Li-Po batteri

Oversatt frå www.icharger.co.nz av Runar Sandnes

Kva er LiPo-batteri, og kvifor er dei så populære innan radiostyrte doningar?
LiPo-batteri (forkorting for Lithium Polymer) er ein type oppladbare batteri som har tatt C-verden med storm, spesielt innan modellfy og modellhelikopter. Dei er no hovudgrunnen til at elektriske motorar no er eit veldig bra alternativ til fuel/bensindrivne modellar. Når ein samanliknar dei med dei tradisjonelle NiCd/NiMh-batteria, har LiPo spesielt tre eigenskapar som gjer dei perfekt til modellflyging, radiostyrte bilar, verktøy og andre portable elektriske artiklar.

  • LiPo-batteri er nokså lette i forhold til kapasiteten, og kan lagast i nesten alle former og storleikar.
  • LiPo-batteri har høg kapasitet, og kan såleis lagre mykje energi i eit forholdsvis lite batteri.
  • LiPo-batteri har veldig høg utladingsevne, noko som gjer dei godt egna til elektriske føremål som trekk mykje straum.

Desse fordelane er sjølvsagt viktige til dei fleste føremål, men for radiostyrte fly og helikoper er LiPo grunnen til at elektrisk drift har blitt så populært. Elektriske bilar og båtar har eksistert i lang tid, men det var ikkje før LiPo-teknologien kom at fly og helikopter brått fekk effekt og kapasitet nok til å bli ein reell konkurrent til nitro.

Der er likevel nokre negative sider ved LiPo-batteri, som igjen beviser at det sjeldan finst ei perfekt løysing.

  • Tryggleik – fordi elektrolyttane i batteriet er ganske skjøre, så kan dei eksplodere eller ta til å brenne ukontrollert.
  • LiPo-batteri krev spesiell og korrekt handtering dersom dei skal vare lenge. Lading, utlading og lagring er alle faktorar som spelar inn på livslengda til batteriet. Gjer du ein alvorleg feil her, er batteriet øydelagt for alltid.

Merking av LiPo-batteri
Kva betyr denne merkinga? Hovudsakleg volt og kapasitet. Det er i stor grad desse to verdiane du treng å sjå etter når du skal kjøpe batteri. Det er ein tredje verdi òg, som vi kjem tilbake til etterkvart.

Volt eller “S”-verdi
I motsetning til NiCd- eller NiMh-battericeller, som har ein volt på 1.2v pr celle, har LiPo 3.7v pr celle nominelt, og 4.2v fullada.  Fordelen med dette er at ein kan bruke færre celler for å bygge opp ein batteripakke. På grunn av den høge volten på cella, kan faktisk mange små mikrostorleiks fly/helikopter (Blade mCPX, mSR eller 120SR) bruke kun ei celle på 3.7v for å gi nok kraft til modellen.

Med unntak av dei aller minste modellane, treng ein gjerne LiPo-batteripakkar med 2 eller fleire celler kopla saman i serie for å få høgare spenning. Dei største modellane kan gjerne ha så mykje som 6 eller 12 celler kopla saman i HV-oppsett (high voltage).

Her er ei liste over dei LiPo-batteripakkane som dei fleste nybegynnerar kjem til å møte på:

  • 3.7 volt batteri = 1 celle x 3.7 volt (1S)
  • 7.4 volt batteri = 2 celler x 3.7 volt (2S)
  • 11.1 volt batteri = 3 celler x 3.7 volt (3S)
  • 14.8 volt batteri = 4 celler x 3.7 volt (4S)
  • 18.5 volt batteri = 5 celler x 3.7 volt (5S)
  • 22.2 volt batteri = 6 celler x 3.7 volt (6S)

Om du lurer på kva nummera i parantesen betyr, så er dei ein måte produsentane brukar for å indikere kor mange celler som er kopa saman i serie (S).

Batteripakkar kan òg bli kopla saman i parallell for å auke kapasiteten. Dette er indikert ved eit nummer etterfulgt av ein “P”. Eksempel: 3S2P betyr at 2 pakkar med 3 celler i serie er kopla saman i parallell for å doble kapasiteten.

Kapasitet, eller mAh-verdi
Kapasitet indikerer kor mykje straum batteriet kan lagre, og er målt i milliampere-timar (mAh). Dette er ein måte å vise kor mykje belastning eller straumtrekk som kan bli satt på batteriet i ein time, heilt til batteriet er utlada.

Til dømes; eit LiPo-batteri som er rata til 1000mAh kan bli utlada i løpet av ein time med 1000mAh straumtrekk. Dersom det samme batteriet blir utsatt for 500mAh straumtrekk, vil det ta to timar før batteriet er tomt. Dersom straumtrekket vert auka til rundt 15.000mAh (15 A), eit typisk straumtrekk under hovring med eit 450-helikopter, så vil batteriet berre vare i drøyt 4 minutt.

Som du kan sjå, for ein radiostyrt modell med denne størrelse på stramtrekket, vil det vere veldig teneleg å bruke ein batteripakke med større kapasitet, td 2000mAh eller større. Med 15A straumtrekk vil ein slik pakke doble flytida til 8 minutt.

Konklusjonen er  at om du vil ha lengre flytid, auk kapasiteten på batteriet. I motsetning til spenninga (volt), kan flytida på batteriet justerast opp eller ned ved å velge batteri med ulik kapasitet. Sjølvsagt er det begrensingar på både storleik og vekt. Dess større kapasitet batteriet har, dess tyngre vert det. Dette spelar igjen inn på flytida.

Utladningverdi eller “C”-verdi
Dette er truleg den mest  overvurderte, og minst forståtte verdien på eit batteri. Utladingsraten er ganske enkelt kor raskt eit batteri kan bli utlada på ein trykk måte. Med andre ord; kor raskt elektrona kan flyte frå anoden til katoden. I LiPo-batteria vert denne verdien kalla C-verdi. Kva betyr dette?

Eit batteri med utladingsrate på 10C kan lade ut batteriet med 10 gongar større straumtrekk enn kapasiteten på batteriet. Ein 15C-pakke kan lade ut 15 gongar meir etc…

La oss bruke eit 1000mAh-batteri som eksempel. Dersom det var rata til 10C, så betyr dette at batteriet maksimalt kan levere eit straumtrekk på 10.000 mA eller (10A). (10x 1000mAh = 10.000mAh eller 10A). Om vi omset dette i eit tidsperspektiv, så tilsvarar dette 166mA straumtrekk pr. minutt, noko som vil lade ut batteret på 6 minutt.

Korleis? Dette reknar vi ut ved å først bestemme mA pr minutt av pakken. 1000mAh delt på 60 minutt = 16.6mA pr minutt. Så gongar vi C-verdien (her 10) med 16.6mA og får 166mA pr minutt. Deretter deler vi kapasiteten på batteripakken (1000mA) med denne verdien (1000mA/166m) og får 6.02 minutt.

Kva med eit 20C-verdi på eit 2000mAh batteri? 20 x 2000mA = 40,000 mA or 40A. Omrekna til tid: 40A straumtrekk vil lade ut denne pakken på 3 minutt (2000mA/60= 33.3 mA, ganga med 20C = 666 mA pr minutt, delt på kapasiteten (2000mA) = 3 minutt.
Som du kan sjå, dette er ganske kort flytid. Men med mindre du dreg maksimalt straumtrekk frå batteripakken konstant, så vil du i praksis neppe få så kort flytid.

Dei flete LiPo-batteri vil vise kontinuerleg C-verdi, og samtidig indikere topp-verdi (“burst-rating”). Denne verdien indikerer utladingsevna under korte, men kraftige straumtrekk. Dette vert ofte skrive på denne måten: “Discharge rate= 20C Continuous / 40C Bursts”.

