LiPo-аккумулятор

Перейти к: навигация, поиск

Описание

LiPo-аккумулятор (литий-полимерный, Li-Po, Li-Pol или Li-polymer) - один из типов литиевых аккумуляторов. Более совершенная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя.

Lotsabatteries.jpg

Многие так называемые «модельные» LiPo-аккумуляторы способны отдавать ток в 10 и даже 100 раз превышающий численное значение ёмкости. Такие аккумуляторы применяются также в портативном электроинструменте и в некоторых современных электромобилях.

Также бывают «обычные», бытовые литий-полимерные аккумуляторы (используемые в мобильных телефонах, цифровой технике и т.п.), которые не способны отдавать большой ток.

Преимущества

  • Способность отдавать ток в 10 и даже 100 раз превышающий численное значение ёмкости;
  • Большая плотность энергии на единицу объёма и массы;
  • Низкий саморазряд;
  • Толщина элементов от 1 мм;
  • Возможность получать очень гибкие формы;
  • Незначительный перепад напряжения по мере разряда.

Где купить LiPo-аккумулятор

Обозначения литий-полимерных источников питания

Рассмотрим обозначения LiPo-аккумуляторов на примере аккумулятора с популярными характеристиками 2200mAh 3S 20C, для такого аккумулятора встречается также обозначение 2200mAh 3S1P 20C.

  • 2200 mAh - ёмкость аккумулятора в мили-Ампер-часах
  • 3S1P (3 sequential 1 parallel) - три последовательно соединенные ячейки по одному LiPo-элементу в каждой ячейке
  • 20C (C = сapacity) - максимальный разрядный ток может превышать ёмкость аккумулятора в 20 раз умноженную на час (ток 1C заряжает/разряжает аккумулятор ровно за час - условно)

Что такое mAh

В этих единицах указывается ёмкость аккумулятора - в данном случае 2200 мА·ч. Чем больше ёмкость, тем дольше аккумулятор сможет поддерживать нужный ток и напряжение для работы нагрузки. Также от ёмкости прямо пропорционально зависит максимальный ток разряда и заряда. Подробнее см. в статье Ёмкость аккумуляторов.

Что такое S

Число возле буквы S означает количество «банок» в батарее. Буква S - это сокращение от serial или sequential - последовательное соединение элементов.

Li-Po-аккумуляторы состоят из одной или нескольких элементов («банок»). Каждая банка имеет номинальное напряжение 3,7В и максимальное (до которого заряжается) - 4,2В.

То есть аккумулятор 3S - три банки, три элемента питания соединенных последовательно (плюс одной банки с минусом другой) с общим номинальным напряжением 11,1В и максимальным 12,6В.

LiHV-аккумуляторы имеют повышенные номинальные и максимальные напряжения.

Что такое P

Буква P это сокращение от parallel - параллельное соединение элементов.

"1P" - это обозначение количества элементов соединенных параллельно, в данном случае - один. Чаще всего используют только одинарные сборки, поэтому 1P в обозначении не указывают.

Но если, к примеру, взять 2 одинаковых аккумулятора "2200 2S1P", соединить их силовые провода параллельно (плюс с плюсом, а минус с минусом), то получится удвоение ёмкости, а обозначается такая сборка батарей "4400 2S2P", и практически она будет идентична в эксплуатации "4400 2S1P".

В запечатанных сборках, для соблюдения балансировки при заряде, банки в начале параллелят и уже потом соединяют последовательно. Если соединять 2 аккумулятора через силовые провода, то желательно так же соединить и их балансировочные разъёмы.

Можно наглядно посмотреть различные схемы сборок аккумуляторов.

Что такое С

Важной характеристикой LiPo-аккумуляторов является максимальный разрядный ток (токоотдача), то есть способность обеспечивать в нагрузочной цепи некий максимальный разрядный ток. Токоотдача измеряется в единицах С, и вычисляется как отношение допустимого разрядного тока к эквивалентной ёмкости аккумулятора (заряду в ампер-часах).

Например, если на аккумуляторе указана ёмкость 2200mAh и максимальный разрядный ток 20С, то это значит что аккумулятор может обеспечивать ток не выше 2200 * 20 = 44000 mA = 44 A, что нужно учитывать при подключении нагрузки к нему.

