Akumulátory

Stěží najdeme výrobek určený pro modeláře, o kterém bylo v posledních letech napsáno tolik. Tolik protichůdných, správných, nesprávných nebo vysloveně nesmyslných informací máme opravdu jen o akumulátorech. Není v našich silách uvést vše na pravou míru, ale věříme, že v následujících řádkách najdete užitečné informace pro volbu toho „správného“ akumulátoru. Jak si možná z hodin fyziky vzpomínáte, akumulátory fungují na základe vratné (obousměrné) chemické reakce mezi elektrolytem a povrchem dvou elektrod - kladné a záporné. Při vybíjení běží reakce v jednom směru, při nabíjení v druhém. Jak už je to v přírodě zařízeno, celý proces neběží se 100% účinností, přičemž elektrická energie se neztrácí, ale promenuje v teplo.
V modelářské praxi se nejčastěji používají tri typy akumulátoru: niklkadmiové (NiCd), niklmetalhydridové (NiMH), olověné (Pb) a nejmodernější Lithium polymerové (Li-boly). První dva druhy ovládají oblast elektrického pohonu a napájení vysílačů a prijímačů, olovené akumulátory naopak dominují jako zdroje pro žhavení svíček spalovacích motoru, pro startéry a palivová čerpadla a pro pohon větších modelů lodí.
Niklkadmiové (NiCd) akumulátory jsou stále nejrozšířenější - jejich výhodou je nižší cena, schopnost dávat vyšší vybíjecí proud, vyšší spolehlivost a delší životnost.
Niklmetalhydridové (NiMH) akumulátory mají při stejné velikosti vyšší kapacitu, ale poskytnou menší vybíjecí proud při vyšším poklesu napětí při zatížení a jejich životnost a schopnost snášet hrubé zacházení je nižší.

Některé parametry a „akumulátorové“ pojmy:

Kapacita - udává velikost elektrického náboje (množství energie) uloženého v akumulátoru. Udává se v ampérhodinách (Ah) nebo v praxi častěji v miliampérhodinách (mAh). Akumulátor o kapacitě 1 Ah (=1000 mAh) je teoreticky schopen dávat proud 1 ampér po dobu jedné hodiny.

Vnitrní odpor - udává schopnost akumulátoru dávat vetší nebo menší vybíjecí proud. Pro názornost si představte dvě láhve (akumulátory) naplněné stejným množstvím vody (se stejnou kapacitou). Jedna má hrdlo o průměru 1 cm (velký vnitrní odpor) a druhá hrdlo o průměru 5 cm (malý vnitrní odpor). Pokud se je rozhodneme vyprázdnit, bude to samozřejmé láhvi s malým hrdlem trvat déle (dává menší vybíjecí proud).

Jmenovité napětí akumulátoru - pro NiCd a NiMH akumulátory je to 1,2 V, pro olovené 2 V na článek. V provozu se toto napětí mení v rozmezí 0,8 - 1,5 V u NiCd a NiMH a asi 1,7 - 2,3 V u olovených.

Nabíjecí proud, vybíjecí proud - udává se v ampérech (A) nebo miliampérech (mA). Důležitý údaj je proud, jehož velikost odpovídá číselné hodnotě kapacity akumulátoru - označuje se jako 1C (např.. pro akumulátor 1700 mAh je 1C=1,7 A)

Nabíjecí křivka - udává průběh napětí na akumulátoru při nabíjení konstantním proudem v závislosti na čase. Na první pohled můžeme odvodit metodu nejčastěji používanou pro automatické ukončení nabíjení NiCd a NiMH akumulátoru - tzv. delta-peak - sleduje se malý pokles (řádově desítky mV) napětí plně nabitého akumulátoru. Vidíme, že změna napětí je mnohem menší při nízkém nabíjecím proudu - automatika nabíječky nemusí pracovat správně. Křivky dle obrázku platí pro akumulátory s nízkým vnitrním odporem; akumulátory s větším vnitrním odporem opět dávají delta-peak menší. Stejně tak je sledovaný pokles napětí NiMH akumulátoru mnohem menší, než u NiCd. Důsledkem je, že starší nabíječky s delta--peak obvodem nemusejí být schopny spolehlivě ukončovat nabíjení NiCd akumulátoru s velkým vnitrním odporem (to se vztahuje i na pohonné akumulátory s kapacitou pod 500 mAh) a NiMH článku. U olovených akumulátoru se hlídá nárůst napětí na určitou úroveň (2,3 V).

