Силовые NiCd аккумуляторы

Вступление

Речь пойдет об аккумуляторах, которые используются для питания электродвигателей на радиоуправляемых моделях. Такие аккумуляторы стоят недешево, поэтому, чтобы продлить срок их службы и полностью использовать емкость, с ними надо правильно обращаться.

Так уж сложилось исторически, что первыми аккумуляторами, нашедшими применение в электромоделях, были NiCd (никель-кадмиевые). Дело в том, что электродвигатели, приводящие модели в движение, потребляют довольно большие токи. Изначально такие токи могли обеспечить только NiCd батареи. До сих пор они являются единственным и незаменимым источником энергии для многих электромоделей.

Одни из самых часто используемых в моделизме NiCd элементов имеют диаметр 22 мм и длину 42 мм. Максимальная емкость таких батарей составляет 2400 ма/ч. Типовые разрядные токи, на которых используются подобные аккумуляторы - 20-40 ампер. Естественно, что выбор силовых аккумуляторов этим не ограничивается. Они бывают самых разных размеров и емкостей. Мировым лидером в производстве NiCd элементов, способных отдавать большие токи, является фирма Sanyo. Аналогичные NiCd аккумуляторы также производят фирмы Panasonic и Varta.

Выбор аккумуляторов.

Назвать конкретные аккумуляторы, которые подойдут к вашей модели - довольно сложно. Поэтому здесь будут приведены лишь общие принципы выбора.

1. Если говорить о выборе производителя, то Sanyo несомненно имеет ряд преимуществ по качеству работы. По сравнению с другиим производителями, аккумуляторы Sanyo имеют меньшее внутреннее сопротивление, большую отдачу, медленнее стареют и меньше греются.
2. На всякий случай стоит напомнить, что аккумуляторы для батареи должны быть подобраны по емкости. Иначе батарея прослужит заметно меньше, чем могла бы, да и отдача будет поменьше.
3. Если все-таки важно извлечь побольше емкости, то цена может отойти на второй план. Нужно выбирать аккумуляторы исходя из того, какую емкость они будут отдавать на заданной нагрузке, и только потом смотреть на отношение емкость/цена. Тут возможны довольно забавные ситуации. Если посмотреть банки Sanyo в форм-факторе АА на 800 и 1000 ма/ч, то при токе 10 ампер банки на 800 ма/ч выдадут больше емкости, хотя стоят они дешевле. Эта ситуация взята из авиамодельной практики, когда используется популярный мотор Speed 400 со стандартным пропеллером, без редуктора.
4. Если важно извлекать из аккумуляторов еще больше, то их начинают селектировать не только по емкости, но и по напряжению. Выбирают те банки, которые имеют максимальное напряжение. Это где-то на 0.05 вольта больше, чем для стандартного случая.
5. Наконец, чтобы извлекать из банок все до последнего, их специально обрабатывают по "Zap"-технологии, и только потом селектируют по емкости и напряжению. Но это необходимо только для очень серьезного спорта. Потому что цена таких банок возрастает раза в два. Для того, чтобы сделать 27-баночную батарею для планера F5B, спортсмены могут перебрать 2000 банок.

Пайка

Конечно, вы можете купить готовую батарею, но многие моделисты предпочитают приобретать комплекты селектированных и неспаянных элементов. Обычно это обходится дешевле. В принципе, пайка особых сложностей не вызывает, но надо учитывать несколько моментов, чтобы не повредить аккумуляторы и добиться высокого качества соединений. Само собой разумеется, что вы должны обладать некоторыми навыками пайки, чтобы не испортить аккумуляторы.

Взаимное расположение элементов в батарее может быть различным, и определяется только формой аккумуляторного отсека модели. Например, если речь идет об автомодели, для которой требуется батарея из 6 банок, то тут возможны 2 конфигурации:

• Соединение банок торцами по 3 штуки, в 2 ряда
• Расположение банок бок о бок и соединение соседних банок перемычками

При самостоятельной сборке элементы чаще всего располагаются вторым способом, так как пайка в этом случае наиболее простая.

Весь процесс можно разбить на несколько этапов.

1. Обзаведитесь всеми необходимыми инструментами. Понадобятся как минимум паяльник, припой, флюс и перемычки. Паяльник должен быть мощностью 40-60 ватт, а еще лучше - 100 ватт с ограничением по температуре. Припой можно использовать ПОС61, а в качестве флюса - 30-50% ортофосфорную кислоту. Если нет фирменных перемычек, то можно использовать медную оплетку от экранированного провода, сечением не менее 2.5 кв. мм.
2. Обязательно подготовьте аккумуляторы и перемычки перед пайкой. Аккумуляторы нужно разрядить и очистить от грязи. После этого все паяемые поверхности необходимо залудить. Обратите внимание, что залуживать нужно не всю поверхность, а только места пайки.
3. Уложите аккумуляторы в ряд, так чтобы их полюсы чередовались, и подровняйте.В местах касания элементов нанесите циакриновый гель. Когда клей засохнет, переверните ряд из аккумуляторов на другую сторону и повторите операцию.Термоклеем пользоваться не рекомендуется, т.к. при нагреве аккумуляторов он размягчается и теряет прочность.
4. Теперь, когда аккумуляторы зафиксированы, можно приступить к пайке. Поскольку аккумуляторы в местах пайки и перемычки вы уже залудили, проблем возникнуть не должно. Припой в месте пайки должен быть гладким и блестящим. Если олово выглядит мутным, то, возможно, вам не хватило мощности паяльника, или же вы решили обойтись без флюса. Качество соединения при этом остается под большим вопросом.
5. Когда элементы соединены между собой, остается припаять провода с разъемом, или контакты из тех же перемычек, на случай, если вы задумаете на соревнованиях обходиться без разъемов. Во втором случае такие контакты будут спасать аккумуляторы от перегрева паяльником.
6. После завершения пайки необходимо смыть остатки флюса щеткой, смоченной в воде или спирте (в зависимости от того, какой флюс применялся).

Раз уж речь зашла о пайке батарей, надо коснуться и способа пайки аккумуляторов встык, без использования перемычек.

Во-первых, перед тем как идти на такой подвиг, десять раз подумайте, надо оно вам или нет. Выигрыш по сопротивлению начинает сказываться при токах 70-100 ампер, а такое бывает, как правило, только на спортивных моделях (например, на планерах F5B). В большинстве же случаев токи аккумуляторов не превышают 40 ампер. Помните также, что если вы спаяете аккумуляторы встык без перемычек, то вы не сможете потом разобрать батарею, если это понадобится (например, чтобы заменить банку, которая вышла из строя).

При пайке аккумуляторов встык необходимо использовать специальную насадку на паяльник в виде молотка, диаметром 12-15 мм и длиной 30-40 мм. Для выравнивания банок можно использовать алюминиевый уголок. С элементов можно снимать "рубашки", оставляя только колечко у положительного полюса (на 27-баночной батарее это экономит около 10 грамм веса). На положительные полюсы также делаются изолирующие прокладки с отверстием в центре. Они защитят аккумулятор от брызг олова при пайке.

Торцы банок необходимо залудить. Затем банки прогревают, вставив между ними "молоток". После этого паяльник вынимают, а аккумуляторы быстро смыкают.

Затягивать батарею в термоусадочную пленку или нет - решать вам. Вообще, такая обтяжка несколько ухудшает теплоотвод, поэтому, скажем, на "классических" 6-баночных батареях ее стараются не использовать, тем более, что затрудняется доступ к отдельным элементам для индивидуального разряда. Но если речь идет о большом количестве банок и экономии веса (отказ от использования циакрина), то без обтяжки уже никак не обойтись.

Заряд

Зарядка силовых аккумуляторов отличается от зарядки обычных. Если обычные, как правило, заряжают током 0.1С (где С - емкость аккумулятора), то для силовых батарей требуется ток заряда 1.5С-2.5С. На заряд простых батарей уходит 10-14 часов. Силовые аккумуляторы заряжаются 20-40 минут. Естественно, что и зарядные устройства используются другие. Соответственно, их называются "медленными" и "быстрыми".

Механизм быстрой зарядки аккумуляторов отличается от обычного. В конце зарядки напряжение на элементе относительно быстро возрастает, а затем начинает снижаться. Посмотрите на зарядную кривую.

1. Аккумулятор полностью разряжен, напряжение меньше 0.4 вольта.
2. Быстрая зарядка.
3. Дозарядка слабым постоянным током.
4. Зарядное устройство отключено.

По пику напряжения зарядники и определяют, что процесс быстрой зарядки пора прервать. Зачастую после этого проводится второй короткий цикл заряда, для более полной накачки батареи.

Величина пика может немного варьироваться в зависимости от производителя. Например, фирма Sanyo рекомендует величину спада напряжения из рассчёта на одну банку примерно 10 милливольт от пика напряжения.

Диапазон цен на быстрые зарядники колеблется от 20 до нескольких тысяч долларов. Все зависит от функциональных возможностей:

• количества одновременно заряжаемых батарей
• минимального и максимального количества банок в батарее, которое поддерживается зарядником
• возможности регулировки тока заряда и диапазона его изменения
• наличия индикатора и различных режимов заряда
• наличия разрядника

Конечно, тут перечислены далеко не все критерии, и многое также будет зависеть от фирмы-производителя. Вообще говоря, если вы хотите максимально использовать емкость своих батарей, то придется раскошелиться на нормальный компьютерный зарядник, с регулируемым током и желательно с разрядником. Для многих из вас зарядника за 100-300 долларов будет вполне достаточно. Ну а если разница в несколько процентов емкости для вас не принципиальна, то можно будет обойтись и более дешевыми зарядными устройствами. Наиболее качественные и известные модели зарядников предлагают фирмы Robbe, Graupner и Schulze.

Можно еще добавить, что существуют различные модификации алгоритмов быстрого заряда, которые, по идее, должны приводить к более полной зарядке батарей. Однако на практике конечный эффект настолько неочевиден, что углубляться в такие тонкости нет смысла. Запомните лишь, что при работе с батареей стоит всегда обеспечивать ее полный цикл заряда/разряда. Тогда ваш аккумулятор прослужит дольше.

Разряд

После того, как батарея отработала, ее обязательно нужно разрядить. Если этого не сделать и сразу перейти к зарядке, то у аккумуляторов станет проявляться эффект памяти. Это выражается в том, что напряжение на банках при заряде немного повышается, а реальная емкость падает.

Если ваше зарядное устройство не имеет встроенного разрядника, то можно воспользоваться лампочкой накаливания (или несколькими) на 12в и ток 3-20 ампер. Лампу необходимо отключить, когда спираль будет еле тлеть. Если этого не сделать и ждать "до победного конца", то есть риск, что из-за разброса емкостей некоторые элементы батареи окажутся реверсированными (слегка заряженными в обратной полярности). Вообще говоря, можно купить специальный разрядник, который автоматически отключит нагрузку в нужный момент.

Для еще более полной разрядки можно рекомендовать доразрядить каждый элемент по отдельности через кремниевый диод и резистор номиналом 50-100 ом. На рынке предлагаются готовые устройства, которые подключаются к каждому элементу батареи, и разряжают их до конца.

Нюансы эксплуатации

Нужно сразу заметить, что при обычной эксплуатации с аккумуляторами можно обращаться весьма вольно. Но когда речь идет о соревнованиях, часто бывает необходимо извлечь из батареи все до последнего. В этом случае аккумуляторы требуют намного более аккуратного и бережного обращения. Разница в энергоотдаче составляет всего несколько процентов, но порой от этого зависит победа в соревновании.

Те, кто использует NiCd батареи, знают, что в начальный момент аккумулятор имеет повышенное напряжение, особенно в первую минуту работы, которое постепенно приходит в норму. Если батарею заряжать большим током, то аккумулятор будет выдавать повышенное напряжение дольше, хотя общее время отдачи энергии сократится. И наоборот, если заряжать меньшим током, то аккумулятор будет отдавать энергию более равномерно, а общее время работы чуть увеличится. На практике это значит, что в зависимости от режима эксплуатации можно подбирать оптимальный зарядный ток батарей. Например, тем, кто ездит в классе Stock, есть смысл заряжать аккумуляторы максимальным током (5 ампер). Ну а тем, кто ездит в классе Modified, возможно, будет полезно заряжать батареи помедленнее.

Никогда не гоняйте батарею до самого конца (пока мотор не перестанет крутиться). При этом Вы можете разрядить некоторые элементы в батарее до их переполюсовки.

Никогда не допускайте резких перепадов температур батареи. Да, после разряда аккумуляторы могут нагреться так, что их будет трудно держать в руках. Но это не повод использовать для охлаждения воду или холодильник. Лучше воспользоваться небольшим вентилятором и подождать полчасика или часик. Это, конечно, не быстро, но батарея прослужит намного дольше.

Существует мнение, что для того, чтобы извлекать максимум энергии из NiCd батарей, желательно делать между рабочими циклами перерывы хотя бы в 24 часа (батарея отдыхает, примерно как резиномотор). Правда, справедливости ради, надо сказать, что у разных людей мнения тут расходятся, и результаты выходят самые разные (у кого-то прирост емкости получается, а у кого-то нет).

Хранение

NiCd батареи надо хранить в разряженном состоянии. Лучше всего подключить цепочку из диодика и резистора на каждую банку, чтобы ограничить напряжение на уровне 0.5-0.7 в на элемент. Это также способствует выравниванию характеристик элементов, из которых состоит батарея.

После длительного хранения батареи необходимо прогнать 2-3 цикла заряд/разряд током 3-5а, чтобы она вошла в рабочий режим и работала с полной отдачей.

Заключение

Наверное, после прочтения этой статьи вы уже примерно поняли, что собой представляют силовые аккумуляторы и как с ними обращаться. Подводя итог, можно сказать, что, эксплуатируя аккумуляторы, нет смысла излишне усложнять свою жизнь. Конечно, когда речь идет о спорте, и тем более о мировых рекордах, то к эксплуатации батарей надо подходить со всей серьезностью. Ну а если вы используете батарею, чтобы покатать автомодель раз в неделю по лужайке перед домом, то многие нюансы можно и опустить. В этом случае зарядник можно взять попроще, разряд проводить при помощи лампы накаливания (без индивидуального разряда каждой банки).

И еще один момент, касающийся утилизации отработавших аккумуляторов. Дело в том, что кадмий, содержащийся в NiCd элементах, по токсичности не уступает ртути. Поэтому во всех цивилизованных странах имеются пункты приема таких батарей, а стоимость переработки сразу включается в цену аккумуляторов. Более того, во многих местах запрещено использовать NiCd-элементы, которые не включены в общую программу утилизации (на которых отсутствует специальная маркировка).