FAQ по источникам питания. Личный квадрокоптер — Часть 4

Последние десятилетия стали эпохой стремительного развития портативной электроники, начиная от мобильных телефонов и МР3 проигрывателей, заканчивая портативными компьютерами и даже виртуальными очками дополненной реальности. Необходимость обеспечения всех этих устройств соответствующим питанием вызвала взрывной рост исследований в сфере электрических элементов питания. Теперь, при разработке ваших проектов роботов, вы не ограничены многочисленными неперезаряжаемыми батареями с низкой емкостью.
В настоящее время доступен широкий ассортимент элементов питания, которые полностью удовлетворят потребности вашего робота в пище.
В приведенной статье мы рассмотрим несколько важных факторов выбора и использования элементов питания разных типов в робопроектах.

Классификация элементов питания

Как различаются электрические батареи?

В первую очередь по напряжению и силе тока. Напряжение, которое выдает электрическая батарея, является понятием несколько запутанным. При полной зарядке, напряжение часто превышает номинальное примерно на 15 процентов, а при полном разряде батареи – ниже заявленного производителем опять - таки на 15 процентов (прим. переводчика: указанные значения являются усредненными). Кроме того, напряжение полностью заряженной батареи под значительной нагрузкой, например – подключенном двигателе постоянного тока тоже падает ниже номинала. Для увеличения выходного напряжения, вы можете последовательно соединить несколько электрических батарей. Для увеличения силы тока, как правило, батареи соединяют параллельно. В то же время, электрические батареи в любых комбинациях не могут дать бесконечный ток разряда, то есть имеют физически обусловленные пределы выдаваемой величины тока. Таким образом, при использовании разных типов батарей ожидайте разной силы тока, которую они могут обеспечить потребителям.
При проектировании электрической цепи, предусматривайте возможность ее работы при понижении напряжения элемента питания под нагрузкой.
Поговорим о маркировке. Например, на вашей батарее указано следующее значение: 1200 mAh . Единица mAh расшифровывается как миллиампер в час. Таким образом, маркировка 1200 mAh значит, что под нагрузкой ваша батарея может выдавать ток максимальной силой 1.2 Ампера на протяжении одного часа. Или 2.4 Ампера на протяжении 30 минут, или 0.6 Ампера на протяжении 2 часов. Арифметика проста, дальше считайте сами.

Коэффициент емкости (C-Rate)
Комментарий переводчика : прямой перевод термина C-Rate (С-Value) наиболее точно передается понятием «коэффициент емкости» или «коэффициент разряда» , то есть способностью элемента питания принимать и отдавать электрический ток. Например, если ваша батарея маркирована емкостью 2500 mAh и коэффициентом разряда С, равным 10, теоретически это означает, что вы можете разрядить батарею током 2 Ампер за 1/10 часа. Однако, нагрузка, которая вызовет такой разряд батареи, может переразрядить её или вызвать взрыв.
Методика расчета коэффициентов разряда, которые применяются разными производителями, вызывает огромное количество споров и дискуссий. Некоторые ведущие эксперты в сфере элементов питания вообще считают все указываемые производителями коэффициенты емкости недостоверными.
Расчет необходимого вам рабочего коэффициента емкости
Если вам известно, какой ток разряда вам необходим при работе механизма, а также емкость элемента питания, вы легко можете рассчитать необходимый коэффициент емкости. Если ваши потребители требуют силу тока 5 Ампер с батареи емкостью 1320 mAh, просто разделите ток потребления на емкость элемента питания. Приведем пример. 5 Ампер = 5000 mAh.

5000/1320 = 3.8. таким образом, вам необходим источник питания с коэффициентом емкости, равным 3.8.

А в чем разница между mAh и mA?

mAh – это емкость элемента питания, в то время как mA – максимальная сила тока, которую он может выдать при номинальной нагрузке. Маркировка 1500 mAh значит, что вы можете питать ваши потребители током 1.5 Ампера прежде чем полностью «сдохнет» батарея (а случится это через час). Или током 3 Ампера на 30 минут. Или (теоретически) током 6 ампер на 15 минут. В то же время, 1500 mA означает, что ваш источник питания максимум может именно 1500 миллиАмпер и не более.

Заметки о параллельно соединенных батареях.

Необходимо соблюдать предельную осторожность во время параллельного соединения батарей иначе ваши неправильные действия могут привести к явлению, известному как «саморазряд». Саморазряд параллельно соединенных батарей заключается в том, что одна из батарей через электроцепь заряжает другие. Кроме того, что это может понизить эффективность вашего сборного элемента питания, иногда это приводит к перегреву и выходу батарей из строя. Саморазряд вызывается соединением батарей, которые имеют разные уровни заряда. Соединяя батареи, вы должны удостоверится, что они одного и того же типа. Кроме того, зарядка и разрядка этих элементов питания должна производится исключительно параллельно. Не рекомендуется параллельное соединение новых и уже бывших в употреблении элементов питания, даже если они одного типа. Это объясняется тем, что коэффициент заряда/разряда со временем меняется индивидуально для каждого элемента.
Замечание автора: в связи с стремительным развитием технологий, данная статья может утратить свою актуальность по некоторым вопросам. Автор приложит все усилия по поддержанию ее соответствия текущим реалиям.

