Závislosť napätia LiPol batérie od množstva zostávajúcej energie
K experimentovaniu v tejto oblasti nás inšpirovalo tématické vlákno s názvom „ Zostatok kapacity“ na jednom modelárskom fóre, ktoré začalo otázkou: „Dá sa nejak odhadnúť, koľko minútový let nastaviť na časovači, keď po 5 minútach bolo napätie na nezaťaženej sade 3,9V na článok? Je to 3S 2200 mAh, nejaké Turnigy.“
Keďže nás podobná problematika zaujímala už dávnejšie, ale vždy sa našla téma, ktorá bola naliehavejšia, konečne sme si povedali: „Teraz je ten pravý čas“.
autor: Janko O.
V hlave nám vŕtalo niekoľko nezrovnalostí a nezodpovedaných otázok. Tie nezrovnalosti sa týkali „čudného“ správania napätia LiPol článku (batérie) počas nabíjania a tiež počas vybíjania a tá nezodpovedaná otázka znela: „Je závislosť napätia LiPol článku (batérie) od množstva zostávajúcej (alebo dodanej) energie lineárna?“
Vypozorovali sme, že niekoľko (až desiatok) sekúnd po pripojení LiPol batérie k nabíjaču, jej napätie pomerne rýchlo nelineárne stúpa a potom je rast napätia už pomalší, zrejme úmerný nárastu dodanej energie. Po pripojení na meracie prístroje sme zistili, že ten „pomerne rýchly nelineárny nárast“ napätia LiPol článku má charakter exponenciály, niečo v zmysle nabíjania kondenzátora cez rezistor.
Podobne sa LiPol batéria správa aj počas vybíjania, alebo ešte výstižnejšie, počas prerušovaného vybíjania. Ihneď po pripojení záťaže jej napätie skokom klesne o úbytok napätia na vnútornom odpore batérie (Ri). Tento skok je tým väčší, čím je väčší odoberaný prúd a čím je väčší vnútorný odpor Ri (nižšie „Céčka“, „mäkšia“ batéria). Hneď za týmto skokovým poklesom je priebeh znižovania napätia exponenciálny (ako keď sa cez rezistor vybíja kondenzátor) a trvá rádovo sekundy (až desiatky sekúnd). Ďalší pokles napätia LiPol batérie (článku) je už celkom pozvoľný a pochopiteľný, pretože je úmerný úbytku energie vplyvom vybíjania.
Ak vybíjanie náhle prerušíme, zistíme, že napätie LiPol článku (batérie) skokovo stúpne, pretože zanikol úbytok napätia na vnútornom odpore Ri. Opäť platí, že tento skok je tým väčší, čím väčší bol odoberaný (vybíjací) prúd a čím väčší je vnútorný odpor Ri. Potom ale napätie článku (batérie) začne (zdanlivo bezdôvodne) exponenciálne stúpať až sa ustáli na konečnej hodnote. Toto stúpanie trvá desiatky sekúnd a definitívne ustálenie napätia sme skonštatovali asi po 2 až 5 minútach.
Obdobné, alebo takmer totožné výsledky získal aj americký modelár zo štátu Iowa, ktorý na RC Groups vystupuje pod skratkou IA-Flyer.
Na základe týchto zistení sme si „dovolili“ poopraviť náhradnú schému LiPol batérie tak, aby zahrnovala aj kapacitnú zložku. Tento „kvazi-kapacitný“ charakter LiPoliek majú na svedomí zrejme chemické procesy (tzv. „chemická“ kapacita) počas nabíjania aj vybíjania a možno aj skutočná elektrická kapacita „zaintegrovaná“ v štruktúre konštrukcie batérie (medzi jej elektródami).
Podrobnejšie je tento jav popísaný v článku (Kvazi) Kapacitný charakter LiPol: čo s tým?
Teraz je čas na odpoveď na otázku: „Je závislosť napätia LiPol článku (batérie) od množstva zostávajúcej (alebo dodanej) energie lineárna?“ Musíme zdôrazniť, že nás predovšetkým (z výsostne praktických dôvodov) zaujímala situácia, keď najprv bola LiPol batéria plne nabitá a potom postupným vybíjaním s prestávkami sme jej energiu odoberali a sledovali, ako sa to prejaví na jej napätí. Táto situácia totiž celkom verne simuluje pomery pri lietaní, keď modelár pre istotu pristane akosi „predčasne“ a potom (po istom váhaní) chce zistiť, či si s tou istou batériou ešte môže zalietať.