Также можно описать эту величину как максимальную скорость разряда в обратных единицах. То есть 20С - это значит, что аккумулятор может быть безопасно разряжен (при максимальном токе) минимум за 1/20 часа, то есть за 3 минуты.

Отдельно в характеристиках аккумулятора фигурирует максимальный зарядный ток, определяемый в тех же единицах C. Всё вышесказанное справедливо и для зарядного тока.

При превышении максимального тока разряда (когда нагрузка требует ток, больший чем может обеспечить аккумулятор) или заряда - неминуемо следует перегрев аккумулятора, при котором внутри него происходят необратимые химические реакции. Как следствие - аккумулятор вздувается, теряет ёмкость. Также может последовать воспламенение или даже взрыв аккумулятора. Некоторые производители указывают пиковую токоотдачу (обычно в 2 раза больше номинальной), которая допустима при разряде аккумулятора кратковременно, обычно до 10 секунд.

Если максимальная токоотдача аккумулятора значительно превышает требуемый ток нагрузочной цепи, то в этом нет ничего страшного, т.к. реальный ток определяется прежде всего нагрузкой, а не способностью аккумулятора. Минусом такого подключения могут быть лишь неоправданно большие размеры и масса аккумулятора.

Следует всегда скептически относиться к заявленному значению токоотдачи C. Наклейки с указанием параметров аккумулятора далеко не всегда соответствуют реальным и могут значительно отличаться от них. Если аккумулятор выделяется меньшими размерами или весом на фоне других с такими же электрическими характеристиками - это повод для скепсиса. Более точное значение С - можно узнать, удалив термоусадочный корпус с аккумулятора и прочтя технические надписи на банках - им можно доверять больше.

См. также: Максимальный ток и истинный С-рейтинг

Разряд LiPo-аккумуляторов

Обычный разряд - это питание электрической схемы (модели).

  • Критический разряд допускается до не менее, чем 3.3B на банку. Кратковременно можно разряжать до 3.0B, после чего желательно сразу (в течение часа) поставить на зарядку, при условии, что батарейка не горячая и не слишком замерзшая. При 2.9В начинаются необратимые изменения в электролите, ёмкость будет снижаться быстрее. При разряде до 2.8В из электролита начнет выделяться соль лития и осаждаться на электродах, что сразу снизит емкость (за счет снижения плотности электролита), и токоотдачу (за счет уменьшения площади электродов). Также уменьшается возможное количество циклов. Кроме того, аккумулятор может и не зарядиться.
По другим данным, при низком напряжении (менее 2.5В) возможна металлизация лития, создание токопроводящих литиевых «мостиков». И при зарядке такого аккумулятора образование проводящих участков из лития приводит к внутреннему короткому замыканию и, как следствие, к тепловому разгону аккумулятора с возможным взрывом аккумулятора.
Для своевременного предупреждения переразряда используют звуковые индикаторы, которые издают разного рода сигналы при подходе напряжения аккумулятора к минимальным значениям. Лучше использовать устройства, позволяющие контролировать напряжение побаночно.
  • Рекомендуемое минимальное напряжение, до которого можно доводить батарею при эксплуатации, это 3.6В на банку. При этом количество циклов разряда/заряда без заметной потери ёмкости может исчисляться сотнями.
  • При разряде током I=C возможно около 500 полноценных циклов заряда-разряда.
  • При разряде током, многократно превышающим номинал ёмкости (обычный режим работы) количество полноценных циклов снижается в разы.
  • Опаснее всего для LiPo высокая температура, а не низкое напряжение. Не следует при разряде допускать нагрев аккумулятора более, чем 60°С.
  • При использовании на воздухе в холодный сезон аккумуляторы лучше держать в тепле перед использованием и после.

Температура при разряде

LiPo-батареи имеют оптимальную температуру разряда около +43°C, при которой обеспечивается наиболее высокое напряжение под нагрузкой. Также LiPo-аккумуляторы с началом разряда при температуре +43°C меньше нагреваются во время разряда и заканчивают разряд при более низкой температуре, чем батарея с началом разряда при температуре +21°C. Это обусловлено внутренним сопротивлением: оно уменьшается по мере увеличения температуры аккумулятора до +43..45°C, а при более высокой температуре сопротивление снова начинает увеличиваться.

