Lipol 20C/40C versus A123 Systems

Transkript

1 Lipol 20C/40C versus A123 Systems Vedle, v současné době, jednoznačně dominujících kvalitních článků Lipol se začínají objevovat i nové Li-Ion články. Jde o Li-Ion články A123 systems (dále jen A123 ) byť s různými názvy jako např. Li-Fe, LiFePo4 apod. Články jsou primárně vyvinuty pro ruční nářadí a zde je jejich použití mimořádně efektivní možnost rychlého nabití a dlouhá životnost (relativně malé vybíjecí proudy v těchto aplikacích), je řadí na špičku. Jedná se o válcové články s některými zajímavými vlastnostmi. Porovnání reálných vlastností obou typů může pomoci při rozhodování o volbě toho či onoho typu pro konkrétní použití. Dostupné jsou např. články Li-Ion A123 systems 2,3Ah s označením ANR26650MI. V každém případě se jedná o zajímavé články. Nicméně mne trochu zaráží nezřízená euforie některých propagátorů těchto článků a obzvláště zamlžení některých jejich negativních parametrů a vlastností. Myslím si, že by modeláři měli znát realitu a neměly by se jim podsouvat přikrášlené či neúplné informace. Tyto nové články mají některé výhodné vlastnosti, ale současně také řadu nevýhodných vlastností (pro modelářské aplikace). V žádném případě neříkám, že tyto nové články jsou špatné, nejsem jejich odpůrcem, jen se snažím dát objektivnější pohled na oba systémy. Balancující nabíječky AQCB 4FC, AQCB 5FC i balancery BLCR 5FC firmy MGM compro umí pracovat i s těmito Li-Ion články. Regulátory řady Expert/Expert+ a Z-series lze rovněž přizpůsobit těmto článkům. Pro lepší pochopení rozdílů mezi typy, jejich kladů a záporů, provedeme srovnání a rozbor vlastností. Tyto kvalitní články nemá smysl srovnávat s průměrnými články nebo levnými nekvalitními typy. Budeme je proto srovnávat pouze s kvalitními články Kokam a Wide Energy. Co se kapacity článků A123 týká, lze je srovnat s Lipol články 20C/40C např. WE 2100 nebo s články WE 3200 resp. K 3200, co se týká max. proudů, objemu a váhy. Nejprve porovnáme katalogové údaje výrobců, v závěru pojednání jsou uvedena měření na reálných článcích. Přehled základních vlastností: Li Ion Lipol Lipol A123 Systems WE 2100 K 3200/WE 3200 Kapacita 2,3 Ah 2,1 Ah 3,2 Ah Nominální napětí (pro vybíjení 0,5C) 3,3 V 3,8V 3,8V Nominální napětí (pro vybíjení 15C) 2,7 V 3,5V 3,5V Vnitřní impedance na 1 khz 8 mω 5,5 mω 3,7 mω Max. vybíjecí proud 70 A (30C),+) 42 A (20C) 64A (20C) Pulsní vybíjecí proud 120A (50C) 84 A (40C) 128 A (40C) Počet cyklů pro 1C vybíjení ~1000 *) ~1000 **) ~3500 ***) Nabíjecí proud 1,5 5C 1C 1 3C Rozměry φ mm ,4 mm ,6 mm Objem 34 cm 3 25 cm 3 42 cm 3 Váha/článek 70 gr. 52 gr. 82 gr. Energie článku (pro vybíjení 15C) 6,2 Wh 7,3 Wh 11,2 Wh Mechanická odolnost dobrá horší horší Poznámka: *) uváděno pro pokles kapacity na zhruba 90%, vybíjecí proud 1 až 2C. **) hodnota počtu cyklů sice není výrobcem uváděna číselně, ale z grafů vyplývá hodnota pro 1C řádově tisíce pro pokles na 90% kapacity. ***) uváděno pro pokles kapacity na zhruba 90%, long life provoz (nabíjení do 4,15V, vybíjení do 3,40V), vybíjecí proud 1C. +) i při proudu jen 40A (tj. jen 17C) je pokles napětí článků A123 Systems dost velký oproti Lipol řádově 2. Srovnání pro 12V baterii: (to je 4 A123 nebo 3 Lipol) Cena článků pro 12V/40A 4 590=2.360 Kč 3 528=1.584 Kč (67%) 3 975=2,925 Kč (Kokam) 3 751=2.253 Kč (WE) Napětí bez zátěže (plně nabito) 4 3,6=14,4V 3 4,2=12,6V 3 4,2=12,6V Napětí při 40A (pro 50% vybití) 4 2,7=10,8V (tj. 17C) 3 3,4=10,2V (tj. 19C) 3 3,5=10,5V (tj. 12,5C) Váha baterie 4 70=280 gramů 3 52=156 gramů 3 82=246 gramů Objem baterie 4 34=136 cm =75 cm =126 cm 3 Energie baterie 4 2,3Ah 2,7V=25,1Wh 3 2,1 3,4=21,4Wh 3 3,2 3,5=33,6Wh Podívejme se na vlastnosti a srovnávané údaje blíže, viz katalogové údaje. - Reálná zatížitelnost. Pokud zatížíme články proudem 40A (tj. jen 17C u A123), baterie se během vybíjení zahřeje na zhruba 70 C. Výrobce uvádí snížení počtu cyklů při 60 C zhruba 3-násobné (jen ~200 cyklů pro vybíjení 2C a 60 C). Už jen z těchto důvodu nemá smysl se bavit o větších proudech, přestože to výrobce dovoluje a články se zřejmě většími proudy nezničí. Je to dáno hlavně vnitřním odporem článků, který je sice ve srovnání s Nixx články malý, ale ve srovnání s kvalitními Lipol není menší, spíše naopak. Vliv na větší ztrátový výkon má i skutečnost, že místo 3 článků musíme použít 4 články abychom dostali srovnatelná svorková napětí baterie jako u Lipol. - Za prakticky stejnou cenu jako baterii A123 pořídíte v Lipol provedení baterii s mírně menší vahou i objemem, ale kapacitou o 40% větší. Nebo lze pořídit Lipol baterii o zhruba stejné kapacitě jako A123, ale s téměř poloviční vahou i objemem a jen za 2/3 cenu. Tato kombinace je méně výhodná, protože baterie Lipol 2,1Ah pojede na plných 20C, což je pro životnost horší. - Nabíjecí proudy. A123 udává max. 5C, Kokam udává pro Lipol max. 3C. Jasně zde vítězí A123, ale rozdíl není až takový. A vezmete-li v úvahu, jaké max. proudy jsou schopny dát běžné nabíječky (až na dražší typy nepřesahují 5 až 6A), tak stejně nabíjíte dvěma, maximálně 3C. Tato výhoda se proto často rychle ztrácí. Nabíječka, která skutečně umí nabíjet proudem 11,5A (5C pro 2,3Ah článek) v celém rozsahu počtu článků není běžná. Zajímavé je, že dodavatel, fy Hořejší, udává nabíjení jen 3C. - Někde jsem v modelářském časopise četl poznámku o možnosti napájení velkých elektromobilů (ne modely) těmito články A123. Neumím si reálně představit seskládat potřebnou baterii z uvedených článků. Naproti tomu např. Kokam má ve standardní nabídce Lipol články 240Ah (vybíjení 240/480A, nabíjení 240A, ,6 cm, 5Kg) nebo 200Ah (vybíjení 400/800A, nabíjení 200A, ,7 cm, 5,26Kg).

2 - Životnost. Sledujme (byť jen dle údajů výrobců) udávaný počet cyklů pro snížení kapacity článků na 90%. Často se u A123 udává 1000 cyklů, blíže nespecifikováno. Výrobce ale udává graf, viz dále, ze kterého vidíme asi 2000 cyklů pro vybíjení 1C, resp. 800 cyklů pro 2C a 45 C. To je reálnější údaj, vzhledem k většímu zahřívání těchto článků. O počtu cyklů při větších proudech se ale z firemních údajů nic nedozvíme, lze však usoudit, že se bude rychle zmenšovat s rostoucími Céčky a teplotou. Skutečné počty cyklů ukáže až čas. Naproti tomu stojí Lipol, kde se dá na vybíjecích proudech 1C očekávat až 3500 cyklů v režimu long life (vybíjení do 3,40V, nabíjení na 4,15V). O počtu cyklů pro větší proudy se zase moc nedozvíme. Vzácnou výjimkou je firma WE, která uvádí v grafu počet cyklů na plných proudech 20C pro pokles kapacity na 90% a je přibližně v rozsahu 250 až 300 cyklů, což je velmi dobrá hodnota. V žádném případě se z prezentovaných firemních údajů nedá soudit (bohužel) na větší počet cyklů u článků A123 oproti Lipol. Zvláště údaj poklesu kapacity na 90% u A123 z grafu výrobce, 200 cyklů při 2C a 60 C není moc optimistický. Co se bude dít při proudech 20C nebo 30C a 70 C se nedozvíte nezbývá než vyzkoušet. - Mechanická odolnost. Články A123 mají nesporně vyšší mechanickou odolnost než Lipol. Na druhou stranu kvalitní Lipol články nejsou až tak zranitelné, jak jejich odpůrci tvrdí. Kokam neexploduje, ani když se zkratuje, ani když nabijete jeden článek na 12V, ani když článek propíchnete. Kokam má na tyto zkoušky atest. Sami jsme testovali nabitý článek Kokam K4800/20C. Nejprve byl zkratován vodičem asi 60 cm dlouhým, průřez vodiče 4 mm 2. Článek se sice rychle silně nafoukl, uniklo z něj trochu bílého dýmu a nic. Pro jistotu jsme jej následně i několikrát propíchli, opět se žádné efekty nekonaly (k dispozici je i záznam tohoto pokusu). Máme několik sad baterií Kokam, silně deformovaných po havárii, přesto stále bez problémů plně funkčních. Totéž znám od řady dalších modelářů. Na druhou stranu stačí někdy malé poškození a článek je ztracen. Nechci ale tímto odstavcem nabádat k nedbalosti při manipulaci s Lipol články nebo zlehčovat možná rizika. Při zkratu zde tekou opravdu velké proudy. A řada levnějších článků nemá podobné vlastnosti a atesty jako Kokam. Také jsem ale viděl explodovat klasický (mechanicky velmi odolný) NiCd článek. - Srovnávací (servisní) konektor. Výrobce článků A123 se tím nezatěžuje. Paky pro nářadí, které standardně vyrábí, jsou bez servisního konektoru. Jestli to článkům vadí nebo ne, je otázkou dalších výzkumů Lipol na počátku také nepoužívaly servisní konektory, dnes si je bez nich neumíme představit. Jednotlivé články v paku (alespoň v našem vzorku přímo od výrobce, jsou po několik cyklech bez srovnávání s rozdíly řádově 100 mv) jsou dost rozhozené, srovnávání jim rozhodně neublíží. Rozdíly mohou být dokonce tak velké, že při vybití sady na 2V/článek spadlo napětí jednoho článku téměř k nule, článek se poškodil (horší vnitřní odpory, menší kapacita) a musel být vyměněn (podobné jako u Lipol). - Vybíjecí charakteristiky. Tvar vybíjecí křivek se u článků A123 blíží ideálu po větší část vybíjení se napětí prakticky nemění (pro stejnou zátěž). Je opravdu škoda, že tato vlastnost je vykoupena nižším napětím a většími vnitřními odpory a ztrátami. Shrnutí parametrů a vlastností, základní výhody a nevýhody: Lipol 20C/40C Výhody: + významně vyšší napětí při vybíjení + významně vyšší energie vzhledem k objemu či váze + nižší vnitřní impedance článků + při srovnatelných podmínkách pravděpodobně vyšší počet cyklů + při stejné kapacitě nižší cena (to ale může být dočasné) Nevýhody: nižší nabíjecí proudy menší mechanická odolnost A123 Systems Výhody: + vyšší nabíjecí proudy (v praxi často bohužel omezené nabíječkami) + významně větší mechanická odolnost + malá změna napětí mezi 15 až 85% vybíjení (pro neměnnou zátěž) Nevýhody: značně nižší napětí při vybíjení, zvláště při větších hodnotách C značně menší energie vzhledem k objemu či váze vyšší vnitřní impedance a z toho plynoucí vyšší ztráty a zahřívání Z těchto vlastností je patrné, že současné Li-Ion články A123 Systems lze provozovat rozumně do proudů maximálně řádově 20C (při uváděných 30C je napětí článků již velmi malé (~2.2V) a zahřívání bude neúnosné, ostatně v grafech výrobce se ani neuvádí), o 50C ani nemluvě. Použití mohou nalézt hlavně tam, kde nevadí větší rozměry a hmotnost. Nevýhodná je vyšší impedance těchto článků oproti kvalitním Lipol a tím pádem menší napětí článků při zatížení (kromě menšího nominálního napětí), tzn. nutnost použít 4 články A123 místo 3 článků Lipol pro získání zhruba stejného napětí. Výhodná je naopak dobrá mechanická odolnost a málo se měnící napětí během vybíjení. Naproti tomu Lipol články, díky malé váze i objemu, vyššímu provoznímu napětí i vyšším hodnotám měrných energií, mají předpoklad dominance v létajících modelech. Jedinou současnou významnější nevýhodou je jejich menší odolnost proti mechanickému poškození. Díky nabíjecím proudům 3C (viz datasheety Kokam) není rozdíl v nabíjecí době tak dramatický, jak bývá někdy prezentováno. Dále uváděné charakteristiky a grafy jsou převzaty z propagačních a technických materiálů jednotlivých výrobců. Vybíjecí charakteristiky Li-Ion článků A123 Systems. Δ = 0,6V / 17C 1 A (0,5C) 10 A (4C) 30 A (13C) 40 A (17C)

3 Graf počtu cyklů pro vybíjení proudy 1C, resp. 2C článků A123 Systems: 1C discharge ~2C discharge Cycle Vybíjecí charakteristika článků Wide Energy 2100 Graf počtu cyklů článků WE 2100 pro vybíjení 1C, resp. 20C Cycle Vybíjecí charakteristika článků Kokam 3200 Graf počtu cyklů článků K3200 pro vybíjení 1C. Nabíjení do 4,15V, vybíjení do 3,35V ( long life provoz). 90 Δ = 0,36V / 20C Dále jsou uvedena měření prováděná na reálných článcích. Sada 4 A123 má zhruba 15 neúplných cyklů (to by vzhledem k uváděným hodnotám v různých pojednáních absolutně nemělo vadit), 3 WE3200 a 3 K3200 mají 5 plných cyklů. Pro první měření byl použit stejnosměrný motor MEGA 7 MINI. Zde se ve změřených průbězích projevily fluktuace proudu způsobené komutátorem motoru. Byla zde i závislost odebíraného proudu na teplotě motoru. Proto se pro další měření použily automobilové žárovky H4, kde výše uvedené problémy odpadají a opakovatelnost nastavení proudu je bezproblémová. Pro jednoduchost, objektivitu měření i snadné ověření a zopakování kdekoliv nebyl použit žádný regulátor. Proud je snímán proudovou sondou HP 1146A, napětí přímo na svorkách baterie.

