Nekompromisně a za málo

- to byly požadavky na přípravek, který měl zajistit správné vybití akumulátorové sady před dalším nabíjením. To, čím kdo nabíjí a jaké to má výhody, či nevýhody, už byly potištěny stohy papírů. Vybíjení je již popisováno v podstatně menším rozsahu. Nejspíše proto, že si jej každý představuje jako jev samozřejmý, během letu zajištěný motorem elektroletu (automobilu, lodě). Samotné provozní vybíjení je však pouze první částí skutečného odčerpání energie naakumulované v chemickém systému článků.

Během odběru proudu z článků

se snižuje napětí na svorkách a při poklesu na mezní hodnotu 0,8V/čl. by měl regulátor odpojit motor nebo alespoň podstatně omezit jeho příkon proudu.

To je úkolem obvodu IPR (inteligentní omezování výkonu). Toho jsou schopny (programovatelné) procesorové regulátory, které si změří napětí pohonného akumulátoru a z něj odvodí napětí pro počátek omezování výkonu (např. regulátory TMM).

Pokud je regulátor vybaven pevně nastavenou mezí napětí pro redukci příkonu motoru, měla by tato mez být v souladu s počtem článků, aby tak byl naplněn výše zmíněný předpoklad o koncovém napětí článků, což se zhusta neděje.

Pokud pilot pocítí pokles výkonu a přistane, je většinou ještě vše v pořádku, pokud "ždímá" z baterií co se dá, dochází při vybíjení pod únosnou mez k přepólování jednoho, nebo více článků a tím k jejich rychle chemické degeneraci. Po určité době uživatel zjistí že v sadě odešel jeden článek, (má většinou vnitřní zkrat nebo v něm dochází k markantnímu růstu rychlosti samovybíjení - neudrží dodanou energii, a také není schopen dodat požadovaný proud - změkne).

Většina malých a levných regulátorů omezují výkon při napětí baterie 5,5V. Některé inteligentnější regulátory omezí výkon a nedovolí přidat znovu plný plyn, jiné prostě vypnou nebo výkon motoru začne pulzovat. U regulátorů procesorových se může stát, že po prudším přidání plynu se již nepodaří znovu motor roztočit na plný plyn. To je právě důsledek krátkodobého poklesu napětí baterie vlivem špatného článku a následného vyhodnocení logikou regulátoru, že dochází energie a tudíž už se plný proudový odběr již znovu motoru neposkytne.

To, jak se bude regulátor chovat, by si měl kupující ověřit již při nákupu u prodejce. (Znenadání vypnutý motor v kritické fázi letu může pilota jistě nepříjemně prověřit ve schopnostech přistávacích manévrů.)

Napětí 5,5V pro okamžik omezení výkonu by odpovídalo sadě sestavené ze 7 článků.

neboť : 5,5/7=0,78 [V/čl.]

Osmičlánková sada by se teoreticky (pokud by se články vybíjely stejnoměrně) dala vybít na:

5,5/8=0,68 [V/čl.]

Nejpříznivější poměry s ohledem na životnost článků panují u šesti-článkových sad.

5,5/6=0,92 [V/čl.]

Příkladem takovéhoto pohonu může být motorový komplet Speed400/6 +6 čl.1700mAh (2000mAh) s převodem 4:1. Tento pohon se používá u vytrvalostních elektroletů, a právě velká zbytková kapacita v akumulátorech dovoluje ještě dlouho bezpečně kroužit v termice, bez obav o potřebnou energii pro přijímač a serva.

U většího počtu článků jsou poměry ještě horší. Stačí podělit hodnotu 5,5V počtem článků a máme teoretickou hodnotu napětí na jeden článek v okamžiku omezení výkonu. Chemický systém NiCd je k hlubokému vybití částečně tolerantní, ale nové NiMH akumulátory se s ním zatím nehodlají smiřovat bez negativních následků v podobě radikálně snížené životnosti. Vybití LiOn článků pod 2,3V/čl. znamená již jejich poslední vybití (doporučovaná hodnota ukončení vybíjení je 3V, bezpečnostní mez je 2,3V). Proto pozor na LiOn baterie sestavené ze 3 článků!