Кроме того, по некоторым наблюдениям, отмечалось выравнивание внутреннего сопротивления банок при температуре +43°C, в то время как на тех же аккумуляторах в холодном состоянии при измерении внутреннего сопротивления наблюдался больший разброс значений

Нагрев батарей до или близко к их оптимальной температуре +43°C при разряде также обеспечивает выигрыш в длительности службы (сколько раз они могут быть заряжены и разряжены перед началом деградации характеристик).

Расконсервация

Первые 2-4 цикла заряда/разряда лучше делать током 3-5C, не больше. Это связано с тем, что при производстве Li-Ion и Li-Po аккумуляторов в электролит добавляется своего рода консервант (ингибитор), который продлевает срок хранения без ущерба для аккумулятора, а также поддерживает напряжение в батарее после производства. Эта добавка (ингибитор) разлагается при первых нескольких циклах заряд-разряд. После такой расконсервации аккумулятор выходит на нормальные режимы работы, в которых, в том числе, после полной зарядки достигается равное напряжение на банках. При использовании батарей в условиях высоких токов разряда, при наличии неразложившегося ингибитора, ячейки могут быть повреждены, что выражается вспуханием ячеек, потере ёмкости и снижении срока службы.

Заряд LiPo-аккумуляторов

Внимание! Никогда не оставляйте процесс зарядного устройства без внимания! Неважно, насколько считается безопасным используемое зарядное устройство, имеет ли оно контроль температуры и т.п. функции. Даже самые надёжные устройства не застрахованы от выхода из строя. Есть смысл заряжать LiPo-аккумуляторы вне дома, либо в железном ящике, либо в кастрюле с песком.

  • Напряжение заряда каждой банки должно быть не более 4,2В (при перезаряде 4,5В и более - возможен взрыв), исключением являются LiHV-аккумуляторы.
  • Заряжать можно только зарядными устройствами с функцией балансировки (чтобы не допустить ситуации, когда одна из банок зарядилась быстрее остальных, после чего будет происходить её перезаряд). Также можно применять специальные балансировочные устройства (гуглить по Lithium Power Protection Board [1]).
  • Ток заряда не более указанного в характеристиках конкретного аккумулятора, большинство современных батарей могут заряжаться током до 3C без каких-либо последствий. Но лучше всего заряжать с током ≤1С, это гарантированно продлит срок службы аккумулятора.
  • При первых нескольких циклах заряда-разряда LiPo-аккумуляторов некоторых производителей (пока аккумуляторы новые) может наблюдаться довольно сильное расхождение напряжений банок. Разбаланс может достигать 0,5..0,8В. Такое замечено, к примеру, у некоторых экземпляров аккумуляторов AGAPower, Turnigy Nanotech [2], Zippy [3]. Это не значит, что такие аккумуляторы некачественные. Через несколько циклов аккумуляторы начинают хорошо балансироваться и после разряда банки «ровные».
  • Обычно зарядное устройство быстро «заливает» в аккумулятор около 90% емкости, а затем дозаряжает каждую банку с балансировкой. Более заряженные и подошедшие к пределу отключаются и заряд идёт на оставшиеся банки.
  • LiPo-аккумулятор не имеет эффекта памяти (не нужно доразряжать перед новой зарядкой).
  • Рекомендуется заряжать аккумуляторы до напряжения на 0.05 В (на банку) меньше максимально допустимого, то есть до 4.15 В, что значительно продлевает срок службы аккумулятора.

Fast Charge

Для заряда аккумуляторов в поле стоит поискать аккумуляторы с возможностью ускоренной зарядки, на них пишут Fast charge 2С или 5С.

Некоторые зарядные устройства для LiPo-аккумуляторов имеют среди режимов зарядки Fast Charge - быстрая зарядка. По опыту, разница между быстрым и обычным режимом зарядки заключается лишь в более точной балансировке банок у последнего. Время зарядки отличается незначительно, поэтому особого смысла в применении режима Fast Charge нет. Возможно, более существенный выигрыш во времени будет получаться при зарядке аккумуляторов с большим количеством банок (от 6S).

