Аккумуляторная батарея — это устройство, которое накапливает электрическую энергию в химической форме и отдаёт её при необходимости. Обычно она состоит из одного или нескольких электрохимических элементов, объединённых в единый прибор, который способен заряжаться, хранить и отдавать энергию.
Аккумуляторные батареи (АКБ) широко используются в различных областях, от портативной электроники до электромобилей. Важно понимать их характеристики, особенности эксплуатации и правила обращения для обеспечения долгосрочной и безопасной работы.
Некоторые виды АКБ:
- Никель-кадмиевая батарея (NiCd)
- Никель-металлгидридные аккумуляторы (NiMH)
- Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
- Литий-ионный полимерный аккумулятор (LiPo)
- Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4)
Сравнительная таблица аккумуляторных батарей
Для применения FPV Дронов в основном используют Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) и Литий-ионный полимерный аккумулятор (LiPo, Li-Polymer)
Главное отличие Li-Pol моделей от Li-ion аналогов состоит в типе применяемого электролита. При производстве накопителей энергии категории Li-ion катод и анод разделяют пористым сепаратором. В его порах содержится жидкий электролит. У элементов питания категории Li-Pol роль электролита выполняет полимер с токопроводящими добавками.
По принципу работы Li-Po и Li-ion аккумуляторы идентичны. Заряд переносят ионы лития, которые перемещаются от катода к аноду и обратно, внедряясь в молекулярную структуру материалов. При зарядке элементов питания ионы Li+ переходят от катода к аноду, а при разрядке – в обратном направлении. Проводящей средой для ионов Li+ служит полимер с включенными в его состав добавками из солей лития. Напряжение Li-Po ячеек в разряженном состоянии составляет от 2,7 до 3 В, а в заряженном – достигает 4,2 В.
Основой для производства Li-Polymer аккумуляторов стали полимеры, которые при внедрении в их структуру ионов электролита переходят в полупроводниковое состояние с многократным возрастанием проводимости.
Ученым удалось создать несколько групп LiPO-аккумуляторов с разным составом электролита:
- С сухим полимером – такие модели производятся с применением полиэтиленоксида и солей лития.
- С мелкопористой полимерной матрицей – в нее внедряются неводные растворы солей лития.
- С гомогенным электролитом в форме геля – создаются путем встраивания в полимерную структуру солей лития.
Характерным отличием Li-Polymer батарей является гибкая форма и мягкая оболочка вместо жесткого корпуса. Эта особенность обеспечивает элементам питания более легкий вес – на 20% по сравнению с Li-ion аналогами.
Экспериментируя с используемыми материалами катода, анода и электролита, ученые добились повышения плотности тока и увеличения температурного диапазона Li-Po ячеек. У разных брендов технологии изготовления Li-Po аккумуляторов. Поэтому и характеристики элементов питания отличаются.
В зависимости от допустимых разрядных токов Li-Po батареи делятся на 2 группы:
- Обычные – с разрядными токами до 3–5С. Такие устройства применяются в смартфонах, планшетах, других видах электроники и бытовой технике.
- Быстроразрядные или силовые (обозначение Hi discharge, LiPoHV/High Voltage Li-Po/LiPo HV, HC или HD в маркировке) – устройства с допустимым током разряда до 8–10С. Они применяются в радиоуправляемых моделях, портативном электроинструменте, электромобилях и других устройствах, которым нужны большие разрядные токи.
Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion) – тип электрического аккумулятора, который широко распространен в современной бытовой электронной технике и находит в ней применение в качестве источника энергии в электромобилях, накопителях энергии в энергетических системах.
Преимущества Li-Ion АКБ:
- высокая энергетическая плотность (емкость);
- низкий саморазряд;
- высокая токоотдача;
- большое число циклов заряд-разряд;
- не требуют обслуживания.
Недостатки Li-Ion АКБ:
- при перезаряде, несоблюдении условий заряда или при механическом
- повреждении часто бывают чрезвычайно огнеопасными;
- потеря емкости на холоде.
Особенности:
- Напряжение: 3.6-3.7 В.
- Высокая плотность энергии, отсутствие эффекта памяти.
- Более чувствительны к перезарядке и глубокому разряду.
Эксплуатация:
- Температурный диапазон: 0 до 45 °C (время работы при высоких температурах снижается).
- Широко используются в мобильных телефонах, ноутбуках, электроинструментах.
Зарядка и хранение:
- Необходимо использовать специальные зарядные устройства с защитой от перегрева и перезаряда.
- Хранить в прохладном месте, с уровнем заряда 40-60%.
Литий-полимерный аккумулятор (Li-Po)
Литий-полимерный аккумулятор (Li-Po) – это усовершенствованная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал.
Преимущества Li-Po АКБ:
- большая плотность энергии на единицу массы;
- низкий саморазряд;
- возможность получать очень гибкие формы;
- незначительный перепад напряжения по мере разряда;
- широкий диапазон рабочих температур от -20 до +40 °С.
Недостатки Li-Po АКБ:
- пожароопасные при перезаряде и/или перегреве.
- требуют специальных алгоритмов зарядки (зарядных устройств);
- количество рабочих циклов 800 - 900, при разрядных токах в 2А до потери емкости в 20 %.
Литий-ионный полимерный аккумулятор (LiPo, Li-Polymer) и LiPo высокого напряжения (LiPoHV, HighVoltageLi-Po, LiPoHV)
Особенности:
- Напряжение: 3.7 В.
- Более легкие и тонкие по сравнению с Li-ion, гибкие формы.
- Ученые работают над повышением безопасности, так как существует риск возгорания при повреждении.
Эксплуатация:
- Температурный диапазон: -20 до +60 °C.
- Применяются в дронов, моделях RC, мобильных устройствах.
Зарядка и хранение:
- Использование специализированных зарядных устройств с балансировкой.
- Хранить в безопасном месте, предпочтительно при 40-60% заряда.
LiHV
LiHV (так же встречаются названия: LiPoHV/High Voltage Li-Po/LiPo HV) - это разновидность обычной литий-полимерной АКБ, где аббревиатура HV означает «High Voltage или Высокое Напряжение». По сравнению с обычными LiPo АКБ, LiHV имеют увеличенную энергоёмкость, и такие аккумуляторы можно безопасно заряжать до напряжения 4.35В на банку.
Преимущества:
- При одинаковой ёмкости меньше и легче
- Обеспечивают большую динамичность радиоуправляемой модели
- Более продолжительное время работы
- Меньшая просадка напряжения на максимальных режимах работы
По сравнению с обычными LiPo, LiHV АКБ не дают заметной прибавки в продолжительности полёта. Однако, всё меняется, если речь заходит о выборе питания для FPV очков/шлемов/Аппаратуры управления. Здесь преимущество LiHV в продолжительности работы очевидно и неоспоримо.
Для зарядки LiHV рекомендуется использовать зарядные устройства, которые поддерживают зарядку таких батарей.
Не рекомендуется заряжать LiPo аккумуляторы совместно с аккумуляторами LiHV, так как это тоже может привести к возгоранию обычных LiPo.
Основными характеристиками аккумуляторов
Основными характеристиками аккумуляторов являются:
- Напряжение;
- Емкость;
- Токоотдача;
- Количество и способ соединения элементов в аккумуляторе.
1. Напряжение – все литий-полимерные батареи для достижения необходимого напряжения формируются из последовательно соединенных одиночных ячеек, конструктивно объединенных в блоки. Номинальное напряжение каждой ячейки 3,7 В (4,2 В при полном заряде). Это означает, что в нашем примере номинальное напряжение составит 3×3,7 = 11,1 В и может достигнуть 3×4,2 = 12,6 В при полном заряде.
Обычно при упоминании литий-полимерной АКБ ссылаются не на напряжение аккумулятора, а на количество элементов (банок) в аккумуляторе или на количество «S»:
1S = 1 cell (1-баночный аккумулятор) = 3.7В
2S = 2 cells (2-баночный аккумулятор) = 7.4В
3S = 3 cells (3-баночный аккумулятор) = 11.1В
4S = 4 cells (4-баночный аккумулятор) = 14.8В
5S = 5 cells (5-баночный аккумулятор) = 18.5В
6S = 6 cells (6-баночный аккумулятор) = 22.2В
2. Емкость – это вместимость аккумулятора, измеряется в ампер-часах или миллиампер-часах.
