Moje objevené “Ameriky”

 
 
V druhé polovině roku 2006 se i na našem trhu objevily nové akumulátory využívající technologii lithium-železo-fosfát s obchodním názvem A123. Můžeme se setkat také s označením LiFePo4 nebo kratším LiFe, což se pravděpodobně prosadí. Články byly vyvinuty americkou společností A123 Systems Inc (www.a123systems.com) ve spolupráci s předními americkými univerzitami. Články samotné jsou samozřejmě vyráběny na Dálném Východě. Za vývojem těchto nových elektrochemických zdrojů stojí pravděpodobně i společnost DeWalt, zabývající se profesionálním elektrickým nářadím, která potřebovala nové, výkonné akumulátory s dlouhou životností pro své špičkové akumulátorové nářadí.

Co hlavního a nového tedy nové články přinášejí? Velmi zjednodušeně by se říci, že přinášejí (téměř) kapacitu článků LiPol společně s životností a rychlostí nabíjení článků NiCd. V hodnotách vybíjecího proudu je dokonce překonávají.

Články jsou zatím k dispozici v jediném provedení označovaném ANR26650M1 (viz. též typový list ve formátu PDF - 500 kB), u nichž výrobce uvádí následující parametry:

Jmenovité napětí 3,3 V
Kapacita 2,3 Ah
Maximální vybíjecí proud trvalý 70 A
Maximální vybíjecí proud po dobu 10 s 120 A
Vnitřní odpor (měřeno na f 1kHz) 8 mOhmů
Vnitřní odpor (stejnosměrný, impuls 1 s) 10 mOhmů
Životnost při vybíjení proudem 10 C (23 A) 1000 cyklů
Maximální nabíjecí napětí (25o C) 3,6 V
Minimální vybíjecí napětí (25o C) 2,0 V
Standardní nabíjecí proud 3A po dobu 45 minut
Rychlý nabíjecí proud 10 A po dobu 15 minut
Rozměry článku (průměr x délka) 26 x 65 mm
Hmotnost článku 70 gramů

Články jsou zapouzdřeny ve válcovém kovovém pouzdru, obal tvoří kladná elektroda. Délka článku je stejná jakou u běžných válcových “Li-Ionů” či “Konionů”, ale průměr je podstatně větší. Na elektrody je možné pájet běžným způsobem dostatečně výkonnou páječkou.

Články se nabíjejí metodu CCCV (nejprve konstantní proud, pak konstantní napětí, přičemž proud exponenciálně klesá), tedy stejně jako Li-Ion či LiPol, ale maximální napětí je pouze 3,6 V. To tedy v praxi znamená nutnost pořídit si nový nabíječ (nebo nový software do stávajícího procesorového nabíječe), nebo lze pro pevný menší počet článků modifikovat lineární nabíječ typu Zajíc. Odlišné napětí také bude muset změnit zvyklosti ohledně počtu používaných článků. Dva články budou zřejmě málo, spíše se budou používat 3, 4 články v sérii, u velkých modelů samozřejmě více. Uvidíme, jak na to zareagují výrobci regulátorů, u současných regulátorů JETI řady Master nebo SPIN žádný problém nebude, stačí je nastavit správnou krabičkou.

Dovolený vybíjecí proud dosahuje neobvykle vysokých hodnot špičkově až 120 A a trvale 70 A, což při obvyklé “LiPol” terminologii znamená více než 50 C špičkově a 30 C trvale. V praxi to znamená, že při maximálním zatížení lze energii z článků “vysát” za dobu 2 minut.

Na obrázku 1 (kliknutím na něj získáte větší ve formátu pdf) je změřená vybíjecí charakteristika 4 sériově zapojených článků do odporové zátěže při středním vybíjecím proudu 35 A. Měření bylo prováděno při “pokojové” teplotě 20o C a 0o C. Počáteční napětí bez zátěže bylo 14,26 V, respektive 13,70 V při 0o C.
Během první minuty napětí kleslo až na hodnotu 10,8 V, ale pak vlivem ohřevu článků (a poklesem vnitřního odporu) stouplo ke konci 3. minuty až na 11,07 V. Po 4 minutě napětí rychle kleslo a při hodnotě 8 V byla zátěž odpojena. 4 LiFe články jsou tedy schopny po dobu 4 minut podávat výkon cca 385 W. Teplota na povrchu článků, které nebyly nijak aktivně chlazeny, dosáhla na konci vybíjení 50,5oC. Jak je vidět, vybíjecí křivka je velmi plochá a při této hodnotě proudu dokonce mírně stoupající. Hodnota stejnosměrného vnitřního odporu odpovídá údajům výrobce. Ještě zajímavější je vybíjecí charakteristika při nulové teplotě okolí, kdy i články měly tuto teplotu. Napětí vlivem zvětšeného vnitřního odporu rychle kleslo až na 8 V, ale pak se články velkým proudem ohřály a napětí stouplo až 10,73 V. Teplota na povrchu článku dosáhla na konci vybíjení 26oC. V obou případech byla dodaná kapacita cca 2,4 Ah, tedy vyšší než udává výrobce. Je zřejmé, že články LiFe je možno provozovat v oblasti velkých proudů i při nízkých teplotách, ale plného výkonu dosáhnou až po svém zahřátí. Na velké proudy a následné oteplení je třeba pamatovat v horkých letních měsících, kdy bude nutno hodně zatížené články chladit.