Pokud je LiOn baterie provozovaná s regulátorem, který omezuje výkon až při napětí 5,5V, je nutné věnovat při letu pozornost stopkám a motorovému času nebo citlivě sledovat pokles výkonu vlivem poklesu napětí baterie. Teoretická hodnota napětí pro omezení zde vychází na 2,75V, což je mírně bod doporučením výrobce, ale ještě nad bezpečnostní hranicí.

Proč je nutné baterie před nabíjením správně vybít?

Důvodů je několik a tzv. paměťový efekt mezi ně rozhodně nepatří. Ten je většinou výmluvou pro ty, co se snaží zdůvodnit krátkou životnost akumulátorové sady, při jejím nevhodném používání. (LiOn články po letu nevybíjíme, ale pokud možno opět hned nabijeme jejich speciálním nabíječem, který omezuje jak napětí tak hodnotu proudu.)

Většina levných nabíječek dnes používá k ukončení nabíjení jev, při kterém dochází vlivem změny vnitřního odporu nabíjeného článku k poklesu napětí na jeho kontaktech. Jde o tzv. delta peak efekt. V této konečné fázi jej již dodávaný náboj přeměňován hlavně v teplotu a tlak plynů v článku.

Inteligentní nabíječky vybavené procesorem dovedou rozeznat inflexní bod na napěťové křivce (nárůst napětí začal zpomalovat) a vypnou ještě dříve, než stroje řízené delta peak efektem. Pokud nabíjíme jeden článek, je vše jasné a jednoduché. Pokud nabíjíme několik článků v sériovém zapojení (za sebou), je již situace komplikována právě nestejnoměrným vybíjením článků za provozu.

Nikdy se nepodaří složit baterii z článků se stejnými hodnotami.

Za drahé peníze nám pomůže počítačem vybíraná sada, na ni však každý nemá, a tak je její použití omezeno hlavně do oblasti závodů a soutěží. Lišit se může kapacita článků a jejich vnitřní odpor, čím budou rozdíly menší, tím lépe. Proto není možné jeden "odešlý" článek v sadě jednoduše vyměnit za nový (měl by jiné hodnoty kapacity a vnitřního odporu).

Špičkový piloti a jezdci kupují sady počítačem "rozcvičených" (formováním a pušováním - viz.RCM 6/2001, str.34) a sestavených článků (jak s ohledem na maximální kapacitu, tak na minimální vnitřní odpor). Při nabíjení nové sady sestavené z běžné produkce se články mohou lišit celkem málo, horší je to po jisté době provozu, kdy se nejslabší článek může vlivem omezování výkonu regulátorem až při napětí 5,5V dostat pod napětí 0,8, v horším případě pak na nulové napětí, či ještě hůře do záporných hodnot (článek je přepólován). I počítačem vybírané sady se časem "rozejdou".

A právě rozložení vrcholů maxima napětí jednotlivých článků v čase je příčinou druhého nežádoucího jevu při nabíjení sady. Články s větším množstvím uchovaného náboje budou nabity dříve a jejich přebíjení jim neprospívá, články plně vyčerpané budou svůj delta efekt mít posunutý dále v čase, a pokud nedostaly potřebný náboj, budou zase jako první bez napětí...

Celkové měření napětí na kontaktech sady tedy musí čekat až se většina článků shodne na poklesu napětí (zjednodušeně řečeno). Aby se pokles napětí na jednotlivých článcích co nejvíce časově přiblížil, je nutné zajistit stejnoměrné vybití všech článků na stejnou hodnotu, většinou odvozenou z napětí svorek akumulátoru. Zajistíme tak všem článkům rovnocenné startovací podmínky pro nabíjení.

Součástí mnoha nabíječek je i obvod pro vybíjení akumulátorové sady. Opět je zde ale použito sériového zapojení článků. Problém s přepólováním některého článku je tedy stále otevřen. Závodníci tohle všechno dobře vědí a používají paralelní vybíječe, tedy každý článek je vybíjen samostatně.

Nekompromisní řešení

vyžaduje vybíjet každý článek zvlášť na stanovenou mez, pokud možno s automatickým ukončením tohoto procesu. U automobilových modelářů to není nic nového (mnoho dalších užitečných věcí také - např. soustružení kotev komutátorů). Letečtí modeláři jsou však někdy natolik zaujati samotným procesem létání, že ostatní technické a hlavně elektrické aspekty občas opomíjejí, a pro některé je slovo teorie natolik nepříjemné, že je dokonce podnětem k obrácení listu.

Teoreticky je požadavek jasný. Na každý článek připojit odpor pro vybití a odpojit jej při dosažení dolní hranice kolem 0,7Volt. Takové zapojení je celkem bez větších nákladů realizovatelné, stačí spojit do série odpor a diodu. Úbytek napětí na diodě (0,7Volt) je právě vhodnou hodnotou k tomuto účelu, stačí doplnit odpor, jenž by omezil proud při připojení diody ke článku. Jeho hodnota tím také určí jakým proudem se bude dokončovací (nebo přípravné) vybíjení provádět. NiCd sady by se měly skladovat vybité, NiMH naopak nabité, proto jsou vhodné například do vysílačů a do sad přijímačových baterií větroňů a RC házedel.

V mém konkrétním případě se zapojení vybíječe skládá pro každý článek z paralelně zapojené diody 1N5402 a odporu 0,47W s minimálním dovoleným výkonovým zatížením 2W. Celkové schéma přípravku a jeho propojení s baterií je na obr.1

Obr.1 Schéma zapojení vývodů článků a jejich napojení na vybíjecí přípravek.

Pro článek s napětím U_čl. = 1,2V a úbytku napětí na diodě U_D = 0,7V to znamená střední proud 1A dle rovnice:

Na čerstvě nabitém článku by hodnota proudu byla vyšší. Tento proud však obvodem protéká pouze na začátku procesu vybíjení, dále v čase jeho hodnota rychle klesá. Téměř úplně proud přestane protékat při dosažení napětí 0,7Voltu/článek.

Obr.2. Grafické znázornění napětí dovybíjeného článku po letu.

V grafu na obr.2 je napětí 8-mi článkové sady 1100mAh, velikosti AA (SANYO) po provozu s motorem S400/7,2 a vrtulí Gr. 6x3 (odběr cca 12A). Během motorového provozu bylo sledováno napětí jednotlivých článků. Po prvním znatelném poklesu otáček (tahu) následoval rychlý pokles napětí nejslabšího článku a pokud by motorový provoz dále pokračoval, tak nezadržitelné přepólování. Regulátor by začal omezovat výkon motoru až při cca 5,5V. Naštěstí je pokles znatelný z chování pohonu.

Následným dovybíjením na přípravku bylo ze sady ještě odčerpáno cca 15% energie článků proudem do 1A (Viz graf). Poté následuje pozvolný pokles napětí až k mezi 0,7V. Tato hodnota také poměrně přesně vypovídá o době, po kterou je možno napájet přijímač a serva v modelu v bezmotorovém letu. Měřením zbytkové kapacity je možné snadno posoudit vhodnost zdrojů proudu pro daný motor a vrtuli. Čím méně energie v článku zůstane, tím větší účinnost pohon má. (Nemyslí se tím účinnost mechanická, ale elektrická ve smyslu vlastností článků akumulátoru.)

Obr.3 Hotová sada 8xKR1100AAU s vývody všech pólů.

Předpokladem realizace takového vybíjení je přístup ke oběma pólům každému článku. Konkrétní realizace, si vyžádala svépomocnou výrobu akumulátorového paku s vývody spojů článků pomocí plochého svazku a samořezného konektoru pro připojení vybíjecího přípravku. Ukázka takovéhoto provedení je na obr.3.