4 Následující měření jsou prováděna tak, že se plně nabitá baterie vybíjí stejnosměrným motorem s vrtulí (bez regulátoru) nebo sadou automobilových žárovek 12V (H4), opět bez regulátoru. Mezi těmito vybíjeními je baterie vždy nabita proudem 6A s balancováním článků, viz záznamy na konci. A123 - Měření s motorem MEGA 7 MINI (zatížení 36 A, tj. 15,7 C 50% maxima) Napětí Pokles napětí na svorkách baterie vznikající na vnitřním odporu baterie při průchodu proudu ΔU Proud Celkový čas vybíjení = =219 sekund. Při středním proudu 36A to je 2,19Ah. Vnitřní odpor článků je: ΔU=1,3V tzn. 1,3V/36A= 36 mω, tj. 9 mω / článek. To je v dobrém souladu s údaji výrobce. A123 - Měření na žárovkách (střední zatížení v proudových pulsech 42,5 A, tj. 61% maxima. Napětí 10,5V, tj. 2,62V/článek) Napětí ΔU Proud Napětí střední Proud střední T1 T2 T3 T4 Celkový čas vybíjení T1+T2+. = =174 sekund. Při středním proudu 42,5A to je 2,054Ah. Vnitřní odpor článků je: ΔU=1,44V tzn. 1,44V/42,5A=34 mω, tj. 8,5 mω / článek.

5 WE Měření s motorem MEGA 7 MINI (zatížení 31,9 A 50% maxima) Celkový čas vybíjení = =352 sekund. Při proudu 31,9A to je 3,13Ah (+43%). Vnitřní odpor článků je: ΔU=0,5V tzn. 0,5V/31,9A= 15,7 mω, tj. 5,22 mω / článek. WE Měření na žárovkách (střední zatížení v proudových pulsech 43,1 A, tj. 67% maxima. Napětí je 10,68V, tj. 3,56V/článek) Napětí ΔU Proud Napětí střední Proud střední T1 T2 T3 T4 T5 T6 Celkový čas vybíjení = =263 sekund. Při proudu 43,1A to je 3,15Ah (+52%). Vnitřní odpor článků je: ΔU=0,47V tzn. 0,47V/43,1A= 10,9 mω, tj. 3,6 mω / článek.

