Lithium-iontové a lithium-polymerové baterie.

Tento článek pojednává o výhodách lithium-iontových Li-Ion 18650 a lithium-polymerových Li-Pol baterií při použití v kvadrokoptérách a RC modelech. Nikl-metalhydridové baterie zde nejsou uvažovány, protože jejich použití pro rádiem ovládaná auta je neefektivní a pro drony a RC modely vrtulníků je prakticky nepoužitelné.

Definice vypočítané kapacity, proudu a napětí baterie pro kvadrokoptéru pomocí vzorců zde není uvedena, protože parametry výpočtu závisí na typu dronu (filmování, závodění, dlouhý dolet atd.) a mnoha dalších faktorech, což vyžaduje samostatný článek. Tato recenze porovnává výkon baterií Li-Ion 18650 a Li-Pol pro práci v RC modelech a doporučuje výběr typu baterie a nejlepšího výrobce.

Rozdíly mezi bateriemi 18650 Li-Ion a Li-Pol pro kvadrokoptéry

Baterie 18650 Li-Ion a Li-Pol používané v kvadrokoptérách a RC modelech jsou založeny na stejné lithium-iontové technologii. To znamená, že lithium-polymerový bateriový článek je ve skutečnosti pouze typem lithium-iontové baterie.

Hlavní rozdíl Lithium-iontové a lithium-polymerové baterie pro RC modely:

• V lithium-iontovém článku 18650 jsou kladné a záporné elektrody srolovány do role,
• V sestavách Li-Pol mohou tyto destičky díky polymernímu elektrolytu nabývat libovolného tvaru.

Li-Pol baterie lze proto vyrobit v jakémkoli tvaru, včetně velmi plochých, což umožňuje lépe zaplnit objem bateriového prostoru kvadrokoptéry nebo jakéhokoli jiného rádiem ovládaného RC modelu.

Výhody Li-Pol baterií pro RC modely

Lithium-polymerové Li-Pol baterie pro RC modely s rádiovým ovládáním mají následující výhody:

1. Vybaven dvěma konektory.
2. Obdélníkový formát prvků.
3. Součástí továrního balení RC modelů.

Bateriové sestavy Li-Pol mají pro RC modely zpočátku dva konektory: napájecí XT nebo T-konektor pro připojení napájení a vyvažovací JST-XH, který slouží k řízení rovnoměrnosti nabíjení článků baterie.

• Lithium-polymer
• Napětí 7.4V
• Zesílená kabeláž
• Předinstalovaný konektor typu T

Obdélníkový formát Li-Pol baterií umožňuje plnější využití prostoru v bateriovém prostoru. Právě lithium-polymerové baterie jsou z výroby dodávány k sériovým RC rádiem ovládaným modelům.

Výhody Li-Ion baterií 18650 pro kvadrokoptéry

Li-Ion baterie 18650 mají oproti Li-Pol bateriím pro kvadrokoptéry následující výhody:

1. Vysoká specifická kapacita.
2. Vyšší vybíjecí proud.

• Lithium-iontové baterie 18650 Li-Ion mají vysokou měrnou kapacitu na jednotku hmotnosti. To je velmi důležitá výhoda, protože umožňuje vzít na palubu baterii s vyšší kapacitou při stejné vzletové hmotnosti.
• Vyšší vybíjecí proud baterií Li-Ion 18650 umožňuje používat výkonné motory a nebát se přetížení baterie při náhlém „přidání plynu“.

Navzdory zjevným výhodám moderních lithium-iontových baterií 18650 pro použití v kvadrokoptérách musí být baterie sestavena nezávisle na jednotlivých lithium-iontových článkech.

Výběr baterie pro kvadrokoptéry a RC modely na základě charakteristik

Při výběru baterie pro sériově vyráběný kvadrokoptéru nebo RC model je třeba věnovat pozornost vlastnostem dodávané baterie.

• Nová baterie by měla mít napětí ne nižší než tovární, ale ne vyšší, než dovolují motory RC modelu.
• Výstupní proud musí být stejný nebo větší než proud v dodané baterii.
• Je žádoucí mít pro kvadrokoptéru maximální možnou kapacitu baterie. Je však důležité si uvědomit, že s rostoucí kapacitou se zvyšuje velikost a hmotnost baterie. A od určité hodnoty se zvýšení kapacity neprodlužuje doba letu dronu. Doporučuje se používat baterie s co největší kapacitou za předpokladu, že vzletová hmotnost nepřesáhne 75 % maximální hodnoty pro danou kvadrokoptéru.
• Nová baterie se musí vejít do přihrádky na baterie v RC modelu.

Výkon baterií pro RC modely

Abychom vám pomohli s výběrem správné baterie pro RC modely, níže jsou popsány charakteristiky baterie a odpovídající označení na pouzdře baterie.

1. Napětí.
2. Maximální výstupní proud.
3. Jmenovitá kapacita.
4. Struktura montáže.

• Napětí se měří ve voltech a na prvcích je označeno číslem se symbolem „V“ (volt) nebo „V“ (volt). Napětí potřebné k provozu kvadrokoptéry nebo RC modelu je určeno použitými motory a řídicí deskou.
• Maximální výstupní proud baterie se měří v ampérech (A) nebo miliampérech (mA), v cizině se označuje mA nebo A. Maximální proud baterie musí být vyšší než celkový proud spotřebovaný všemi motory dohromady při maximálním výkonu. Proud zbytku elektroniky je ve srovnání s touto hodnotou velmi malý. Maximální proud je na pouzdře baterie označen číslem s písmenem „C“. To znamená, že proud se číselně rovná kapacitě vynásobené číslem před symbolem „C“. Například označení 15C na baterii s kapacitou 900 mAh ukazuje, že baterie může dodávat proud 15 * 900 = 13500 mA, tj. 13.5 ampéru.
• Kapacita baterie ukazuje, jak dlouho dokáže baterie dodávat jmenovitý proud. Kapacita se měří v miliampérhodinách (mAh) nebo ampérhodinách (Ah), v cizině mAh nebo Ah. Čím vyšší je kapacita, tím déle může kvadrokoptéra nebo jakýkoli jiný RC model fungovat na jedno nabití.
• Struktura bateriové sestavy je zapsána ve formátu xSyP, kde x a y jsou číselné hodnoty. S (Sériové) znamená sériové zapojení bateriových prvků (článků) a P (Paralelní) znamená paralelní zapojení. Záznam 3S2P tedy znamená baterii se třemi sériově zapojenými skupinami článků, z nichž každá má dva paralelně zapojené prvky. Při sériovém zapojení bateriových prvků se sčítá napětí a při paralelním zapojení se sčítá proud. Pokud jsou články zapojeny pouze sériově (bez paralelního zapojení), pak lze nápis 1P vynechat.

Porovnání Li-Ion 18650 a Li-Pol baterií pro kvadrokoptéru

Pro srovnání si vezměme dvě baterie pro kvadrokoptéru, Li-Ion a Li-Pol, s přibližně stejnými parametry:

Li-Pol – Robiton LP-STT3-2000 Lipo 11.1 V 2000 mAh.

• Napětí 11.1V
• Konektor typu T

Elektrická baterie je opakovaně použitelný chemický zdroj elektrického proudu. V bateriích tohoto typu dochází k reverzibilním vnitřním chemickým procesům, které zajišťují jejich opakované cyklické použití (nabíjení/vybíjení) pro akumulaci elektrické energie a napájení různých elektrických zařízení při absenci přístupu k elektrické síti domácnosti.

Princip fungování baterií je založen na vratnosti chemických reakcí, které v nich probíhají. Akumulace nabití baterie se provádí jejím nabíjením, to znamená průchodem elektrického proudu v opačném směru vzhledem k pohybu proudu, když je baterie vybitá.

Baterie je několik baterií spojených dohromady do jednoho elektrického obvodu.

Hlavní charakteristikou baterie je její kapacita. Kapacita baterie je maximální možné použitelné nabití baterie. Nebo jinými slovy, kapacita baterie je množství energie, kterou plně nabitá baterie dodá při vybití na nejnižší povolené napětí. V systému SI se kapacita baterie měří v coulombech, ale obvykle se používá nesystémová jednotka – ampérhodina. 1 A/h = 3600 C. Kapacita baterie může být také udávána ve watthodinách. Další hlavní charakteristikou elektrických baterií je výstupní napětí baterie. Znáte-li výstupní napětí baterie, můžete snadno převést kapacitu baterie udávanou ve watthodinách na běžnější ampérhodinu.