Современные типы элементов питания:
- Алкалайновые (Alkaline)
- Топливные элементы (Fuel Cell)
- Свинцово – кислотные (Lead Acid)
- Литий-ионные (LiOn, Lithium)
- Никель – кадмиевые (NiCad)
- Никель – металгидридные (NiMH)

Алкалайновые батареи

Эти элементы питания являются наиболее широко распространенными и легкодоступными, а также они самые дешевые. Однако, для наших робопроектов они бесполезны, так что не стоит их покупать. В целом, алкалайновые батареи имеют низкие энергетические характеристики и слишком тяжелы. Кроме того, эти элементы питания не могут обеспечить высокий уровень тока отдачи в короткие периоды и становятся слишком дорогими при регулярной замене. То же самое можно сказать о цинко-угольных элементах, которые имеют еще худшие характеристики.

Батареи топливных элементов

Наконец роботостроители получили доступ к батареям топливных элементов! Не смотря на то, что они еще слишком дороги для рядовых энтузиастов, вполне вероятно, что с развитием технологий их цена в обозримом будущем значительно снизится. В основном, топливные элементы исследуются и внедряются компаниями, которые хотят отправить литий-ионные батареи на свалку истории и срубить бабла и честно заработать миллиарды. Топливный элемент по существу представляет из себя крохотный двигатель размером со стандартный элемент питания, которые перезаправляются этанолом и метанолом.
Примечание переводчика: видимо, автор слабо представляет себе принцип действия топливной ячейки или же решил не заморачиваться углубляться в столь сложные вопросы. По принципу действия топливная ячейка подобна обычному гальваническому элементу, то есть в результате химической реакции на контактах элемента возникает разница потенциалов (электрический ток). Основным преимуществом топливной ячейки является значительно большее время работы и практически неограниченное количество выдаваемая энергия (при условии своевременной замены реагентов). В то же время, топливные элементы самостоятельно не хранят электрическую энергию.
Считается, что существующие топливные элементы имеют КПД, больший чем алкалайновые батареи в 3-4 раза. В то же время, ожидается появление Литий – ионных элементов питания, которые смогут накапливать в два раза больше энергии, чем существующие сейчас.

Свинцово – кислотные батареи

Эти источники тока были разработаны в конце 19-го века и были первыми коммерчески – выгодными элементами питания. Они до сих пор сохраняют популярность из-за простоты и дешевизны производства. Перезаряжаемые свинцово – кислотные элементы питания впервые были введены в обиход в 50-х годах XX века и на текущий момент получили наибольшее распространение.
Чем это вам грозит может быть полезным для вас? Свинцово – кислотные батареи от мотоцикла успешно используются для создания крупных роботов с низкой маневренностью и скоростью движения. Кроме того, они идеально подходят для автономных роботов с питанием от солнечных батарей. Основное преимущество элементов питания этого типа – дешевизна и немедленная готовность к использованию. Однако, необходимо иметь в виду, что свинцово – кислотные аккумуляторы имеют серьезные недостатки, таки как высокий вес и большие размеры, необходимость постоянной подзарядки, меньший коэффициент разряда, чем у современных элементов питания. Конструкционно различают Три вида свинцово-кислотных аккумуляторов:
- элементы питания с жидким электролитом (wet cell)
- элементы питания с гелевым электролитом (Gel Cell)
- элементы питания с пористым заполнителем (AGM).
Цена гелевых аккумуляторов и элементов с пористым заполнителем, как правило, вдвое или втрое превосходит цену классических свинцово-кислотных источников питания премиум – класса. Это обусловлено повышенными эксплуатационными качествами этих аккумуляторов, которые не только лучше сохраняют энергию, но и не имеют тенденции к сульфатированию свинцовых пластин и понижению емкости. Также, конструкция таких элементов снижает вероятность взрыва водорода при их использовании, а также корродирования элементов конструкции. Несмотря на то, что AGM – батареи наряду с гелевыми, лучше по характеристикам, все еще производятся и продаются элементы питания с гелевым электролитом, которые, впрочем, лучше подходят для использования в системах с высокой нагрузкой при разряде. AGM – батареи имеют больший жизненный цикл, чем аккумуляторы с жидким электролитом.