Pomalé nabíjení („nabíjení pres noc“) - nabíjení proudem 0,1C (např.. 50 mA pro akumulátor 500 mAh). Používá se pro úvodní zformování akumulátoru a pro akumulátory do vysílačů a pro přijímače. Výhodou je, že není třeba přesné hlídat konec nabíjení. Pokud nabíjíme déle, proud se sice mení na teplo, ale je tak malý, že akumulátor není ohrožen.

Zrychlené nabíjení - nabíjení proudem 0,3-0,6C - stále ještě poměrně šetrná metoda, vyžaduje už spolehlivý způsob ukončení nabíjení (aspoň časovým spínačem). Vhodné pro Tx a Rx akumulátory.

Rychlonabíjení - nabíjení proudem 1-2C nebo více, nezbytně vyžaduje automatické ukončení nabíjení (delta-peak, měření teploty, dodaného náboje atd.). Časový spínač je nevhodný.

Vybíjecí křivka - pro akumulátory je typická malá změna napětí v průběhu cca 90% doby vybíjení. Proto je velmi obtížné zjišťovat okamžitý stav akumulátoru dle měřeného napětí.

Na obrázcích rovněž vidíme rozdíl mezi akumulátorem s malým vnitrním odporem (tzv. tvrdým, černá křivka) a akumulátorem s velkým vnitrním odporem (tzv. měkkým, červená křivka). Zatímco při malém vybíjecím proudu je rozdíl malý, s nárůstem proudu vidíme vetší pokles napětí na měkkém akumulátoru a pokles dodaného náboje. S růstem vybíjecího proudu klesá velikost odevzdaného náboje, což je způsobeno poklesem účinnosti akumulátoru - více energie se promění na teplo. U tvrdých pohonných akumulátoru NiCd je pokles kapacity v rozmezí 1C až 8C asi 20-25%, u měkkých NiCd a NiMH je to více. Vybíjecí křivky NiMH akumulátoru jsou podobné; dosavadní typy mají poněkud blíže k NiCd akumulátorům s vetší vnitřním odporem.

Samovolné vybíjení, samovybíjení - akumulátor není schopen trvale udržovat jednou nabitý náboj, protože - jak už jsme si řekli - je reakce na elektrodách vratná. Nabitý akumulátor se samovolné vybíjí - u NiCd akumulátoru ztrácíme asi 1% elektrického náboje denně (akumulátory s vetší vnitřním odporem se vybíjejí méně, s nízkým vnitrním odporem více), u NiMH akumulátoru muže jít až o 3 - 4% za den.

Akumulátorové sady („packy“) - jen vynímečné se akumulátory používají jednotlivě (kompaktní žhavící koncovky pro spalovací motory), většinou jsou spájeny v sade. Čtyř- a pětičlánkové sady se používají pro napájení přijímačů a serv, šestičlánky v modelech aut a lodí, sedmi- a vícečlánkové sady v modelech letadel. Akumulátory se vždy zapojují do série (za sebou), nikdy paralelně (vedle sebe). Kapacita takové sady se rovná kapacitě jednotlivého článku, jmenovité napětí je součtem jmenovitých napětí jednotlivých článku.

Formování akumulátoru - je obdobou záběhu spalovacích motoru. Nový nebo dlouho nepoužívaný akumulátor je třeba podrobit nejméně třem (lépe pěti) cyklům pomalého nabití proudem 0,1C a pomalého vybití proudem max. 1C. Tento pomalý postup „rozhýbe vnitřnosti“ článku a zároveň umožní článkům v sade vyrovnat svoje parametry. Další cykly už mohou probíhat s rychlonabíjením a vybíjením v normálním provozu.

Provoz akumulátoru - všeobecným problémem akumulátorových sad je to, že jednotlivé články nejsou nikdy úplně stejné. V provozu potom dochází k tomu, že jeden článek se vybije nejdříve, načež se ho zbytek sady snaží dobíjet. Tento článek se více ohřívá a v průběhu opakovaných vybíjecích cyklu se jeho parametry stále více zhoršují a odchylují od zbytku sady. Navenek se to projeví poklesem náboje, který je sada schopna dodat, nárůstem vnitrního odporu, který způsobuje vetší ohřev sady při vybíjení a poklesem maximálního vybíjecího proudu, který je akumulátor schopen dávat. Postupem času tento proces muže vést až ke zničení článku. Je třeba říci, že „současná medicína“ není schopna tomuto jevu zabránit, lze jej jen omezit. Musíme se proste smířit s tím, že akumulátorová sada, kterou my modeláři nutíme pracovat na hranici možností, nevydrží věčně. Můžeme ale hodně udělat pro to, aby vydržela déle.

