Provozní zásady A123


 
Při hledání informací o LiFe akumulátorech jsem narazil na web www.electro-team.net, na kterém se soustavně zabývají exaktním zkoumáním těchto akumulátorů, a to s výsledky, které korespondují s mými poznatky, získanými spíše empiricky.
 
S laskavým svolením autora komentovaného překladu zde publikuji ten z mého pohledu nejdůležitější příspěvek, který dává návod, jak o akumulátory LiFe pečovat.
 

 
 
 

A123…Definitivní doporučení provozních podmínek
pro dosažení dlouhé životnosti

 
dalibor@electro-team.net

 
 
Na webu americké firmy FMA (www.fmadirect.com) se jako součást popisu update nabíječky FMA 4CellPro objevil zajímavý dokument, který shrnuje poznatky, jak se chovat (tzn. jak nabíjet a vybíjet) články A123. Požádal jsem o překlad kamaráda Martina Pilného (na mojehobby-PiNa). Přeložený článek je doplněn i o mé poznatky (jiným skloněný písmem). Zde je originální článek ve formátu pdf. Tento překlad jsem zkrátil tak, aby zůstalo podstatné zachováno.

Péče o baterie A123 s technologiemi firmy FMA

Poslední revize: 15.prosince 2006

Společnost FMA nezávisle otestovala baterie A123 a došla k závěru, že se jedná o velmi dobré články s vysokou hustotou energie. U těchto baterií se vybíjecí proudy pohybují okolo hodnoty 17C (sedmnácti násobek kapacity), čímž konkurují v současné době velmi oblíbeným bateriím LiPo.
 

Charakteristiky článku A123

A123 články mají na konci vybíjení okamžitý pokles napětí, který může vést k rozhození jednotlivých článku v packu. Tomuto rysu lze efektivně čelit použitím ochranného vybíjecího modulu (DPM) firmy FMA. (Nebo prostým létáním na čas bez úplného vyřerpání kapacity) A123 články nejsou poškozeny poklesem napětí pod 2,5V, ale jejich životnost se zkracuje, pokud je dovoleno jejich vybití až na 0V (což se může stát, pokud jsou ponechány připojeny k přijímači/servům dostatečně dlouhou dobu, až do kompletního vybití packu). A123 články mohou vydržet krátkodobé vybíjení proudy až 33C (72A…). Navzdory nepravdivým marketingovým tvrzením o 20C-30C vybíjecích proudech-LiPol baterie stěží dodávají více než 15C a toto je doprovázeno jejich velmi krátkou životností, která se pohybuje řádově okolo 50 cyklů. V tuto dobu je kapacita A123 článků omezena na jmenovité 2Ah. Zatímco hustota energie A123 článků je mnohem vyšší, než u LiPo článků, jejich hmotnost je o 56% vyšší při daném objemu dodané energie (Wh). Použití A123 článků mezi leteckými modeláři bude omezeno na modely, která nejsou citlivé na vyšší hmotnost (např. vrtulníky) nebo na ty, které vyžadují velmi vysoké vybíjecí proudy (např. hotlinery).

Firma FMA, Inc. vyvinula a má k dispozici optimalizované nabíjecí a řídící zařízení, které vyhovuje specifickému nabíjecímu a vybíjecímu režimu A123 článků. FMA provedla výzkum a vývoj potřebný pro vytvoření produktů, jež umožní absolutně bezpečné nabíjení Lithion Ion a Lithium Polymer packů v libovolném rozsahu napětí a kapacit. Kombinací našich výrobků určených pro řízení vyrovnaného vybíjení s výrobky pro vyrovnané nabíjení se maximalizuje životnost a bezpečnost těchto článků.

A123 články nejsou tak citlivé na podpětí jako LiPo články, ale stále mohou být poškozeny, pokud jsou vystaveny nízkému podpětí. Při vypínacím napětí 2,5V nezbývá v A123 článku téměř žádná kapacita. CellPro DPM modul umožňuje nastavit vypínací napětí, čímž umožňuje ochranu A123 článků proti přílišnému vybíjení.

