Rafhlöður

[Böðvar]

Fjallað var um fjórar gerðir af hlaðanlegum rafhlöðum á febrúar fundi flugmódelfélagsins þyts 2005.

Nickel-Cadmium (Ni-Ca), Nickel-Metal-Hidride (NIMH), Lithium-ion (Li-ion) og Lithium-Polymer (Li-Po). en fyrst um hleðslu mynni.



Hleðslu mynni

Vandamálið við Nickel Cadmium og Nickel-Metal Hydride rafhlöður er að þær fá svokallað hleðslu mynni, og margir hafa talið að þegar rafhlaða er komin með hleðlslumynni að þá sé tímabært að skipta þeim út. Þetta vandamál þekkja módelmenn þegar Nickel rafhlöður eru notaðar í fjarstýringar.

Hvað er hleðslu mynni?

Það er ekki mynni líkt og í heilabúi mannsins, heldur er þetta eingöngu nafn gefið á ástandi rafhlöðu þegar hún "man" hvað mikið var afhlaðið í hvert skipti við notkun, með þeim afleiðingum að rafhlaða tekur ekki fulla hleðslu og spennan lækkar.
Þær rafhlöður sem geta fengið hleðslu mynni eru Nickel Cadmium (Ni-Ca) og Nickel-Metal-Hydride (NiMH).

Hvað veldur að rafhlaða fær hleðslu mynni ?

Vegna síendurtekinnar notkunar rafhlöðunnar án þess að tæma hana algerlega. Ef Nickel Cadmium / Nickel-Metal-Hydride rafhlaða er endurhlaðin eða afhlaðin á þann hátt að hleðslan í rafhlöðunni er aðein að hluta til notuð þá verður hámarksspenna aðeins lægri.

Ef rafhlöðu hleðslutæki er síendurtekið notað þannig að rafhlaðan er hlaðin alltaf frá sama spennu punktinum (rafhlaðan aðeins að hluta til notuð) mun spennustaða í þessu svæði verða á lágt. Þegar rafhlaðan man þennan spennu punkt þar sem hætt er að afhlaða og byrjað að hlaða aftur, er það kallað Hleðslu mynni.

En þetta ástand endist bara í stuttan tíma og rafhlaðan mun ná sér að fullu þegar hún hefur verið afhlaðin að fullu.

Nickel Cadmium / Nickel-Metal-Hydride rafhlöður eru ekki alltaf afhlaðnar algerlega, þannig að hleðslumynnis vandamál koma stundum upp án þess að notandi átti sig á því að þetta vandamál sé til staðar.


Hvers vegna er þetta vandamál ?

Hleðslu mynnis vandamálið er vegna þeirra tækja sem nota rafhlöðunna, tækin hætta að virka þegar spennan fellur niður fyrir ákveðið mark eins og í fjarsýringum.

Líka vegna mannlegra þátta eins og að hlaða rafhlöðuna alltaf þegar heim er komið þótt engin þörf hafi verið á að endurhlaða.

Ef rafhlaða fær hleðslu mynni getur vinnslutími rafhlöðunnar verið sérleg stutt.

En þegar Nickel Cadmium / Nickel-Metal-Hydride rafhlöður eru notaðar við tæki eins og rafmótora sem hætta ekki að virka þótt spennan lækki, verður þetta svokallaða hleðslumynnis vandamál ekki til staðar.


Er rafhlaða með hleðslu mynni ónothæf ?

Nei, það er hægt að nota hana áfram.
Spennu fall vegna hleðslu mynnis er aðeins tímabundið ástand

Það eru til hleðslutæki sem skanna rafhlöðurnar, afhlaða og hlaða þær þar til hleðslumynni er horfið. Eða það má nota ljósaperu til að þreyta rafhlöðurnar til
að eyða þessu vandamáli.