Vyplatí se kupovat kvalitní značkové akumulátory: u NiCd je zvláště pro pohonné účely volba jednoznačná - SANYO. Podobně je tomu u NiMH článku, ale vzhledem k tomu, že tento výrobce nenabízí články v některých populárních velikostech, můžete se spolehnout na značku KAN. Věnujeme pozornost důkladnému formování nové sady, snažíme se akumulátory pravidelně cyklovat.

Pokud delší dobu sadu nepoužíváme, skladujeme NiCd akumulátory zásadně plně vybité

 a NiMH plně nabité.

Po delší přestávce (měsíc a více), provedeme formování, jako by šlo o novou sadu. Dobrý nabíječ je samozřejmostí. Pro rychlonabíjení by mel mít spolehlivou delta-peak automatiku, v ideálním případě jištěnou ještě další metodou. Měl by být vybaven funkcí vybíjení nebo si pořídíme vybíječ zvláštní (JETI, BEL). Pokud chceme provozovat elektrický pohon na úrovni jen trochu nad občasným poletováním o nedělích, měli bychom uvažovat o zakoupení nabíječe s displejem, který bude umet merit vybitý a nabitý náboj. Budeme tak mít mnohem důkladnější informace o stavu akumulátoru. Pro omezení vlivu „rozbíhání parametru“ jednotlivých článků bychom měli v pravidelných intervalech provést 1-2 cykly pomalé nabití/pomalé vybití jako při formování. Umožníme tak článkům svoje parametry v klidu „srovnat“. U vysílačových, prijímacových a pohonných NiCd sad by melo stačit provést tento úkon 2-3x ročně, u pohonných NiMH akumulátoru doporučujeme provádění častější. Zvláštní péci si vyžadují pohonné NiMH články kapacit do 1000 mAh, které jsou silně přetěžovány - tam by měl pomalý cyklus nabití/vybití následovat po 12-15 „ostrých“ cyklech.

Sady z vybíraných článků - výše popsaný problém je možno omezit také tím, že sadu sestavíme z akumulátoru předem otestovaných. Vyberou se články s co nejbližšími parametry - díky tomu, že se vybírané akumulátory navzájem méně „přetahují“, je vyšší maximální vybíjecí proud, napětí akumulátoru při vybíjení i kapacita. Samozřejmé je mnohem vyšší i cena takové sady. V praxi pro rekreační létání se sadami do 10 články se vybírané sady asi nevyplatí. Pokud máte vyšší nároky, zvláště pokud hodláte používat napájení - řekněme s 20 články a více, stojí to za úvahu.

Paměťový efekt - je strašidlo obcházející modeláře podobně, jako strašidlo komunismu obcházelo Evropou. Jen v krátkosti - paměťový efekt skutečně existuje, ale jde o záležitost zcela okrajovou, nikoliv o „požírače kapacity“. Postihuje NiCd i NiMH akumulátory, ale bát se jej nemusíme. Proste neexistují žádné „paměťové baterky“, jak se stále ještě můžete doslechnout. Pokud značkový akumulátor ztrácí kapacitu, je to důsledkem výše popsaného „rozbíhání parametru“, nesprávného nabíjení (přebíjení), přetěžování v provozu (opravdu, naše modelářské nároky jsou nesmírně vysoké), mechanického poškození (po tvrdém přistání) atd.
Proste platí stará moudrost o kupování levných věcí a rozhodne se vyplácí pravidelná péče o akumulátory.

Lithium polymerové akumulátory

Lithium polymerové (Li-poly) akumulátory představují nejmodernější zdroj energie pro pohon modelu. Vynikají především nízkou hmotností a vysokou energetickou hustotou - tj. velikostí uloženého elektrického náboje vztaženého na jednotku hmotnosti. Vzhledem k tomu, že za krátkou dobu jejich používání se okolo těchto článků již vyrojila rada pověr a nepřesných informací, povíme si o nich něco podrobněji.

Vzhledem ke zcela odlišnému typu elektrochemické reakce probíhající uvnitř článku vyžadují zcela jiné zacházení než běžné niklkadmiové (NiCd) nebo niklmetalhydridové (NiMH) akumulátory.

