(Kvazi) Kapacitný charakter LiPol: čo s tým?
Dá sa to nejako vysvetliť?
Dá sa s tým nejako vysporiadať?
Alebo nebodaj, dá sa to nejako využiť?
autor: Janko O.
Vo viacerých našich článkoch sme uviedli, že pri meraní parametrov, pri sledovaní osciloskopických priebehov a pod. sme zistili, že LiPol články sa správajú tak, akoby bol vo vnútri okrem zdroja (s vnútorným odporom) aj kondenzátor.
Najprv treba pripomenúť, že medzi (LiPol) článkom a kondenzátorom je veľká podobnosť: obidva dokážu nabitím elektrickú energiu do seba nahromadiť a neskôr ju vybíjaním zase užívateľovi vrátiť. Rozdiel je v „pásme“ dovolených napätí a linearite (či nelinearite) vzťahu napätie/náboj.
Kondenzátory (polarizované - elektrolytické) majú pásmo dovolených napätí od nuly do (svojho dovoleného) maxima, LiPol články majú toto pásmo asi od 3,6 do (svojho dovoleného maxima) 4,2 Voltu.
U kondenzátorov je vzťah napätie/náboj lineárny (napr. dvakrát väčšie napätie znamená dvakrát väčší elektrický náboj) podľa vzorca Q = C x U.
U LiPol článkov je to silne nelineárna závislosť, podobná tejto krivke:
O tom, že sa v pohonoch (zatiaľ malých) modelov okrem akumulátorov môžu používať aj veľkokapacitné kondenzátory, je písané aj v jednom asi 9 rokov starom čísle časopisu RC Revue.
O tom, že sa LiPol články „tvária“ akoby obsahovali okrem zdroja aj kondenzátor sme písali v článku „Zmena vnútorného odporu batérie pri rôznom prúde? Nezmysel!“, a v článku: „Závislosť napätia LiPol batérie od množstva zostávajúcej energie“, kde sme uviedli aj akúsi náhradnú schému:
A tiež tomu zodpovedajúce osciloskopické priebehy a veľký názorný obrázok s podrobným zobrazením situácie:
Ale z toho stále nie je jasné, kde sa ten „kapacitný“ charakter berie, keď tam žiadny kondenzátor nie je. Obzvlášť je to zarážajúce v prípade, keď od batérie odpojíte záťaž (prúdový odber klesne na nulu) a následne na to napätie pomaly stúpa, akoby batériu niekto chvíľu nabíjal. Podobne ak články nabijete na 4,20 Voltu a po pár minútach im nameriate už len 4,17V (ako by ju niekto chvíľu vybíjal).
Pokles napätia článku vplyvom nedostatočného - rýchleho nabíjania
Vysvetlenie nám priniesol až článok, na ktorý nám odkaz poslal náš návštevník s prezývkou „Vladimírek“ (vďaka 
). Tento článok síce nepojednáva o LiPolkách, ale o špeciálnych vysokokapacitných kondenzátoroch, nazývaných „Gold Capacitor“. Avšak LiPolky (ale všeobecne viaceré sekundárne elektrochemické zdroje) aj tieto kondenzátory majú podobné konštrukčné aj charakterové znaky.
Porovnanie kapacitných rozsahov kondenzátorov a sekundárnych článkov (akumulátorov).
Ten uvádza, že vysokokapacitné kondenzátory (s úmyselne zväčšeným povrchom elektród) na hranici alebo už za hranicou nanoštruktúr sa v skutočnosti akoby skladajú z obrovského množstva paralelne zapojených menších kondenzátorov rôznych kapacít. Ale každý tento elementárny kondenzátor je ku skutočným vývodom superkapacitora pripojený akoby cez sériový odpor, ktorého hodnota je pre každý ten „kondenzátorček“ rôzna. Výsledkom je takáto náhradná schéma:
Američania rezistory označujú tými "kľukatými" čiarami. Dĺžkou kľukatej čiary chcel autor naznačiť rozdielnu veľkosť vnútorných odporov jednotlivých elementárnych kapacitorov.
Treba si uvedomiť, že počet týchto RC-členov je obrovský – myslím, že miliarda je malé číslo.
Keďže technologická podobnosť medzi superkapacitormi a LiPol článkami (opäť s umelo zväčšeným povrchom elektród, začalo to tzv. Sintrovanými elektródami) je veľká, mohli by sme si aj pre LiPolky nakresliť náhradnú schému:
Dĺžkou schématickej značky sme chceli naznačiť rozdielnu veľkosť vnútorných odporov jednotlivých elementárnych článkov.