6 K Měření s motorem MEGA 7 MINI (zatížení 31,5 A, tj. 50% maxima) Celkový čas vybíjení = =367 sekund. Při proudu 31,5A to je 3,16Ah (+44%). Vnitřní odpor článků je: ΔU=0,5V tzn. 0,5V/31,5A= 15,8 mω, tj. 5,3 mω / článek. K Měření na žárovkách (střední zatížení v proudových pulsech 42,8 A, tj. 67% maxima. Napětí je 10,56V, tj. 3,52V/článek) Napětí ΔU Napětí střední Proud Proud střední T1 T2 T3 T4 T5 T6 Celkový čas vybíjení = =263 sekund. Při proudu 42,8A to je 3,13Ah (+52%). Vnitřní odpor článků je: ΔU=0,5V tzn. 0,5V/42,8A= 11,7 mω, tj. 3,9 mω / článek.

7 Nabíjení článků A123 po vybití motorem. Dodaný náboj 2,19 Ah. Nabíjení článků WE3200 po vybití motorem. Dodaný náboj 3,22 Ah.

8 Nabíjení článků K3200 po vybití motorem. Dodaný náboj 3,16 Ah. Závěr z měření reálných článků. 4 články A123 (136 cm 3, 280 gramů) ve srovnání se 3 články WE3200 a K3200 (126 cm 3, 246 gramů) vycházejí takto: - Parametry vyplývající z měření reálných článků jsou v případě A123 ve velmi dobré shodě s údaji výrobce, u obou Lipol jsou mírně lepší než udává výrobce. Svorková napětí baterií při proudu okolo 40A jsou prakticky stejná, tj. cca 10,5V. - Střední napětí při proudu cca 42A je u A123 článků 2,62V/článek (trochu horší než udává výrobce), u WE3200 je to 3,56V/článek a u K3200 3,52V/článek (v obou případech mírně lepší, než udává výrobce). V uváděných měřeních má měřená sada WE nepatrně lepší parametry. Je to dáno tím, jak se které články sejdou a z jaké výrobní várky jsou. V dlouhodobém pohledu vychází Kokam o 10 až 20% lépe (vycházíme z tisíců změřených článků, měříme vnitřní odpory každého jednoho článku). Tolerance vnitřních odporů článků jsou řádově až 20%. - Uvedené Lipol, které mají zhruba jen 92% objemu a 88% hmotnosti článků A123 dodají o 40 až 50% větší náboj při prakticky stejném nebo nepatrně větším napětí Lipol. Tzn. z uvedených Lipol článků dostanete u menších proudů o 43%, u větších o 52% více energie. Jinak řečeno, s Lipol létáte o 50% delší dobu, zaberou vám stejně místa, jsou trochu lehčí a stojí prakticky stejně (4 A123 ku 3 WE3200). - Na poklesech napětí článků při proudovém zatížení jasně vidíme značně větší vnitřní odpory A123. Díky těmto odporům se A123 také více zahřívají. U obou typů článků (A123 i Lipol) je patrné snížení vnitřního odporu při větších proudech vlivem zahřívání článků. - A123 dodají při odběru 36A (necelých 15,6C, tj. cca 50% povoleného maxima) asi 95% nominální kapacity, Lipolky při podobném proudu (32A, tj. 10C, opět 50% povoleného maxima) 98%. Dost podobné. - A123 dodají při odběru 42,5A (18C, tj. 61% povoleného maxima) asi 89% nominální kapacity, Lipolky při stejném proudu (43A, tj. 13,5C 67% povoleného maxima) 98% nominální kapacity. To je velmi dobrá hodnota pro Lipol. - Měření nebyla prováděna při vyšších trvalých proudech, články by se již extrémně přehřívaly (nejsou při vybíjení aktivně chlazeny). - V obou případech je výhodná jak podstatně vyšší kapacita Lipol, tak provoz na menších hodnotách C než 20C, což zaručí Lipolkám vyšší životnost (potvrzeno dlouhodobou praxí). - Mírně nižší kapacita A123 než udává výrobce (po 15 cyklech) může být způsobena provozem na vyšších teplotách při 40A články již hodně hřejí (teplota povrchu článků okolo 70 C). Z uvedených měření článků, které jsou k dispozici v současné době, jednoznačně plyne energetická převaha a výhody kvalitních Lipol článků nad A123. Tam kde tento parametr není významný, mnohou být A123 zajímavou alternativou.