Versenyakkuk összeállítása

Aki bármilyen elektromos modellel versenyez, előbb-utóbb rájön, hogy az eredményesség egyik legfontosabb tényezője az akkumulátor. Az utóbbi évek tapasztalatai, sajnos, azt mondatják velem, hogy a versenyakkuk beszerzése egy nagy szerencsejáték, a drága, válogatott, márkás termékek közt is akad versenyre alkalmatlan példány. Akkuink állapota időben is változik, mit tegyünk hát, hogy a versenyen ne hagyjon cserben ez a fontos és kényes alkatrész? Készítsük el és ellenőrizzük magunk versenyre szánt akkuinkat! Ez a cikk ehhez kíván segítséget nyújtani.

MIÉRT VÁLOGASSUNK VERSENYZÉSHEZ?

Mit várunk el egy versenyakkumulátortól? Minél nagyobb kapacitást, tehát nagy áramot, lehetőleg minél nagyobb feszültség mellett, hogy a lehető legnagyobb teljesítményt kapjuk a futam idejére. A belső ellenállás is legyen kicsi, így az átlagosnál nagyobb áramigényű helyzetekben sem esik le a feszültség. Halandók számára a tartósság is fontos szempont, kevesen engedhetik meg az egy futam-egy akku rendszert.

Hogyan segít a válogatás ezen célok elérésében? Vegyük sorba:

Egy akkusor kapacitása gyakorlatilag megegyezik a legkisebb kapacitású celláéval. A válogatás segít kiszűrni a kis kapacitású cellákat, amik az egész sor teljesítményét csökkentenék. A valódi, versenyszerű körülmények közt mért kapacitás nagyon ritkán éri el a névleges értéket, a válogatás során elvégzett mérések által pontosan fogjuk tudni, mit várhatunk el az akkutól.

Az akkuk feszültsége alapjaiban határozza meg a modell sebességét. A különböző akkuk üresjárati feszültségei közt nincs nagy eltérés, viszont nagy áramú terhelésnél kiderül melyik alkalmas versenyzésre.

Belső ellenállást elég nehéz pontosan mérni, de nem is alapvetően fontos, mert következtethetünk rá a nagy áramú kisütés közben mért feszültségből.

Tartósság szempontjából fontos igazán a köteg celláinak kapacitásazonossága. A NiMH akkuknak árt a mélykisülés. Képzeljük el, hogy egy hatos pakkban van egy cella, melynek kapacitása csak 5%-al kisebb a többiénél. A védőáramkör 6x0.9 azaz 5,4 V-ra van beállítva.

A határérték elérésekor a cellákon ideális esetben a fesz. eloszlása így nézne ki:
0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9

Gyakorlatban pedig pl.
0,02 1,1 1,04 1,07 1,1 1,07.

A védőáramkör megfelelően működik, az első cella mégis mélykisülésbe kerül és károsodik. Ez a jelenség a kapacitáskülönbség további növekedéséhez vezet, ami néhány ciklus során a cella elfogadhatatlan mértékű romlását okozza.

Felmerül a kérdés, hogy tudunk-e javítani az akkuk tulajdonságain. Erre két módszer jöhet szóba. Az első szerint a cellát a negatív pólus felől bepréselik (pressed), ezzel csökkentve az elektródák közti távolságot és így a belső ellenállást. Ez a módszer versenyen tilos, mellesleg a mai korszerű, nagy kapacitású NiMH celláknál nem is nagyon működik, csak érdekességként említettem.

A másik módszer a néhol kissé túlmisztifikált "pusholás". Ez rövid ideig tartó nagyon nagy, akár 3-4000 Amperrel történő kezelést jelent. A pontos eljárás cellatípusonként változik, ezek az eljárások, az ezzel foglalkozó cégek féltve őrzött titkai. Lássuk az általunk vizsgált négy szempontot a pusholás nyomán:

A kapacitást növelni nem lehet, jó esetben nem rontunk rajta. Ugyanakkor fennáll a cella teljes tönkremenetelének veszélye.

A pusholás, jó esetben, a belső ellenállás csökkenéséhez, a nagy áramú kisütési feszültség növekedéséhez vezet. Ez igen hasznos versenyszempontból, de ára van.

