Artikeln skriven av Ulf Tönnesen
Jag har varit aktiv modellflygare sedan slutet av 40-talet och har provat på och tävlat i de flesta tävlingsklasser, även internationellt.
När jag blev intresserad av helikopter och tillverkade egna, så fick jag lägga av med det vanliga modellflyget därför att min vänstra tumma hade fått för sig att rycka trottelspaken till tomgångsläge så snart det började strula till sig. Det gjorde det ofta i början. Utan stjärtrotorgyro kom jag underfund med att det fungerade bäst med hjul på helikoptern, så att jag kunde starta och landa som en vanlig modell. Rent psykiskt så underlättade det inlärningen av att kunna hovra.
Genom att jag startade en egen finmekanisk verkstad så hamnade modellflyget i skymundan några år.
Jag köpte i alla fall en eldriven japansk ARF segelmodell. Dens prestanda var så att den kunde stiga så länge det var ström i batteriet till en höjd av 20 – 30 meter under nästan 2 minuter, och därefter glida ner till landning på mindre än en ½ minut.
Nej, elektroflyg var inget för mig!
Efter några år dök en av det gamla gänget upp och sa att jag borde komma och se det nya elektroflyget.
Jag gjorde så och blev så imponerad att jag köpte en begagnad kärra på strax över 2 meter och en HP 1800 borstmotor, med 18 NiCd-celler. En riktig stark motor.
Jag började flyga med min gamla RC-utrustning och normalt kopplade skevroder.
Första flygningen gick utmärkt, men när jag skulle landa blev det problematiskt. Jag flög på ett fält med flera fotbollsplaner, där jag stod i mitten. Jag passerade inför landningsvarvet över huvudet på en 4-5 meters höjd, flög ut väl 100 m, vände snävt och kom tillbaka med minimal höjdförlust. Flög ut åt andra hållet över 100 meter och kom tillbaka med ytterligare obetydlig höjdförlust. Efter flera sådana varv blev jag tvungen att trycka ner modellen i gräset. Den som sedan köpte en digital utrustning så det gick att programmera in skevroderbroms var jag.
Sedan blev det dags att börja tävla. El-populär var den aktuella klassen. Reglerna för handikapp baserat på antal celler gjorde att resultatet inte blev något vidare. Det blev därför nödvändigt att uppgradera utrustningen, plan, motor och batterier.
Man lärde sig mer, de borstlösa motorerna kom, och framför allt kom det fram metoder att förbättra cellerna medelst pushning eller zappning. Det blev snart klart att för att få tillgång till de bästa cellerna var det nödvändigt att göra behandlingen själv.
Sålunda tog jag fram en utmärkt mikroprocessorstyrd utrustning själv.
Batterityper
Från början var det Sanyos NiCd-celler i olika kapaciteter som var allenarådande. Konsumentceller av andra fabrikat fanns men var aldrig bra nog.
NiCd-cellerna hade ett eget minne, så om man inte tömde cellerna helt innan de laddades om så minskade kapaciteten efterhand.
Det var samtidigt nödvändigt att vid montering se till alla cellerna i ett batteripaket hade samma kapacitet, då paketet aldrig blev bättre än den sämsta cellen.
Förfarandet kallas för selektering, och kan göras med en speciell laddare-urladdare som kopplat till en dator ger kurvor och data som kan skrivas ut på papper eller etiketter.
I tillägg till detta kom det även för några år sedan fram instrument för att mäta cellernas inre motstånd, Ri-mätare. Jag lyckades skaffa ett från Robbe som var förhållandevis stabilt och visade riktiga värden i jämförelse med andra exemplar jag har sätt. Ett stabilt instrument är oerhört användbart och ger på ett enkelt sätt information om cellernas kvalitet, under det att ett ostabilt instrument är hopplöst att använda.
Detta instrument arbetar med växelström på 1 khz, och mäter impedansen eller det inre motståndet i cellerna. Därav ”Ri-mätare”.
Fram till att jag deltog i F5B VM i San Diego, Californien år 2000, (för Norge), var det endast Sanyos NiCd jag arbetade med.
Miljöaspekt
Kadmiumet i NiCd-cellerna gjorde dessa miljöfarliga och de är från nästa år förbjudna att sälja. De nya miljövänliga NiMh (nickel-metallhydrid) batterierna var från början för dåliga för modellflyget.
Sedan så kom Sanyos NiMh 3000 ackar i två versioner in i bilden, och jag var relativt nöjd med dessa. Sanyo 2600 började kunna användas i tävlingssammanhang. Senhösten 2002 fick jag höra rykten om att en kinesisk tillverkare, Gold Peak, GP, hade tagit fram speciella NiMh ackar för dom som tävlade med elbilar.
Jag tog kontakt med den skandinaviska generalagenten som tursamt nog höll till i Göteborg.
Det första leveransen var mycket imponerande. Det inre motståndet låg för alla mellan 3,1 och 4,3 mohm. D.v.s. som sämsta mycket bättre än dom bästa av andra fabrikat jag har kollat.
Efter pushning hade hälften ett Ri under 3 mohm, d.v.s. fantastiska tävlingsbatterier.
Den enda nackdelen var att ett 10-cells paket vägde 30 gram för mycket enl. gällande regler för F5F. Vi från Watt 69 åkte på en tävling i Danmark med våra gamla batterier.
Där först fick vi reda på att man hade tagit bort viktgränsen, så vi tävlade med dåliga förutsättningar. Som AU för elektroflyget inom SMFF var det ju jag som först skulle ha fått reda på en regeländring. Så skedde inte utan endast vissa elitflygare fick informationen. Detta har visat sig vara ett ganska typiskt förfarande.
Inför 2004 års tävlingar skaffade jag celler avsedda för svenska landslaget i F5B. Bland dessa cellerna saknades de bästa. De hade utsorterats till vissa storkunder och tävlingseliten. Även detta är ett typiskt förfarande. Efter att jag klagat och med beräkningar visat vilka nackdelar och risker det är att tävla med sämre ackar har alla senare leveranser varit utmärkta.
Vad innebär Ri-värdet?
Detta ger på ett enkelt sätt ett mätbart värde på hur bra en cell är jämfört med andra av samma angivna kapacitet. Det är Ohms lag som gäller, sålunda gör ett lågt Ri-värde att mindre värmeutveckling sker i cellen vid höga strömmar. Ri påverkas även av cellens temperatur, och detta är olika för olika fabrikat. Ett i mitt tycke dåligt fabrikat kan ge en accelererande temperaturökning och snabbt förstöras om belastningen är för hög.
Ett sådant batteripaket kan naturligtvis fungera bra vid låga strömuttag, och kanske vara värt ett mycket lägre pris. De celler däremot som inte ökar Ri med ökande temperatur kan belastas oerhört hårt, och hur länge bestäms av hur temperaturökningen sker. I F5B belastas cellpaketet med över 150 Amp under 4-6 sek när modellen stiger, och kan svalna något under speedsträckorna tills nästa stigmoment.
För konst- och skalaflyg är det mer normalt med toppströmmar på 30 – 40 Amp och mycket körning med lägre pådrag, vilket ger flygtider på närmare 10 minuter.
Efter att ha flugit en 2 meters Sukhoi 31 med båda Sanyos och GP’s celler är det bara de sistnämnda som gäller, även för dessa måttligare strömuttag.
Hur kan man behandla celler så att inre motståndet minskas?
Detta görs genom att förbättra elektrodernas svets. Man laddar upp 2 – 4 st. elektrolytkondensatorer på vardera 22000 mfd till en spänning mellan 50 och 80 volt. Genom att låta uppladdningen ske genom 3 uppladdningsmotstånd som begränsar strömmen kan en rimligt liten nätdel användas. Två av dessa kortslutes, ett i taget, med ett relä för varje 25 volts steg. Den rel. långsamma uppladdningen kan av en mikroprocessor avbrytas när en förvald spänningsnivå har erhållits. Med en tyristor som tål strömstötar på upp till 8000 Amp urladdar man kondensatorernas energimängd över den cell som skall behandlas. Elektroderna är förspända och förblir så ett tag så at den svetsning som har skett får svalna innan trycket avlägsnas.
Det påstås att en kemisk reaktion även sker, men detta är tveksamt, snarast ett sätt att mystifiera behandlingen. Den uppnådda strömstöten kan ligga på 2-4 tusen Amp, dubbla tjocka kablar användes, och strömstöten är så kraftiga att kablarna rycker till.
Den energimängd som användes anpassas till celltyp och storlek. Cellens uppladdningsgrad och temperatur påverkar även resultatet. Allt detta är egentligen tillverkningshemligheter. Det skall påpekas att cellerna även kan förstöras.
Selektering
Efter behandlig Ri-mätes cellerna igen, och klassas i grupper med i regel 0,3 mohms steg. Denna Ri-selektering räcker i regel för att ge jämna paket, men för dom mest avancerade tävlingsflygarnas höga strömuttag väljer man i regel en finselektering med hjälp av urladdningskurvor. Urladdningskurvor med strömmar over 30 Amp är svåra att utföra med lösa celler då man så lätt får dålig kontakt i cellhållarna. Med NiCd celler var 20 Amp urladdningskurvor vanligast, under det att för högströmscellerna 30 Amp är vanligast. Detta gäller 3300, 3000 och 2200 mAh celler av GP’s (Gold Peak) fabrikat. Mindre celler matchas med mindre strömuttag.
Formattering
Detta är ett sätt att ge alla cellerna i ett paket samma uppladdningsstatus innan montering eller behandling. Med en moderat ström, ca 3 A tömmer man cellerna individuellt på deras laddning. Denna urladdning avbryts vid en spänning på ca 0,75 volt. Jag har gjort ett system med flera relän och spänningsavkänningar. När ett relä bryter urladdningen stiger cellspänningen raskt till ca 1,3 volt, men cellen är egentligen tom.
Det är viktigt att detta görs innan monteringen, men även innan man laddar cellerna före körning av urladdningskurvorna. Med NiCd paket hade man ofta nakna celler för att med en hållare med kontakter och motstånd tömma och formatera paketet för att det inte skulle försämras. Då denna urladdning sker ända ner till 0 volt är det inte lika lämpligt med NiMh paket, men dessa celler har heller inte samma destruktiva minnesegenskap.
Batteriskador
Prov som har utförts med högströmscykling med selekterade paket GP 3300 celler och konstant strömladdning kontra reflexladdning har visat att konstant strömladdning gav bättre fyllningsgrad beträffande laddningen, men även det första cellhaveriet efter ca 200 cykler. Provet kördes med beröringsfri temperaturmätning, varvid en cell då började öka i temperatur till över 200 grader varefter en lödning släppte. Orsaken till detta var att man inte kunnat förhindra en avvikande cell att utvecklas genom omformattering. När en cell på detta sätt förstörs, börjar den inte brinna, men kan naturligtvis påverka omgivande material. Ytterhöljet smälter eller krymper. Den börjar även läcka en korrosiv vätska.
Litium-Polymer eller LiPo ackar
De nya LiPo ackarna är brandfarligare då de alstrar eget syre och inte så lätt kan släckas när de väl börjat brinna, vilket jag av personlig erfarenhet vet att de kan.
Trots gamla påståenden så har man numera blivit tvungen att rekommendera individuell laddning av cellerna i ett flercellspaket. Man har utvecklat speciella laddningsskyddskretsar för flercellspaket. Man använder flerstifts byglingskontakter som kopplar ihop cellerna på rätt sätt vid flygning, men tar bort byglingskontakten och ansluter skyddskretsen i stället vid laddning. Även flercells LiPo kan utveckla farlig ”skevhet” bland cellerna.
För inomhusflyg och parkflyers finns det inget som är bättre än LiPo (litium-polymer).
Det finns även litium-ion batterier, men dessa kan endast användas för mycket små strömuttag.
Lipocellerna tål heller inte så mycket, och är särskilt känsliga för över och underspänning. Enligt min erfarenhet tål de inte kyla särskilt heller. Då de endast väger 1/3 av NiMh celler med motsvarande kapacitet väger, så är de bra för lätta plan med strömsnåla motorer. Nackdelen är att de tar minst 1 ½ timma att ladda. Om man inte gillar att sitta och gagga med kompisarna hela tiden man väntar bör man ha flera paket. För större plan och högre strömförbrukning går det åt så många både parallell och seriekopplade celler, helst även med skyddskretsar, så det hela blir mycket dyrt och inte så mycket lättare. Laddningen kan då bli mycket komplex. Laddningsströmmen får inte överskrida ett visst värde för varje cell, och spänningen får inte heller överstiga ett visst värde, varför laddningsströmmen minskar när man nått detta värde. Det är slutladdningen som tar tid.
En tom lipocell laddas med maxström tills maxspänningen har uppnåtts. Detta motsvarar 50 % av cellkapaciteten, och för 1C i laddningsström tar detta 30 – 35 min. Därefter hålls spänningen konstant och strömmen sjunker nästan linjärt tills laddningsströmmen endast är några få milliampere. Denna sista fas tar dubbelt så lång tid som den första konstantstömfasen. Lipo får inte laddas vid temperaturer under 20 grader, men man kan flyga med dom.
Mina försök i vinter har visat att om man flyger med fullt pådrag så sjunker spänningen så att vissa reglage stänger av. Då får man dra på igen till så pass delgas som reglage och celler tillåter. Ett Jeti 40 A reglage fungerade bra på detta sätt och räddade Lipopaketet. Jag misstänker att ett 30 A Schulze reglage i stället knäckte mina paket förra vintern. Den kapacitet som inte kunnat utnyttjas i kylan uppgick till ca 50 %. Efter ett par dars återhämtning i rumstemperatur laddades paketet igen. Det anmärkningsvärda var att vid första laddningen så gick det mycket långsammare än normalt att fylla paketet. Efter en urladdning var allt normalt igen.
Lipo-cellerna förstörs om dom belastas så att spänningen sjunker under ett visst värde. Även för detta måste man ha skyddssystem. Ett bra system är att reglaget automatisk stänger av motorn ett lite ögonblick som varning, och därefter begränsar pådraget så att man hinner landa med modellen under kontroll. Jag har projekterat och kommer ev. med en liten enhet att koppla in mellan mottagare och fartreglage av alla typer, BEC som inte BEC, för att kunna ge skydd även med äldre fartreglage, genom att omvandla styrpulserna.
Laddning av andra batterier
Det har tidigare talats om NiCd cellernas speciella minnesfunktioner. Detta gjorde att man utvecklade såkallad reflexladdning, där man med korta mellanrum avbryter laddningen med en urladdningspuls. För NiMh celler behövs inte detta. Reflexladdare som har NiMh program kör sannolikt utan att belasta cellerna under de pulser som laddningen bryts. Automatisk avstängning får man med såkallad peak eller toppspänningsavkänning. Både för NiCd och NiMh celler gäller att spänningen börjar sjunka när full laddning har uppnåtts. Fortsätter man utvecklas bara värme. Detta utnyttjas för att GP-cellerna skall få rätt flygtemperatur. Men för mycket skämmer allt.
Automatinställning av laddningsströmmen är vanligt, men lita inte för mycket på den. Särskilt GP-cellernas låga inre motstånd kan överlista laddarens intelligens. Konstant- ström laddning går för dessa mycket bra. Laddningsmängdavstängning ökar säkerheten, men vill man överladda för att få högre temperatur så bör man överväga att ha en speciell bimetallbrytare som tål 6 Amp, och som finns hos Elfa. Artikelnumret är 69-379-81, pris 58:20 + moms + frakt. Denna skall lödas in i ena laddningskabeln och tejpas fast på ackpaketet under laddningen. Vid uppnådd temperatur bryts kretsen. Detta skall fungera som extra säkerhet, men observera att vissa laddare inte stängs av utan fortsätter när temperaturen sjunkit tillräckligt. Det finns många, stora som små, laddare på marknaden, och vill därför inte framhäva någon. Det viktiga är att man inte förlitar sig på laddarens intelligens. Olika cellfabrikat och storlekar har så stora skillnader i inre motstånd att laddaren lurar sig själv. För NiMh ackar gäller att en konstantströmladdning på 2 – 3 C är det bästa och med kapacitet och temperaturkontroll i tillägg till den vanliga avstängningsfunktionen.
När man började med elektroflyg var det konstantströmladdning med inställbar ström som gällde, och med ett tidur för avstängning. Komplettera detta med en bimetallbrytare så har man en fullgod laddare för NiMh.