Vybíjecí proud a C-rate: high-drain vs. high-capacity

U článků 18650 a 21700 se kromě kapacity v mAh uvádí i vybíjecí proud, a to v ampérech nebo jako násobek „C“. Právě proud rozhoduje, jestli článek zařízení utáhne, nebo se bude přehřívat a vybije se dřív, než čekáte. Vysvětlíme, co znamená 1C, 3C a 10C, čím se liší trvalý a pulzní proud a jak si potřebný proud spočítat. Na konci najdete výpočet pro baterii 4S2P do vysavače.

Co je C-rate a jak se počítá

C-rate (česky „násobek C“) vyjadřuje proud vztažený ke kapacitě článku. Proud 1C by plný článek teoreticky vybil za jednu hodinu, 2C za půl hodiny a 0,5C za dvě hodiny. Počítá se jednoduše:

• proud v ampérech = C-rate × kapacita v Ah,
• C-rate = proud v ampérech / kapacita v Ah.

Výrobci s tímto zápisem běžně pracují. Samsung u článku 35E uvádí 1C = 3400mA, EVE u článku 30P 1C = 3,0A a jeho maximální vybíjecí proud 30A označuje jako 10C. Kapacitu výrobci obvykle měří pomalým vybíjením proudem 0,2C, tedy pětinou kapacity. Stejně se zapisuje i nabíjecí proud, standardní nabíjení bývá 0,5C.

Tabulka je jen převodník. Neříká, že každý článek daný proud snese, to najdete až v datasheetu (technické specifikaci výrobce). Uvedené časy platí jen teoreticky: při vyšším proudu dodá článek méně než jmenovitou kapacitu, takže se vybije dřív.

Trvalý, pulzní a podmíněný proud

V datasheetu bývá u vybíjení několik různých čísel a každé znamená něco jiného:

• Maximální trvalý proud (continuous) je proud, kterým smíte článek vybíjet nepřetržitě až do koncového napětí. Pro výběr článku je to nejdůležitější údaj. Samsung 25R ho má 20A, Samsung 35E 8A.
• Pulzní neboli krátkodobý proud článek snese jen chvíli. Samsung u 35E uvádí 13A s poznámkou „not for continuous discharge“, ale jak dlouho, neříká. Pro trvalou zátěž s takovou hodnotou nepočítejte.
• Proud s teplotní podmínkou: Samsung 30Q zvládá trvale 15A, 30A jen s vypínáním při 80 °C na povrchu článku. DMEGC 30P má 10A bez teplotní pojistky a 20A s pojistkou 80 °C. EVE 30P udává 30A s vypnutím při 75 °C. Vyšší číslo tedy platí jen tam, kde baterie teplotu hlídá a umí odběr přerušit.
• Proud závislý na okolní teplotě: LG u článku 21700 M50LT povoluje trvale 3C (14,4A) jen při 10 až 25 °C. Při 25 až 55 °C dovoluje už jen 1,5C (7,2A) a pod 10 °C pouhých 0,5C (2,4A).
• Maximum bez záruky životnosti: Samsung 21700-53G snese až 3C (15,9A), výrobce ale výslovně uvádí, že při maximálním proudu životnost negarantuje. Zkouška životnosti probíhá při 1C (5,3A).

Proč s větším proudem klesá kapacita a roste teplo

Každý článek má vnitřní odpor. Když jím teče proud, vzniká na něm úbytek napětí (U = I × R) a ztrátové teplo (P = I² × R). Dvojnásobný proud tedy znamená dvojnásobný úbytek napětí, ale čtyřnásobné teplo.

Pro představu vezměme článek s vnitřním odporem 20mΩ. Při 5A ztratí 0,1V a vyrobí 0,5W tepla. Při 10A je to 0,2V a 2W, při 20A už 0,4V a 8W. Teplo vzniká v tělese o hmotnosti kolem 45–50 g a v uzavřeném krytu se hromadí.

Úbytek napětí má přímý dopad na kapacitu. Pod velkou zátěží dosáhne článek koncového napětí (u většiny typů 2,5V) dřív, než odevzdá všechen náboj. Zbytek energie v něm zůstane a zařízení ho nevyužije. Protože pod zátěží klesá i napětí, ubývá energie ve Wh ještě rychleji než kapacita v mAh.

Datasheety navíc uvádějí vnitřní odpor obvykle jako impedanci měřenou střídavým proudem o frekvenci 1kHz. Při trvalé zátěži je odpor vyšší: LG u článku M50LT udává impedanci 15mΩ, ale stejnosměrný odpor 23mΩ (obojí ±6mΩ). Skutečné teplo tak bývá vyšší, než by vyšlo z tabulkové hodnoty. Více o tom píšeme v článku Vnitřní odpor Li-ion článku: co prozrazuje a jak ho měřit.

Jak kapacita s proudem ubývá, ukazují tabulky v datasheetech:

U DMEGC 30P je dobře vidět, co se děje za hranicí specifikace. Do 20A, které výrobce dovoluje s teplotní pojistkou, článek ztratí asi desetinu kapacity. Při 30A s ním výrobce počítá už jen s polovinou. Výkonový článek tedy neznamená, že proud nehraje roli, jen jeho hranice leží výš.

High-drain, nebo high-capacity?

Výkonový článek (anglicky high-drain, tedy stavěný na vysoký odběr) má nízký vnitřní odpor a snese velký trvalý proud, za to nabídne menší kapacitu. Kapacitní článek (high-capacity) nese víc energie, ale jeho trvalý proud je nižší. Ve stejném rozměru nedostanete obojí naplno. Srovnání podle specifikací výrobců:

U výkonových článků 18650 dovolují výrobci vnitřní odpor nejvýš 16–18mΩ, u kapacitních až 35–40mΩ. Kapacitní 35E má zase o třetinu vyšší garantovanou kapacitu než 25R. Kapacitní článek proto není horší: při zátěži, kterou snese, dodá nejvíc energie. Výkonový článek zase není lepší do všeho, v zařízení s malým odběrem jen zbytečně přijdete o kapacitu.