Tekið saman af
Böðvari Guðmundssyni
febrúar 2005

[Böðvar]

Lithium-ion rafhlöður

Lithium Ion (Li-Ion) – Þessi gerð af rafhlöðum er það nýjasta í framleiðslu hlaðanlegra rafhlaða, eða allt þar til Lithium Polymer rafhlöðurnar komu á markað.

Li-ion rafhlöðurnar eru með meiri orku rímd en NiMh og NiCd rafhlöðurnar.
Li-Ion rafhlöðurnar eru mikið notaðar í GSM símum.
Li-ion rafhlöðurnar fá ekki svokallað hleðslumynni og er hægt að hlaða hvenær sem er.


Hvað er Lithium-ion rafhlaða?

Það er há orku rafhlaða. 3.7V rafhlaða sem er ekki hægt að bera saman við venjulegar rafhlöður. Notar lithium járn oxide í jákvæða hlutanum (cathode) og carbon efni í neikvæða hlutanum (anode), og lithium ions inn í rafhlöðunni flytur rafhlöðnu agnirnar milli þessara tveggja póla jákvæða og neikvæða við hleðslu eða afhleðslu.


Er lithium-ion rafhlöður besti kosturinn?

Í mörg ár hefur Niciel-Cadmium verið einu nothæfu rafhlöðurnar í öll smærri ferðatæki frá þráðlausum samskiptum til farsímanotkunar. Árið 1990 kom nickel-metal-hydride og lithium-ion rafhlöður á markað, sem voru með meira geimslurími. Báðir framleiðendur fullyrtu nef í nef að þeirra rafhlöður væru betri, léttari og orkumeiri.

Í dag hefur komið í ljós að lithium-ion rafhlöðurnar eru það sem meðst er notað af ferða rafhlöðum. Lithium-ion gerðin er mest þróaðasta og sú rafhlöðu gerð sem flestir treysta á í dag, en stór galli hvað líftími þeirra er stuttur og hvað þær eru dýrar. Sony fyrirtækið kom fyrst með Lithium-ion rafhlöður á markað 1991 og aðrir framleiðendur fylgdu fljótt þar á eftir.


Lithium-ion rafhlöður

Fyrstu tilraunir við lithium efni í rafhlöður hófst 1912 af G.N. Lewis, en það var ekki fyrr en snemma árið 1970 sem fyrstu rafhlöðurnar komu á markað, en þær voru ekki endurhlaðanlegar. Lithium er léttasta málmefnið og hefur mjög góða rafleiðni og getur geymt mesta raforku í sér miðað við þyngd.

Tilraunir til að búa til endurhlaðanlega lithium metal rafhlöður mistókust vegna öryggis vandamála. Lithium metal hefur þá eiginleika að vera óstöðugt efni, sérstaklega við hleðslu, því beindust ransóknir að án járns "non-metallic" Lithium ions. Þótt lithium-ion séu aðeins orkumminni en lithium-metal, þá eru hægt að afhlaða og hlaða lithium-ion á öruggan hátt ef vissum öryggisatriðum er fylgt. Árið 1991 kom Sony fyrirtækið með fyrsta lithium-ion rafhlöðuna á markað, aðrir framleiðendur fylgdu á eftir.

Lithium-ion rafhlaðan getur geimt helmingi meiri orku mAh en venjuleg nickel-cadmium rafhlaða, og er möguleiki á enn hærri orku. Afhleðslu kúrfan er góð og er svipuð og hjá nickel-cadmium rafhlöðum. Hver sella er með hárri spennu 3.6 V þannig að flestir GSM símar þurfa aðeins að nota eina sellu. Hver sella í nickel-cadmium rafhlöðum er 1.2 V og þarf því að raðtengja þrjár sellur í seríu til að gefa sömu spennu 3.6V.

Lithium-ion rafhlöður valda litlum umhverfis mengun þegar þeim er fargað, sem ekki á við um flest aðrar efnablöndur. Í Lithium-ion rafhlöðum myndast ekki hleðslu mynni og það þarf ekki að hlaða og full afhlaða til að lengja líftíma rafhlöðunnar. Rafhlöður sjálf-afhlaðast þótt þær standi ónotaðar en þessi sjálf-afhleðslan er helmingi minni í lithium-ion en í nickel-cadmium rafhlöðum.

Þrátt fyrir yfirburði hefur lithium-ion neikvæða þætti. Lithium-ion rafhlaðan getur sprungið og kveikt í ef hún er ofhlaðin og fær að hitna án eftirlits. Inn í hverjum lithium-ion rafhlöðu pakka er sérstök öryggis tenging, ætluð til þess að minnkar hættu á of hárri spennu á hverja sellu þegar verið er að hlaða og kemur í veg fyrir að spennan fari of lágt niður við afhleðslu. Í raun er hitastigið á hverri sellu skannað til að koma í veg fyrir of hátt hitastig, eða að metallic lithium málmhúsið ofhlaðist.

Þetta á við um flestar lihium-ion rafhlöður og margir framleiðendur eru þögulir um þetta aðtriði. Eftir eitt ár minkar hæfileiki rafhlöðunar að geima rafmagn, sama hvort rafhlaðan er í notkun eða ekki. Rafhlaðan endurtekið bregst eftir tvö eða þrjú ár. En það skal tekið fram að aðrar gerðir rafhlaða dofna líka með aldrinum. Þetta á sérstaklega við nickel-metal-hydride rafhlöður og einnig vex þessi öldrun við aukin umhverfis hita.

Framleiðendur eru stöðugt að bæta lihium-ion rafhlöðurnar. Nýjar efnablöndur er kynntar á sex mánaða fresti eða svo. Með svo hraðri endurnýjun er erfitt að dæma um hversu vel rafhlöðurnar muni endast.

Að geima rafhlöðurnar á köldum stað hægir á öldrunar einkennum lithium-ion (og öðrum efnablöndum). Framleiðendur mæla með að heppilegur geimsluhit sé um 15 gráður. Það er best að hafa rafhlöðuna hálfhlaðna þegar á að geima hana. Framleiðendur mæla með 40% hlaðin.


Kostir Lithium-ion rafhlaða !

# Há spenna 3,7V minkar fjölda rafhlaða sem þarf að nota.
# Há orku rímd mAh minkar stærð rafhlöðu og þyngdar og því ákjósanleg
til notkunar í flugmódel.
# Ekkert hleðslu mynni myndast og þarf því ekki að afhlaða eða full hlaða í
hvert skipti.
# Þarf ekki að forhlaða og afhlaða. Ein venjuleg hleðsla er allt sem þarf.
# Lág sjálf-afhleðsla - er helmingi minni en í Nickel rafhlöðum.


Ókostir Lithium-ion rafhlaða !

# Þarf öryggis tengingu til að halda spennunni og straumnum innan öruggs
hámarks og lámarks.
# Öldrunar hrörleiki, jafnvel þótt ekki notað - geima rafhlöðuna á köldum stað
og 40% hleðsla hægir á öldrun.
# Venjuleg afhleðslu straumur - ekki heppilegt fyrir mikið álag.
# Verð frá framleiðendum er um 40% hærra en nickel - cadmium.
# Ekki full þróað - stöðugt verið að prófa nýjar og nýjar Járn og efnablöndur.
# Endast ekki lengi tvö þrjú ár.


Tekið saman af
Böðvari Guðmundssyni
febrúar 2005

[Böðvar]

Lithium Polymer (Li-Po) rafhlöður.

Önnur kynslóða af Lithium-Polymer (Li-Po) rafhlöðu pökkunum hafa lengt flugtímann og eru léttari en NiCd og NiMH rafhlöðu pakkarnir og eru öruggari í notkun en Li-Ion rafhlöðu pakkarnir. - nýja gerð 2100 mAh sellu eða pakka. Getur gefið hærri spennu og léttari en líka með meir geimslu rímd heldur en t.d. NiCad og NiMh 2/3 A sellur.

Lithium-polymer eru ólík venjulegum rafhlöðum vegna þeirra raf-efnasambanda sem notu eru. Þetta raf-efnasamband er líkt og plast filma og leiðir ekki rafmagn en en leyfir jóna (ions) flutning (af rafhlöðnum atómum eða grúppum af atómum).


Hleðsla, umhirða og öryggisatriði.

Tengingar: Þú verður að vera viss um að tengja rafhlöðuna rétt við hleðslutæki eða við hraðastýringu: Bleikur/Rauður = plúsinn ( + ) Blár/Svartur = mínusinn ( - )

Að hlaða Lithium Polymer rafhlöður þarf sérstaka meðhöndlun og það má AÐEINS nota hleðslutæki fyrir Lithium Polymer sellur. Bestu hleðslutækin eru þau sem eru ekki með sjálfvirka hleðslustýringu og hlaða hverja sellu fyrir sig og sjálvirkt athugar hvort stillingar eru réttar.


AÐVÖRUN !

Fyrir notendur Lithium Polymer rafhlaða sellur/pakkar í módelflugvélar

1. Aldrei að hrað-hlaða alveg sama hvaða gerð af rafhlöðum ...
... án þess að vakta hleðsluna !
2. Aldrei að hlaða LiPo sellur/pakka undir neinum kringumstæðum ....
...án þess að vakta hleðsluna !
3. Alltaf að hlaða LiPo cells/pakka með hleðslutæki sem er sérhannað fyrir
lithium polymer efnablöndu.
4. LiPo sellur springa með eldhafi og geta auðveldlega valdið skaða og
kveikt í. það getur gerst þegar:
# verið er að að tengja saman sellur sem passa ekki saman spennulega
eða rímdarlega,
# eða vegna skemdri sellu,
# eða hlaðið vitlaust,
# eða hleðslutæki vitlaust stillt,
# eða ofhlaðið og vegna annara þátta.
5. Alltaf að nota rétta hleðsluspennu. LiPo sellur/packs geta sprungið ef tengt
er við hleðslutæki sem gefur meiri spennu en sex volt á hverja sellu.
6. Alltaf að ganga úr skugga um að hleðslutækið vinni rétt.
7. Alltaf að hlaða LiPo sellur/pakka þar sem engan skaða getur valdið sama
hvað gerist.
8. Aldrei að hlaða sellu/pakka í módelinu. Heitur pakki betur kveikt í timbrinu,
fóminu eða plastinu.
9. Aldrei að hlaða sellu/pakka inn í bifreið eða undir vélarhlíf bifreiðar.
10. Aldrei hlaða sellu/pakka ofan á timbur borði, eða ofan á nokkuru öðru
eldfimu yfirborði.
11. Ef sella/pakki verður fyrir krassi módels:
a. Fjarlægðu selluna/pakkan strax úr flugmódelinu.
b. Ransakaðu selluna/pakkan nákvæmlega hvort vírar hafi skemst eða
tengingar skemmst og skammhleipst, Ef það er minsti vafi klippið í
sundur alla víra frá selluni/pakkanum
c. Fjarðlægðu rafhlöðu pakkan.
d. Ransakaðu sellur hvort þær hafa beiglast, eða orðið fyrir öðru hnjaslki.
Fjarlægðu og henntu skemdum sellum. Henntum skemdum sellum (sjá
fyrir neðan)
12. Henda sellum/pökkum á eftirfarandi hátt:
a. Afhlaða. með sellu/pakka á öruggum stað, tengdu viðeigandi viðnám yfir
tengingar þar til sellan/pakkinn er full afhlaðinn.
AÐVÖRUN: sellan/pakkinn getur orðið heitur.
b. Henda:
- NiMH: henda í venjulegt rusl.
- NiCd: endurvinnlu stöð (cadmium er eiturefni).
- LiPo: Stinga smá gat á plastik umbúðirnar, settu í salt vatn í nokkrar
klukkustundir og síðan er óhætt að henda í venjulegt rusl
13. Umgangast allar sellur/pakka meðgát, vegna þess að þær geta innihaldið
mikinn straum amper ef er skammhleipt. Sem dæmi ef hringur á putta
skammhleipir svona rafhlöðu bræðir og steikir þessi gríðarlegi straumurinn
puttan af á augabragði.
14. Alltaf geima sellur/pakka á öruggum stað þar sem börn geta ekki náð í.
15. Þegar tengd eru saman pakkar í seríu eða paralell, notið þá aðeins sellur
meða sömu rímd (mAh).


Kostir LiPo

# Fer lítið fyrir þeim - Eru léttustu fáanlegu rafhlöðurnar miðað við orku.
# Sveigjanlegt form - framleiðendur eru ekki bundnir af venjulegu útliti á
sellum/pökkum.
# Gel rafefna grauturinn inn í sellunum er einfaldari í pökkunn og þarf enga
málm hlífðar húð, eins og í venjulegum rafhlöðum.
# Aukið öryggi - meiri mótstaða við ofhleðslu; minni möguleiki á rafleka.


Ókosti LiPo

# Lægri orku eðlismassi og færri endurhlaðningar í samanburði við lithium-ion
rafhlöðurnar.
# Kostnaðarsamt í framleiðslu.
# Meiri kostnaður miðað við orku heldur en í Lithium-ion rafhlöðum.
# Ónýtar eftir eitt til þrjú ár óháð því hvort þær eru notaðar eða ekki.

Tekið saman af
Böðvari Guðmundssyni
febrúar 2005

[Böðvar]

Nickel-Metal-Hydride (NiMH) rafhlöður

Nickel Metal Hydride (NiMh) - Rafhlöðurnar eru léttari en Nickel Cadmium rafhlöðurnar, en eru þyngri en Lithium rafhlöðurnar.

Þó að NiMh rafhlöðurnar séu ekki eins viðkvæmar að fá svokallað hleðslu mynni eins og NiCd rafhlöðurnar, þá þarf samt að afhlaða þær annað slagið til að koma í veg fyrir að hleðslu mynni komi upp og viðhalda hámarka afköstum rafhlöðunnar.

Ef Nickel-Metal-Hydride rafhlöður eru meðhöndlaðar alveg eins og gert er við
Nickel-Cadmium rafhlöðurnar, og þær hlaðanar á löngum tíma með vægum hleðslu straumi, munu Nickel-Metal-Hydride rafhlöðurnar endast lengi.
Það þarf eingöngu að hugsa vel um þær.

Ef Ni-MH rafhlöður eru alltaf settar á hraðhleðslu, eins og margir freistast til að gera, vegna þess einfaldlega að það er hægt að moka inn á þær rafmagni á stuttum tíma. styttir það líftíma rafhlöðunnar.

Meðhöndlið Ni-MH rafhlöðuna alveg eins og Ni-Ca rafhlöðuna og hlaðið þær yfir nótt á litlum hleðslustraumi, eða í 10 til 12 klukkustundir.

Sem dæmi þá er gott að hlaða 4 til 6 sellu pakkan fyrir mótakaran með 25 til 50 mA straumi og 8 sellu pakkan í sendinum með á 60mA straumi ef rímdin er 600mAh og allt að 100 mA straumi ef rímd rafhlöðu pakkans er 1600 mAh. Ef það er verið að hlaða rafhlöður með litla rímd t.d. 270 mAh NiMH þá hlaðið með litlum straumi 25 mA og styttið hleðslutíman í 5 til 6 klukkustundir.

Nickel-Metal-Hydride rafhlaða er helmingi léttari og getur verið með helmingi
meiri orku rímd mAh en sambærileg Nickel-Cadmium rafhlaða.
Af þeirri ástæðu hafa NiMH rafhlöður verið vinsælar í flugmódel þar sem hægt er að auka flugöryggið með því að nota tvo pakka af NiMH rafhlöðum tengtar við mótakarann eða samtals með um fjórfalt meiri orku í mAh um borð í flugmódelinu, en samt viktað sama og ein Nickel-Cadmium rafhlaða.


Afhleðslu kúrfa fyrir Nickel-Metal-Hydride rafhlöður er nokkuð skörp í endan, eða spennan fellur nokkuð bratt þegar rafhlaðan er að tæmast.
Ef flogið er það lengi og oft án þess að gæta að því að hlaða og sendirinn fer að pípa þá er mjög stutt í það að það slokni alveg á sendinum.
Lendið því flugmódelinu tafarlaust.

Undirritaður hefur notað Nickel-Cadmium rafhlöður eingöngu mörg undanfarin ár, en undanfarið eitt ár notað NiMH rafhlöður bæði í svigflugurnar sínar í listflugvélina og í sendin og alveg vandræðalaust. Á heimstmeistarakeppninni Viking race í þýskalandi síðastliðið haust 2004 þurfit ég að treysta á sendis rafhlöðuna og mótakara rafhlöðuna allan daginn frá morgni til kvölds, dag eftir dag og NiMH rafhlöðurnar stóðu vel fyrir sínu.


Tekið saman af
Böðvari Guðmundssyni
febrúar 2005

[Böðvar]

Já gjörðu svo vel mín er ánægjan.

[Sverrir]

Ávallt velkominn Emil, þú þekkir opnunartímann!
Og velkominn á spjallið.

[Björn G Leifsson]

Það verður ekki aftur snúið með Li-Po notkunina.

Þegar verið er að tala um hættuna af þeim þá verður að hafa í huga að það eru hundruð þúsunda svona battería í notkun um allan heim og líkurnar á vandræðum eru kannski ekki miklar en það eru líka litlar líkur í Lottóinu. Samt verður oftast einhver fyrir því að vinna.

Fyrir utan vanrækslu þá held ég að aðal hættan felist í bilun í hleðslutækinu eða skemmd í sellu. Sem sagt lítil en raunveruleg hætta á vandræðum.

En ég vil ekki frekar en aðrir kveikja í "flugskýlinu" og því sem við það hangir.
Ég reyni því að beita ýtrustu varkárni og hef útvegað mér "hleðslu-öryggishólf" sem er gamall níðþungur kleinupottur. Hef sellurnar í pottinum úti á miðju gólfi, beint undir reykskynjaranum, fjarri eldmat og slökkvitæki handhægt. Hleð aldrei nema þegar ég er nálægt og fylgist með í upphafi og reglulega meðan það er í gangi. (tekur 1-1,5 klst per pakka)
Rýf hleðsluna ef ég neyðist til þess að fara frá.

Kanski hægt að gera þetta enn öruggara?
Hef verið að hugsa um að flytja kleinupottinn út á stétt og hafa hann á hvolfi yfir sellunni. Svo er ég að hanna einfalt viðvörunar og öryggiskerfi sem væri þannig að sett er "klemma" utan um selluna og ef hún fer að bólgna (sem er fyrsta merkið um vandræði, þá rofnar straumurinn til segulrofa sem rýfur hleðsluna og setur í gang bjöllu.

Hvað haldið þið? Væri hægt að hafa það öruggara???

[Ingþór]

ekki nema þá að hafa bara lækni og slökviðliðsmann í næsta nágrenni, þekkir þú einhvern slökviðliðsmann?


betra a að hafa varann á

[Sverrir]

...þarf þá ekki brunaliðið til að kveikja í ??? :rolleyes: