• Regler
• Flygprogram
• Att tävla
• Dokument
• Kontaktpersoner

Batterier (Ni-Cd)

Av Ronny staberg

Batterier (Ni-Cd)

- Inledning.

Batterier är ett i mångas ögon ganska simpelt och "Low-Tech"  men vi skall komma ihåg att det är dock en av de viktigaste utrustningarna i vår verksamhet. Man kan jämföra det lite med blodet i våra människokroppar. Utan kraftförsörjning till planets mottagare och servon eller till sändaren så kan vi omöjligt manövrera våra kära och dyrbara modeller.
Denna sektion är till för att ge lite upplysning om hur batterier fungerar, hur man laddar, sköter underhåll mm. Kom ihåg att detta som du läser här inte är någon "lag" utan det är baserat delvis på fakta genom mitt yrke som el-ingenjör samt erfarenheter från mina år inom modellhobbyn. Detta är ett ämne som det finns lika många teorier i kring som det finns modellflygare. Många är sanna likaväl som det finns en mängd med gamla rykten som det ligger mycket lite sanning i. Men som sagt detta som står här är mina personliga erfarenheter vilka jag har praktiserat och det har hjälpt mig att nå många års flygande utan radioproblem beroende på batterier/strömförsörjning.

---

- Kort om vilken typ av kraftförsörjning som vi använder oss av.

Ni-Cd celler är uteslutande den mest vanliga typen. Detta är beroende på att det är en gammal och väl beprövad teknik, har ett ganska bra pris relativt till prestanda samt förståss att de är återuppladdningsbara. Karaktäristiken på cellen är också mycket bra, dvs den håller spänningen relativt konstant under drifttiden samt är kapabel att ge kraftiga strömmar under kort tid vid behov.
Det finns dock olika typer av Ni-Cd celler som har olika karaktäristik, typ ge höga strömmar under kort tid, en annan som ger mera moderata strömmar men har en längre driftstid. Den förstnämnda används mestadels för att driva t.ex. kraftfulla el-motorer. Den sistnämnda typen är den vi använder oss av i våra radioanläggningar.
Notera att hela den här artikeln handlar om Ni-Cd (nickel-cadmium) celler.

- Lite elektriska data.

När jag använder ordet cell så avser jag en fysisk enhet, mera brukligt kallad "batteri" vilket är ett rätt felaktigt uttryck men jag återkommer till detta senare. Typiskt för en Ni-Cd cell är att den har en nominell spänning av 1,2V och den finns i en mängd med olika kapaciteter, d.v.s. strömmar som beräknas i mAh (milliampere-timmar). Ju större kapacitet desto större blir cellen i fysisk storlek samt icke att förglömma, tyngden. Normala celltyper är 25mAh-4000mAh.

Som vi alla vet så har vi olika spänningar på olika utrustningar och för att uppnå rätt spänning så seriekopplar man lämpligt antal celler. Exempelvis för en radiomottagare 4,8-6V så kan vi seriekoppla 4 eller 5 celler för att uppnå den spänningen. (4 x 1,2 = 4,8V eller 5 x 1,2 = 6,0V). Man skall dock ha i åtanke vid val av antal celler att spänningen i en nyladdad cell kan vara mer än 1,5V.
Denna sammansättning av celler kallas för ett batteri. D.v.s. att ett batteri är en sammansättning av ett antal celler och det spelar inte någon roll vilken typ av celler det är. Ett annat ord som används ofta och som nog är en mera exakt beskrivning är ordet accumulator-paket eller acc.

För att uppnå rätt strömförsörjning så väljer man lämplig storlek på cellen (mAh). Den kapacitet som vi ofta använder oss av i modellflygplanen är 600-1000mAh. Utvecklingen går dock framåt och mera kraftfulla celler har dykt upp på marknaden där kapaciteten ökat jämfört med  formatet/vikt.

Några tips:

• Använd alltid samma storlek, kapacitet, på alla de ingående cellerna i ett batteri.
  
• Ett batteri är som en kedja, aldrig starkare än sin svagaste länk. Byt helst inte en enstaka cell i ett batteri utan byt alla på en gång så de har samma status, dvs alla "länkar" är lika bra.
  