Články jsou sice velmi tvrdé, ale je třeba si uvědomit, že při odběru 70 A bude na každém článku úbytek minimálně 0,7 V, což představuje minimální ztrátu 50W na článek, kterou je třeba nějak uchladit. Naopak při odběru okolo 23 A, který je odebírán akumulátorovým nářadím s motorem 750 W bude na každém z 10 článků tepelná ztráta jen asi 5W a proto mohou být zabaleny do vícevrstvého papírového obalu a uzavřeny do plastového pouzdra bez jakéhokoliv chlazení.

Zajímavé bude srovnání s tříčlánkem Lipol, což je dnes klasický nejčastěji používaný zdroj pro menší elektrolety, kde je napětí naprázdno při plném nabití 12,3 až 12,6 V. Tříčlánek A123 bude můžeme nabíjet maximálně na 10,8 V, čtyřčlánek A123 na 14,4 V. Pro tříčlánek bude hovořit kromě menší hmotnosti a ceny i menší tepelná ztráta na BEC regulátoru. Teoreticky by také bylo možné použít mírně upravený lineární nabíječ typu Zajíc bez měniče i pro nabíjení na letišti z olověného akumulátoru 12V. Čtyřčlánek dá samozřejmě větší výkon, ale pozor na maximální dovolený proud regulátoru a především motoru, ve většině případu bude nutno použít menší vrtuli. Také je nutno vzít v potaz větší tepelnou ztrátu na BEC regulátoru. (samozřejmě neplatí pro regulátory SPIN se spínaným obvodem BEC). Na obrázku 2 je změřená vybíjecí charakteristika čtyřčlánku LiFe v porovnání s běžným tříčlánkem LiPol 2,2 Ah s dovolenou zatížitelností 20 C. Vybíjecí proud byl 10 A, což je střední hodnota proudu při 10 až 12-minutovém letu, teplota okolí cca 20 oC. Nutno podotknout, že tříčlánek Lipol nebyl zcela nový a měl za sebou 20 až 30 cyklů. V průběhu vybíjení bylo na čtyřčlánku A123 bylo napětí vyšší o cca 1,5 až 2 V a křivka je o něco plošší. Teplota na povrchu článků A123 byla na konci vybíjení 35 oC a u LiPol 38 oC.
Hmotnost tříčlánku LiPol je 190 g oproti 300 g čtyřčlánku LiFe včetně obalu, přívodních vodičů a konektorů.

Články A123 jsou tedy velice důstojným nástupcem článků Li-Ion 1,1 Ah (Konion), mají sice menší jmenovité napětí, ale více než dvojnásobnou kapacitu při méně než dvojnásobné hmotnosti a hlavně několikanásobně vyšší vybíjecí proud. Článkům LiPol se nevyrovnají v poměru kapacita/hmotnost, ale zdá se, že je předčí v životnosti a maximálním proudu. Navíc je možné je rychle nabíjet proudem až 10A. Výrobce udává životnost 1000 cyklů, výrobce akumulátorového nářadí DeWalt, kde je odběr do 25A, dokonce “marketingovou” hodnotu 2000 cyklů. Samozřejmě je nutné brát tento údaj s rezervou, protože každá nová bateriová technologie udává při svém nástupu magickou životnost 1000 cyklů, ale všichni víme, jaká je pak realita. Pro běžného modeláře je také důležitý nejen počet cyklů, ale především očekává, aby mu sada akumulátorů vydržela několik let a ne několik měsíců, jak to bývá u akumulátorů LiPol či NiMH. (Má praktická zkušenost s několika desítkami sad LiPol odpovídá využitelné životnosti 6 až 24 měsíců.) Zda toto očekávání naplní LiFe články, ukáže až čas.

Kde tedy najdou články A123 nejvhodnější uplatnění? Tam, kde potřebujeme enormně vysoký, ale krátkodobý výkon. Především v hotlinerech a velmi výkonných elektrovětroních, potom zřejmě v maketách a polomaketách. V akrobatech a především v 3D akrobatech může být nevýhodou o něco vyšší hmotnost na jednotku kapacity. Například v kategorii F3A bude pro dosažení maximálního dovoleného napětí nutno použít sadu 11S2P, jejíž hmotnost bude minimálně 1,6 kg, bude váhový hendikep (nebo raději česky nevýhoda) oproti sadě LiPol cca 400 g, které by bylo nutné ušetřit jinde, aby byl dodržen váhový limit.

Aktuální cena jednoho článku A123, provedení 26650 je cca 400 Kč.

Pro RCM Ing. Petr Hrubeš

 
 

30.5.2008