Mitől is csökken a belső ellenállás? Ezt a mennyiséget nagyban befolyásolja az akku elektródáinak felülete. A nagy áramlökés mikrorobbanásokat idéz elő az elektródákon, megnövelve azok felületét a "bombatölcsérek " által. A cellák így jobban viselkednek majd nagy áramoknál.

A megnövelt feszültség árát elsősorban a tartósság oldalán fizetjük meg. Ha túl nagyot robbantunk, a levált anyagmennyiség csökkenti a kapacitást, és megnöveli az önkisülési hajlamot. A pusholt celláknál fokozott az a veszély, hogy tárolás során, önkisülés nyomán kerül az akku, már károsodást okozó, mélykisülési állapotba.

Ennyit arról, hogy miért is válogassunk, a továbbiakban lássuk, hogy mivel és hogyan.

TÖLTŐK

A legegyszerűbb, ha veszünk egy direkt ilyen célra kifejlesztett készüléket, pl. Competition Electronics Turbomatcher 4-35.
Ez elég drága mulatság, főleg ha a kihasználtságát is figyelembe vesszük, de igen profi megoldás. Emellet szükség van egy egyszerű, automatika nélküli, időzített töltőre, ami tud legalább 500 mA-t.
Nem feltétlenül szükséges azonban ekkora beruházás.
Elég egy töltő-kisütő készülék is.

A készüléknek meg kell felelnie a következő kritériumoknak:

• minimum 20 A kisütési áram, egy cella esetén is
• kapacitásmérés
• átlagfeszültség mérés
• nagyon jó csatlakozási minőség az akkukkal

Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy csak a közvetlenül vezetékkel csatlakozó, külön mérőszálas típusok megfelelők.

• előnyös, ha van grafikus kijelzés is
• szintén előnyös, ha lehetséges az egyes cellák feszültségének figyelése a töltés, kisütés során.

AKKUCELLÁK

Természetesen kellenek maguk az akkucellák is. A legjobb, ha minél frissebb, szűz gyári cellákat használunk, nyilván versenyre alkalmas, nagy teljesítményű típusból. Ne feledjük, csak válogatunk, csak akkor lesz jó az eredmény, ha van miből.

A válogatottan vett sorokat sem fölösleges azonban ellenőrizni, így biztosan tudjuk majd, hogy érdemes összerakni a sorokat, és kiderül, ha mégsem a ráírt adatokat hozza, vagy egy-két cella kilóg a sorból.

Szükségünk lesz továbbá egy befogócsőre, amiben össze tudjuk fogni, az összeállítani kívánt akkusor cellaszámának megfelelő számú cellát, forrasztás nélkül, illetve néhány vékony (0,2-0,5 mm) vörösréz lemez darabra, amiket a cellák közé tehetünk (kb.1,5x3 cm). A végleges forrasztáshoz szükséges kellékekre most nem térek ki.

ELSŐ LÉPÉSEK: FORMÁZÁS

A legegyszerűbb metódus szerint, az akkukat "feszültségnövelő" eljárást (pusholást) követően teljesen feltöltjük, majd a kisütési adatok alapján válogatjuk. Sajnos a kereskedelmi válogatások többsége e módszer szerint készül. Első pillantásra korrekt módszer, de kipróbálása során számos hiányosságára derült fény.

Az akkucelláknak van egy formálódási szakasza, melynek során stabillá válnak paraméterei.

Legalább egy teljes töltés-kisütési ciklus szükséges ahhoz, a tényleges mérés előtt, hogy pontos adatokat kapjunk. A használatba vétel előtt hosszan tárolt akkuknál nem túlzás a két ciklusos formattálás sem. A formáláshoz használjunk normál töltőáramot, 1/10 C-t 14 órán át.

Ezt a töltést nem kell cellánként külön elvégezni, egyszerre is tölthetjük őket.

Ezután, már egyenként, kisütöm az akkukat 10 A-rel 0,8V-ig. Már most érdemes kapacitást mérni, ez már most is használható eredményt ad, kiszűrhetjük a nagyon gyenge cellákat. A feszültség adatokat, ebben a fázisban, még figyelmen kívül hagyhatjuk.