• Löd alltid ihop cellerna i ett batteri för att vara helt säker på 100% kontakt. Förslagsvis, använd alltid celler med lödöron så att du kan enkelt löda ihop dem. Alternativt så kan du löda direkt på batteripolen genom att ansluta en kort kabel mellan varje cell, men kom ihåg att vara försiktig med värmen så att du inte skadar cellens innanmäte/isolation. Före lödningen, fila eller använd en smärjelduk för att få god kontakt med kopparen i polen och så att du inte gör en så kallad kallödning. Är du osäker på hur du skall göra, be någon som vet att hjälpa dig!
  

- Laddning av Ni-Cd celler.

För att göra en perfekt laddning av ett batteri så använder man konstant ström. Denna ström bör vara ca. 10% av kapaciteten (mAh) på batteriet. Batteriet är fulladdat efter ca. 12-14 timmar. Notera att det borde vara fulladat efter 10 timmar (10tim x 10% = 100%) men det är alltid en viss förlust vid en laddning. Mäter man spänningen över batteriet under laddning så kommer den sakta att öka under tiden cellerna tar laddning och spänningen kommer att uppnå ca. 1,5V-1,6V per cell när cellen är fulladdad och då kommer spänningen att börja sjunka igen samt att man kan känna att cellerna börjar bli varma. Detta är en så kallad peak-laddning.
Normalt sett så är det helt OK att använda sig av en ganska simpel laddare där den ger en ström av ca. 10% av cell-kapaciteten och låta den ladda i 12-14 timmar. Det går även att använda en högre ström och därmed så kortas tiden för laddning så i princip så kan man använda sig av formeln:

Cell-kapacitet (mAh) / laddström (mA) = timmar

Några tips:

• Vid laddning av ett batteri så skall alltid cellerna vara serie-kopplade.
  
• Ju högre laddström desto mera kritiskt är det att hitta rätt spännings-topp eftersom laddningskurvan blir brantare och spetsigare i och med högre ström!
  
• Jag använder aldrig högre laddström än 50-60% av kapaciteten för en så kallad snabbladdning.
  
• För en forcerad snabbladdning (>100% laddström); använd alltid en voltmeter samt bevaka laddningen kontinuerligt. Alternativt använd en speciell peak-laddare.

Det finns mängder med laddare på marknaden idag som är mer eller mindre sofistikerade. Ett flertal av dem använder microprocessorer för att reglera samt övervaka urladdning och iladdning. Tyvärr är det så att de flesta dessa laddare är avsedda först och främst för snabbladdning och då peak-laddning av motorbatterier med 7-30 celler. Det är ett litet fåtal riktigt bra laddare på marknaden idag som avser sändare och mottagar batterier. Personligen så gjorde jag ganska ofta mina laddningar helt manuellt och då med hjälp av ett likspänningsaggregat med strömbegränsning samt med volt-/ampere-meter. Det går rätt bra att använda en helt ordinarie laddare som medföljer radioanläggningen som alternativ till ett likspänningsaggregat.
För några år sedan var det en privatperson i södra Sverige som tillverkade en liten serie (ca. 10 st) av en mycket sofistikerad samt helt suverän microprocessorladdare som enbart var avsedd för sändar/mottagar-batterier. Vi var ett antal F3A-piloter som med glädje köpte denna laddare. En helt suverän laddare! Tyvärr vet jag ej om denna person fortfarande tillverkar dem och dessvärre kommer jag inte ihåg namnet på personen. Om någon som känner personen ifråga och kan informera om detta är ni välkomna.

- Urladdning & förvaring.

Ett ord som ofta förekommer i diskussioner angående Ni-Cd batterier är "minne". Det man avser är den effekt som uppstår då man frekvent laddar upp ett batteri som inte är tomt. Detta är delvis sant för Ni-Cd celler har en tendens att förlora en del av sin kapacitet om det inte blir helt urladdat, men det skall tillstås att Ni-Cd cellerna är inte alls lika känsliga som detta rykte påskiner. Men helt riktigt är det att låta urladda batteriet ofta så att det motioneras.

Nu kommer vi då till ämnet urladdningar av nickel-cadmium-celler och givetvis så är det lika intressant med urladdningar likaväl som iladdningar som nämnts i ovanstående avsnitt.
Detta kan göras med många av de laddare som finns på marknaden idag men man kan också göra detta manuellt och då med hjälp av en last och en voltmeter. Man kan låta t.ex. mottagaren stå påslagen och låta den ladda ur batteriet men det bör påpekas att det är förenat med en del risker/problem. Du kan inte mäta spänningen (om du inte har ett separat uttag till batteriet), mottagaren kan bli störd av andra sändare och risk finns då att man kan köra sönder servona.
Det bästa att använda är ett motstånd av lämplig storlek men det bör beräknas efter spänningen på batteriet samt kapaciteten. Urladdningen bör ske med ca. 10-15% av kapaciteten av cellen. Detta innebär att man bör beräkna enligt följande:

1. kapaciteten (mAh) / 10 = strömmen
2. spänningen på batteriet / strömmen = resistansen
3. Man bör dessutom dimensionera resistorn så att den klarar den värmeffekt som alstras:
   spänningen x strömmen = effekt (watt)

Låt oss göra ett exempel av ett 4,8V batteri med en kapacitet av 600mAh:

1. 600mAh / 10 = 60 mA
2. 4,8V / 0,06A =  80 ohm
3. Effekten på resistorn: 4,8 x 0,06 = 0,288W , så ett 1/2W motstånd bör användas.

Att göra dessa urladdningar där man kan mäta spänningen är mycket bra så man får reda på batteriets status/kapacitet. Man bör dock vara noggrann och hålla det under uppsikt så att man inte laddar ur batteriet för mycket.
Urladdningen bör ske till en viss spänningsnivå. Denna nivå är beroende på vilken ström du laddar ur med. Vid 10-15% av kapaciteten så räknar man med att cellen är tom då den når 1,1V per cell, dvs 4,4V för ett 4-cellsbatteri. Ju högre ström man laddar ur med desto lägre spänning kan man räkna med. Man skall dock aldrig ladda ur lägre än 0,9V per cell.

Det bästa man kan göra är att börja med att ladda ur ett fulladdat batteri och ta tid från det då du startar urladdningen tills du når 1,1V per cell (beroende på urladdningsströmmen). Man kan då beräkna urladdningstid * urladdningsströmmen och då få totala kapaciteten på batteriet. (Om vi skall vara riktigt noga så ändrar sig strömmen under tiden då spänningen sjunker på batteriet men vi bortser från detta då det nästan jämnar ut sig då spänningen är lite högre än 1,2V/cell i början medan den är lite lägre i slutet.)  Normalt brukar kapaciteten ligga mellan 90-110% av det märkta värdet på cellerna för ett "friskt" batteri. Notera detta värde. Gör detta test helst ända från början av ett nytt batteri för att få en referens. Gör samma test sedan med frekventa mellanrum för att kolla statusen på batteriet.

Några tips:

• Jag brukar lite då och då efter en dags flygningar göra en urladdning för att kolla kvarvarande kapacitet. Jag räknar ifrån (subtraherar) det värde jag får fram jämfört med det värde jag har noterat som fulladdat batteri och får på så sätt reda på förbrukad kapacitet. Om jag t.ex. räknat fram 400mAh som förbrukad kapacitet och jag vet att jag gjort exempelvis 4 flygningar den dagen så kan man ta det som en fingervisning att en flygning förbrukar 100mAh. Har jag då ett batteri med ex. 1000mAh så kan jag med god säkerhet göra 6-7 flygningar och jag har ändå en bra säkerhetsmarginal.
  Jag checkar mina batterier väldigt ofta både totala kapaciteten samt kvarvarande/förbrukade för att hela tiden ha koll på statusen av batteriet.
  