Opäť sa jedná o paralelné spojenie obrovského množstva malých „LiPolčičiek“ (Zdr1 až ZdrN) rôznych kapacít, kde každá má rôzny vnútorný odpor (R1 až RN). O tom, že číslo N vysoko prekračuje „nejakú smiešnu“ miliardu (skôr niečo ako tisíce miliárd), netreba pochybovať. Veď sa pohybujeme v rozmeroch rádovo NANO(-metre, čiže 10-9 metra).
Kapacita elementárnych zdrojov (Zdr1 až ZdrN) je malá a hodnotovo rôznorodá a ich vnútorný odpor (R1 až RN) je pre zmenu veľký a ešte rôznorodejší. Každá takáto „LiPolčička“ môže dávať len malý prúd, niektoré len rádovo stovky pikoAmpér (10-12 Ampéra), ale pri množstve tisíce miliárd je to celkom slušný prúd.
Ale ešte raz treba zdôrazniť, že obrovskú rôznorodosť hodnôt, obzvlášť vnútorných odporov, jednotlivých elementárnych článkov: tie lepšie môžu mať svoj Ri pomerne malý, ale stále zostáva úžasné množstvo tých, ktorých Ri dosahuje aj GigaOhmy (Ri = 3,7V/stovky pikoAmpér). A čas ich nabíjania či vybíjania je oveľa dlhší, ako čas nabíjania či vybíjania tých lepších elementárnych článkov. A tu je ten pes zakopaný, ktorý spôsobuje kapacitný charakter LiPol článkov, hoci v nich žiadny kondenzátor nie je.
Pre zjednodušenie nám niekedy môže stačiť, keď si predstavíme, že máme nie tisíce miliard ale len dva články s rozdielnymi vlastnosťami: stačí, keď budú mať rozdielny vnútorný odpor (akoby rozdielne Céčka). Takéto správanie sme už popisovali, konkrétne v článku „Zapojenie batérií - paralelne či sériovo? - 2.časť“.
A tak sa teda poďme pozrieť, ako sa takáto naša multi-elementová LiPolka bude správať pri rýchlom vybíjaní (rýchlym vybíjaním rozumieme bežné modelárske vybíjanie, keď batériu „vyšťavíme“ za niekoľko minút).
Najviac prúdu dajú a najviac budú vybíjané už spomínané „elementárne“ články s najnižším vnútorným odporom. Preto aj ich vnútorné napätie bude rýchlo klesať. Tento pokles napätia však spôsobí, že sa do procesu dodávky prúdu (vybíjania) začnú čoraz viac zapájať aj miliardy elementárnych článkov s vyšším vnútorným odporom. Čím väčší pokles napätia, tým viac prúdu začnú dodávať a tým viac budú zmierňovať onen pokles napätia.
A keďže ich vnútorné odpory sú veľmi rozdielne, tak veľmi rozdielny je aj stupeň vybitia jednotlivých elementárnych článkov. A tak sa stane, že pri takomto rýchlom vybíjaní sú elementárne články s nízkym Ri (tie, čo spočiatku dodávajú väčšinu prúdu) takmer celkom vybité, zatiaľčo ešte stále zostáva dosť elementárnych článkov s vysokým Ri (tie, čo dodali len málo prúdu), ktoré majú ešte dostatok energie (aj napätia). A tak po odpojení záťaže (vypnutí motora) začnú tie nevybité elementárne články (s vyšším Ri a s vyšším napätím) prelievať svoj elektrický náboj (energiu) do tých vybitých (s nižším Ri a nižším napätím), čím ich vlastne začnú pomaly znovu nabíjať. A hľa, napätie LiPolky začne sekundu po sekunde (a niekedy aj minútu po minúte) pomaly rásť. Na osciloskopickom priebehu to môže vyzerať takto:
Na tomto obrázku je krásne vidieť (kvazi)kapacitný charakter LiPol článku. "Oblý" pokles napätia najprv pri vybíjaní, potom "oblý" nárast napätia po ukončení odberu prúdu.
Pri rýchlom nabíjaní to vyzerá obdobne, ale v inverznej podobe. A čím rýchlejšie nabíjanie, tým zreteľnejší tento jav je. Keby sme nabíjali ako kedysi: 10 či 14 hodín, tak by sme tento efekt nepostrehli.