Nabíjecí charakteristiky článků A123, které byly firmou FMA testovány vykazují definitivní potřebu balancování článků, obzvláště u packů s vyšším napětím. Selhání vyrovnaného nabíjení nemusí skončit požárem, ale zcela jistě povede k poškození článků v packu.

Moje zkušennost je stejná ..pokud se články vybijí na nulovou kapacitu.. Né napětí!!!!! dochází k rozhození článků velmi rychle. Pak je jediná možnost, jak rychle srovnat jednotlivé články, nabít sadu na 80% kapacity a zbylou dojet nabíjením jednotlivých článků v sadě přes diagnostický konektor. Existují samozřejmě i balancery, ale s nimi nejde provést dorovnání na stejné napětí a kapacitu rychle. Při tomto postupu mi na vše stačí nabíječ Tema SCD300.

FMA provozuje zařízení pro inteligentní testování Li Ion/LiPo, které poskytuje při měření přesnost 1% a umožňuje vybíjet proudem až 500A. Toto zařízení bylo naprogramováno na vypínací napětí (pro nabíjení i vybíjení) A123 článků.S pomocí tohoto zařízení je možné vystavit jednotlivé články nebo celé packy různým situacím, včetně:

  • Konstatní proudové zátěže
  • Odstupňované konstantní proudové zátěže
  • Simulace pracovního cyklu při některých způsobech užití
  • Opakovaného nabíjení/vybíjení pro zjištění životnosti při některých způsobem užití

Data uvedená v této zprávě byla získána nedestruktivním testováním vzorkových článků. Konec životnosti článku byl definován poklesem kapacity článku na 80% původní kapacity. Napěťové křivky uvedené níže, byly získány vybíjením A123 článků konstantním proudem při pokojové teplotě. Počet cyklů a provozní teplota jednotlivých článků jsou uvedeny v popisce grafu. Nevýhodou A123 článků je skutečnost, že pro zajištění dostatečného napětí při vybíjení vysokými proudy může být zapotřebí přidání článků do série.

Přidáním článku je myšleno …dorovnání napětí proti Li-pol článkům, které mají vyšší napětí, jak nominální, tak při zátěži.

FMA již dříve prokázala, že životnost LiPo článků přímo odpovídá jejich provozní teplotě. U LiPo článků doporučujeme maximální provozní teplotu 140F. Provozní teplota je natolik klíčovým faktorem, že definujeme nominální vybíjení LiPo článků jako hodnotu, při které teplota článku dosáhne 140F (60 C). FMA zavedla a prosazovala teplotu článku jako hodnotící parametr. 2S LiPo pack testovaný při teplotě 140F (60 C) přesáhl 450 cyklů. Zvýšení provozní teploty článků nad 140F (60 C) mělo zničující vliv. Totožný 2S pack provozovaný při teplotě 175F (79,5 C) dosáhl pouze 38 cyklů. Obecně lze říci, že při teplotě 140F (60 C) lze získat optimální životnost článku. Při vyšší teplotě životnost článku klesá přibližně o 12 cyklů na každý 1F (cca 17 C). Vybíjecí křivky níže naznačují, že výše uvedená poučka o 140F (60 C) se týká rovněž A123 článků. U testovaných článků je životnost vyšší než 500 cyklů možná pouze při vybíjení konstatním proudem, jehož velikost nepřekračuje 12.7C (což udržuje provozní teplotu článku pod 140-145F, tj. 60 až cca 63 C).