Elektrické vlastnosti baterií závisí na materiálu elektrod a složení elektrolytu. Níže uvedená tabulka ukazuje nejpoužívanější typy elektrických baterií.

Typ baterie

Výstupní napětí (V)

Aplikace

trolejbusy, tramvaje, auta, motocykly, elektrické vysokozdvižné vozíky, zakladače, elektrické tahače, nouzové napájení, nepřerušitelné zdroje energie

stavební elektrické nářadí, trolejbusy, domácí elektrospotřebiče

domácí elektrospotřebiče, elektromobily

mobilní zařízení, stavební elektrické nářadí, elektrická vozidla

mobilní zařízení, elektrická vozidla

Při používání baterie její výstupní napětí a proud klesá. Po úplném vybití baterie přestane fungovat. Nabíjejte baterie z jakéhokoli zdroje stejnosměrného proudu s vyšším napětím při omezení proudu. Nabíjecí proud, měřený v ampérech, je obvykle 1/10 jmenovité kapacity baterie (v ampérhodinách). Některé typy baterií mají různá omezení, která je třeba vzít v úvahu při nabíjení baterie a při jejím používání. Například baterie NiMH jsou citlivé na přebití, zatímco lithiové baterie jsou citlivé na nadměrné vybití, napětí a okolní teplotu. Baterie NiCd a NiMH mají „paměťový efekt“. Vyjadřuje se poklesem kapacity baterie při nabíjení neúplně vybité baterie. Také tyto typy baterií mají výrazné samovybíjení, to znamená, že postupně ztrácejí náboj, i když nejsou připojeny k zátěži. Odkapávací nabíjení pomáhá bojovat proti tomuto efektu.

Lithium-iontová baterie (Li-ion) Typ elektrické baterie, která je nejrozšířenější v moderních zařízeních spotřební elektroniky. Nyní se takové baterie používají v mobilních telefonech, noteboocích, tabletech, elektromobilech, digitálních fotoaparátech, videokamerách atd.

G.N. se poprvé chopil vývoje lithiových baterií. Lewis v roce 1912. Ale teprve v 1970. letech se začaly objevovat první komerční příklady primárních lithiových článků.

V 80. letech minulého století bylo provedeno velké množství experimentů, při kterých bylo zjištěno, že při cyklování zdroje proudu kovovou lithiovou elektrodou se na povrchu lithia tvoří dendrity. V důsledku toho narůstají dendrity na kladnou elektrodu a uvnitř lithiového článku dochází ke zkratu. To vyřadilo takové napájecí zdroje z provozu. Teplota uvnitř baterie dosahuje bodu tání lithia. To způsobí výbuch baterie.

Ve snaze vyvinout bezpečný lithiový zdroj energie inženýři vedli k nahrazení cyklicky nestabilního lithiového kovu v baterii lithiovými intersticiálními sloučeninami v uhlíku a oxidech přechodných kovů. Nejčastěji používanými materiály pro výrobu lithiových baterií jsou grafit a lithium kobaltový oxid (LiCoO2). V takové baterii se během nabíjení-vybíjení ionty lithia pohybují z jedné implantační elektrody na druhou a zpět. Přestože takové elektrodové materiály mají měrnou elektrickou energii několikanásobně nižší než lithium, baterie na nich založené jsou mnohem bezpečnější. První lithium-iontové baterie byly vyvinuty společností Sony v roce 1991. V současné době je Sony největším výrobcem lithiových baterií.

Hustota energie: od 110 do 200 W*h/kg

Vnitřní odpor: 150 až 250 mOhm (pro 7,2V baterii)

Počet cyklů nabití/vybití do ztráty 20 % kapacity: od 500 do 1000

Rychlé nabíjení: 2-4 hodiny

Přípustné přebití: velmi nízké

Samovybíjení při pokojové teplotě: asi 7 % za rok

Maximální napětí článku: asi 4,2 V (baterie je plně nabitá)

Minimální napětí: asi 2,5 V (zcela vybitá baterie)

Zatěžovací proud vzhledem ke kapacitě (C):

— vrchol: více než 2C

– nejpřijatelnější: ne více než 1C

Rozsah provozních teplot: −20 °C až +60 °C

Zpočátku se jako anody používal koks, později se začal používat grafit. Jako katoda se používají oxidy lithia s kobaltem nebo manganem.

Při nabíjení lithium-iontových baterií dochází k následující chemické reakci:

na katodách: LiCoO₂ → Li_1-xVrkat₂ + xLi + + xe −

na anodách: С + xLi + + xe − → CLi_x

Při nabíjení baterie dochází k opačné reakci.

Výhody lithiových baterií.

1. Vysoká hustota energie.

2. Nízké samovybíjení.

3. Žádný „paměťový efekt“.

4. Snadné použití.

Nevýhody lithiových baterií.

1. Lithium-iontové baterie jsou při přebití nebo přehřátí náchylné k explozivní destrukci. Aby se tomuto efektu zabránilo, jsou všechny lithiové baterie pro domácnost vybaveny vestavěným elektronickým obvodem, který řídí nabíjení baterie a zabraňuje jejímu přebití a přehřátí.

2. Pokud nejsou baterie používány opatrně, mohou mít kratší životnost než jiné typy baterií. Hluboké vybití baterie zcela zničí lithium-iontové články.

3. Optimálních skladovacích podmínek pro lithium-iontové baterie je dosaženo při 40-50% nabití kapacity baterie a při okolní teplotě cca 5 °C. Nízká teplota je důležitějším faktorem pro nízkou ztrátu kapacity při dlouhodobém skladování.

4. Přísné podmínky nabíjení lithium-iontových baterií činí jejich použití v alternativní energii extrémně nepohodlným. To se děje proto, že větrné turbíny a solární panely nemohou poskytovat konstantní proud během nabíjecího cyklu.

I když se lithiová baterie nepoužívá, začne stárnout ihned po výrobě.

Lithium-polymerové a lithium-iontové baterie ztrácejí při nabíjení svou kapacitu, na rozdíl od niklových a nikl-metal-hydridových baterií. Čím vyšší je nabití baterie a teplota při jejím skladování, tím kratší je její životnost. Lithiové baterie je lepší skladovat nabité na 40-50 % a při teplotě 0 až 10 °C. Přebíjení, stejně jako nadměrné vybíjení, snižuje kapacitu takových baterií.

Lithium-polymerová baterie (Li-pol nebo Li-polymer) – Jedná se o nejpokročilejší design lithium-iontové baterie. Jako elektrolyt používá polymerní materiál s inkluzemi gelovitého lithium vodivého plniva. Jsou široce používány v chytrých telefonech, mobilních telefonech a dalších digitálních zařízeních.

Běžné domácí lithium-polymerové baterie nedokážou dodávat vysoký proud, ale byly vyvinuty speciální výkonové lithium-polymerové baterie, které dokážou dodat proud 10 a vícenásobek číselné hodnoty kapacity. Takové baterie jsou široce používány v rádiem řízených modelech, stejně jako v elektrickém nářadí a v některých moderních elektrických vozidlech. Podobné baterie se používají v nové technologii přeměny brzdné energie – KERS.

Výhody lithium-polymerových baterií.

1. Vysoká hustota energie na jednotku objemu a hmotnosti.

2. Nízké samovybíjení.

3. Malá tloušťka prvků – od 1 mm.

4. Schopnost získat velmi flexibilní formy;

5. Ne velký pokles napětí při postupu vybíjení.

6. Počet pracovních cyklů je od 300 do 500, s vybíjecími proudy 2C až do ztráty kapacity 20 %.

Nevýhody lithium-polymerových baterií.

1. Při přebití nebo přehřátí baterií hrozí nebezpečí požáru. Aby se tomuto efektu zabránilo, jsou všechny lithiové baterie pro domácnost vybaveny vestavěným elektronickým obvodem, který řídí nabíjení baterie a zabraňuje jejímu přebití a přehřátí. Vyžaduje se také speciální algoritmus nabíječky.

2. Rozsah provozních teplot lithium-polymerových baterií je omezený. Tyto prvky nefungují dobře v mrazu.

Stejně jako lithium-iontové baterie i lithium-polymerové baterie podléhají stárnutí.