Температура при заряде

Температура - важный параметр при заряде аккумуляторов.

  • Нельзя сразу заряжать батареи, которые хранились при низкой температуре (например - в холодильнике, или на морозе на полетушках/покатушках), и ещё не успели нагреться. Это может повлечь за собой риск взрыва этих батарей. Обязательно убедитесь, что батарея нагрелась до комнатной температуры!
  • Следует контролировать температуру аккумулятора во время зарядки. При зарядном токе 1С батарея не должна греться. При токе 3С батарея может быть слегка тёплой. Интенсивный нагрев говорит о том, что в процессе зарядки что-то идёт не так, следует немедленно отключить аккумулятор от зарядного устройства! Некоторые зарядные устройства оснащены или имеют возможность подключения датчика температуры.
  • После силового разряда в полёте модели батареи обычно ощутимо нагреваются. Следует дать им немного остыть перед последующим зарядом.
  • В общем случае температура LiPo-аккумулятора не должна превышать +60°С.

Мнения

  • Нет смысла заряжать батареи током более 3..5С, так как при высоких токах заряда батарея за счёт внутреннего сопротивления имеет более низкое напряжение завершения заряда, и, как следствие, более низкую полезную ёмкость. По практическому опыту, оптимальные токи заряда для батарей с FOM = 0,5 и выше - лежат в диапазоне 3..5С, что обеспечивает достаточно короткое время заряда и приемлемое полётное время. Более высокие токи заряда (хорошие батареи вполне можно без ущерба заряжать токами до 10С) приводят к сокращению времени заряда, но за счёт более низкой полезной ёмкости. - Mark Forsyth

См.также

Хранение (рекомендовано)

  • Температура: +5..+28°С (по другим источникам - 0..+10°С). В качестве лайфхака среди моделистов считается хранение аккумуляторов в холодильнике, т.к. чем ниже температура в указанных пределах, тем дольше они прослужат.
  • Напряжение на банках: 3.7-3.85В, это ~40% от полного заряда, рекомендуемый производителями уровень, именно с таким напряжением поставляются LiPo-аккумуляторы производителями. В большинстве «умных» зарядных устройств предусмотрен специальный режим перевода LiPo в режим хранения (обычно называется "LiPo Storage"). При хранении полностью заряженных аккумуляторов или слишком разряженных они теряют свою ёмкость гораздо быстрее, которая не восстанавливается.
  • LiPo-аккумуляторы стареют, даже в то время, когда просто лежат на полке. Нет смысла покупать аккумуляторы «про запас» или чрезмерно увлекаться экономией его ресурса. При покупке желательно узнать дату производства, чтобы знать, сколько данный аккумулятор уже пролежал на складе. В случае, если с момента изготовления прошло более двух лет, лучше воздержитесь от покупки, т.к. считается, что за 2 года аккумулятор теряет 20% ёмкости.

Где хранить безопасно:

  • под ванной: наименее воспламеняемое пространство;
  • в железном ящике;
  • в холодильние;
  • в кастрюле или металлическом ведре (как вариант - с песком).

Искрение

Весьма часто при подключении LiPo-батарей, с количеством банок от 3S и больше, происходит сильное искрение. Это происходит из-за быстрой зарядки конденсаторов контроллеров моторов. При плохом контакте искрение может быть продолжительным и вызвать выгорание полётных контроллеров или регуляторов из-за постоянных сбросов программы микроконтроллеров и скачков напряжения (проверено, к сожалению, на практике).

С этим можно бороться резисторами на отдельном тонком кабеле, который нужно подключать раньше основного. Ток заряда конденсаторов через резистор будет ниже и искрение будет таким образом подавляться. Также можно использовать специальные разъёмы.

Вздутие LiPo

Вздутие LiPo-аккумулятора - результат определённых химических процессов внутри него, сопровождающихся выделением газа, которому некуда выйти из-за герметичной конструкции батареи. Вздутие может происходить по разным причинам и в любом случае сопровождается деградацией, физическим старением аккумулятора, уменьшением ёмкости, неспособностью удерживать полученный заряд и отдавать заявленный ток - это всё следствия увеличения расстояния между пластинами внутри банки аккумулятора.

  • Неправильные условия эксплуатации. Обычно это слишком большой зарядный ток или слишком большая нагрузка при разряде (слишком большой продолжительный разрядный ток), приводящие к чрезмерному нагреву аккумулятора. А также - пренебрежение процедурой расконсервации.
  • Нарушение производственных технологий (в том числе - попадание влаги внутрь в процессе сборки) и/или использование дешёвых материалов при изготовлении.

Еле вспухшие аккумуляторы (в таком состоянии вспухание определяется скорее на ощупь, чем визуально) можно некоторое время продолжать эксплуатировать, контролируя фактическую ёмкость. Если аккумулятор не способен держать ёмкость менее 80% от номинальной, то следует приступить к его утилизации.

Сильно (заметно) вспухшие аккумуляторы следует немедленно прекратить эксплуатировать и так же утилизировать.

Возгорание LiPo

Целостность и герметичность мягкого корпуса элементов LiPo-аккумулятора - залог безопасности. При нарушении оболочки батареи, или изменении её формы возможны возгорание и даже взрыв!

Даже если кажется, что ничего не происходит и аккумулятор ещё послужит, то ЧП может произойти при его зарядке, когда активизируются химические процессы внутри него и повышается температура. Как вариант, при краше оболочка может где-то надорваться или лопнуть, а при заряде - начать греться и вздуваться, в результате чего трещина может стать больше, в неё попадает кислород, а дальше - пламя из расщелины.

В продаже есть несгораемые спецпакеты и сумки для зарядки LiPo-аккумуляторов, предназначенные для снижения вреда в случае возгорания. Их рекомендуется использовать, но, тем не менее, не стоит надеяться на них и оставлять аккумуляторы без присмотра.

На многих зарядных устройствах есть возможность контроля температуры (присутствует вход для температурного датчика). Когда температура датчика, закреплённого на аккумуляторе, превышает заданное в настройках значение (рекомендуется установить предел в 45°C), то аккумулятор сразу обесточивается и зарядник начинает сигнализировать об опасной ситуации. При этом, возможно, аккумулятор вздуется и сильно нагреется, но до огня/взрыва скорее всего дело не дойдет.

В следующих случаях рекомендуется незамедлительно утилизировать LiPo-аккумулятор:

  • Авария, «краш» радиоуправляемой модели или мультикоптера с повреждением оболочки (при этом обычно у поверхности аккумулятора ощущается отчетливый специфический запах электролита) или изменением формы аккумулятора.
  • Слишком высокое (очень вероятен взрыв) или слишком низкое напряжение на одной из банок (при этом возгорание или взрыв сами по себе маловероятны, но могут произойти при зарядке).
  • Вздутый аккумулятор.

Утилизация

Перед тем как выкинуть LiPo-аккумулятор, желательно его (варианты):

  • разрядить небольшой нагрузкой в ноль (лампочка или несколько).
  • подержать в соленой воде до прекращения газообразования. 2-3 столовые ложки на литровую банку. Плюс в том, что гарантированно все банки разряжаются.
  • надрезать пак канцелярским ножом (разгерметизировать) и через несколько часов он деградирует. - эта рекомендация встречалась на форумах, но её безопасность под сомнением, выполняйте на свой страх и риск.

FAQ

Как паять банки аккумулятора

Паять контактные пластины элементов LiPo-аккумулятора нужно обычным припоем после обработки одним из флюсов:

  • ФТКА - флюс для пайки алюминиевых проводов.
  • Жидкий флюс для алюминия отечественного производства (в пластиковом флакончике).
  • Флюсом для алюминия и ЛТИ-120.
  • Активный паяльный жир. Нужно только не забыть потом всё промыть.

Можно ли одну из банок на 5200мА·ч заменить банкой на 5000мА·ч той же токоотдачи

Если будет предусмотрен побаночный мониторинг, то можно. А если будет просто отсечка по напряжению, то банка с меньшей ёмкостью (5000мА·ч) будет садится раньше всех и она уйдёт в глубокий разряд, что недопустимо.

Производители (бренды)

Где купить LiPo-аккумулятор

См. также

Источник — «https://rcsearch.ru/w/index.php?title=LiPo-аккумулятор&oldid=10007»