Most kell eldönteni, hogy akarunk-e pusholni. Igen komoly anyagi, szellemi és idő befektetést igényel, szerintem nagyon kevés olyan modellező van, aki más részletek javításával nem tud jóval többet javítani modellje teljesítményén.

Maga a válogatás nem bonyolult folyamat. Két módszert is használok, az egyiknél folyamatosan jelen kell lenni, viszont gyorsan kapunk eredményt, a másik módszer akkor jó, ha nem tudunk folyamatosan dolgozni, viszont a végeredmény nem sürgős. A hosszabb módszernél kisütés előtt a cellákat egyenként 1C-vel töltöm, ha gyorsabban akarok végezni, erre a célra készült befogószerkezetben, egyszerre több cellát töltök fel, majd egyenként sütöm ki azokat, miután egyenként is színültig töltöm. Így nem lesznek teljesen egyformák a töltési körülmények az egyes celláknál, de a tapasztalat azt mutatja, hogy ez nem okoz számottevő pontatlanságot.

Sokszor hallottam azt, hogy akkukat a betöltött kapacitás alapján ítélnek meg. Ennek nem sok értelme van, a modellben csak az számít, amit ebből visszakapunk. Tovább megyek, általában a jó állapotú akkuk határozottan lekapcsolnak a kisütési kapacitás +5 %-nál. Ha feltűnően sokáig töltődik a pakk, valószínű, hogy már nincs csúcsformában.

A válogatás során is csak az a lényeg, hogy a cella biztosan tele legyen, persze vigyázni kell a túlmelegedéssel.

A kisütéshez legalább 20A-t érdemes használni, de a nagyobb (30-40A) áram még jobban megközelíti a valós működési körülményeket, ha készülékünk tudja ezt, használjuk ki.

CSATLAKOZÓK

Nagyon lényeges a cella kiváló minőségű csatlakoztatása. Használjunk lehetőleg minél kevesebb csatlakozót, max. 2 db-t. Ezek nagyon kis átmeneti ellenállású, hasított kivitelű 5,5 vagy 6 mm-esek legyenek. A legjobb minőségű rugós 3,5 vagy 4 mm-es csatlakozók átmeneti ellenállása min. 0,5 m?, ez már akkora feszültségesést okoz, ami használhatatlanná teszi az eredményeket.

Csatlakozókról bővebben a következő linken: http://www.eco-idc.de/eco-news/6mm-stecker.html

Ezért szükséges a közvetlen kivezetésű töltő. Banándugóssal, egy cella esetében nem lehet pontos feszültségadatokat kapni!

A cella befogásához 2 mm-es nyák lemezből építettem befogót, az érintkezést ezüstözött árnyékoló harisnya biztosítja. A cellákhoz csavar szorítja az érintkezőket.

Még ez a rendszer is okoz 80 mV feszültségesést 30 A-nél, viszont ez elég fix érték, nem ingadozik számottevően, így korrigálható. A csatlakozás minőségét könnyű ellenőrizni egy multiméterrel. Terhelés alatt mérjük meg a feszültséget közvetlenül az akku pólusain, és a töltőhöz kapcsolódó vezetéken. A különbség ne legyen 0,1 V-nál nagyobb.
Az érintkező felületeket tisztítsuk gyakran!

A cellákat jelöljük meg, nehogy összekeveredjenek. Egy darab fehér szigetelőszalag is megteszi, erre alkoholos filccel lehet írni.

A kisütés során mérjük a kapacitást. A kisütési végfeszültséget úgy állítsuk be, hogy a cella biztosan elérje a kisütési görbe végső, már meredek szakaszát. A leggyakrabban használt 0,9V-nál előfordulhat, hogy a csatlakozási veszteségek és kisebb feszültségű cellák miatt ennél a feszültségnél az akku még nincs teljesen kisülve. Ilyenkor jön jól a grafikus kijelzés, ezen jól látszik mikor a kisütési görbe letörik. Nyugodtan állíthatunk be kisebb feszültséget is, ilyen rövid idő alatt nem tesz kárt az akkuban.

