Подсоединение аккумуляторов в радиоуправляемой машине. Аккумуляторы для радиоуправляемых моделей: виды, использование, отличие, выбор зарядного устройства для аккумуляторов

Аккумулятор - необходимая часть любой радиоуправляемой модели, даже если она оборудована двигателем внутреннего сгорания. От аккумулятора питается вся бортовая электроника автомодели, а в электрических моделях они также являются основным источником энергии для движения и от их характеристик зависит очень многое.

Характеристики аккумуляторов

Ёмкость - количество запасаемой аккумулятором энергии, изменяется в миллиампер-часах (mAh). Может варьироваться в пределах от 150mAh (для микро-моделей) до 10000mAh (для силовых аккумуляторов больших моделей).

Напряжение элемента зависит от типа аккумулятора. Обычно используются аккумуляторные батареи, состоящие из 2-6 соединенных элементов.

Напряжение батареи зависит от количества и способа соединения её элементов.

Токоотдача - способность аккумулятора отдавать ток определённой величины. Измеряется в значениях ёмкости. Например, аккумулятор с ёмкостью 1000mAh и токоотдачей 5C может отдать максимальный ток 1000×5 = 5000 mA (5 ампер).

Внутреннее сопротивление определяет максимальную токоотдачу батареи. Чем меньше внутреннее сопротивление, тем выше токоотдача.

Типы аккумуляторов

В радиоуправляемых моделях могут использоваться несколько разных типов аккумуляторов, характеристики которых существенно отличаются. Практически каждый из типов обладает своими достоинствами и недостатками, а также особыми правилами обращения.

Никель-кадмиевые (NiCd)

Один из самых старых, сейчас уже почти не применяемых типов аккумуляторов. Элементы NiCd представляют собой цилиндры различных размеров, именуемые "банками", в том числе AA, AAA. Самыми ходовыми для создания батарей является размер Sub-C (толще и короче размера AA). Считаются одними из самых неприхотливых, обладают большим сроком службы (порядка 1000 циклов заряд-разряд), единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными. Обладают одним из самых низких соотношений емкости к массе (порядка 45-65 Вт·ч/кг). Могут работать при низких температурах. Обладают выраженным "эффектом памяти": если аккумулятор начать заряжать до того, как он полностью разрядился, то в следующий раз он сможет разрядится только до этого же уровня, фактически потеряв часть своей ёмкости. Номинальное напряжение 1.2 В, рабочее напряжение от 1 до 1.35 В (1% и 100% ёмкости) на элемент.

Никель-металл-гидридные (NiMH)

Похожи по характеристикам и размерам на никель-кадмиевые аккумуляторы, обладают в полтора-два раза большей ёмкостью при той же массе (60-72 Вт·ч/кг), но меньшим количеством циклов заряд-разряд. Достаточно широко распространены, используются и как силовые в недорогих моделях с электродвигателем, и как бортовые в моделях с ДВС, а также в передатчиках. Постепенно вытесняются во всех областях применения аккумуляторами на основе лития. Имеют менее выраженный эффект памяти, чем NiCd аккумуляторы. Должны храниться полностью заряженными, напряжение не должно падать ниже 1.37 В. Номинальное напряжение 1.2 В, рабочее напряжение от 1-1.1 до 1.4 В на элемент. Плохо переносят перезаряд и переразряд (когда напряжение выходит за рекомендуемые пределы). Существуют также NiMH аккумуляторы с низким саморазрядом (LSD NiMH), обладающие улучшенными характеристиками. Жаргонное название - "нимхи".

Литий-полимерные (LiPo)

На данный момент это самый распространенный тип аккумуляторов. Выпускаются в виде плоских пластин самых различных размеров. Хотя элементы LiPo не цилиндрической формы, они также часто по аналогии с NiCd и NiMh именуются "банками". Обладают примерно в 3 раза большим отношением ёмкости к массе, чем NiMh аккумуляторы. Используются в качестве силовых аккумуляторов в мощных моделях с электродвигателем, редко в качестве бортовых аккумуляторов ДВС-моделей. Требуют очень аккуратного обращения - механическое повреждение аккумулятора, превышения тока зарядки или короткое замыкание могут привести к возгоранию! Настоятельно рекомендуется использовать при зарядке и хранении специальные несгораемые мешки ! Эффект памяти полностью отсутствует. Стареют даже если не используются, через два года теряют порядка 20% максимальной ёмкости. Номинальное напряжение 3.7 В, рабочее напряжение примерно от 3.2 до 4.2 В на элемент, выход за указанные пределы опасен. Обязательно применение специальных зарядных устройств для LiPo аккумуляторов! Должны храниться с 40% заряда (порядка 3.7 В на элемент). Технологии LiPo аккумуляторов постоянно совершенствуются и их характеристики улучшаются. Жаргонное название - "липоли" или "липохи".

Литий-железо-фосфатные (LiFePO 4)

Довольно новый тип аккумулятора, сочетающий достоинства LiPo в плане ёмкости (немного меньше) и неприхотливости NiCd. Пока мало распространен, в первую очередь из-за непривычного напряжения и малого количества типоразмеров, представленных на рынке. В основном используются как бортовые аккумуляторы ДВС-моделей и в передатчиках, но есть и силовые LiFe аккумуляторы для моделей с электродвигателем. Элементы выпускаются разными фирмами как в виде цилиндров, так и в виде пластин. Номинальное напряжение 3.3 В, рабочее напряжение от 2 до 3.65 В.

Элемент LiFePO 4 в виде пластины

Соединение элементов аккумуляторов

Напряжение одиночного элемента практически любого типа аккумулятора недостаточно почти никогда для его практического применения, поэтому аккумуляторные элементы собирают в батареи. Последовательное соединение элементов увеличивает напряжение пропорционально количеству элементов. Например, шесть соединенных последовательно NiMh элементов дадут батарею с напряжением 1.2×6 = 7.2 В. Практикуется также параллельное соединение элементов, при этом увеличивается ёмкость. Например, два элемента ёмкостью 1000mAh, соединенные параллельно, образуют батарею с таким же напряжением, как напряжение одного элемента, но ёмкостью 2000mAh. Для краткого обозначения типа соединения элементов в батарее используются обозначения вида 3S2P , которое обозначает, что в батарее использовано шесть элементов, соединенных по три последовательно и два параллельно. Например, если для сборки такой батареи использованы элементы ёмкостью 1000mAh и напряжением 1.2 В, то полученный аккумулятор будет иметь ёмкость 2000mAh и напряжение 3.6 В. В LiPo батареях не используется параллельное соединение, поэтому для их обозначения используется укороченная запись, например: 1S , 2S , 3S и т.д.

Подробнее о напряжении аккумуляторов

На аккумуляторах всегда указывается их номинальное напряжение. Как уже говорилось, для NiCd и NiMh оно составляет 1.2 В на элемент, для LiPo 3.7 В, для LiFe 3.3 В. Надо понимать, что это их среднее напряжение, на самом деле, напряжение полностью зараженного аккумулятора заметно выше и постепенно уменьшается по мере его разряда, но нелинейно. Кривая разряда у аккумуляторов различных типов разная, но практически всегда можно почувствовать, что при разряде аккумулятора автомодель начинает ехать хуже, так как её максимальная скорость зависит от напряжения аккумулятора. Это, кстати, можно считать одним из недостатков электрических автомоделей перед моделями с ДВС.

Балансировка LiPo

LiPo батареи очень чувствительны с напряжению на каждом элементе, но при этом их элементы батареи имеют свойство разряжаться неодинаково. Например, 3S батарея может иметь после разрядки следующие напряжения на своих элементах: 3.2 В, 3.5 В, 3.1 В. Такая батарея нуждается в балансировке - выравнивании напряжений на элементах батареи. Для этого у LiPo батарей имеется балансировочный разъем. Все зарядные устройства для LiPo батарей также имеют такой разъем и могут заряжать батареи, одновременно балансируя их. Чем качественнее батарея, тем меньше, теоретически, должен быть дисбаланс элементов при её работе.

Выбор аккумулятора

При выборе аккумулятора нужно руководствоваться возможностями регулятора скорости, используемого на модели. В характеристиках регулятора указывается разброс напряжений, с которыми он может работать и тип аккумуляторов. Превышение допустимого напряжение может повлечь выход регулятора из строя. Часто пределы используемых напряжений указываются не в вольтах, а в количестве "банок", например регулятор Castle Creations Mamba Monster 2 Waterproof может использовать до 6S LiPo или 18S NiMh.

Поддержка регулятором LiPo-аккумуляторов выражается в наличии в нём так называемой "отсечки". Отсечка предотвращает повреждение аккумулятора, не допуская его слишком сильного разряда. При этом модель просто резко останавливается, тогда как модель с регулятором без отсечки будет ездить всё медленнее и медленнее из-за слишком низкого напряжения аккумулятора, аккумулятор при этом, скорее всего, будет повреждён. При сильном желании использовать LiPo батареи с регулятором, у которого отсутствует функция отсечки, рекомендуется ходя бы поставить на его балансировочный разъём специальный индикатор со звуковой сигнализацией , который сообщит о разряде батареи.

Что касается выбора фирмы-производителя батарей, то для хобби мы бы рекомендовали использовать батареи китайского производителя Turnigy . Они в несколько раз дешевле дорогих фирменных батарей и полностью отрабатывают свою стоимость. Дорогие батареи высокого качества могут быть необходимы только для серьезных соревнований. Одна из оптимальных батарей для использования на багги и трагги масштаба 1/8 с двигателем 2200kv - Turnigy 4000mAh 4S 30C .

Внимание! Перед покупкой не забывайте проверять размеры батареи и вашего батарейного отсека! Размеры LiPo очень разные и могут меняться даже у одного производителя в зависимости от ёмкости, количества банок и токоотдачи.

Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о грамотной переделке питания радиоуправляемой машины с никеля на литий с учетом всех предыдущих костылей. Данный способ достаточно простой и достаточно бюджетный, поэтому кому интересно, милости прошу под кат…
Upd, добавлено несколько вариантов защиты электроники РУ модельки

Предыдущий вариант пределки aka предыстория:

Несколько месяцев назад я выкладывал небольшой о переделке РУ модельки (ментовская машинка) на основе повышающего преобразователя MT3608, платы зарядки TP4056 со встроенной защитой и одного Li-Ion аккумулятора. Суть была проста: с аккумулятора с помощью преобразователя MT3608 поднималось напряжение до необходимого уровня, а «народная» платка TP4056 позволяла зарядить аккумулятор от любого источника с USB выходом. Схема соединений была очень простая:


В спаянном виде и с фиксацией термоклеем выглядело это следующим образом:


Зарядка машинки была простой и удобной:


Но в процессе эксплуатации выявились некоторые недочеты, а именно, при потреблении тока РУ моделькой более 1,5А отрабатывала защита и кратковременно пропадало питание. Это касалось, в основном, серьезных РУ моделек с более-менее мощными двигателями. В моем варианте, машинка в максимуме потребляла около 0,9А и сбоев в работе не было. Но при значительном снижении напряжения аккумулятора, у меня наблюдалась именно такая же ситуация – в пике нагрузки машинка дергалась. Поскольку машинкой пользовались нечасто, емкость встроенного АКБ была приличная, да и было банально лень заниматься этой темой, то все было оставлено как есть. При первых симптомах «дерганья», машинка просто ставилась на зарядку. Совсем недавно появилось свободное время и был придуман другой способ переделки. По затратам он чуть накладнее предыдущего, зато имеет некоторые преимущества, о которых будет рассказано ниже.

Как видим, преимущества лития налицо, особенно для применения в домашних условиях, поэтому смысл переделки есть.

Коротко о переделываемой РУ модели:

Итак, дубль два

Я не стал наступать на те же грабли, поэтому сразу определился на схеме из двух последовательно соединенных Li-Ion аккумуляторов с применением платы защиты 2S BMS. Основными минусами данной схемы является неравномерный разряд аккумуляторов в зависимости от их состояния и малая распространенность зарядных устройств под такое соединение, а также возможное повреждение электроники РУ модели от завышенного питающего напряжения. Плата BMS здесь обязательна, т.к. защищает аккумуляторы от переразряда, поэтому рекомендую не пренебрегать ей. А вот ситуация с зарядом на сей день, несколько улучшилась. Существует два простых бюджетных способа заряда литиевой 2S батареи:
1) Дикий колхоз в виде двух платок заряда TP4056 на каждый аккумулятор и два сетевых адаптера/БП для их зарядки. Если в хозяйстве имеются два более-менее нормальных адаптера с выходом 0,5-1А, то вариант вполне пригодный. Нужно будет немного потратиться на платки TP4056, но опять же, заряжать будет не очень удобно. Если в наличие нет сетевых адаптеров/БП, то как говорится, шкурка выделки не стоит и лучше отказаться от данного метода
2) Используем специализированные ЗУ для 2S-3S сборок. На площадках их сейчас предостаточно, стоят в районе $5. При этом в дальнейшем могут пригодиться, например, для одновременной зарядки различных Li-Ion/Li-Pol аккумуляторов, для переделки электроинструмента и т.д.

Необходимые компоненты для доработки:

Как можно заметить, каких-либо дорогих компонентов не требуется:


Главным мозгом системы является 2S BMS плата защиты XWS8232FR4, стоимостью около одного доллара:


Не трудно догадаться, что выполнена она на основе того же контроллера Seiko S8232U и силового мосфета:


Самым дорогим из всех компонентов является ЗУ 2S-3S ImaxRC B3, который стоит около 5 долларов:


Он представляет собой копию известного зарядника SkyRC e3, но с более скромными зарядными характеристиками:


У меня есть оригинал и еще один вариант, но на 4S, о которых я расскажу и сравню лицом к лицу в будущих статьях. К слову, данных копий достаточно много, по крайней мере, я видел 3 штучки, но на мой взгляд, схемотехника там похожая.
Следующим немаловажным звеном являются аккумуляторы. Я применил Li-Ion аккумуляторы Panasonic NCR18650BF из ПБ Xiaomi 10000mah, емкостью 3350mah каждый:


В данной реализации желательно применять современные высокоемкие банки, имеющие заниженный порог разряда в 2,5V. Моделей достаточно много (высокоемкие банки Sanyo/Panasonic/Samsung/LG), все что выше 2800mah обычно идет именно с порогом разряда в 2,5V. Народные Sanyo/Samsung 2600mah не очень подходят к данной платке, т.к. имеют несколько «завышенный» порог разряда в районе 2,75V. Небольшая трудность – подпайка питающих проводов к контактам аккумуляторов. Если заморачиваться с пайкой нет желания, то можно приделать одно/двухслотовый холдер/держатель под ф/ф 18650, например .
Для зарядки будущей РУ модельки понадобятся по одному разъему USB (папа и мама), а также 3-х контактный разъемчик для подключения к заряднику. Он часто встречается в процессорных кулерах. У меня в загашнике нашлись эти компоненты, USB «папа» откусил он наихудшего витого зарядного кабеля:


Все эти компоненты стоят копейки и возможно найдутся в чулане.

Тестирование платки:

Пара слов о платке защиты. Подключение очень простое, единственная трудность заключается в том, что ее размеры небольшие, поэтому припаивать провода нужно аккуратно. Схема подключения следующая:


Коротко поясню: зеленым цветом обозначены соединения, отвечающие за работу платы, а синим – места подключения к зарядному устройству. Желательно выходы от ЗУ подпаивать именно к контактам аккумулятора, во избежание дополнительных потерь, но в случае невозможности это сделать, сойдет и вариант подключения к плате защиты.
Данная платка является самой простой, поэтому если требуется аналог, то ищите на интернет-площадках по наименованию «2S bms» или «2S Li-ion Lithium Battery Protection Board»:


Самым важным для меня в платке был порог отключения АКБ. Для этого я сварганил небольшой стенд. Здесь в качестве одного АКБ выступает БП Gophert CPS-3010, на который я недавно делал и обычный Li-Ion аккумулятор. Меняя напряжение на регулируемом блоке питания, можно узнать точный порог срабатывания платки. Напряжение второго АКБ 3,8V:


Если установить на БП выходное напряжение 4,2V, то на выходе получим 8V (4,2V + 3,8V), что можно увидеть на левом скрине. Мультиметр здесь замеряет напряжение на выходе с платы 2S BMS. Если выставить на БП 3,8V, то на выходе получим 7,6V (правый скрин):


Все работает в штатном режиме. Теперь смотрим порог срабатывания защиты. При установке 2,41V платка продолжает работать и на выходе суммарное напряжение с обоих банок (левый скрин), но как-только снижаем до 2,4V – срабатывает защита и платка отключает выходное напряжение (правый скрин):


Итого, порог срабатывания защиты по любому из двух аккумуляторов – 2,4V. Вот почему я писал, что «народные» аккумуляторы на 2600mah здесь не очень подходят. Присутствует блокировка, т.е. платка не «восстанавливается» сама. Ток защиты, к сожалению, не измерял, но он должен быть в районе 3А.

Непосредственная сборка:

Когда все необходимые компоненты в наличии, можно приступать. Первым делом собираем 2S сборку Li-Ion аккумуляторов. Это вариант для тех, кому не подходит вариант с держателями под 18650 банки, например, из-за габаритов. Для этого наклеиваем по две полоски изоленты на каждый АКБ. Это нужно для подстраховки от защиты КЗ, поскольку термоусадка аккумуляторов достаточно тонкая и может повредиться. Учитывая тот факт, что РУ модели обычно подвержены ударам, тряске и т.д. – лишней перестраховка не будет. После этого соединяем аккумуляторы полосками друг к другу и обматываем слоем изоленты (можно использовать другие изоляторы):


Далее можно приступить к пайке контактов. Я уже неоднократно описывал как это делать, поэтому повторяться не буду (будет подробное видео в обзоре переделки шуруповерта). Особого вреда пайка не приносит, главное долго не держать жало паяльника, ну и пользоваться активным флюсом, например паяльной или ортофосфорной кислотой. После нее не забываем протереть место пайки спиртиком!
Далее берем провод, по желанию зачищаем как на фото слева (можно и двумя проводами сделать) и спаиваем воедино соединение аккумуляторов и вход платки. Должно примерно получиться вот так:


Я не буду здесь подробно останавливаться, поскольку вариантов может быть много. Мне ближе вариант, когда аккумуляторы и платка защиты вместе, поскольку потери в проводах минимальны. Далее подпаиваем оставшиеся проводки согласно все той же схеме (см. выше):


На этом сборка 2S батареи завершена, но ведь ее еще нужно как-то заряжать. Для этого воспользуемся готовым недорогим зарядником, представляющим из себя аналог трех линейных зарядных контроллеров с независимым питанием на каждое плечо. Поскольку зарядник может заряжать сборки как 2S, так и 3S (оптимально для шурика), то он может пригодиться в дальнейшем не только для зарядки РУ моделек. Для заряда 2S сборки, нам нужен левый разъем:


В подтверждение замеры полярности:


На холостом ходу напряжение немного прыгает, но при зарядке АКБ, ограничение точно 4,2V на банку.
Для удобного подключения к заряднику, я спаял переходник из разъема USB «папа» и трехконтактного разъема, место пайки заизолировал термоусадкой:


Поскольку проводки хилые, то для повышения механической прочности обмотал все изолентой:


Разъем USB «мама» предназначен для РУ модели. Для этого проделываем соответствующее отверстие и вставляем USB разъем до упора (на конце разъем имеет упоры):


