некоторых экспертов, желанием инвесторов, вложивших большие деньги в разработку и массовое производство Li-ion аккумуляторов, получить свои инвестиции обратно. Поэтому они и не спешат переходить на новые технологии, хотя при массовом производстве Li-ion полимерные аккумуляторы будут дешевле литий-ионных.

А теперь об особенностях эксплуатации Li-ion и Li-polymer аккумуляторов.

Их основные характеристики очень похожи. О заряде Li-ion аккумуляторов достаточно подробно рассказано в статье . В добавление приведу лишь график (Рис.1) из , иллюстрирующий стадии заряда, и небольшие пояснения к нему.

Время заряда всех Li-ion аккумуляторов при начальном зарядном токе в 1С (численно равном номинальному значению емкости аккумулятора) составляет в среднем 3 часа. Полный заряд достигается при напряжении на аккумуляторе, равном верхнему порогу, и при уменьшении тока заряда до уровня, примерно равного 3% от начального значения. Аккумулятор во время заряда остается холодным. Как видно из графика, процесс заряда состоит из двух стадий. На первой (час с небольшим) напряжение растет при почти постоянном начальном токе заряда в 1С до момента первого достижения верхнего порога напряжения. К этому моменту аккумулятор заряжается примерно на 70% от своей емкости. В начале второго этапа напряжение остается почти постоянным, а ток уменьшается до тех пор, пока не достигнет вышеуказанных 3%. После этого заряд полностью прекращается.

Если требуется поддерживать аккумулятор все время в заряженном состоянии, то подзаряд рекомендуется проводить через 500 часов, или 20 дней. Обычно его проводят при уменьшении напряжения на выводах аккумулятор до 4.05 В и прекращают при достижении 4.2 В

Несколько слов о температурном диапазоне при заряде. Большинство разновидностей Li-ion аккумуляторов допускают заряд током в 1С при температуре от 5 до 45 °C. При температуре от 0 до 5 °C рекомендуется заряжать током в 0.1 С. Заряд при минусовой температуре запрещен. Для заряда оптимальна температура от 15 до 25 °C.

Зарядные процессы в Li-polymer аккумуляторах почти идентичны вышеописанным, поэтому потребителю совершенно ни к чему знать, какой их двух типов аккумуляторов у него в руках. И все те зарядные устройства, которые он использовал для Li-ion аккумуляторов, годятся для Li-polymer.

А теперь об условиях разряда. Обычно Li-ion аккумуляторы разряжают до значения 3.0 В на элемент, хотя для некоторых разновидностей нижний порог составляет 2.5 В. Производители оборудования с питанием от аккумуляторов, как правило, разрабатывают устройства с порогом выключения 3.0 В (на все случаи жизни). Что это означает? Напряжение на аккумуляторе при включенном телефоне постепенно уменьшается, и как только оно достигнет 3.0 В, аппарат предупредит вас и выключится. Однако это совсем не означает, что он перестал потреблять энергию от аккумулятора. Энергия, пусть незначительная, требуется для определения нажатия клавиши включения телефона и некоторых других функций. Кроме того, энергию потребляет собственная внутренняя схема управления и защиты, да и саморазряд, хоть и небольшой, но все же характерен даже для аккумуляторов на основе лития. В результате, если оставить литиевые аккумуляторы на длительный срок без подзарядки, напряжение на них упадет ниже 2.5 В, что очень плохо. В этом случае возможно отключение внутренней схемы управления и защиты, и не все зарядные устройства смогут зарядить такие аккумуляторы. Кроме того, глубокий разряд отрицательно сказывается на внутренней структуре самого аккумулятора. Полностью разряженный аккумулятор должен заряжаться на первом этапе током всего в 0.1C. Словом, аккумуляторы скорее любят находиться в заряженном состоянии, чем в разряженном.

Несколько слов о температурных условиях при разряде (читай во время работы).

Как правило, Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре. Работа в более теплых условиях серьезно сокращает срок их службы. Хотя, например, свинцово-кислотный аккумулятор имеет самую высокую емкость при температуре более 30 °C, но длительная эксплуатация в таких условиях сокращает жизнь аккумулятора. Точно так же и Li-ion лучше работают при высокой температуре, которая поначалу противодействует увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора, являющемуся результатом старения. Но повышенная энергоотдача коротка, поскольку повышение температуры, в свою очередь, способствует ускоренному старению, сопровождаемому дальнейшим увеличением внутреннего сопротивления.

Исключение составляют на данный момент только литий-полимерные аккумуляторы с сухим твердым полимерным электролитом. Для них жизненно необходима температура от 60 °C до 100 °C. И такие аккумуляторы заняли свою нишу на рынке резервных источников в местах с жарким климатом. Они помещаются в теплоизолированный корпус со встроенными элементами нагревания, питающимися от внешней сети. Li-ion полимерные аккумуляторы в качестве резервных, как считают, превосходят по емкости и долговечности VRLA аккумуляторы, особенно в полевых условиях, когда управление температурой невозможно. Но их высокая цена остается сдерживающим фактором.

При низких температурах эффективность аккумуляторов всех электрохимических систем резко падает. В то время как для NiMH, SLA и Li-ion аккумуляторов температура -20 °C является пределом, при котором они прекращают функционировать, NiCd продолжают работать до -40 °C. Отмечу только, что речь опять же идет только об аккумуляторах широкого применения.

Важно не забывать, что, хотя аккумулятор и может работать при низких температурах, это совсем не означает, что он может быть также заряжен в этих условиях. Восприимчивость к заряду у большинства аккумуляторов при очень низких температурах чрезвычайно ограничена, и ток заряда в этих случаях должен быть уменьшен до 0.1C.

В заключение хочу отметить, что задать вопросы и обсудить проблемы, связанные с Li-ion, Li-polymer, а также другими типами аккумуляторов, можно на форуме в подфоруме по аксессуарам.

При написании статьи использованы материалы [ — Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных компьютеров. Анализаторы аккумуляторов.