A kisütés során mérjük a feszültséget. Számoljunk a feszültségeséssel, mérjünk közvetlenül a cellán is.

Gyakorlatilag befejeződött a válogatás. A cellákat kapacitás szerint rendezzük sorba. Egy csoportba sorolt cellák közt ne legyen 100 mAh-nál nagyobb kapacitáskülönbség, természetesen ha ennél kisebb az csak jó.

Mielőtt áldást adnék a válogatásra, el szoktam végezni még egy ellenőrzést.

Az egy pakkba szánt cellákat megfelelő készülékben összeállítom, lehetővé téve, hogy minden cellát mérni tudjak. A pakkot feltöltöm 1C-vel, majd nagy árammal kisütöm 0,9 V/celláig. Mind a töltés, mind a kisütés folyamán figyelemmel kísérem az egyes cellák feszültségét, külön-külön. Egy jó válogatástól elvárható, hogy ne adódjon 1%-nál nagyobb eltérés. Az is fontos, hogy a kisütés végén ne legyen olyan cella, mely a többiek előtt merül le.

Ha az egyes cellák jól működnek együtt, összeállíthatjuk a pakkot.

Ezt a procedúrát az összeforrasztás után is meg szoktam ismételni, ellenőrizendő, hogy a forrasztás nem okozott-e kárt valamelyik cellában. Az itt kapott eredmények már véglegesnek tekinthetők, erre biztosan számíthatunk a verseny során.

Ahhoz, hogy ez sokáig így legyen, kezeljük helyesen akkuinkat. Nem konkrét utasításokat írok le, inkább próbálok rávilágítani a működési mechanizmusokra. Remélem ez segítséget nyújt, hogy mindenki kialakíthassa saját módszereit, figyelembe véve konkrét berendezéseit, versenyzési stílusát és egyéb személyes szempontokat.

MIVEL ÁRTHATUNK A CELLÁKNAK?

Vegyük sorra, mivel árthatunk egy akkucellának:

1. Túltöltés. A töltés során az akkuban a bevitt elektromos energia vegyi energiává alakul, mindaddig, amíg az akku kapacitása engedi. Mikor az akku megtelt, befejeződik a kémiai átalakulás, az energia hővé alakul, a cella melegedni kezd. A hőmérséklet emelkedése vonja maga után a belső ellenállás csökkenését, ennek eredménye a feszültségesés.
A túltöltés, közvetlenül nem károsítja az akkut, normál (1/10 C) árammal gyakorlatilag korlátlanul túltölthető. Nagyobb bevitt teljesítmény viszont a cellák erős melegedéséhez vezet, ami már kerülendő. Töltés alatt tehát figyeljünk a hőmérsékletre, konkrét megengedhető legmagasabb értéke függ a típustól és attól is, hogy milyen körülmények közt fogjuk kisütni az akkut. Ha a modellnek nagy a teljesítményigénye, nagy árammal kisülve az akku jobban melegszik, érdemes kisebb kezdőhőmérsékletről indítani.
A töltőáram meghatározására irányadó a következő módszer. Akkuink megengedhető legnagyobb feszültsége, töltés alatt is, 1,55 V. Az adott akku maximális töltőárama az lesz ahol, egy cellának ennyi a peak-feszültsége. Javaslom ezt az értéket ne lépjük túl, kisebb áramot természetesen lehet használni. Érdemes közvetlenül az akkun mérni a feszültséget, itt is becsaphatnak a csatlakozókon, vezetékeken fellépő feszültségesések.

2. Mélykisülés. Sokan, sokat vitatkoztak már azon, hogy milyen feszültségig kell kisütni egy akkut, hogy teljesen kisütöttnek lehessen tekinteni. Gyakorlatilag mindegy, ugyanis a kisütési görbe utolsó szakasza annyira meredek, 0,9V-tól 0-ig, hogy ennek a résznek a kapacitása elhanyagolható. Fontos azonban az időtényező, az akkunak az árt, ha hosszabb ideig 0,8-0,9 V alatti feszültségen marad. A kisütési feszültség pontos beállítása tehát nem fontos, viszont a kisütött állapot elérésekor azonnal le kell kapcsolni a terhelést.
A kisütési áramot is lehetőségeinkhez igazíthatjuk, gyakorlatban 1-5C ajánlható.
A Nimh akkuknak igen magas az önkisülési rátája. A pusholás még fokozza is ezt a hajlamot. Az akku akár néhány nap alatt mélykisülési állapotba kerülhet, az önkisülésnek köszönhetően. A gyártók is azt javasolják, hogy ne hagyjuk az akkukat állni teljesen kisütve.
Az önkisülés mértéke erősen hőmérsékletfüggő, nyári tároláshoz érdemes, akár néhány napra is, hűteni az akkukat.

3. Túlmelegedés. Magas hőmérsékleten az akku vegyi folyamatai felgyorsulnak, tehát az akku élettartama csökken. Egy bizonyos határ felett a melegedés az akku azonnali károsodását okozza.
Túlmelegedést okozhat a nagy áramú, nem időben lekapcsolt töltés.
A hőfejlődés szakaszában az akku teljesen fel van töltődve, nem érdemes tovább erőltetni a töltést, nem fogunk többet visszakapni a kisütés során. A töltés közbeni intenzív, külső hűtés azt eredményezi, hogy az akku töltésgörbéje később fordul vissza, az akku látszólag több töltést vesz fel. Ilyenkor az elektródák belső részei könnyen túlmelegedhetnek, károsodást szenvednek. A kinyerhető töltésmennyiség nem lesz nagyobb.
Kisütés során is túlmelegedhet az akku.
Nyilván minél nagyobb árammal terheljük a pakkot annál jobban melegszik, de van más tényező is ami befolyásolja a végső, legnagyobb hőfokot, pl. az induló hőmérséklet. Azt gondolhatnánk, hogy ez minél kisebb, annál kisebb lesz a végső hőfok is. Egy bizonyos határig ez igaz is, de ha az akku ennél hidegebb, a túlzottan megnövekedett belső ellenállás miatt az akku melegedése olyan erős lehet, hogy a kisütés végére akár forróbb lehet, mint a melegebben induló akku. Ha hideg az akku, ráadásul, a modell is lassú lesz. Az akkuk élettartamának meghosszabbítása érdekében, lehetőleg ne merítsük azt tovább, mint szükséges, ha a futamnak vége, álljunk meg. A felhevült akkukat a lehető leggyorsabban hűtsük le. Fontos, hogy az újabb töltés megkezdése előtt az akkucella belseje is le tudjon hűlni, ehhez erőltetett hűtéssel is kell egy-két óra.

Eddig egyetlen cella szempontjából vizsgáltuk az akkuk kezelését. A modellekben több cellából kialakított pakkot használunk, ez újabb szempontokat vet fel.
Hogy az egyes cellák külön-külön a megfelelő módon működjenek és valóban a rájuk eső részt teljesítsék a pakkban az kell, hogy a töltöttségi fokuk mindig azonos legyen. Elméletileg ez teljesül, hiszen a sorba kötött cellákon biztos, hogy egyforma áram halad át.
A gyakorlatban azonban van néhány jelenség, mely a cellákat különböző állapotba juttatja.
Ha ilyen esetben a megszokott módon vesszük használatba a pakkot, a töltés vagy kisütés folyamán egyes cellák káros szintekre kerülhetnek. Gyakori használat közben sem árt, hosszabb szünet után nagyon fontos az akkukat egy szintre hozni. Mivel a töltöttségi szint köztes értékeit lehetetlen pontosan meghatározni, a kiegyenlítést vagy cellánkénti, teljes kisütéssel, vagy normál töltéssel végezhetjük. A második módszer időigényesebb, viszont nem igényel cellánkénti hozzáférést. A tárolt akkut használatbavételkor pakként kisütni nem ajánlom, mert a különböző önkisülésű, elhangolódott cellák közül lesz, amelyik mélykisül, sőt a tovább folyó áram miatt átpolarizálódik, ami egyértelműen ártalmas.

Bevált gyakorlat, hogy gyorstöltés után, 20-30 percen keresztül normál árammal tovább töltöm az akkukat, ezzel biztosítva, hogy minden cella tele legyen. Az 1/10 C-vel történő túltöltés nem okoz kárt az akkuban.

Befejezésként annyit, hogy az itt megfogalmazott elvek saját gyakorlati tapasztalataimat foglalják össze. Bár az akkuk kezelése során igyekeztem mindent pontosan mérni és alátámasztani tesztekkel a módszereimet, az itt leírtak biztos, hogy nem az egyetlen üdvözítő megoldást képviselik. Arra bíztatok mindenkit, hogy kísérletezzen, mérjen, ellenőrizzen és inkább a saját szemének higgyen, mint a hangzatos marketing-szövegeknek.

A VÁLOGATÁS FOLYAMATA

A továbbiakban kövessük végig a válogatás folyamatát egy gyakorlati példán.

Az "alapanyag" 25 darab(1 doboznyi) SC cella. A befogókészülékbe tett akkukat először formáljuk. Ehhez lehet 14 órán át 450 mA-rel tölteni, de egy kicsit csalok, hogy gyorsabb legyen, 4200 mAh-ig 2,5 A-t használok, csak ezután térek át 500 mA-re, még egy órán át.

Vigyázat ! Ha ezt a rövidített módszert használjuk, feltétlenül nyomon kell követni a cellák hőmérsékletét, ugyanis előfordulhat olyan cella, melynek kapacitása jóval kisebb a névlegesnél. Ezek a cellák túltöltődnek és veszélyes mértékben felmelegedhetnek.

A formattálás következő lépése a kisütés, ehhez 15 A-t használok, a beállított végfeszültség 0,8 V. A kapacitást érdemes mérni, a nagyon rossz cellák már ennél a lépésnél lebuknak. Győződjünk meg arról, hogy a cellák valóban kisültek, a feszültség meredeken leesett.

A fenti képeken látszanak a cellák rögzítésére, csatlakoztatására szolgáló "készülékek". Mindig figyeljünk az érintkező felületek tökéletes tisztaságára!

A következő lépés már maga a válogatás.
A töltési beállítások:

• áram 5A
  
• delta peak 3mV
  
• max. feszültség 1,56 V
  
• max. kapacitás 4600 mAh
  
• max. hőmérséklet 40 C
  

Az utóbbi három érték biztonsági határ, egy olyan cella, mely versenyre is jó lesz, nem fogja ezeket túllépni.

A kisütés beállításai:

• áram 30 A
• kisütési végfesz. 0,8 V

A táblázatban feltüntettem mindkét kisütési értéket, jól látszik, hogy miért kell a formattálás, a sorrendet a második, 30 A-es kisütés alapján határoztam meg.

A következőkben a négy A, B, C és D jelű pakkok adatait foglalom össze. Töltési áram 5A, delta peak 3mV/cella beállításokkal, a töltés végére a hőmérséklet 35 C körüli, a peak feszültség 9,06-9,08 V értékre adódott. A töltés vége és a kisütés kezdete közt 2 perc szünetet hagytam. A kisütéshez használt áram 30A, a beállított kikapcsolási feszültség 5,4 V (0,9V/cella). A kisütés végére a hőmérséklet 50-53 C lett.

Annyi megjegyzést fűznék hozzá, hogy a feszültség értékekben lehet némi pontatlanság, mivel a pakkok nem voltak összeforrasztva, ezt a mennyiséget tökéletes pontossággal csak forrasztás után kaphatnánk meg. A gyakorlat azt mutatja, hogy ezekhez az értékekhez kb. 0,1-0,15 V-ot hozzáadva kapjuk a reális értékeket.

Érdekesek a cellák feszültségértékei, közvetlenül a kisülés előtt. A C jelű pakk adatai:

Ezek az adatok alkalmassá teszik celláinkat a végleges összekapcsolásra, kaptunk négy egész tűrhető paraméterű pakkot. A kiinduló cellák minősége miatt ez nem feltétlenül van így, előkerestem a válogatási adatokat tartalmazó dokumentációkat, van ennél sokkal rosszabb eredményeket produkáló széria is, főleg olyan akkukból, melyeket hosszasan tároltak a válogatás előtt.

Szerző: Kállay Zoltán