Rovnako, ako tázateľ v úvode tohto článku, aj my sme použili obľúbenú 3-článkovú LiPol batériu Turnigy 2,2 Ah / 25 – 35C. Batériu sme riadne nabili a potom sme ju vybíjali výkonom asi 100 W (prúdom asi 8 až 9 A). Vždy po spotrebovaní 0,2 Ah sme vybíjanie prerušili a batériu nechali „spamätať“ (to je ten exponenciálny nárast napätia). Po dvoch až piatich minútach už bolo napätie článkov úplne nemenné, hodnoty sme zapísali a pokračovali vo vybíjaní. Výsledky sú v tabuľke.
Po spracovaní výsledkov sme výsledky „zobecnili“ (prevedením na percentá) a zostrojili dva grafy. Prvý ukazuje, že spomínaná závislosť medzi napätím a zostávajúcou energiou nie je lineárna.
Tu sa podoba našeho grafu trochu líši od výsledkov amerického modelára. On navyše zmeral obdobnú charakteristiku aj počas nabíjania a vtedy nerobil prestávky na „spamätanie“. Druhý graf je trochu špeciálny a ukazuje „intenzitu“ poklesu napätia LiPol článku počas vybíjania. Ako vidieť, zo začiatku (keď je batéria ešte nabitá) je pokles napätia pomerne veľký, ale s postupnou stratou energie sa batéria stále „lepší“ a v rozmedzí 40 až 20 % je pokles napätia najmenší. Ale potom dochádza k náhlemu zvratu situácie a ak vybíjanie zavčasu neukončíme, môžeme LiPolke v priebehu niekoľkých sekúnd pripraviť „ťažké chvíle“.
Čo z toho celého teda vyplýva? Jednak predložená tabuľka a graf slúžia aspoň na odhad množstva energie, ktoré zostáva v LiPol batérii, na základe jeho napätia po niekoľko-minútovom spamätaní.
„Kvazi-kapacitný“ charakter napätia počas nabíjania a vybíjania môže modelárovi niekedy trochu „zamotať“ hlavu, ale inokedy môže byť aj prínosom. Nás konkrétne napadá (už toľkokrát „popľuté“) paralelné zapájanie LiPol batérií, kedy tento efekt môže „odtolerovať“ rozdiel ich napätí, hoci aj niekoľko desatín Voltu (bližšie to môžeme popísať v komentároch k tomuto článku (ak by mal niekto záujem)).
Súvisiace články:
(Kvazi) Kapacitný charakter LiPol: čo s tým?
Relationship between voltage of cells LiPo battery voltage and the amount of remaining energy capacity during the discharge Rapporto tra la tensione della tensione di celle della batteria LiPo e la quantità di capacità di energia residua durante la scarica Förhållandet mellan spänning av celler LiPo batterispänning och mängden kvarvarande energi kapacitet under ansvarsfrihet Relación entre el voltaje de la tensión de las células de la batería LiPo y la cantidad de capacidad de energía restante durante la descarga Связь между напряжением ячеек напряжение батареи LiPo и количество оставшихся энергетических мощностей во время разряда Relação entre a tensão das pilhas a voltagem da bateria LiPo e da quantidade de capacidade de energia restante durante a descarga Powiązania między napięcia ogniw LiPo napięcia baterii i ilość pozostałej zdolności energii podczas rozładowywania Forholdet mellom spenning av celler LiPo batteri spenning og mengden av gjenværende energi kapasitet i løpet av utslippet Zusammenhang zwischen Spannung der Zellen LiPo Batteriespannung und der Menge der verbleibenden Energie mit einer Leistung bei der Entladung Közötti kapcsolat feszültsége sejtek LiPo akkumulátor feszültség és a hátralévő energetikai kapacitás a mentesítési Relatie tussen spanning van de cellen LiPo accu spanning en het bedrag van de resterende energie capaciteit tijdens de ontlading Relation entre la tension de la tension des cellules de la batterie LiPo et le montant de la capacité d'énergie restante lors de la décharge Suhde jännite solujen LiPo akun jännite ja jäljellä olevan energian kapasiteetti tyhjennyksen aikana Forholdet mellem spænding af celler LiPo batteri spænding og mængden af tilbageværende energi kapacitet i løbet af decharge العلاقة بين الجهد من الجهد خلايا البطارية يبو ومقدار الطاقة المتبقية خلال القدرة على الاضطلاع הקשר בין מתח של מתח הסוללה Lipo התאים את כמות האנרגיה שנותרה קיבולת במהלך הפריקה