Практика показывает, что до 80 % отказов аккумуляторных батарей связано с сульфатацией их свинцовых пластин. Этот процесс возникает при переразряде аккумулятора, в результате чего молекулы сульфатов, которые образуются в электролите, начинаю осаживаться на свинцовые пластины, снижая их эффективную площадь. Со временем, это приводит к полному выходу аккумулятора из строя. Таким образом, для предупреждения порчи вашего аккумулятора, вы должны помнить несколько важных вещей. Во-первых, ваш аккумулятор должен быть постоянно полностью заряжен. Это означает необходимость регулярной подзарядки аккумулятора, причем частичная дозарядка не допускается. Далее, аккумулятор, который не используется, имеет тенденцию саморазряжаться, так что необходима регулярная его проверка и поддержание необходимого заряда. Некоторые элементы питания требуют подзарядки несколько раз в неделю. Кроме того, важны таки условия хранения, как температура воздуха. Одинаково нежелателен как перегрев аккумулятора, так и его хранение при температуре ниже нуля. Помните, что всегда необходимо использовать правильный тип зарядного устройства и рекомендованный производителем аккумулятора ток заряда.

Литий-ионные элементы питания

Такие элементы стали новым стандартом в сфере источников питания для портативных устройств. Литий-ионные аккумуляторы имеют емкость, сравнимую с Никель – металгидридными, уровни отдачи по току равные Никель-кадмиевым аккумуляторам, и все это при меньшем на 20-30 % весе. Также, литий-ионные аккумуляторы не имеют так называемого эффекта памяти, то есть могу перезаряжаться в любое удобное время.
Литиевые аккумуляторы являются наиболее продвинутыми источниками питания для портативных устройств, что обуславливает их высокую цену. Однако, в связи с ожидаемым падением цен, автор предсказывает грядущий закат Никель – металгидридных и Никель-кадмиевых аккумуляторов. Это обусловлено еще тем, что Литий-ионные аккумуляторы изготавливаются без применения токсичных веществ, что делает их безопасными при приеме внутрь для прелестных белочек и живописных деревьев.

Единственное, что необходимо запомнить – это легкая возгораемость литиевых батарей при контакте с водой и выделение при это больших объемов водорода. Так что, литиевые батареи настоятельно не рекомендуется вызрывать/разбирать/бросать в воду, а также мучить иным способом. Кроме того, помните, что огнетушители, как правило, в составе пеносмесей содержат воду, так что, если ваша литиевая батарейка вдруг ведет себя неправильно загорелась, лучше тушить ее иными средствами. Может плохо закончится.
В семействе литиевых элементов питания также необходимо отметить литий – полимерные аккумуляторы, которые обеспечивают исключительно высокие токи отдачи (до 30 Ампер), однако, имеют меньшую относительную мощность по сравнению с литий-ионными.

Никель-кадмиевые батареи

Никель - кадмиевые элементы питания хороши для небольших и средних по размерам роботов. Они обеспечивают максимальный ток отдачи, дешевле никель – металгидридных, и могут быть заряжены в течении одного или двух часов. В то же время, зарядка никель – кадмиевые аккумуляторов требует наличия мозга – это черная магия.
Вы заметили, что аккумуляторы старых телефонов со временем перестают держать заряд так, как держали его сразу после покупки? Это называется эффектом памяти. После многих циклов заряд/разряд емкость никель-кадмиевых элементов питания снижается, и никак иначе. Для предотвращения возникновения эффекта памяти, перед зарядкой никель-кадмиевого аккумулятора он должен быть полностью разряжен. Для этого всего лишь подключите клеммы аккумулятора к котенку и держите, пока он не перестанет дергаться. В принципе, подойдет обычный электромотор.

Помните! Никель-кадмиевые аккумуляторы содержат токсичные соли кадмия, так что с целью сохранения популяции белок автор рекомендует утилизировать их (аккумуляторы, а не белок) установленным путем.

Никель – металлогидридные аккумуляторы

Это то, что вам нужно для небольших роботов или питания отдельных цепей и модулей. Если вы помните, аккумуляторы старых мобильных телефонов в большинстве свое именно Никель-металгидридные. Такие источники питания можно заряжать в любой момент, они имею самую высокую емкость и хорошие показатели по току отдачи. Имейте в виду, что Никель-металллогидридные аккумуляторы требуют до 10 часов для полной зарядки, и имею достаточно высокие показатели саморазряда. Иными словами, через неделю простоя, вы можете обнаружить полностью разряженный аккумулятор. Однако, к счастью, никель-металлогидридные аккумуляторы выдерживают гораздо больше циклов разряд/заряд, чем Никель-кадмиевые.

Таким образом, для постройки вашего квадрокоптера наиболее приемлемыми явлфются литий-полимерные и никель-полимерные аккумуляторы из-за низкого веса, приемлемых токов отдачи и компактности. Свинцовые аккумуляторы с негодованием отвергнем из-за чрезвычайно высокой массы, а топливные ячейки нам не подходят (пока) из-за высокой стоимости и неотработанности конструкции. Впрочем, технологии развиваются, не так ли?

(A-Z )

105	63	32	74	5	8	11	6	4	21