Как выбрать аккумуляторы LiPo для гоночного квадрокоптера

В качестве источника питания для мультикоптеров обычно используют батареи LiPo, которые способны хранить и отдавать большое количество энергии за короткое время. В этой статье рассказывается, как научиться читать спецификации LiPo аккумуляторов, правильно их выбирать и эксплуатировать.

Содержание:

• Основные характеристики батарей LiPo
  
• Число элементов и напряжение
• Ёмкость и размер
• C-рэйтинг и скорость разряда
• Соединительные провода и разъёмы
• Внутреннее сопротивление (IR)
• Аккумуляторы EVli
• Как выбрать LiPo для квадрокоптера
• Как зарядить литий-полимерные батареи
• Правила безопасного обращения с аккумуляторами
• Срок жизни батарей LiPo

Основные свойства батарей LiPo для гоночных квадрокоптеров

Литий-полимерные батареи, более известные как LiPo, обладают высокой плотностью энергии, имеют большую скорость разряда и относительно лёгкий вес, намного ниже, чем у других аккумуляторов. Благодаря такому удачному сочетанию характеристик, они приобрели огромную популярность и являются основным источником питания для гоночных квадрокоптеров.

Разобравшись с тем, что означают основные характеристики батарей LiPo и на что они влияют, вы сможете легко читать и понимать их технические спецификации.

Напряжение батареи и число элементов (S)

Литий-полимерные батареи, используемые в гоночных квадрокоптерах, состоят из отдельных элементов — ячеек, соединённых последовательно. Каждая такая ячейка имеет номинальное напряжение 3,7 В. Поэтому суммарное напряжение батареи часто указывают как число ячеек в аккумуляторе, обозначаемое английской буквой S. Несложно сообразить, что:

• 1S = 1 ячейка = 3,7 В
  
• 2S = 2 элемента = 7,4 В
• 3S = 3 ячейки = 11,1 В
• 4S = 4 ячейки = 14,8 В
• 5S = 5 элементов = 18,5 В
• 6S = 6 элементов = 22,2 В

Например, аккумулятор LiPo номинальным напряжением 14,8В принято называть батареей с четырьмя элементами или LiPo 4S.

Номинальное напряжение батареи напрямую влияет на частоту оборотов RPM бесколлекторного двигателя. Поэтому для увеличения скорости квадрокоптера можно использовать аккумулятор с большим числом элементов. Но это допустимо лишь в том случае, если его моторы, блоки управления ESC и другие электронные компоненты дрона поддерживают более высокое напряжение. Преимущества и недостатки различных 3S или 4S конфигураций гоночных квадрокоптеров давно являются предметом горячих дискуссий, но к единому мнению пилоты пока не пришли. Энтузиасты с одинаковым успехом используют модели с бортовым питанием 11.1 и 14.8 вольт, а вот более высокие или низкие значения — это очень большая редкость.

При одинаковой ёмкости, чем выше номинальное напряжение аккумулятора, тем он тяжелее. Увеличение веса связано с наличием дополнительных элементов — ячеек. Чтобы самостоятельно сделать батарею 4S ёмкостью 1000 мАч, можно просто объединить два имеющихся в наличии аккумулятора по 2S такой же ёмкости или один 3S 1000 мАч и один 1S 1000 мАч. Важно помнить, что нельзя собирать блоки из аккумуляторов различной ёмкости — это не только приведёт к их неправильной работе, но и может вызвать полное разрушение батарей и даже пожар.

Номинальное напряжение аккумуляторной батареи LiPo составляет 3,7 В. Однако эта величина не определяет напряжение батареи, когда она полностью заряжена или полностью разряжена. Номинал — это примерно середина гарантированного производителем диапазона напряжений батареи, поэтому имеет смысл использовать такое усреднённое значение.

Аккумулятор LiPo предназначен для работы в безопасном диапазоне напряжений от 3,0 до 4,2 В. Разрядка ниже 3 вольт может привести к необратимому снижению ёмкости и даже к повреждению аккумулятора. Зарядка выше 4.2 В также может быть опасной и, в конце концов, даже вызвать пожар.

Но прекратить разряд в процессе работы рекомендуется значительно раньше. По соображениям безопасности аккумулятора, чтобы предотвратить его выход из строя, это нужно сделать, когда напряжение достигнет 3.5 вольт на элемент. Например, если вы используете батарею LiPo 3S, её максимальное напряжение составляет 12.6 В, а время приземляться наступает, когда напряжение снижено до 10.5 вольт или 3.5  на ячейку.

Мощность и размер батареи LiPo

Ёмкость батарей LiPo измеряется в мАч (миллиампер час). Число, указанное перед сокращением мАч, говорит о том, сколько тока можно получить от аккумулятора в течение часа, пока он не разрядится полностью.

Например, чтобы опустошить литий-полимерную батарею ёмкостью 1300 мАч, потребуется всего час, если забирать от нее ток 1.3 А. Когда сила тока удваивается до 2.6 А, продолжительность будет уменьшена вдвое (1,3 / 2,6 = 0,5). На практике, в процессе полёта гоночного квадрокоптера, непрерывный ток обычно составляет величину 38 – 39 ампер. Это значит, что полет будет длиться всего 2 минуты (1,3 / 39 = 1/30 часа).

Если ёмкость аккумулятора увеличить, то время полёта тоже станет более длительным, но такой источник энергии тяжелее и имеет больший размер. Существует определённый компромисс между мощностью и весом, который позволяет выбрать хорошее соотношение для времени полёта и манёвренности вашего гоночного дрона. Но эта математическая модель, созданная чтобы определить оптимальную ёмкость LiPo батарей, не очень проста. Она вполне может составить отдельное руководство.

Более высокая ёмкость аккумуляторных батарей позволяет добиться увеличения максимального тока разряда. Об этом подробнее рассказывается в следующем разделе.

C-рейтинг и допустимая скорость разряда аккумулятора

В настоящее время для всех батареи LiPo, применяемых в квадрокоптерах, принято указывать такой параметр, как рейтинг C. Зная его величину и ёмкость батареи, можно теоретически рассчитать максимальный безопасный непрерывный ток разряда аккумулятора LiPo. Формула очень проста:

Максимальный ток разряда = С-рейтинг * Ёмкость

Например, исходя из этой формулы, батарея 1300 мАч 50C имеет предполагаемый непрерывный максимальный ток разряда, который может достигать 65A.

Некоторые батареи поставляются с двумя C-рейтингами: непрерывным и пиковым. Рейтинг Burst применим только в короткие промежутки времени (например, 10 секунд). Принцип определения пикового тока полностью аналогичен тому, как это принято делать для блоков электронных регуляторов скорости ESC.

Хотя сам по себе рейтинг C аккумуляторов LiPo может быть очень полезным инструментом, помогающим их правильно использовать, в наши дни он стал главным образом маркетинговым инструментом. В целях рекламы своего товара, производители обращают внимание на C-рейтинг батарей больше, чем на другие, не менее важные характеристики. В действительности сама технология LiPo почти всегда обеспечивает достаточную отдачу тока, которая может потребоваться для гоночного квадрокоптера, независимо от указанного рейтинга.

Если рейтинг C слишком низок, батарея не может нормально отдавать ток двигателям, а квадрокоптер не наберёт достаточной скорости. Можно даже повредить аккумулятор, но такое случается довольно редко. Но если значение C выше, чем требуется, вы все равно не достигнете значительного повышения производительности. Скорее всего, такая батарея будет значительно тяжелее, а лишний вес, негативно отразится на скорости и сократит время полёта.

Соединительные электрические разъёмы

Одно из важных правил для LiPo батарей заключается в том, что разъем аккумулятора должен соответствовать тому, который вы используете на своём квадрокоптере. Если у вас пока ещё нет своего гоночного дрона, то выберите какой-нибудь один тип разъёмов и придерживайтесь его.

Батареи LiPo всегда поставляются с двумя наборами проводов и разъёмов: балансный провод и главный провод или разрядный. Это относится ко всем литий-полимерным аккумуляторам за исключением односекционных 1S батарей, у которых есть только основной провод. Дело в том, что они просто не нуждаются в балансировке.

В литий-полимерных элементах питания используется довольно много разных вариантов разъёмов. Основными их отличиями являются форма, вес и допустимая сила тока.

Разъёмы батарей 1S

Формат 1S является самым крошечным и эти батареи имеют очень низкий ток. Они обычно используются в миниатюрных дронах с коллекторными двигателями.

Разъёмы батарей 2S-6S

В этой категории гораздо больше различных типов разъёмов для батарей, чем перечисленные ниже. Большинство из них не настолько часто используются, чтобы всерьёз беспокоиться об их изучении. Но наиболее популярным разъёмом для гоночных миниквадрокоптеров, вероятно, является XT60.

Однако, поскольку XT60 рассчитан только на силу тока 60A, а квадрокоптеры работают с более высоким и более низким током и напряжением, популярный разъем может иметь много вариантов замены.

Балансные провода

Балансные провода обычно используются для баланса заряда, чтобы обеспечить одинаковое напряжение в каждом из элементов аккумуляторной батареи. Также они позволяют контролировать напряжение каждой ячейки. Число балансных проводов всегда начинается с 3 для 2S LiPo, а при увеличении числа элементов, каждая добавленная ячейка требует ещё одного дополнительного проводника.

Внутреннее сопротивление (IR)

Внутреннее сопротивление есть у каждого элемента, составляющего пакет LiPo аккумулятора и может отличаться не только различных батарей, но и в пределах одного пакета. Более высокое внутреннее сопротивление уменьшает максимальный ток, который способен отдавать пакет LiPo. Поэтому, когда батарея LiPo начинает стареть или просто чрезмерно много используется, она неизбежно теряет своё качество.

Значение IR не отображается на этикетке, поскольку оно может меняться со временем. Внутреннее сопротивление батарей LiPo обычно повышается по следующим причинам:

• Возраст и время использования батарей
  
• Механические повреждения от ударов
• Чрезмерная разрядка
• Перегрев в процессе эксплуатации
• Другие варианты неправильного использования

Внутреннее сопротивление элементов LiPo можно определить самостоятельно с помощью специальных инструментов, а некоторые зарядные устройства LiPo даже оснащены такой измерительной функцией IR.

Аккумуляторы LiHV

Батареи LiHV — это иной, отдельный тип LiPo аккумуляторов, имеющих более высокое номинальное напряжение. Они более энергоёмкие, чем традиционные батареи LiPo и позволяют заряжать до 4.35 вольт на ячейку. Тем не менее существуют негативные отзывы в отношении этого типа аккумуляторов, связанные с их малой долговечностью. Есть сведения, что элементы LiHV теряют свою производительность значительно раньше, чем обычные аккумуляторы LiPo.

Как правильно выбрать батареи LiPo для квадрокоптера

Чтобы правильно выбрать литий-полимерный аккумулятор для гоночного дрона, сначала нужно оценить свои потребности, примерно знать необходимое напряжение или число элементов и то, каким будет максимальный ток разряда.

Если вы уже определились с выбором моторов и размеров пропеллеров, в интернете можно найти необходимые данные, связанные с этим. Например, если решено использовать приведённый в таблице двигатель с пропеллером 5040 × 3, при открытом на 100% дросселе он потребляет ток 36.7A.

Не забывайте, что в потребление тока в реальном полете обычно меньше, чем во время статических испытаний. Также нужно обратить внимание, что ток значительно для 90% уровня газа дросселем, открытым на 100%. Как часто планируется летать на максимальной тяге? Обычно основную часть времени большинство пилотов летает в 40 - 80% диапазоне дроссельной заслонки. Если даже она открывается полностью, это продолжается не более нескольких секунд.

Общий максимальный ток, потребляемый четырьмя двигателями, составит в этом конкретном случае 36.7 х 4 = 146.8 ампер при 100% дроссельной заслонке. Если вы стремитесь к максимальной безопасности, можно просто использовать эту цифру и найти нужную батарею. Но более правильно снизить плановый ток на 10% — этого вполне достаточно в большинстве случаев. В цифрах получается уже не 150 ампер, а примерно 130, по приведённым выше соображениям.

Существуют другие компоненты квадрокоптера, которые используют питание от аккумулятора, например, полётный контроллер, приёмник аппаратуры радиоуправления, LED, оборудование для FPV и другие. Но это очень мало по сравнению с мощными двигателями, поэтому можно просто пренебречь ими в расчётах или добавить 1–2 ампера к общему току, если хочется быть точнее.

Затем нужно определить необходимую мощность и C-рейтинг. Для этого есть общие рекомендации, основанные на размере пропеллеров:

6 дюймов: 1500 – 2200 мАч
5 дюймов: 1300 – 1800 мАч
4 дюйма: 850 – 1300 мАч
3 дюйма: 650 – 1000 мАч

Предположим, если вы собираете 5-дюймовый квадрокоптер и хотите, чтобы он имел относительно небольшой вес, будет вполне достаточно аккумулятора ёмкостью 1300 мАч или 1.3 Ач.

Исходя из этого, оценочное значение необходимого рейтинга C будет 132,1 / 1,3 или примерно 100 C. Это пиковое значение, а половина от него будет постоянной скоростью разряда и составит примерно 50 С. Если вы планируете постоянно летать на максимальной скорости, может потребоваться значительно более высокое значение C-рейтинга, чем полученное в этом расчёте, но такая ситуация маловероятна.

Безусловно, нужно учитывать стиль планируемых полётов и что важнее: скорость, мощность или вес квадрокоптера. Например, хардкорным гонщикам могут потребоваться самые лёгкие батареи для максимальной скорости, в то время как для любителей фристайла вес не является единственным приоритетом. В этом случае могут использоваться более ёмкие и тяжёлые батареи, обеспечивающие длительное время полёта.

Как заряжаются LiPo батареи

Обслуживание литий-полимерных аккумуляторов сложнее, чем обычных щелочных или кислотных батарей. Существует четыре различных режима зарядки LiPo, каждый из которых имеет свои особенности:

Балансный заряд, при котором зарядное устройство контролирует напряжение каждой ячейки и обслуживает их строго индивидуально, пытаясь создать в них одинаковый уровень напряжения. Это самый безопасный и наиболее рекомендуемый способ для аккумуляторов LiPo. Он применяется в большинстве случаев.

Прямая или быстрая зарядка. Для обслуживания используются только основные провода, а зарядное устройство не контролирует напряжение каждой ячейки. Обычно этот процесс происходит быстрее, но может привести к неуравновешенным напряжениям в отдельных элементах, а ёмкость не достигает 100%.

Зарядка для хранения. При этом каждый из элементов батареи приводится к состоянию, оптимальному для длительного хранения и транспортировки. Для большинства литий-полимерных аккумуляторов это напряжение составляет 3,80–3,85 В, а для LIHV — несколько выше.

Разряд или сброс. В этом случае зарядное устройство пытается разрядить литий-полимерную батарею, но не полностью, а до минимального допустимого напряжения. Делается это очень медленно — намного медленнее, чем происходит обычно процесс балансирного заряда.

Зачем нужна балансировка

Каждый из отдельных элементов в батарее немного отличается от других. После разряда литий-полимерного аккумулятора можно обнаружить, что напряжения во всех ячейках все разные. Это естественная особенность всех LiPo, связанная с их конструкцией и происходящими при разряде электрохимическими процессами.

Если попытаться зарядить без балансировки эту батарею, не контролируя напряжение каждой ячейки, то некоторые из них, скорее всего, могут оказаться с напряжением 4,2 В. Но намного хуже, если часть элементов останется не полностью заряженными, а напряжение некоторых уже превысит 4,2 В. Как вы помните, элементы литий-полимерного аккумулятора нельзя заряжать выше 4,2 В. Превышение напряжения очень опасно и может привести к пожару. Именно по этой причине требуется обязательно применять балансную зарядку.

Современные зарядные устройства, предназначенные для LiPo батарей, обычно являются программируемыми и позволяют осуществлять балансную зарядку и автоматически заботятся об одинаковом напряжении в каждой ячейке. Правильный выбор такого прибора — материал для отдельного руководства.

Правила безопасности для LiPo батарей

Неправильная эксплуатация литий-полимерных аккумуляторов может привести к их возгоранию. Пожалуйста, торопитесь и внимательно прочтите эти правила безопасности, перед тем как начать обслуживание или заряд батарей.

• Поднимайте батареи LiPo, держась за их корпус. Не пытайтесь тянуть за провода, которые можно легко повредить внутри элементов, без возможности последующего восстановления.
  
• Проводите заряд в безопасных условиях. Очень важно найти подходящее место для обслуживания батарей. Использование для этой специального огнеупорного ящика — очень хороший вариант. Некоторые оборудуют для хранения и заряда специальное помещение, но небольшая коробка из негорючего материала с надёжной теплоизоляцией — это дешёвое, но вполне эффективное решение.
• Не заряжайте аккумулятор сразу после его использования, подождите, пока он полностью остынет.
• Целесообразно заряжать батареи током 1 С или меньше (о том, что значит C-рейтинг, мы уже говорили).
• Никогда не оставляйте процесс заряда аккумуляторов без присмотра. Регулярно проверяйте, не нагревается ли батарея или не начинает раздуваться. Если это произошло, следует немедленно прекратить зарядку.
• Не используйте и не пытайтесь заряжать повреждённую батарею. Это относится к вздувшимся аккумуляторам или имеющим другие видимые дефекты.
• Убедитесь, что на зарядном устройстве правильно установлены количество элементов и тип батареи в соответствии с фактическими.
• Избегайте перезаряда. Обычно об этом заботится само зарядное устройство, но неплохо самому регулярно проверять напряжения на ячейках, если есть такая возможность.
• Не оставляйте аккумуляторы под ярким солнцем.

Параллельный заряд LiPo

Параллельная зарядка является не самым безопасным способом зарядки аккумуляторов LiPo, но, вероятно, одним из самых быстрых из доступных для любителей. Она позволяет обслуживать заряжать несколько пакетов одновременно, а не один за другим. Но делается это на свой страх и риск.

Зарядка 1S литий-полимерных аккумуляторов

Зарядка крошечных батарей 1S может быть немного иной, чем больших пакетов. Может показаться удобным обслуживать аккумуляторы 1S, используя параллельную плату и просто комбинируя их в одну большую батарею. Но лучшее и более быстрое решение — это самостоятельно спаять кабель, соединяющий вместе несколько батарей. Потом их можно заряжать как один комплект 3S или 4S, или даже 6S.

Как измерить напряжение батареи LiPo

Для проверки напряжения в полете существует телеметрия, выводящая на экран FPV очков данные о текущих параметрах аккумулятора, потребляемом токе и напряжении в бортовой сети питания квадрокоптера.

В наземных условиях, при обслуживании батарей, важно проверить напряжение каждой ячейки LiPo, чтобы убедиться, что они примерно на одном уровне. Это можно сделать с помощью мультиметра, но гораздо удобнее иметь специальный тестер для литий-полимерных аккумуляторов.

Если какой-либо элемент имеет намного меньшее или большее напряжение, чем остальные ячейки, это указывает на проблему. Перед использованием нужно тщательно сбалансировать заряд аккумулятора и проверить все снова.

Рабочая температура

Аккумуляторы LiPo для квадрокоптеров лучше всего работают при температуре от 30 до 60 градусов по Цельсию. Холодная погода катастрофически сильно снижает производительность литий-полимерных батарей: резко падают скорость разряда и эффективная ёмкость. Зимой, как правило, сокращается время полёта, невозможно получить от двигателей максимальную отдачу, а кривая напряжения выглядит нелинейно.

Зимой обязательно убедитесь, что не забыли прогреть батарею перед полётом до 30–35 градусов для оптимальной работы. Самое простое — это положить её в карман, но можно приобрести специальный термобокс для хранения и переноски. Но помните, что большая жара тоже не слишком хороша для литий-полимерных аккумуляторов. При температуре более 60° они начинают раздуваться и могут даже загореться.

Максимальный допустимый разряд

Один из распространённых вопросов от новичков: «Когда я должен приземлиться?» Правильное решение — всегда следить за напряжением аккумуляторов, а когда оно достигает уровня 3,5 – 3,6 вольт на ячейку, сразу приземляться. Для литий-полимерных батарей разряд нежелателен и даже опасен. Лучше завершить полет до того, как напряжение достигнет критического уровня.

Дело в том, что напряжение аккумуляторов не падает линейно по мере расхода энергии, а начинает резко снижаться при достижении отметки 3,5–3,6 В на элемент LiPo. Если вы ещё не приземлились, то рискуете чрезмерно разрядить батарею. Это вызывает в ней внутренние повреждения и сокращают срок службы.

Правильное хранение батарей

Если вы решили не использовать батарею LiPo в течение длительного периода времени, например, неделю или больше, вы должны:

• Хранить батарею заряженной до 3,8–3,85 В.

• Пользоваться специальной сумкой для хранения LiPo.

• Хранить при комнатной температуре.

Если литий-полимерная батарея заряжена на 3,8 – 3,85 вольт, что составляет приблизительно 40 – 50 процентов от номинала — это наиболее стабильное состояние для хранения. Именно поэтому все вновь купленные аккумуляторы приходят к потребителям из магазина именно такими.

Срок жизни батарей

Аккумуляторы LiPo имеют ограниченный срок службы. Каждый раз, когда вы их заряжаете и разряжаете, этот срок уменьшается на один цикл. Батареи для гоночных квадрокоптеров, как правило, эксплуатируются в жёстких режимах. Поэтому они довольно быстро начинают терять ёмкость и повышается внутреннее сопротивления.

Говорят, что батарея LiPo может быть использована более чем 300 циклов при правильном обращении, но в действительности это число меньше примерно на треть. Не всегда, но очень часто уже к началу этого срока они становятся сильно раздутыми и не могут удерживать более 80% номинальной ёмкости.