Для более надежной фиксации припаиваем три провода достаточной длины и фискируем термоклеем:


Далее один из важных этапов – соединение получившейся 2S сборки АКБ с контактами зарядника согласно схеме из раздела «Тестирование платки». Здесь следуем пословице - семь раз отмерь, один раз отрежь. Сверяем распиновку всех разъемов и припаиваем провода. Я не буду путать вас своими «соплями», ибо у всех они будут отличаться. Еще раз все проверяем и подключаем. Если все хорошо, укладываем все хозяйство и собираем РУ модельку. Сам аккумулятор оставляем в батарейном отсеке. Для предотвращения бултыхания аккумулятора кладем рядом пупырку или изолон. У меня получилось вот так:


Открываем дверцу машинки и подключаем зарядник. Если АКБ разряжены, то ЗУ начинает заряд, индикаторы при этом красного цвета. Если присутствует разбалансировка и какая-то из двух банок зарядится быстрее, ее заряд прекращается и индикатор меняется на зеленый (правый скрин):


Как только будут заряжены оба аккумулятора, все индикаторы будут зелеными:


По опыту эксплуатации могу сказать следующее, что данная бюджетная зарядка неплоха, ток заряда на плечо около 900ma (при 2S), плюс есть возможность заряжать как 2S, так и 3S сборки. Более подробные характеристики и сравнения с другими моделями, смотрите в будущих обзорах.
Реализация зарядки машинки получилась такая же, как и в прошлом варианте. Для зарядки сдвигаем дверь и подключаем, ничего разбирать не нужно:


Теперь о потребляемых токах.

В ждущем режиме плата машинки кушает 56ma:


Обычная езда – в районе 300ma:


Максимальный ток потребления – около 900ma:


Запускаем – все летает. Данный вариант нисколько не сложнее предыдущего, зато характеристики РУ модельки вырастут. Единственная опасность – сможет ли электроника игрушки переварить 8,4V.
На этом у меня все…

Дополнение 1:

Поскольку не все РУ модельки рассчитаны на высокое напряжение питания, то по желанию можно снизить напряжение отличным понижающим DC-DC преобразователем :


Единственное замечание – подстроечный резистор после регулировки необходимо зафиксировать лаком или клеем. Данный преобразователь имеет компактные размеры, высокий КПД и приличный рабочий ток около 3А. На площадках можно также найти другие варианты преобразователей. Гуглим по «DC-DC step down».

Второй вариант, как правильно заметили в комментариях, заключается в ограничении рабочего тока простым токоограничивающим резистором. Это необходимо для защиты двигателей от чрезмерного тока. Поскольку у меня вроде работает отлично, то я ничего переделывать не стал. Для тех, кому это необходимо, предлагаю небольшой расчет резистора для моего варианта. Для этого необходимо определиться с номиналами:
- U (пит) – напряжение питания со сборки. В нашем случае пусть будет 8V (два аккумулятора)
- U (электр) – напряжение питания электроники машинки (РУ модели). В нашем случае стандартное было 6V (5 последовательных NiCd АКБ)
- U (гасящ) – разница между «новым» питанием и «стандартным» до переделки
- I (раб) – ограничительный ток, т.е. максимальный для машинки. В моем варианте в максимуме машинка кушает 0,9А. Для защиты движков можно установить, предположим, 0,5А
- R (гасящ) – сопротивление токоограничивающего резистора (см. расчет)
- P (гасящ) – мощность резистора (см. расчет)

Итак, рассчитываем все согласно закону Ома: I = U / R
U (гасящ) = U (пит) - U (электр) = 8 – 6 = 2V
R (гасящ) = U (гасящ) / I (раб) = 2 / 0,5 = 4 Ohm
P (гасящ) = I (раб) * I (раб) * R (гасящ) = 0,5 * 0,5 * 4 = 1 W

Исходя из расчетов, нам нужен резистор на 4 Ohm и мощностью не менее 1 W. Лучше взять с запасом на 5 W, чтобы не перегревался: