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

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

Akumulatory 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.

Następny artykuł z serii »

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.

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

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

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

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.

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.

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

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

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

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.

Następny artykuł z serii »

akumulator, balancer, Li-po, Li-pol, ogniwo, pakiet, zasilanie

Komentarze

Dodaj komentarz