Vypadá to, že jak zkušenosti a měření FMA nekorespondují s proklamovaným zatěžováním až 70/120A.. Ale není to tak. Je nutné si uvědomit, že data na grafu jsou konstantní zátěží až do plného vybití článku.. Pokud bude zátěž pulzní, tzn. že průměrný proud bude do cca 13C (špičky i několikasekundové pak mohou dosahovat 33C) s tím, že nedojde k ohřevu nad 145F (cca 63 C) je zaručena výtečná životnost ve stovkách cyklů. Výhodou A123 článků je i hliníkový obal, který na rozdíl od folie u Li-pol článků výtečně vede teplo a tím i články lépe chladí. Paradoxně zdánlivě studené Li-pol mají díky špatnému přestupu tepla uvnitř článku vyšší teplotu, než na povrchu.
 
 


Ve většině aplikací s cyklickou zátěží, včetně výkonného nářadí a RC modelů, není průměrná zátěž tak vysoká jako zátěž konstantním proudem, ale zátěžové špičky často bývají hodně nad průměrnou zátěží. Toto je důležité, neboť při vybíjení vysokým proudem teplota článků vzrůstá s 2 mocninou proudu. Graf poklesu napětí v závislosti na proudu je níže. Pokud bychom A123 články hodnotili stejnou metodikou jako LiPo, potom bychom je označili jako 17C s možností krátkodobého zatížení 33C. Mějte na paměti, že konkrétní špičková a dlouhodobá zatížitelnost závisí na životnosti článku, kterou ještě uživatel akceptuje..
 
 


Ačkoliv technologie A123 má o trochu vyšší náklady na Wh (watt-hodinu), je velmi zajímavá pro své nižší počáteční náklady, bezpečnost a životnost. A123 technologie rovněž nabízí dobrý počet cyklů v případě, že není překračována teplota F140 (60 C).

FMA používá metodu pro zrychlené testování životnosti článků, jejíž dostatečná přesnost byla prokázána a ověřena v průběhu několika set testů za poslední 4 roky. Články prochází mnoha sekvencemi vybíjení konstantním proudem, které se skládají ze základního vybíjení 4,2A, po němž následuje vybíjení vysokým proudem (například 16A). Vzniklé poškození vysokým vybíjecím proudem je následně vypočteno jako rozdíl kapacity článku změřené při základním proudu a kapacity článku změřené při vysokém proudu. Vybíjecí proud je po každé sadě testů o něco málo zvýšen, takže testování je urychleno bez ničení článků.

Byla učiněna následující pozorování:

A123 články se nevyznačují strmým poklesem životnosti, pokud jejich provozní teplota je udržována pod 140F (60 C). Při průměrných vybíjecích proudech je životnost článku vyšší než 500 cyklů. Vzrůst provozní teploty nad 140F (60 C) způsobuje znatelný pokles životnosti článků. Při provozní teplotě nad 170F (76,667 C) trpí A123 články stejně krátkou životností jako LiPo články.
 

Nabíjecí algoritmus A123

Optimální nabíjecí algoritmus je mezi Lithiovými články jedinečný. Odezva na nabíjení je jiná, než u LiPo a olověných článků. Odezva na přebíjení se hodně podobá NiCd. Nezapomeňte, že A123 články jsou poškozeny, když nabíjecí napětí přesáhne 3,7V. Nabíjecí algoritmus pro LiPo články je konstantní proud/konstantní napětí, s konstantním napětím nastaveným na 4,2V. Napětí článku reaguje téměř asymptoticky, což znamená, že když se napětí článku blíží nastavenému maximu 4,2V, proud zvolna klesá. Může to trvat přibližně hodinu, než dojde k plnému nabití článku, což je definováno nabíjecím proudem 0,1C.

Nabíjecí křivky A123 (níže), které byly naměřeny a zaznamenány z nabíječe FMA Balance Pro 6S s programem pro A123 poskytují několik zajímavých informací: Článek #4 by překročil 3,7V, pokud by nabíječ nenabíjel každý článek odděleně. Tento graf ukazuje kapacitní rozhození v důsledku přebíjení. Jak se články blíží ke stavu plného nabití, napětí náhle stoupá (podobně jako u NiCd článků). Pokud by byl použit nabíječ bez balanceru, článek #4 by byl zničený. Prohlédněte si článek #1 na konci nabíjení. Padne dolů a nabíjení je ukončeno. Bez použití balanceru by nebylo možné do něho dostat více jak 75% kapacity. Po 15ti minutách nabíječ přepnul do Safety Módu a snížil proud na 0,5A. Tento pack byl jasně poškozený, ale nabíječ jej úspěšně nabil na 100%.
 
 


Naprosto stejné výsledky jsem zaznamenal i nabíjení Temou proudem, jak 7A, tak i 9A. Výhoda A123 je, že už se nehraje na setiny voltu jako u Li-pol a mírné přebití (do 300mV) nevadí. Trochu problematické pro neznalého uživatele je měření napětí na článku ..já tomu říkám plovoucí napětí.. tzn., že konečné napětí 3,6V je na článku jen, pokud je připojen na nabíječi a je udržován min. proudem na nastavené napětí (3,6V). V okamžiku odpojení je na článku do pár minut napětí o cca 100 až 200 mV menší. Opět je tu paralela s NiCd ..ty se chovají stejně.. A toto se týká i vybíjení ..není poznat podle napětí, na kolik je článek vybit (naproti tomu u Li-pol se podle napětí dá usuzovat v jakém stupni vybití se nacházejí). A123 i ve více než 50% vybité kapacity se napěťově vrací na nominální napětí článku.. tzn. 3,3V.

Pokud shrnu jak poznatky FMA, tak moje, je zřejmé, že A123 je technologie ojedinělá extrémně rychlým nabíjením, bezpečností článků a i hustotou energie (Není známa jiná baterie která při 2,2Ah, 70g hmotnosti a napětí 2,5V je schopna bez poškození dávat 70A proudu. Již teď mohu potvrdit velkou životnost, která je ale splněna jen za výše uvedených podmínek. Pokud toto zjednoduším, tak pro znalého uživatele není problém brát např z 8SA123 …1.6KW a i velmi rychle nabíjet a při tom baterii nepoškozovat. Moje sada 8SA123má 79 cyklů a pořád má využitelnou kapacitu 2.2Ah při zatěžování tímto průběhem.
 


Ale na druhou stranu, pro uživatele, kterému předchozí nic neříká, jsou jasně dané limity… A to, nabíječ musí nabíjet každý článek v sadě jednotlivě a provozní proud je max 30A (jedině tak je splněna podmínka nepřehřívání článku ani při velmi těžké ruce na plynové páce vysílače). Nedílnou součástí bezpečnostních opatření je i správné nastavení vypínání regulátoru a to na 2,7V na čl. (toto platí jen do doby než na trhu budou safety moduly, které monitorují každý článek v sadě za letu modelu a pohon odstaví včas. Bohužel, ke dnešnímu dni jediný nabíječ, který splňuje tyto podmínky je FMA CellPro 4S.

Ke dnešnímu dni jsou už i u nás sady A123, které dosáhly 300 cyklů bez známek únavy a potvrzují kvalitu této technologie. A to jak ve vrtulníku, tak i v modelu F3A (kde se blíží 100 cyklů). Veliká výhoda je bezpečnost baterie …mám doma článek po havárii, který je velmi zdeformovaný a proražený až na vnitřní konstrukci, a pořád jde nabít a vybít 30A.

Závěrem chci poděkovat všem, kteří se zasloužili o trápení této nové technologie a tím i o poznatky.. A to Ladislavu Křivskému, Aleši Bidovskému a za pomoc s překladem Martinovi Pilnému.

Dalibor.

PS …jednoduchá pomůcka jak určit bezpečnou teplotu baterie …po vylétání přiložit co největší plochou baterie na tvář a pokud je teplota snesitelná neomezeně dlouho, tak je s jistotou pod 65 C.

(C) www.electro-team.net

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


Co je nového u kamarádů:

MoNaKo - MOdelařina NA KOleně
MoNaKo - veškeré informace (nejen) o modelech lodí
RC.305
RC.305 - stránky věnované RC autům, scale a expedicím.