Vybíjecím přípravkem je jednoduchá deska plošných spojů s možností připojení akumulátorů dvěma dvouřadými kontakty (jeden na osmičlánky a menší, druhý na deseti až čtrnáctičlánky). Na desce je pro každý článek odpor a dioda. Jejich zapojení je na prvním obrázku. Na druhém snímku je samotná deska vybíječe a na třetím snímku je vybíječ v akci s připojeným pětičlánkem Twicell 700mAh.

Pokud zapomeneme přípravek odpojit, nic se neděje. Hodnota protékaného proudu stále klesá a limitně se v čase blíží k nule. Napětí i po několika hodinách neklesne pod 0,65Volt.

Akumulátorová sada je vyrobena v domácích podmínkách. Stačí k tomu odporová páječka s výkonem kolem 30W na 220V, dobrá pájecí kapalina, kousek plochého vodiče, tzv. "šráku" z útrob počítače a samořezný konektor na plochý vodič. Kontaktní propojky jsou z měděného plechu elektrikářských zemnících pásků. Ty po nastříhání vhoďte na chvíli do octa se solí, měď se v tomto roztoku zbaví všech nečistot a oxidací Na snímku je vše potřebné - již pocínované a pečlivě očištěné články budoucí baterie, výkonové vodiče, plochý kabel s pocínovanými konci a propojky.

Obr.4 Pocínované články a propojky, plochý vodič s konektorem a výkonové vodiče

Následuje výroba čtyř dvojic článků. Nejdříve připájíme 4 propojky na kladný pól, při tom dáváme pozor, abychom neporušili izolaci na okraji článku, a po ohnutí o 90° k pólu zápornému. Pájení musí být krátké abychom články teplem nepoškodily, ale cín se musí protavit v celém objemu. Jako tavidlo v této fázi je použita normální kalafuna. Po vychladnutí spojů se dá snadno odprejsknout. Dokončíme ohyb a máme přímé dvojice článků, které propojíme mezi sebou.

Obr.5 Postup výroby dvojic článků

Tyto dvojice poté sletujeme k sobě tak, abychom se snadno dostali k propojkám, na které přiletujeme nachystaný plochý vodič.

Obr.6 Po sestavení dvojic článků následuje připájení plochého vodiče

Pokud je vše v pořádku a měřením jsme si ověřili správné propojení, připájíme výkonové vývody a sadu můžeme zatavit do teplem smštitelné bužírky. Výhodou je i ten fakt, že při tvrdším přistání (což jsou u mne skoro všechna ;o) nehrozí vlivem pružnosti spojů rozlomení článků a následné problémy, kdy někdy sada jede a někdy záhadně ne.

Obr.7 Hotovo. Nárůst hmotnosti asi 5g. Cena menší než pozlacené výkonové kontakty.

Je mi jasné, že se teď někde ozve povzdech: " Na to bych se mohl vy....t !!! "

Jak je ctěná libost :-))

Moje svědomí je vůči akumulátorům čisté.

Přeji Vaši akumulátorům mnoho ampérhodin a dlouhý život se spoustou měkkých přistání. Pokud máte k problematice tohoto článku připomínku či doplnění, pošlete je, rád jej zde zveřejním. Předem Vám za ně děkuji.

O tématu se můžete také dovědět mnoho zajímavého na diskusním fóru Modelcentra v sekci akumulátory.

Zkuste si nechat najít téma - Pozor na osmičlánky !

Ohlasy:

8.9.2001

Napsal mi Radek Měšťan [mestan@centrum.cz] a podělil se o zkušenosti se svépomocnou výrobou srovnávací vybíječky pro auto-modeláře. Já sice auta nejezdím (Fun Racer je teoreticky syna Honzy), ale jeho řešení by Vám mohlo být inspirací. Takhle to Radek zvládl:

Ačkoli tvrdí, že si s elektronikou moc netyká, je výsledek velmi pěkný. Takže auto-modeláři, máte se na koho obrátit.