Пример 1: Батарея емкостью 1000 мАч говорит о том, что она будет отдавать в нагрузку ток, равный 1000 мА или 1 А в течение часа. Время разряда напрямую зависит от силы тока в цепи, если к такой батарее подключить лампочку, которая потребляет 100 мА или 0.1 А, то она будет светить 10 часов и, наоборот, – если подключить мотор, который потребляет 6 А, то этого аккумулятора хватит всего на 10 минут работы такого мотора.
Пример 2: Для 2000 мАч Lipo аккумулятора процесс полной разрядки займет час, если вы будете разряжать его в постоянном режиме силой тока 2А. Если текущее потребление удвоить до 4А, продолжительность уменьшится вдвое (2/4 = 0.5). Если вы увеличите силу потребляемого тока до 40А в безостановочном режиме, то на полный разряд такого АКБ уйдёт всего 3 минуты (2/40 = 1/20 часа).
Увеличение ёмкости аккумулятора приводит к увеличению время полёта, но с увеличением ёмкости также увеличиваются вес и физические размеры АКБ. В таком случае необходимо искать компромисс между мощностью и весом, которые в свою очередь влияют на время полёта и маневренность дрона. Помимо всего прочего, более высокая ёмкость предопределяет более высокий ток разряда
3. Токоотдача или С-рейтинг – это допустимая скорость разряда данного аккумулятора, на батареях или одиночных элементах. Она обозначается «число и буква С», это указывает на то, что данная батарея может отдать всю накопленную энергию за время, которое определяется, как один час разделить на число перед «С».мС помощью этой величины можно рассчитать теоретический безопасный постоянный ток разряда (отдачи) LiPo батареи.
Максимальный ток отдачи = С-рейтинг х Емкость / 1000.
Если вы собираете дрон для скоростных полётов (раб. диапазон стика газа более 50%), то будет лучшим выбирать АКБ с большим С-рейтингом по сравнению с расчётным.
На пример: батареи 6000 мАч, 100С. Максимальный ток отдачи равен: 6000*100/1000=600 А.
Значит к этому аккумуляторы без опаски можно подключить потребление до 600А. Для сравнения, дрон 7" потребляет максимум 55 А.
4. Количество и способ соединения элементов в Li-Po аккумуляторе. Элементы аккумулятора называются ячейками или банками. Номинальное напряжение одной банки Li-Po аккумулятора равно 3,7 В. Для получения более высокого напряжения их соединяют последовательно, а для увеличения емкости – параллельно. Порядок подключения банок в батарее определяют символы S – последовательное подключение; Р – параллельное подключение.
4S (последовательно)
4S (последовательно) 3P(параллельно)
4S (последовательно) 2P(параллельно)
Уровень напряжения в зависимости от количества элементов
Расчет параметров LiPo аккумуляторов и энергопотребления дрона
1. Номинальное напряжение батареи
Формула (тут все очень просто- умножаем напряжение одного элемента на их количество):
V_bat_nominal = LiPoCellVolt * N_series
Где:
- V_bat_nominal — номинальное напряжение батареи (В),
- LiPoCellVolt — напряжение одного элемента LiPo (3.7 В),
- N_series — количество последовательных элементов.
Пример для 6S LiPo:
V_bat_nominal = 3.7 * 6 = 22.2 В
2. Расчет времени полета
Формула:
t_flight = (Q / I_flying_load) * 60
Где:
- t_flight — время полета (минуты),
- Q — емкость батареи (мАч),
- I_flying_load — ток потребления (мА).
Пример:
Q = 5000 мАч
I_flying_load = 10000 мА
t_flight = (5000 / 10000) * 60 = 30 минут
Для точных расчетов используйте реальные замеры
Всегда учитывайте запас 20-30%:
- На износ батареи
- Влияние ветра
- Возможные маневры
- При проектировании берите максимальные значения тока
3. Максимальный ток системы (I_max_full_load)
Это абсолютный максимум, который может потреблять дрон, когда:
Все моторы работают на 100% мощности
Включено всё дополнительное оборудование
Формула:
I_max_full_load = I_other + (I_motor × N_motors)
Пример:
Потребление электроники: 2А
Ток одного мотора на максимуме: 5А
Количество моторов: 4
I_max_full_load = 2 + (5 × 4) = 22А
4. Рабочий ток (I_flying_load)
Реальный ток в конкретном режиме полета, где:
L_flying - коэффициент, показывающий, какая часть от максимальной мощности используется
Формула:
I_flying_load = I_max_full_load × L_flying
Пример (крейсерский режим):
L_flying = 0.5 (50% мощности)
I_flying_load = 22 × 0.5 = 11А
Шкала коэффициента нагрузки:
5. Расчет количества аккумуляторов
Формула:
N_bat_req = ceil(I_max_full_load / (Q * C_rate))
Где:
- N_bat_req — требуемое количество батарей,
- Q — емкость одной батареи (А·ч),
- C_rate — допустимая скорость разряда (например, 10 для 10C),
- ceil — округление вверх.
Пример:
I_max_full_load = 22 А, Q = 5 А·ч, C_rate = 10
N_bat_req = ceil(22 / (5 * 10)) = 1
6. Максимальная мощность дрона
Формула:
W_max = I_max_full_load * V_bat_nominal
Пример:
I_max_full_load = 22 А, V_bat_nominal = 22.2 В
W_max = 22 * 22.2 = 488.4 Вт
7. Ток потребления через мощность
Формула:
I_flying_load = P / V
Пример:
P = 200 Вт, V = 22.2 В
I_flying_load = 200 / 22.2 ≈ 9 А
8. Определение тока Iflying load
Способ 1: Через мощность
I_flying_load = P / V
Пример:
P = 200 Вт, V = 22.2 В → I ≈ 9 А
Способ 2: Через ток двигателей
I_flying_load = I_motor * N_motors * L_flying
Пример:
I_motor = 5 А, N_motors = 4, L_flying = 0.5 → I = 10 А
9. Расчет тока потребления дрона Iflying loadIflying load (мА)
Ток потребления дрона в полете можно определить несколькими способами. Рассмотрим каждый подробно.
1. Расчет через мощность (если известна потребляемая мощность)
Формула:
I_flying_load (A) = P (Вт) / V (В)
Где:
- P - мощность, потребляемая дроном (Вт)
- V - напряжение батареи (В)
Пример расчета:
Дрон потребляет 250 Вт при использовании батареи 22.2 В (6S LiPo)
I_flying_load = 250 / 22.2 ≈ 11.26 А = 11260 мА
10. Расчет тока потребления дрона Iflying loadIflying load (мА)
Ток потребления дрона в полете можно определить несколькими способами. Рассмотрим каждый подробно.
2. Расчет через параметры двигателей
Формула:
I_flying_load (A) = I_motor × N_motors × L_flying
Где:
- I_motor - ток одного двигателя (А)
- N_motors - количество двигателей
- L_flying - коэффициент нагрузки (0.3-1.0)
Пример расчета:
Квадрокоптер с 4 моторами, каждый потребляет 6 А при 50% тяги
I_flying_load = 6 × 4 × 0.5 = 12 А = 12000 мА
3. Практическое измерение (наиболее точный метод)
Рекомендуемые инструменты:
1. Токоизмерительные клещи
2. Мультиметр в режиме амперметра
3. Телеметрия полетного контроллера
Пример: При замере в режиме висения получено 8 А
I_flying_load = 8 А = 8000 мА
4. Оценочный расчет через тяговые характеристики
Формула:
I_flying_load (A) = (Total_thrust / Thrust_per_A) × L_flying
Где:
- Total_thrust - суммарная тяга (г)
- Thrust_per_A - тяга на 1 А (г/А)
- L_flying - коэффициент нагрузки
Пример:
4 мотора по 500 г тяги при 5 А каждый, нагрузка 50%
I_flying_load = (2000 / 100) × 0.5 = 10 А = 10000 мА
11. Расчет потребляемой мощности дрона (P)
Мощность дрона в ваттах (P) можно определить несколькими способами:
Через напряжение и ток (основной метод)
Формула:
P (Вт) = V (В) × I (А)
Где:
- V - напряжение батареи (измеряется вольтметром)
- I - общий ток потребления (измеряется амперметром)