Høgare C-verdi betyr normalt eit dyrare batteri. Avhengig av kva bruk du har for batteriet, er det her du kan spare litt pengar ved å tilpasse C-verdien til den faktiske bruken du har. Å ha ein batteripakke med høg utladingsevne når du ikkje har sjanse til å faktisk generere slike høge straumtrekk, er såleis lite vits i. Men det skadar sjølvsagt ikkje. Det viktigaste er at ein for lav C-verdi er uheldig. Dette kan skade både batteri og speedkontroller (ESC).

Så korleis veit du kva C-verdi du treng når du skal kjøpe LiPo-batteri? Svaret du som oftast får er å kjøpe batteriet med den høgaste C-verdien du finn. Dette er eit ok svar dersom pengar ikkje er eit tema, men for folk flest, særleg nybegynnarar, er det meir fornuftig å kjøpe fleire pakkar, med lavare C-verdi. Å bruke ein tusenlapp på eit 30C 5000mAh-batteri når du køyrer med vanleg oppsett i din eigen bakgård er kanskje litt i overkant. Målet er å kjøpe batteri med tilstrekkeleg nok C-verdi til at du ikkje får komplikasjonar når du flyr. På denne måten sparar du både vekt og pengar.

Når alt dette er sagt; LiPo-batteri vert stadig billigare. Om du finn eit 30C-batteri til samme pris som eit 20C, så gå for 30C-batteriet. Det vil bli mindre varmt under bruk, og truleg vare litt lengre. Som med alt anna, å presse utstyret og batteria heilt til den forsvarlege grensa vil truleg føre til raskare slitasje og kortare levetid. Litt sikkerhetsmargin vil forsikre seg om at dette ikkje skjer.

Sjekk temperaturen på batteria etter at du har flydd med dei. Berre fordi det står 20C på batteria, så betyr det ikkje at at effektiviteten nødvendigvis er 100%. Indre motstand i batteria aukar når batteripakkane vert eldre. Dette fører til at batteria vert varmare.

Om du ikkje klarer å halde batteriet med eit fast grep etter bruk, pga varme, så er batteriet blitt køyrt for hardt. Dette er som oftast rundt 60 grader Celsius. Men helst bør ikkje batteria ligge over 50 grader. Om dei er varmare enn dette, bør du vurdere batteri med høgare C-verdi.

Intern motstand
Nok ein verdi? Ja, dei første tre verdiane er industristandardar som vert brukt i høve merking av batteria, korleis dei er marknadsført og kor mykje dei kostar.

Intern motstand er ein av dei beste måtane å halde oversikt over tilstanden til LiPo-batteria. Når batteria vert eldre, aukar den interne motstanden. Dei fleste Li-Po-celler med høg C-verdi vil ha ein motstand på omlag 2 til 6 milliohm (0.002 til 0.006 ohm) når dei er nye. For å kalkulere den totale interne motstanden i ein batteripakke, så legg ein ganske enkelt sammen den internemotstanden til alle cellene. Eit 4S-batteri med 4 milliohm motstand pr celle, vil då ha ein intern motstand på 16 milliohm.

Som tidlegare nemnt, når batteria vert eldre, aukar den interne motstanden, og batteria vert varmare under bruk. Batteri med lavare C-verdi vil naturlegvis ha høgare intern motstand. Det er ikkje unaturleg med intern motstand på rundt 200 milliohm på eit lite 10C 1S batteri.

Korleis måler ein så intern motstand? Dette er der dataladarar kjem inn i biletet. Med ein dataladar kan du måle den interne motstandeni kvar enkelt celle, og ein får òg opp samla intern motstand for heile batteripakken.

Lading av LiPo-batteri

Lading av LiPo-batteri er eit kapittel i seg sjøl. LiPo-batteri har heilt andre eigenskapar enn konvensjonelle oppladbare batteri. Derfor der det viktig å bruk ein korrekt type ladar som er spesielt laga for lading av LiPo-batteri. Dette er viktig, både med tanke på levetida på batteriet, men òg for din eigen tryggleik.

Maksimal ladespenning og straumstyrke.
Ei 3.7v LiPo-celle er fullada når den når 4.2v. Å lade batteriet utover dette vil øydelegge cella, og truleg føre til brann. Ein dataladar vil kutte ladinga når spenninga når 4.2v pr celle. Ein dataladar med balansering vil sikre at kvar enkelt celle vert handsama individuelt.

Når du brukar ein ladar tilpassa LiPo, er det kritisk at det vert valt korrekt antal celler på ladaren. Når du ladar eit 2S batteri, må ladaren stå innstilt på 2S eller 7.4v. Om du brukar 3S (11.1v) på eit 2S batteri, vil du truleg øydelegge cella, og kanskje føre til at batteriet tek fyr.

Dei fleste gode LiPo-batteri vil bruke konstant spenning/konstant ladestraum. Dette betyr at ei konstant ladestraum er tilført batteriet under oppstarten av ladinga. Når batterispenninga tek til å nærme seg fullada spenning, vil ladaren redusere ladestraumen og stabilisere seg på ei konstant ladespenning. Ladaren vil stoppe å lade når 100% spenninga på batteriet samsvarar med ladaren sin konstante ladespenning på 4.2v pr celle. Sjølv ei ladespenning på 4.21v vil på sikt forkorte batterilevetida.

Ladestraum på LiPo-batteri
Å velge korrekt ladestraum er kritisk når det gjeld lading av LiPo-batteri. Den generelle regelen har lenge vore at ein aldri ladar eit LiPo-batteri med meir enn 1x kapasiteten (1C). Til dømes, eit 2000mAh batteri skal då maksimalt ladast med ladestraum på 2000mA, eller 2A.

Men dette har endra seg over tid, og dei fleste batteriprodusentar no spesifiserer ei eiga ladestraumverdi, tilsvarande C-verdi. Lading på 2 eller 3C er sjeldan noko problem på nyare batteri av god kvalitet med C-verdi på 20 eller meir. Dette forutset at du har ein god og påliteleg ladar med god balanseringsfunksjon.

Oppsummert; dei tre faktorane som begrensar levetida til LiPo-batteri er:

  • Varme
  • Utlading til mindre enn 3.0v pr celle
  • Utilstrekkeleg balansering

Balansering av LiPo-batteri
Kva er balansering, og kvifor er det så viktig?

Som tidlegare nemnt er ei fullada LiPo-celle på 4.2v. Balansering er påkrevd på alle batteripakkar som består av meir enn ei celle, sidan ladaren ikkje kan identifisere enkeltceller, og såleis ikkje veit om ei eller fleire celler vert overlada. Dette sjølv om spenninga på batteriet ikkje indikerer overlading.
Til dømes; la oss sjå på eit 3S-batteri.
Dette betyr at batteripakken på 11.1v har ei spenning på 12.6v fullada. Vår trufaste ladar vår vil sjølvsagt stoppe ladinga når spenninga når 12.6v, ikkje sant?

Kva skjer no om ei av dei tre cellene vert lada opp litt raskare enn dei to andre? To av cellene når då kanskje berre 4.1v, medan den siste vert overlada til 4.4v før ladaren stoppar på 12.6v. Dette vil då truleg øydelegge den ein cella, som kanskje òg tek fyr. Dette er dog eit ekstremt eksempel, og så stor forskjell på cellen skjer sjeldan på ein frisk batteripakke, men sjølv ein forskjell på 0.1v kan skape problem og skade på batteriet over tid.

Eit anna scenario er når ei celle i batteriet ikkje når full ladespenning under lading. Når batteripakken så vert belasta maksimalt, kan den eine enkeltcella kome under 3.0v (sjølv om ladaren indikerer ein total volt på 9v eller høgare). Dette kan òg skape problem.

Balansering av cellene forsikrar at forskjellen på cellene er under 0.01-0.03v pr celle. Dette betyr at enkeltceller har mindre sjanse for å bli overlading eller utlada under forsvarleg spenning.

Balansering kan gjerast med ein dedikert balanserar som opererer parallelt med ladaren, eller ved å bruke ein dataladar med innebygd balanseringsfunksjon.

Korleis fungerer så denne balanseringa? Balanseringa sjekkar kontinuerleg kvar enkelt celle i batteripakken under lading, og justerer ladespenninga slik at at batteripakken er i stand til å lade/utlade med samme spenning på alle cellene.
Eit døme: Kvar celle i ein 3S batteripakke skal vere 4.2v, totalt 12.6v for heile pakken. Vi kan tenke oss at ei celle har 4.15v, den andre 4.2v og den siste 4.25v. Ein tradisjonell ladar vil då kutte ladestraumen fordi total batterispenning er 12.6v (som den skal vere). Men du veit dermed ikkje at dette vil skade cellene i batteriet ditt kvar gong du ladar og utladar batteriet.

Batterikontakter
Kvar LiPo-batteripakke vil ha ein hovud lading/utladingskabel (+ og -) i tillegg til ei separat balanseringskontakt.

Balanseringskontakter
Balanseringskontakter kjem hovudsakleg i fire ulike konfigurasjonar. Det er viktig å vite kva balanseringskontakt som passar til din ladar.

JST XH balanseringskontakt

Dette er den mest bruke balanseringskontakta. Den blir bruk på dei fleste batteri, ladarar og balanseringskort.

Thunder Power balanseringskontakt

Brukt på Thunder Power sine produkt

Polyquest balanseringskontakt

Brukt på: Polyquest, E-tec, True RC, Extreme Power, Impulse, Enermax, Hyperion, Poly RC, Xcite, Fliton og enkelte andre produsentar.

JST-EH balanseringskontakt

Denne er den minst brukte balanseringskontakta, men du finn den på nokre store batterimerker. Td.: Kokam, Graupner, Core og eldre Vampower batteripakkar.

Du kan få overgangar/adapter mellom dei ulike balanseringskontaktene, men det enklaste er å skaffe spesifikke balanseringskontakter som passar med din ladar når du kjøper LiPo-batteri.

Batterikontakter
Igjen, her er det mange ulike variantar basert på ulike straumtrekk og personleg preferanse. Det kan vere lurt å standardisere valet av batterikontakter, slik at du slepp å forhalde deg til mange ulike kontakttypar under lading og under bruk.

JST batterikontakt

Dette er ei lita straumkontakt som er rata opp til omlag 5A med kontinuerleg straumtrekk (hovudsakleg batteri under 1500mAh). Du finn slike batteri brukt i små park-flyermodellar, eller for å forsyne elektronikk (mottakar, gyroar, servoar etc) med straum.

Deans batterikontakt

Dette er svært populære batterikontakter òg kalla T-kontakt. Loyaliteten og etterspørselen etter desse kontaktene har dessverre ført til urimeleg høge prisar. Dei er rata for opp til 50A med kontinuerleg straumtrekk.

EC3 batterikontakt

EC3 er blitt veldig populære fordi dei brukar ekte “bullet”-kontakter som er rata for opptil 60A kontinuerleg. Dei fleste er einige om at bulletkontakter er den beste løsyinga til føremål med store straumtrekk, pga den store kontaktflata på pluggane.

EC5 batterikontakt

Dette er ein større versjon av EC3, og fordi pluggane er større (5mm), har dei enno større kontakflate. EC5 er rata for opp til 120A kontinuerleg. Desse er perfekte for 25% elektriske fly og 700-size helikopter.

XT-60 batterikontakt

XT-60 er i ferd med å bli meir og meri populære, på grunn av lav pris og velidig god funksjonsevne. På same måte som EC3 brukar dei bulletpluggar, og taklar litt høgare kontinuerleg straumtrekk på 65A. Dei er laga av nylon som tålar høge temperaturar, noko som gjer at dei ikkje smeltar så lett om du skulle bruke litt lang tid under lodding av pluggane.

Tamiya batterikontakter

Desse er veldig populære til RC-bilar og båtar, men til LiPo-føremål vert dei brukt sjeldnare og sjeldnare fordi dei tåler relativt lite straumtrekk samanlikna med andre kontakter.

Traxxas batterikontakt

Som namnet seier; Traxxas batterikontakt blir brukt utelukkande på elektriske Traxxas RC-bilar og båtar, men kan tilpassast føremål med straumtrekk opp til 100A.

Sermos Power Poles

Desse er enkelt å plugge inn og ut, tåler høgt straumtrekk, har lav motstand og har like pluggar på + og -.

Avslutningsvis; kva type batterikontakt du brukar handlar mykje om personleg preferanse og kor stort straumtrekk du forventar å få i modellen din. Mange LiPo-batteri vert levert utan batterikontakter, noko som gjer at du sjølv må lodde på dine ønska kontakter. Lodding av kontakter krev litt øving, og ei kaldlodding vil ofte føre til at ein får dårleg kontakt. Dette kan føre til straumbrot i lufta, noko som kan vere katastrofalt.

Tryggleik
Det er mykje snakk om tryggleik når det gjeld lading av LiPo-batteri. Som nevnt før er LiPo-batteri ømfintleg laga, og misbruk i form av overladning eller kraftig utlading kan øydelegge batteria.

Om du under bruk pressar spenninga ned under 3.0v pr celle, kan batteriet bli kraftig oppheta. Sjølv om du har ein 40C batteripakke, og du ikkje kan dra meir enn halve straumtrekket, så kan ein cellevolt på under 3.0v skade cellene ganske betydeleg.

Ein annan god regel er 80% regelen. Dette betyr at du aldri skal bruke meir enn 80% av kapasiteten på batteriet. Til dømes; om du har eit 2000mAh LiPo-batter, så skal du aldri bruke meir enn 1600mAh av batteriet. Dette forutset at batteriet faktisk har kapasitet på 2000mAh fullada. Kapasiteten kan droppe litt om batteriet er gamalt.
Det er her dataladarane kjem inn i biletet igjen. Dei måler kor mykje straum du puttar inn på batteriet igjen. Såleis kan du sjekke at du ikkje brukar meir enn maksimalt 80% av kapasiteten. Volten på cella er då omlag 3.7v.

Innkøyring av LiPo-batteri
Hovudsakleg dreier det seg her om å ta det litt forsiktig dei første gongane ein brukar batteriet. Fly litt forsiktig, bruk kun 50% av kapasiteten og lad med maksimalt 1C. Etter 4-5 utladingar kan ein begynne å belaste batteriet litt hardare.

Lagring av LiPo-batteri
No som vi veit korleis eit LiPo-batteri fungerer, så er det ein ting som står igjen. Lagring.

Korleis eit batteri vert lagra har mykje å seie for levetida på batteriet. Som nevnt før, ein celle som droppar under 3.0v er som oftast umiddelbart skada. Dette lar seg sjeldan reparere. 3.0v under belastning tilsvarar omlag 3.5v utan belastning. Om du lagrar batteria over lengre tid med spenning på 3.5v pr celle, så risikerer du at batteria over tid vert skada.

Når batteria vert lagra utan belastning, så vil dei likevel ha ei lita sjølvutlading. LiPo-batteri har faktisk veldig liten sjølvutlading, men dei mistar likevel litt spenning under langtidslagring (fleire veker eller månader). Om du lagrar batteria på 3.5v pr celle, så risikerer du at spenninga over tid droppar under 3.0v og såleis vert skada.

LiPo-batteri må lagrast med spenning, men ikkje fullada. Generelt sett vil eit LiPo-batteri aldrast basert på lagringstemperatur og spenning under lagring. For optimal batterilevetid bør batteria lagrast i romtemperatur og med batterikapasitet på omlag 40-60%. Dette tilsvarer omlag 3.85v pr celle. Ein god dataladar har eigne lagringsprogram som lar deg definere kva kapasitet batteriet skal ha under lagringslading. Dei fleste ladarar har eigne lagringprogram.