Základní vlastnosti Li-poly článku:
Li-poly články mají zpravidla tvar plochého hranolu s dvojicí tenkých páskových elektrod vyčnívajících na kratší straně. Celek je zavařen v tuhé plastové fólii. Vzhledem k tomu, že vlastní elektrody jsou z materiálu obtížně pájitelných, jsou k nim naplocho bodově přivařeny pásky z materiálu, který lze pájet běžnou páječkou a cínovou pájkou.
Pozor: pájitelný povrch elektrod je z té strany článku, kde je natištěno označení polarity a číselný kód.

Elektrody nesmějí být opakovaně mechanicky namáhány (ohýbány atd.).
Jmenovité napětí Li-poly článku je 3,6 V (na rozdíl od 1,2 V u NiCd a NiMH akumulátoru). V provozu nesmí v žádném případě napětí článku překročit 4,2 V při nabíjení a poklesnout pod 3 V. Překročení těchto hodnot znamená s vysokou pravděpodobností nevratné poškození akumulátoru.

Z tohoto důvodu je třeba používat pro nabíjení speciální nabíječe pro Li-poly akumulátory, stejně jako používat speciální regulátory, jejichž ochranné obvody (PCO) zabrání vybití článku pod bezpečnou mez.

Nedodržení správného postupu při nabíjení, stejně třeba jako zkrat článku, vede k přehřátí článku a jeho poškození vyvíjenými plyny. Pokud teplota uvnitř článku překročí cca 150 stupňů Celsia, dojde k nastartování exotermní chemické reakce (reakce doprovázená vývojem tepla), která muže samovolně pokračovat i při odpojení nabíječe. V důsledku toho muže dojít k explozi článku a k vzniku požáru, neboť vystříknutá náplň článku se na vzduchu sama vznítí. Ačkoliv jsou Li-poly akumulátory při správném zacházení zcela bezpečné, toto nebezpečí nepodceňujte.
Oproti NiCd a NiMH článkům je zásadní výhodou, že Li-poly články je možno spojovat do sad nejen sériově (a dosáhnout tak vyššího napětí při stejné jmenovité kapacitě), ale i paralelně (vedle sebe, kapacita článku se sčítá, stejně jako maximální velikost dodávaného proudu).
 Podmínkou je důkladný výběr článků, jejich napětí se nesmí lišit o více než 0,01 V, musejí být ze stejné výrobní série a mít za sebou stejnou historii používání.
Rovněž během provozu je třeba pravidelně (po 5-7 cyklech) kontrolovat napětí článku. Pokud zaznamenáte vyšší rozdíl, je třeba parametry článku vyrovnat cyklováním jednotlivých článků. Sériově řazené články se označují písmenem „s“ (3s jsou tři články v sérii, sada 3s z 1200 mAh clánku má potom jmenovité napětí 3x3,6=10,8 V, kapacita zůstává 1200 mAh), paralelně řazené písmenem „p“ (3s2p jsou dva tříčlánky propojené paralelně; sada 3s2p z 1200 mAh článků má jmenovité napětí 3x3,6=10,8 V, kapacitu 2x1200=2400 mAh a je schopna poskytovat dvojnásobný proud). Oproti NiCd a NiMH článkům nevyžadují Li-poly akumulátory úvodní formování, ale je možné, že během několika úvodních cyklu se bude využitelná kapacita poněkud zvyšovat. Li-poly akumulátory také není třeba před nabíjením vybíjet - je tak např.. možno zcela bezpečně nabíjet akumulátory vybité na 50%.

Zhotovování akumulátorových sad

Vzhledem k páskovým elektrodám z tenkého plechu, které není možno mechanicky namáhat a nárokům kladeným na výběr clánku, doporučujeme nákup již továrně zhotovených sad. Pro hloubavější modeláře jsou tu postupy převzaté z časopisu Quiet&Electric Flight International (lednové a listopadové vydání, 2003).

Jednotlivý článek: Horní část clánku ovineme 1-2 vrstvami samolepící pásky - tak vytvoříme základní izolační vrstvu. Na přední stranu elektrod připájíme kabely se silikonovou izolací odpovídajícího průřezu; pájíme krátce, abychom zamezili přehřátí. Elektrody nyní opatrně ohneme na zadní stranu clánku a celek ovineme 2-3 vrstvami samolepící pásky (páska by mela fixovat kabely v délce 1-2 cm. Takto jednoduše vývody zároveň zaizolujeme i ochráníme proti mechanickému namáhání.
Více clánku: doporučujeme zhotovit malý plošný spoj z kuprexitu s rozměry odpovídajícími čelům článku (stačí proškrabáním měděné fólie) s úzkými štěrbinami pro elektrody vyříznutými lupenkovou pilkou. Na plošném spoji snadno vytvoříme požadované sériové nebo paralelní zapojení. Články navzájem slepíme oboustrannou lepící páskou a celek ochráníme smršťovací fólií. Výstupní kabely se pájejí na plošný spoj.
Na obrázku vlevo je znázorněn plošný spoj pro dva články v sérii.

Nabíjení

Pro nabíjení vždy používejte speciální nabíječ určený pro Li-poly nebo lithium-iontové (Li-ion) akumulátory. Musí být vybaven automatikou zajištující, že nebude překročeno maximální povolené napětí 4,2 V na článek a maximální nabíjecí proud (výrobci obvykle udávaných 0,7C*, v žádném případě ne více než 1C). Používá se několik metod nabíjení, nejčastěji taková, při níž se nabíjí konstantním proudem do momentu, kdy napětí na článek dosáhne 4,2 V (tak je clánku dodáno cca 90% náboje), poté se postupně snižujícím proudem (aby se nepřekročilo mezní napětí) nabíjí do úplného nabití. V žádném případě nepoužíváme režim nabíjení s automatickým nastavením nabíjecích parametru ani jakékoliv programy, které nejsou určeny pro nabíjení Li-poly (nebo Li-ion) akumulátoru. Vhodné typy nabíječů se sítovým i 12V napájením najdete v našem katalogu.

Vybíjení

Při provozování pohonných systému s Li-poly akumulátory je třeba brát ohled na to, že tyto články byly vyvinuty pro aplikace, v nichž je požadována vysoká kapacita a nízký proudový odběr (mobilní telefony apod.). Výrobci proto zaručují vysokou životnost při proudech, které dostačují jen pro pohon lehkých modelu slow- a park-fly. Např.. pro klasické články E-Tec se zaručuje při vybíjení proudem 4C pokles kapacity o 10% až po 300 nabíjecích a vybíjecích cyklech. V modelářské praxi se ale proudy běžně pohybují v rozmezí 6-10C i více, což samozřejmé vede k omezení životnosti, kterou není možno srovnávat se současnými NiCd akumulátory. Pohonný systém je proto lépe volit s motorem s vyšším počtem závitu a větším počtem clánku v sérii, což dovoluje pracovat pri stejném výkonu s nižšími vybíjecími proudy. Tento problém do značné míry odstraňují články nové rady HP, které mají zaručený vybíjecí proud vyšší než 10C.
Naprosto nezbytné je používání elektronických regulátoru otáček přizpůsobených pro napájení z Li-poly resp. Li-ion akumulátoru. Vhodné typy pro stejnosměrné i střídavé motory najdete v našem katalogu.

A na závěr ještě znovu dvanáctero základních zásad bezpečného používání Li-poly akumulátoru

1) Pozor na zkrat u jednotlivých clánku i sad - požívejte konektory s bezpečně izolovanými kontakty, nenechávejte jednotlivé články jen tak povalovat - např.. v zásuvce, kde je muže zkratovat volně „poletující“ šroubovák.
2) Li-poly akumulátory nepatří do rukou dětem, ani osobám, které si nepřečetly nebo nejsou ochotny dodržovat tento návod.
3) Chraňte články před mechanickým poškozením - vytržení elektrod, propíchnutí. Mohlo by přitom dojít k vnitrnímu zkratu s výše popsanými následky (exploze, požár).
4) Nepropichujte ani „nafouknuté“ články - nafouknutí je známkou vnitrního poškození a článek by se mohl po propíchnutí proměnit v plamenomet.
5) Pri nabíjení se nejprve dvakrát přesvědčete, že jste správně nastavili parametry nabíjení (počet clánku, nabíjecí proud). Nepoužívejte programy s automatickým nastavením parametru.
6) Nabíjený akumulátor umístěte na nehořlavou podložku. V blízkosti se nesmějí nacházet hořlavé předměty nebo kapaliny.
8) Pri nabíjení neponechávejte akumulátory bez dozoru.
9) Akumulátory nenabíjejte uvnitř automobilu (je to hořlavý předmět!)
10) Pravidelně kontrolujte napětí na jednotlivých článcích sady zvláště v paralelním zapojení, nemělo by se lišit o více než 0,01 V.
11) Po havárii vyjmete články z modelu, odložte je na bezpečné místo a po několik hodin z bezpečného odstupu sledujte.
12) Před definitivním vyhozením článek zcela vybijte ponořením na 12 hodin do nádoby se slanou vodou.