Takže: pri rýchlom nabíjaní sa najrýchlejšie nabíjajú elementárne články s nízkym Ri. Samozrejme, prúd je nabíjačom obmedzovaný: veď sa nachádzame vo fáze CC (Constant Current). Elementárne články s vysokým Ri sa nabíjajú pomalšie, čím väčší Ri, tým pomalšie nabíjanie. Väčšina z nich sa vo fáze CC ani nabiť nestihne a tak pre nich konštruktéri nabíjačov vymysleli fázu CV (Constant Voltage). Vtedy je na článok privádzané napätie 4,2 Voltu a nabíjací prúd postupne klesá. Postupne sa nabíjajú (dosahujú napätie 4,2V) aj elementárne články s vyšším Ri. Ale fáza CV netrvá večne (aj tak trvá dosť dlho 
) a tak sa elementárne články s naozaj vysokým Ri nenabili na 4,2V. Nabíjač síce ohlási koniec nabíjania a preruší prívod prúdu, ale stále zostávajú miliardy elementárnych článkov s najvyšším Ri (ale s najnižším napätím – isto nižším ako 4,2V), ktoré zostali nenabité - neuspokojené. A keďže sú paralelne pripojené k tým plne nabitým, tak sa začnú nabíjať na ich úkor: začnú z nich odoberať elektrický náboj – energiu, pokým sa nevyrovná stav ich nabitia a ich napätie. A my spozorujeme zaujímavý jav: hoci LiPol články majú zanedbateľné samovybíjanie, začneme o tom pochybovať. Lebo hneď po ukončení nabíjania mohli mať LiPol články aj 4,200 Voltu, ale už po pár minútach budú mať len 4,170 či menej. Žiadne samovybíjanie, ale jav popísaný vyššie. Čím horšia LiPolka (čím nižšie Céčka (vyšší Ri)), tým je tento rozdiel markantnejší.
Dôvod? Takáto LiPolka má viac elementárnych článkov s vysokým Ri a menej s nízkym Ri ako dobrá LiPolka (s nižším Ri, teda s vyššími Céčkami).
V tomto článku spomínaný jav je aj dôvodom, prečo rýchle nabíjanie (2C a viac) nie je také efektívne, ako normálne nabíjanie (1C a menej), tak ako je to spomínané v článku „Je rýchlonabíjanie LiPol batérií naozaj až taká výhoda?“.
Čím pomalšie nabíjanie, tým menší bude pokles napätia článku po skončení nabíjania.
Z uvedeného vyplýva, že najefektívnejšie je pomalé nabíjanie a pomalé vybíjanie. S pomalým vybíjaním je to v modelárstve trochu problém, veď stále potrebujeme väčšie a väčšie prúdy a menšie a menšie batérie.
Ale aspoň to nabíjanie zbytočne neurýchľujme, ak nemusíme. V článku „Predĺženie životnosti LiPol batérií – 2.časť“ sme to vtedy zdôvodnili tak trochu ľudovo: „Ak sa neponáhľate, nabíjajte pomaly; extrémne populárne povedané, elektróny sa tak lepšie poukladajú na svoje skladové pozície.“ Ale teraz už vieme, ako to v skutočnosti je.
Navyše má pomalé nabíjanie aj "životnosť-predlžujúci" efekt, pretože pri rýchlom nabíjaní dochádza tesne po skončení nabíjania ku zbytočnému prelievaniu el. náboja z elemementárnych článkov s nízkym Ri do elementárnych článkov s vysokým Ri a tým ku skracovaniu životnosti LiPolky. Pri pomalom nabíjaní nie.
Pre bežného modelára budú rozdiely množstva energie (prúdu, napätia, výkonu) pri rýchlom a pomalom nabíjaní zanedbateľné. Ale na súťaži sa môže každé percento, či zlomok percenta energie (prúdu, napätia, výkonu) navyše zísť a v konečnom dôsledku môže rozhodnúť o tom, kto bude víťaz a kto porazený.
Súvisiace články:
Zmena vnútorného odporu batérie pri rôznom prúde? Nezmysel!
Závislosť napätia LiPol batérie od množstva zostávajúcej energie
Zapojenie batérií - paralelne či sériovo? - 2.časť
Predĺženie životnosti LiPol batérií – 2.časť
<Staršie | tento článok | Novšie>
Napísané: 15. 11. 2021, 08:03 | Prečítané: 9017x | Kategórie: Elektronika | Napísal: admin |
Komentáre: 2
A sme radi, že sme mohli prispieť svojou troškou k objasneniu tohoto fenoménu.
Pridaj komentár
- Pre odoslanie správy môžete aj použiť klávesovoú skratku Alt+S. (Podporujú len niektoré prehliadače)
- HTML znaky budú prevedené na entity.
- Vyjadrujte sa tu ako doma, aby sme vedeli ako to u Vás vypadá.
- Odkazy začínajúce http:// budú automaticky prevedené na odkazy , nepoužívajte však v jednom príspevku viac ako 3 - to robia len spam roboti:-)