• En annan detalj som jag ibland brukar kolla under både laddnings samt urladdnings förfarandet är spänningen över varje enskild cell. Den skall vara mycket jämn mellan cellerna och märker man att någon enstaka cell börjar skilja markant från de övriga så kan man dra den slutsatsen att den cellen börjar bli dålig. Detta kan dock vara lite krångligt beroende på att det är svårt att komma åt de enskilda cellerna för mätning i batteripaketet

Då ett batteri inte används så har den en självurladdning. Denna urladdning är beroende på temperaturen och urladdningen ökar med höjd temperatur. Man kan generellt räkna med ca. 1% per dygn vid +25^oC. Förvaring av ett oanvänt batteri skall göras fulladdat och svalt eller rättare sagt kallt. Kylskåpet är en rätt bra förvaringsplats men största problemet där är nog att frugan sätter stopp då det kan bli utrymmesbrist för andra livsnödvändigheter.

- Allmänna tips.

• På fältet så bör man ha med sig någon form av battericheckare, endera en "checker" eller allra helst en multimeter för att kolla spänningen på batteriet. Mellan flygningarna. Det viktiga att komma ihåg är att spänningsmätningen skall ske under belastning, så ett motstånd beräknat enligt tidigare kapitel är att föredra då man använder en multimeter. Oftast så har "Checkern" ett inbyggt motstånd för dess mätning.
  
• En annan praktisk sak som jag brukar tillämpa beträffande batterisystemet i modellen är att jag alltid tejpar kontakterna mellan batteriet och mottagaren så att dessa inte utav vibrationer eller av mekanisk påverkan glider isär. Detta förutsätter dock att man har ett extra ladduttag för batterikoll samt laddning.
  
• Normalt sett räknar man med en livslängd på 7-8 år för en Ni-Cd cell men det är helt beroende på temperatur. Den kortas markant med förhöjd temperatur. Denna är beroende på oxidering samt försvinnande isolationsskikt inne i cellen mellan de två polerna som kan resultera i en kortslutning. Man kan dock räkna med att en cell som hanteras på rätt sätt beträffande laddning, urladdning, förvaring samt mekanisk påverkan bör vara 3-5 år. Personligen så byter jag hela batteriet (d.v.s. samtliga celler) ungefär vart annan år oberoende om det är friskt.

Lithium Metal-batterier (Li MnO²)

Som ett separat del i detta kapitel om batterier så tar vi nu upp den nya typen av batterier/celler som börjar användas inom vår modellflyg hobby. Som med allt annat som är nytt så är människan av natur ganska skeptisk till förändringar och vill gärna hålla sig och förlita sig till saker eller rutiner som vi är vana med eller förstår.
Så är även som jag förstått förhållandet till denna nya typ av celler, många rynkar på pannan och tycker att den gamla hederliga Ni-Cd cellen är helt OK och man har ej för avsikt att byta till denna nya typ. Helt förståeligt så är många negativa till dessa nya celler då de har en helt annorlunda karaktäristik samt laddningsförfarande jämfört med de gamla "hederliga" nickel-cadmium cellerna som vi nu efter lång tid lärt oss förstå och hantera rätt.

Vi skall dock komma ihåg att lithium metaloxid celler ej är något helt nytt för t.ex. så har bl.a. ett flertal kända mobiltelefon företag gjort försök med dessa typer redan för 10 år sedan.
Inom storskala aerobatic typ, F3A-X och TOC så har man använt dessa nya celler och har goda erfarenheter.

OK, nog om försnacket och nu till mera konkreta fakta.

Allmänt:

• Tidigare så fanns inget så kallat failure mode i dessa celler, d.v.s. de fungerade bra ända fram tills sista levnadsdagen då de tvärdog och resultatet är ju inte så lyckat om modellen befinner sig i luften vid det tillfället. Numera har dessa celler en inbyggd failure mode med en gradvis försämring av kapaciteten i slutet av sin livslängd och man anser att cellen är kasserad då den når 60% av sin ursprungliga kapacitet.

• Nämnas också skall att dessa Lithium Metal celler är mindre tåliga vad det gäller "misshandel" vid laddning jämfört med en nickel-cadmium cell så en speciell laddare krävs för dessa celler. En god laddningsdiciplin bör hållas.

• Kapacitets/vikt-förhållandet är betydligt bättre för Lithium Metal celler jämfört med Nickel-Cadmium celler.

• Urladdningsströmmen är lägre i Li-Me cellen jämfört med en Ni-Cd cell.

En jämförande tabell: