Батареи: Литий-Фосфат против Литий-Полимера

Вступление

Широкое внедрение бесколлекторных моторов и Литий-Полимерных батарей за последние несколько лет обусловило резкий рост рынка электро-моделей вертолетов.
Думаю понятно, что и спортсменам, и тем более любителям и начинающим интересно иметь относительно простую, «чистую» модель всегда готовую к полету.
Для большинства спортсменов-вертолетчиков пока эта мечта не достижима – ведь удельная энергоемкость современной Литий-Полимерной батареи весом ок 500 гр составляет ок 75-85Ватт/Час, в то время как метанольное топливо с тем же весом «отдает» ок 200-250Ватт/Час. Но если учесть, что всего лишь три-четыре года назад соотношение удельной емкости аккумуляторы/топливо было хуже в два раза – то можно ожидать скорого прогресса. Но вопрос все же стоит шире – удастся ли производителям аккумуляторов так же добиться и возможности их быстрого заряда (за 10-20 мин), стойкости к электрическим и механическим перегрузкам, большой продолжительности работы. Возможно что создание и развитие Литий-Фосфатных батарей даст ответ на эти вопросы.

Литий-Полимеры

Литий – Полимеры (Lithium Polymer, LiPo, ЛиПо) в последние годы прочно закрепились в модельной технике. Используются не только как силовые (их основное назначение), но и как легкие бортовые источники питания.
Существует достаточно много торговых марок ЛиПо (самые авторитетные FlightPower, ThunderPower, PolyQuest, Kokam…). Но производителей в мире не так много, и например FlightPower, ThunderPower и некоторые другие известные марки размещают свои заказы на заводе Enerland в Южной Корее.
Основные достоинства ЛиПо:

• наилучшее соотношение энергоемкость/масса
• большая нагрузочная способность силовых ЛиПо (ток отдачи)
• широкий спектр (по емкости, весу, нагрузочной способности) выпускаемых батарей
• широкий спектр выпускаемых зарядных устройств
  Основные недостатки ЛиПо:
• высокая цена
• малый срок эксплуатации силовых ЛиПо
• малая стойкость к механическим и электрическим перегрузкам
• узкий температурный спектр работы
• обязательная постоянная балансировка батарей в блоке
• большое время заряда батареи

На графике №1 типичная характеристика напряжения-емкости-температуры при разряда силовой батареи (FlightPower) в зависимости от разрядного тока (С- номинал емкости батареи).

На графике №2 усредненное количество рабочих циклов ЛиПо в зависимости от разрядного тока и температуры блока (С- номинал емкости батареи).

Литий-Фосфаты

Литий - Фосфаты (Lithium Iron Pho, LiFe, LiFePo4, LiPho, ЛиФо) совсем недавно появились на модельном рынке. Примерно два года назад эти батареи широко начали применять в аккумуляторных блоках ручного профессионального строительного инструмента. Догадливые моделисты быстро оценили достоинства новых батарей и начали скупать и «перепаковывать» такие блоки. В середине 2006 года производитель представил специальные модельные Ли-Фо аккумуляторы.
На сегодняшний день патент и производство Литий-Фосфатов сосредоточены в одной компании из США – A123Systems.
Основные достоинства ЛиФо:

• очень большая нагрузочная способность (ток отдачи)
• большой срок эксплуатации
• высокая стойкость к механическим и электрическим перегрузкам
• широкий температурный спектр работы
• необязательная балансировка батарей в блоке
• быстрый заряд батареи
  Основные недостатки ЛиФо:
• не лучшее соотношение энергоемкость/масса
• ценовой диктат одного производителя
• один тип предлагаемых в продаже батарей
• выпускается всего несколько типов зарядных устройств

На графике №3 типичная характеристика напряжения-емкости при разряда силовой батареи (А123М1) в зависимости от разрядного тока (С- номинал емкости батареи) и температуры блока.

На графике №4 типичная кривая зарядки ЛиФо (зарядный ток больше 1С). Надо заметить что вид графика не отличается от стандартного графика зарядки ЛиПо.

Сравнение характеристик ЛиФо и ЛиПо

В этой таблице сравниваются основные характеристики близких по емкости Литий-Фосфатных и Литий-Полимерных батарей.

Батареи:
Батарея ЛиФо (A123Systems)
Батарея ЛиПо (Enerland)

Пиковое напряжение при зарядке
ЛиФо 3.6-3.8В рекомендовано, допускается перезаряд до 4.2В
ЛиПо 4.2В, но нельзя превышать более чем на 0.1В

Минимальное рабочее напряжение
ЛиФо 3.2-3.3В
ЛиПо 3.6-3.7В

Рабочее напряжение
ЛиФо ~2.7В
ЛиПо ~3.3В

Минимальное напряжение
ЛиФо 2.5В рекомендовано, допускается переразряд до 2,0В и ниже
ЛиПо 3.0В рекомендовано, переразряд ниже 2,5В может повредить батарею

Балансировка блока батарей
ЛиФо Рекомендуется изредка, большая точность не обязательна
ЛиПо Обязательна с точностью не хуже +/-0.005В

Емкость
ЛиФо 2300мАч
ЛиПо 2200мАч

Вес
ЛиФо ок.74г
ЛиПо ок.53г.

Нагрузочная способность (рабочий ток)
ЛиФо от 100А - ок.40С
ЛиПо от 40А - ок.20С

Ток/Время зарядки
ЛиФо до10A/от 15 мин
ЛиПо до 1C-2,2А/от 75 мин

Количество рабочих циклов до уменьшения емкости - 80% номинала. Испытания при токе ок.10С-25А и температуре до 66градС.
ЛиФо Более 500
ЛиПо Около 150

Вид и размеры
ЛиФо Твердый цилиндр, диам. 26,0 х высота 66,5мм (35,3см3)
ЛиПо Мягкая пластина, 79,0 х 42,0 х 9,0мм (29,9см3)

Рабочая температура
ЛиФо -30/+60градС
ЛиПо 0/+60градС

Цена
ЛиФо От 16,50 долл/шт
ЛиПо От 25,00 долл/шт

Заключение

В свое время многих моделистов отпугивала сложность эксплуатации, нестабильность и взрывоопасность первых Литий-Полимеров. Так и сейчас моделистов сдерживает новизна и практическое отсутствие информации о Литий-Фосфатах.
В этом обзоре я постарался коротко обобщить опыт коллег моделистов, данные с сайтов производителей и специалистов, ну и конечно свой опыт «общения» с силовыми ЛиПо и ЛиФо на больших моделях электровертолетов (размер лопастей от 520мм).
Что же выбрать? Я бы поставил вопрос так: или ЛиПо, и тогда на одном блоке можно сделать один полет в 7-9 минут и потом «заряжаться» ок 1,5 часа, или ЛиФо – тогда за эти же 1,5 часа можно сделать четыре полета по 5-6 минут.

ДД,
Киев, 18.03.2007

Оригинал обзора на: http://www.rcheli.com.ua
Использованы материалы с сайтов:
http://www.a123systems.com
http://www.flightpower.co.uk
http://www.thunderpower-battaries.com
http://www.fmadirect.com
http://www.flyelectric.ukgateway.net
http://www.rcgroups.com
http://www.runryder.com
http://www.rcspeech.com
и другие.