Z výkonových článků nabízíme například Samsung 25R, DMEGC 25P nebo EVE 30P v blistru. Podrobné srovnání najdete v článku Výkonové (high-drain) články 18650: srovnání. Z kapacitních je to Samsung 35E nebo LG MJ1, více v článku Nejvyšší kapacita v 18650.

Hranici posouvá větší formát 21700. EVE 50E dodá při 15A (3C) aspoň 90 % kapacity, tedy zhruba 4400mAh. To je víc, než nabízí kterýkoli článek 18650 z naší nabídky i při malém proudu. Najdete je v kategorii Li-ion baterie 21700.

Jak spočítat proud, který zařízení potřebuje

Stačí znát příkon zařízení a zapojení baterie:

1. Příkon ve wattech najdete na štítku nebo v návodu.
2. Napětí baterie = počet článků v sérii × 3,6V (jmenovité napětí běžného Li-ion článku). Zápis 4S2P znamená 4 skupiny zapojené do série, v každé 2 články paralelně. Podrobně to vysvětlujeme v článku Co znamená 4S2P nebo 10S4P?
3. Proud baterie = příkon / napětí baterie.
4. Proud jednoho článku = proud baterie / počet paralelních článků. Články v sérii vedou stejný proud, paralelní se o něj dělí.
5. Konec vybíjení: když zařízení drží stálý výkon (elektronicky řízené motory, svítilny s regulací), proud s klesajícím napětím roste. Spočítejte ho i pro nižší napětí, například 3,0V na článek.
6. Porovnání: výsledek porovnejte s trvalým proudem článku bez podmínek a nechte si rezervu na rozběh motoru a na provoz v teple.

Když příkon neznáte, ale znáte výdrž, vydělte kapacitu dobou provozu. Robotický vysavač Tesla RoboStar T60 má podle návodu baterii 2600mAh a výdrž 110 minut. Průměrný proud tedy vychází 2,6Ah / 1,83 h ≈ 1,4A, asi 0,55C. Je to hrubý průměr, ale ukazuje, že tento robot zatěžuje články mírně. Hotové náhradní baterie do robotických vysavačů najdete v kategorii Baterie do vysavačů.

Příklad: baterie 4S2P do vysavače

Představme si akumulátorový vysavač s baterií 4S2P (8 článků 18650) a příkonem 120W. Čísla jsou modelová, u svého zařízení dosaďte údaje ze štítku.

1. Napětí baterie: 4 × 3,6V = 14,4V.
2. Proud baterie: 120W / 14,4V ≈ 8,3A.
3. Proud jednoho článku: 8,3A / 2 ≈ 4,2A.
4. Ke konci vybíjení (3,0V na článek, tedy 12,0V): 120W / 12,0V = 10A na baterii, 5A na článek.

Každý článek tedy nese 4,2–5A. U Samsungu 35E (1C = 3,4A) to odpovídá zhruba 1,2–1,5C, hluboko pod jeho trvalými 8A. Kapacitní článek tu vyhoví s rezervou a nabídne nejvíc energie:

Výdrž je jen orientační. Počítá s kapacitou měřenou při 0,2C a s jmenovitým napětím 3,6V, skutečný provoz zkrátí úbytek kapacity při vyšším proudu a ztráty v zařízení. Pořadí ale platí: při mírném zatížení vyhrává kapacitní článek.

Teď stejný vysavač s baterií 4S1P, tedy jen se čtyřmi články. Celý proud 8,3–10A teče každým z nich. Samsung 35E s trvalými 8A už nestačí a LG MJ1 by běžel na samé hranici svých 10A. Tady je na místě výkonový článek, například Samsung 25R (trvale 20A) nebo EVE 30P, ten ale jen v baterii s hlídáním teploty. Výdrž se přitom zkrátí na polovinu, s 25R vychází 36Wh, tedy kolem 18 minut.

Z příkladu plyne hlavní pravidlo: druhá paralelní řada zdvojnásobí kapacitu a zároveň sníží zatížení každého článku na polovinu. Čím víc článků je zapojeno paralelně, tím víc dává smysl kapacitní typ.

Výpočet slouží k porovnání náhradních baterií a k posouzení, jestli se článek pro dané použití hodí. Není to návod na stavbu baterie. Spojování článků vyžaduje bodové svařování, ochrannou elektroniku a odborné znalosti. My prodáváme jednotlivé články a hotové náhradní baterie, baterie nesestavujeme ani neopravujeme.

Bezpečnost při vysokém odběru

• Nepřekračujte trvalý proud z datasheetu. Hodnoty podmíněné teplotní pojistkou platí jen s funkčním hlídáním teploty.
• Nevybíjejte pod koncové napětí výrobce: 2,5V u většiny typů, 2,65V u Samsungu 35E.
• V jedné baterii nekombinujte různé typy, kapacity ani různě staré články. Proud by se mezi ně nedělil rovnoměrně.
• Článek s poškozeným obalem nebo promáčklinou nepoužívejte.
• Volné články přenášejte v plastové krabičce, nikdy v kapse s klíči nebo mincemi.

Shrnutí: jak vybrat

Výkonové i kapacitní články najdete v kategorii Li-ion baterie 18650. Pokud si nejste jistí, jaký proud vaše zařízení potřebuje, napište nám na obchod@baterie-roznov.cz nebo zavolejte na +420 735 346 075. Rádi poradíme podle příkonu a zapojení baterie.