Ta strona używa ciasteczek (plików cookies), dzięki którym może działać lepiej. Dowiedz się więcejRozumiem i akceptuję

Akumulatory litowo-polimerowe, Li-po – kompendium cz.1

Podstawy 21.01.2012 KD93

lipo1Akumulatory litowo-polimerowe (li-po, li-pol), to chyba najczęstszy wybór robotyków i modelarzy.

Jeżeli szukasz odpowiedniego źródła zasilania do swojej konstrukcji, a nie jesteś jeszcze zdecydowany, przeczytaj nasze kompendium. Znajdziesz tu informacje dotyczące konfiguracji, bezpieczeństwa oraz obsługi li-po.

Nawigacja serii artykułów:
następna część »

Budowa pakietu

Akumulatory litowo-polimerowe, jak sama nazwa wskazuje, zbudowane są ze stopów litu oraz polimerów przewodzących. Poniższy obrazek przedstawia budowę pojedynczego ogniwa z wyprowadzoną: anodą (+) oraz katodą (-).

Źródło: http://www.fatclicks.listy.info.pl

Źródło: http://www.fatclicks.listy.info.pl

Elektrolit w li-polach może mieć postać stałą lub żelu, co znacząco zmniejsza możliwość wycieku. Nie oznacza to jednak, że akumulatory nie są podatne na uszkodzenia.

Istnieją dwa określenia, które należy znać:

  • Ogniwo to pojedynczy akumulatorek, posiadający dwa wyprowadzenia. Popularną nazwą ogniwa jest cela od angielskiego „cell” (ogniwo).
  • Pakiet to nic innego, jak akumulator składający się z więcej niż jednego ogniwa. Najczęściej w robotyce stosowane  są akumulatory 2- i 3-ogniwowe, choć istnieją nawet 10-ogniwowe. Pakiety najczęściej posiadają dodatkową wtyczkę balansera, która zawiera wyprowadzenia wszystkich ogniw.

Oznaczenia

W akumulatorach li-po przyjęto pewne oznaczenia, które ułatwiają identyfikację parametrów. Najważniejsze z nich, to:

  • Ilość ogniw – oznaczana literą S (dla ogniw połączonych szeregowo) albo P ( dla ogniw połączonych równolegle). Przykład: 3S – pakiet złożony z trzech cel połączonych szeregowo, 1S – pojedyncze ogniwo, 2S2P – pakiet złożony z 2 ogniw połączonych szeregowo i dwóch ogniw połączonych równolegle. Każde ogniwo ma napięcie znamionowe równe 3.7V, więc łatwo wyliczyć napięcie całego pakietu (wzory na połączenia szeregowe i równoległe).
  • Wydajność prądowa – oznaczona literą C. Określa maksymalne natężenia prądu, który można pobierać z akumulatora. Nie jest podawana w amperach. Jest to mnożnik, który pozwala wyliczyć wydajność w amperach. Typowe wartości to 10C, 15C, 20C itd. (wielokrotności 5). Spotyka się również oznaczenia typu 30-40C, gdzie 30C to typowa wydajność, a 40C to wydajność chwilowa. Oznacza to, że akumulator nie zostanie uszkodzony, jeśli prąd chwilowo podskoczy do przedziału 30-40C.
  • Maksymalny prąd ładowania – również określony literą C. Informuje nas o maksymalnym prądzie, jakim można ładować akumulator. Przekroczenie tej wartości może uszkodzić ogniwa. Obliczenia przeprowadza się w taki sam sposób, jak przy wydajności prądowej, z tą różnicą, że prąd ładowania jest dużo niższy od prądu rozładowywania. Zazwyczaj jest to 1C, 2C (dla akumulatorów z dużą ilością ogniw, niestosowanych raczej w robotyce amatorskiej, często nawet 6C).
  • Pojemność – podawana w mAh (miliamperogodzinach), informuje nas, przez jaki czas można pobierać prąd o danym natężeniu. Dla akumulatorów o dużych pojemnościach wartość ta może zostać podana w Ah (amperogodzinach).
Li-po 2S (7,4V), 800mAh, prąd rozładowywania 10C

Li-po 2S (7,4V), 800mAh, prąd rozładowywania 10C

Obliczenia (napięcie, wydajność, dobór pojemności)

W przypadku napięcia sprawa jest prosta. Pojedyncze ogniwo li-po ma znamionowe napięcie zasilania równe 3,7V – w okolicach tej wartości „pracuje” najdłużej. Maksymalna wartość napięcia na jednym ogniwie to 4,2V, a minimalna to 3V.

Nigdy, nigdy, przenigdy nie wolno tych wartości przekraczać!

Jest to podstawowa zasada bezpiecznego korzystania z akumulatorów. Nieprzestrzeganie jej grozi uszkodzeniem akumulatora, a często również pożarem. Do obliczania napięć znamionowych, minimalnych i maksymalnych wystarczy nam elementarna wiedza dotycząca połączeń szeregowych i równoległych.

Przy ogniwach połączonych szeregowo napięcie można obliczyć ze wzoru:

V_p = V_o * n

Gdzie V_p to napięcie pakietu, V_o to napięcie ogniwa, które jest stałe i podane zostało wcześniej, a n to ilość ogniw w pakiecie. W ten sposób obliczymy typowe, minimalne jak i maksymalne napięcie pakietu.

W przypadku ogniw połączonych równolegle napięcie ma wartość napięcia wszystkich ogniw połączonych szeregowo. Dla przykładu:

  • 3P napięcie znamionowe wyniesie 3,7V
  • 3S3P będzie miało napięcie znamionowe będzie równe 11,1V
W przypadku połączeń równoległych, sumują się pojemności akumulatorów.

Ogniwa połączone równolegle są mniej popularne. Właściwie nie są one stosowane w robotyce amatorskiej. Przy napięciach i pojemnościach akumulatorów używanych w robotach, łatwiejszym i tańszym sposobem jest kupienie pakietu o większej pojemności pojedynczej celi. Dlatego dalsza część artykułu będzie dotyczyła ogniw połączonych szeregowo.

W akumulatorkach li-po napięcie na każdym ogniwie powinno być takie samo. Odstępstwa od tej reguły mogą wystąpić na skutek złego użytkowania lub błędów w produkcji. Mówimy wtedy o rozbalansowaniu ogniw, jest to niebezpieczne zjawisko, które może być przyczyną uszkodzenia akumulatora.

Wydajność prądowa

Akumulatory li-po słyną z dużej wydajności prądowej. Nie można jednak zakładać, że każdy akumulator sprawdzi się w naszych warunkach. Odpowiednio dobrana wydajność prądowa akumulatora może pozwolić na obniżenie kosztów oraz bezpieczną pracę zasilanego urządzenia. Wraz ze wzrostem wydajności prądowej wzrasta jednak także cena. Z drugiej strony zbyt niska wydajność prądowa może skutkować uszkodzeniem akumulatora.

Wydajność prądową w najprostszy sposób obliczymy ze wzoru:

I_p = C_p * x

Gdzie I_p to maksymalna wydajność prądowa pakietu, C_p to pojemność pakietu, a xto liczba, która na pakiecie oznaczona jest literą C. Jeśli pod C_p podstawimy pojemność w mAh, wynik otrzymamy w mA, jeżeli podstawimy pojemność w Ah, wynik otrzymamy w A.

Przykład

Posiadam pakiet 1200mAh, o maksymalnej wydajności prądowej określonej jako 20C. Jaki maksymalny prąd mogę z niego pobrać?

I_p = 1,2Ah * 20 = 24A

Wynik: możemy pobrać maksymalnie prąd o natężeniu 24A.

Przykład

Mój robot będzie pobierał maksymalnie prąd 6A. Chcę użyć akumulatorka o pojemności 500mAh. Powinienem wybrać akumulator o jakiej wartości C?

I_p = C_p * x

x = I_p / C_p = 6A / 0,5Ah = 12

Wynik: Ze względu na to, że parametr C jest zazwyczaj wielokrotnością liczby 5, jego najbliższa zawyżona wartość (przybliżamy w górę) wynosi 15C.

UWAGA: Nigdy nie dobieraj akumulatora na styk. Zawsze zostaw zapas. Przykładowo, gdy wyliczysz, że parametr C wynosi 18-19, wybierz Li-po o wydajności prądowej minimum 25C.

Maksymalny prąd ładowania

Obliczanie maksymalnego prądu ładowania przebiega niemalże identycznie, jak obliczanie wydajności prądowej. Z tą różnicą, że musimy podać inny parametr C. Tu pojawiają się pewne schody – liczba ta nie jest wypisana na pakiecie. Aby ją znaleźć, trzeba się zagłębić w dokumentację akumulatora i znaleźć jego dokładny opis. Czytając opisy ze sklepów internetowych należy wziąć poprawkę na ewentualne błędy – sprzedawca może zawyżyć ten parametr, jednak za uszkodzony akumulator nikt nie zwróci nam pieniędzy.

Dla przykładu weźmy pakiet: Rhino 610mAh 2S. Zerknijmy w tabelkę z parametrami. Interesuje nas parametr „Max Charge Rate„. Dla tego akumulatora wynosi on 2C.

Jeżeli nie znaleźliśmy parametru w żadnym opisie, to przyjmujemy parametr C=1.

Pierwszą rzeczą którą należy wiedzieć, jest to, że większy prąd ładowania skraca żywotność pakietu! Ładując prostymi, tanimi ładowarkami zazwyczaj nie mamy możliwości regulacji prądu, więc obliczanie maksymalnego prądu ładowania mija się z celem. Jeśli natomiast możemy ustawić prąd ładowania, to należy wybrać kompromis, pomiędzy najmniejszym prądem, a najkrótszym czasem ładowania.

Skorzystamy z tego samego wzoru, który określa maksymalną wydajność prądową:

I_p = C_p * x

Gdzie I_p, to maksymalny prąd ładowania, C_p to pojemność, a x, to parametr maksymalnego prądu ładowania w C.

Jeśli zależy nam na czasie, bo np. ładujemy akumulator na zawodach, to możemy ładować go maksymalnym dopuszczalnym dla niego prądem. Jeśli natomiast skończyliśmy testy w domu, chcemy mieć naładowane akumulatory na następny dzień, a jest godzina 17, to wybieramy małe prądy ładowania, rzędu 0,5C.

Nigdy nie pozostawiaj ładowanego Li-pola bez opieki. Szczególnie nie podłączaj go do ładowarki na całą noc!

Przykład

Posiadam akumulator 800mAh. Nie znalazłem jego maksymalnego prądu ładowania. Jakim prądem mogę go ładować?

Ponieważ nie znamy parametru C, przyjmujemy że C = 1.

I_p = 0,8Ah * 1 = 0,8A

Wynik: Możemy ustawić prąd ładowania maksymalnie na 0,8A. Najlepiej jednak ładować prądem 0,3-0,5A.

Obliczanie czasu pracy akumulatora

Temat tego fragmentu jest chyba na tyle oczywisty, że nie trzeba go szerzej opisywać. Aby obliczyć czas pracy akumulatora, musimy znać wartość prądu, jaki robot zużywa podczas pracy. Raczej nie zdarza się, aby robot przez cały czas pobierał taki sam prąd – może pobierać od kilkunastu mA do kilku A, a czasem nawet kilkunastu A. Musimy zatem wyliczyć średnią wartość zużywanego prądu przez robota.

Czas pracy akumulatora określimy ze wzoru:

t = C_p / I_s

Gdzie t to czas pracy, C_p to pojemność pakietu, a I_s, to średni pobierany prąd. Należy pamiętać, aby użyć tego samego przedrostka przed pojemnością akumulatora i średnim prądem. Gdy podamy pojemność w mAh, to średni prąd musimy również podać w mA. Wynik otrzymamy w godzinach.

Przykład

Zakładamy, że robot ma działać przez 45min. W tym czasie trwają testy, robot jest programowany, następnie poddawany normalnej pracy. Podczas pracy zużywa prąd o wartości 2A, a podczas programowania 100mA. Programowanie robota zajmuje 15min, testy 30min. Jaką pojemność powinien mieć akumulator?

Wyliczamy, że:

15/45 = 1/3 – czas programowania (zużywanie prądu 0,1A)
30/45 = 2/3 – czas pracy (zużywanie prądu 2A)

Liczymy średnią:

I_s = \frac{1}{3} * 0,1A + \frac{2}{3} * 2A

 I_s = \frac{0,1A}{3} + \frac{4A}{3}

I_s = \frac{4,1A}{3} = 1,37A

Zatem nasz robot przez 45min będzie pobierał około 1,37A. Znając te wartości, możemy liczyć dalej:

t = C_p / I_s

C_p = t * I_s

C_p = 0,75h * 1,37A

C_p = 1,03Ah = 1030mAh

Wynik: Nasz akumulator powinien mieć pojemność większą od 1030mAh.

Wyniki takich obliczeń nigdy nie będą dokładne. Będą obarczone błędem, ponieważ nie jesteśmy w stanie sprawdzić, jakie jest rzeczywiste średnie zużycie prądu robota. Zależy ono od wielu dodatkowych czynników. Dlatego zamiast wyliczać średnią, możemy znacząco uprościć obliczenia, przyjmując typową wartość prądu, jaką pobiera robot podczas pracy.

Przykład

Line Follower podczas jazdy z pełną prędkością po prostej pobiera 1,5A. Chcemy, żeby mógł jeździć po torze przez pół godziny. Jaką pojemność powinien mieć akumulator?

C_p = t * I_s

C_p = \frac{1}{2}h * 1,5A

C_p = 0,75Ah = 750mAh

Wynik: Używając akumulatora o pojemności 750mAh nasz robot będzie jeździł po torze przez 30min. Wiemy więc, że jeżeli w tym czasie będą momenty mniejszego zużycia prądu, to czas działania robota się zwiększy.

Należy jednak pamiętać, że wraz ze spadkiem pojemności akumulatora, spada również jego napięcie, co może odbić się na pracy robota.

Podsumowanie części pierwszej

W pierwszej części kompendium opisane zostały podstawowe parametry oraz uwagi związane z akumulatorami litowo-polimerowymi. W kolejnych częściach można znaleźć informacje dotyczące ładowania, przechowywania oraz charakterystyki pakietów.

Następna część »

Powiadomienia o nowych, darmowych artykułach!

Komentarze

Grabki

22:44, 21.01.2012

#1

Kawał dobrej, solidnej roboty. Należy Ci się wielkie piwo! Moim zdaniem nie ma tutaj żadnych błędów, wszystko zgadza się z moją(małą) wiedzą. Na pewno ten artykuł pomoże wielu początkującym, oby więcej takich pomocy!

press2313

9:55, 22.01.2012

#2

Bardzo przydatny artykuł.

Piwo dla Ciebie.

MacGyver

12:31, 22.01.2012

#3

Bardzo dobry artykuł. Na forum był juz temat o akumulatorach/stabilizatorach , lecz tamten był bardzo okrojony jeśli chodzi o li-pol. Myślę że mógłbyś dodać wzmiankę na temat "efektu pamięci".

KD93
Autor wpisu

13:00, 22.01.2012

#4

Done.

Stonka

14:11, 22.01.2012

#5

Co do zwarcia w robocie i przepalonej ścieżki:

Chciałem coś zmierzyć miernikiem i jedną końcówką przypadkowo zwarłem piny zasilana z Li-Pola... Coś błysnęło, trzasło i poleciał dymek. Na szczęście to tylko ta ścieżka, która zadziałała jak bezpiecznik. A była dość gruba jak widać:).

Bobby

16:03, 22.01.2012

#6

Miałem bardzo podobną sytuację co Stonka - z tym, że u mnie ścieżka była porównywalnej szerokości, ale dodatkowo grubo pocynowana. Chyba warto stosować bezpieczniki :P

OldSkull

8:32, 23.01.2012

#7

KD93 napisał/a:

Ładowarka wymaga osobnego zasilacza, o napięciu 11-17V i natężeniu do 5A. Próba znalezienia takich zasilaczy przynosi otrzeźwienie - ciężko coś znaleźć, a jak już się uda, to okazuje się, że kosztuje 80-100zł.

Nie jest tak źle:

http://www.piekarz.pl/?page=offer&item=44498

http://www.piekarz.pl/?page=offer&item=33675

Oba po około 45zł i 15A :) Poza tym można wykorzystać zasilacz ATX.

KD93
Autor wpisu

14:37, 23.01.2012

#8

O ATX jest napisane kilka liniej niżej. Poza tym te zasilacze mają po 12V, nie wiem nawet czy uda się naładować pakiet 3S. To co zamieściłeś to jest i tak fajna opcja, tylko nie jest wg mnie potrzebny zasilacz o takim prądzie na 12V. Podając ten przedział cenowy chodziło mi o zasilacze w granicach 15-18V 6A, jak sam widzisz w tych cenach już jest ciężej coś takiego znaleźć.

OldSkull

14:58, 23.01.2012

#9

Wydaje mi się, że nie powinno być problemu z ładowaniem większej liczby pakietów, gdyż wydaje mi się, że te ładowarki i tak mają na każde ogniwo oddzielny transformator impulsowy - przynajmniej w tych mniejszych tak jest. A nawet jeśli nie i ważna jest moc wejsciowa - i 6S-6A wymaga minimum 16V, to myślę, że 12V pozwoli ładować prądem >4A przy 6S - a to juz jest spory prąd, zwykle nie używa się pakietów 3S większych niż 4.5Ah, a jeśli mamy 2x2.2Ah to możemy po połączeniu w szereg łądować około 2C.

Jeśli chodzi o 16V to idzie czasem znaleźć na allegro zasilacz do stacji dokującej do IBM T40 - 16V 7.5A, za około 50zł. Teraz jest kilka ofert po 20zł+ wysyłka :o Co prawda uzywany, ale na chodzie.

mactro

16:09, 23.01.2012

#10

KD93 napisał/a:

Poza tym te zasilacze mają po 12V, nie wiem nawet czy uda się naładować pakiet 3S

Ja ładowałem max 4S zasilając ładowarkę z 12V, ale myślę, że nawet z 6S ni byłoby problemu, tyle, że lepiej ładować przy wyższym napięciu zasilacza, bo prąd będzie wtedy niższy.

KD93
Autor wpisu

18:08, 23.01.2012

#11

Ok, zmieniłem to zdanie, dziękuję za podzielenie się spostrzeżeniami, leci po piwie.

Hudyvolt

18:27, 23.01.2012

#12

Rozdział 4.1

KD93 napisał/a:

tańszym sposobem niż kupowanie pakietu połączonego szeregowo jest kupienie pakietu o większej pojemności.

drobna pomyłka, powinno być połączonego równolegle.

A poza tym świetny artykuł, dzięki.

szyss

18:45, 29.01.2012

#13

Brakuje tylko jeszcze jednej sprawy związanej z tym typem ogniwa. Mianowicie jeśli nie używamy przez dłuższy czas pakietu, warto zostawić go naładowanego do około 60-70% pojemności, co w przybliżeniu odpowiada 3.8V na ogniwo.

Pozdro

KD93
Autor wpisu

20:50, 29.01.2012

#14

Tak, rzeczywiście jest coś takiego, nawet te mikroprocesorowe ładowarki mają programy do "przechowywania" li-poli. Uzupełnię niebawem.

// uzupełnione

falaat

14:26, 24.05.2012

#15

Witam,

czy poprzez łącznie tych akumulatorów w większe pakiety można nimi zasilać większe silniki elektryczne? W zasadzie chodzi mi o to czy te litowo-polimerowe baterie wytrzymają zwroty energii przy hamowaniu lub nawrotach ?

Dzięki za odpowiedź

Phil

14:35, 24.05.2012

#16

falaat, musiałbyś użyć diod zabezpieczających.

Zobacz wszystkie komentarze (59) na forum

FORBOT Damian Szymański © 2006 - 2017 Zakaz kopiowania treści oraz grafik bez zgody autora. vPRsLH.