Пример:
При полете дрон показывает:
Напряжение: 22.2 В (6S LiPo)
Ток: 15 А
P = 22.2 × 15 = 333 Вт
Через тягу двигателей
Формула:
P (Вт) = (Тяга (г) / Удельная тяга (г/Вт)) × КПД
Где:
- Удельная тяга - берется из характеристик двигателя (обычно 3-10 г/Вт)
- КПД системы - обычно 0.7-0.9
Пример:
4 мотора суммарной тягой 2000 г, удельная тяга 5 г/Вт:
P = (2000 / 5) × 1.1 ≈ 440 Вт
(Коэффициент 1.1 учитывает потери)
Через энергопотребление компонентов
Составляющие:
1. Мощность моторов:
P_motors = I_motors × V
2. Мощность электроники:
P_elec = I_elec × V (обычно 5-20 Вт)
3. Мощность дополнительного оборудования (камеры, подсветка)
Пример:
Моторы: 14 А × 22.2 В = 310.8 Вт
Электроника: 0.5 А × 22.2 В = 11.1 Вт
P_total = 310.8 + 11.1 ≈ 322 Вт
Практические методы измерения
1. Использование ваттметра - самый точный способ
2. Логгирование полетного контроллера (если поддерживается)
3. Расчет по времени разряда батареи:
P = (Ёмкость (А·ч) × Напряжение (В)) / Время полета (ч)
Пример:
Батарея 5 А·ч (22.2 В), время полета 15 мин (0.25 ч):
P = (5 × 22.2) / 0.25 = 444 Вт
Важные нюансы
1. Пиковая мощность может быть в 2-3 раза выше средней
2. При подъеме груза мощность увеличивается на 30-50%
3. В ветреную погоду потребление растет на 20-40%
4. Старые батареи дают на 10-20% меньше мощности
Маркировка АКБ
Основные разъёмы АКБ
Балансировочный разъём в основном используется для сбалансированной зарядки аккумуляторной батареи. Такая зарядка гарантирует равномерный заряд каждой банки АКБ. Количество проводов для балансного вывода зависит от количества банок АКБ, три провода имеет 2S батарея, четыре - 3S и так далее.
Внутреннее сопротивление
Внутреннее сопротивление (IR - Internal Resistance) определяет качество LiPo батареи. Чем ниже значение, тем лучше. Более высокое внутреннее сопротивление уменьшает максимальный ток выдаваемый LiPo и увеличивает момент просадки напряжения. В результате большая часть энергии расходуется впустую высвобождаясь в виде тепла, что в итоге способствует перегреву АКБ.
- Внутреннее сопротивление LiPo батареи увеличивается в ходе эксплуатации, а сам процесс неизбежен и необратим. Именно поэтому со временем АКБ перестают выдавать былой потенциал, что в свою очередь отражается на динамичности полёта дрона.
- Значение IR будет разным для каждой отдельно взятой банки LiPo батареи. Самое высокое значение и будет ограничивать её эффективность.
- Большой разброс между значениями каждой банки указывает на её плохое состояние, а наименьший на хорошее.
- Измерить внутреннее сопротивление можно как посредством специальных пользовательских инструментов - тестеров (например: YR1035), так и посредством некоторых зарядных устройств имеющих функцию измерения внутреннего сопротивления (например: ISDT Q6 Pro/Plus).
Для типового 1200-1300 мАч аккумулятора для дрона значение ВС в 10mΩ и менее — отличный показатель, от 10mΩ до 20mΩ — нормальный, выше 20mΩ — так себе. Чем меньше емкость ячейки, тем большее ВС считается нормой и наоборот. Число ячеек значения не имеет, только емкость.
Разряжение АКБ
Критический уровень разряжения АКБ
Порядок зарядки Li-Po аккумуляторов
Для заряда Li-Po аккумуляторов, состоящих из нескольких ячеек, необходимо применять специальные зарядные устройства, обеспечивающие равномерный заряд ячеек.
Особенность этого зарядного устройства в том, что оно умеет делать балансировку ячеек аккумулятора – аккумулятор подключается к нему не только силовым разъемом, но и дополнительным балансировочным разъемом, на который выведены все ячейки по отдельности.
Основные режимы зарядки:
- Прямой/Быстрый заряд (Direct charge/Fast charge) - в данном случае зарядка батареи осуществляется только посредством основного/разрядного провода, что исключает возможность зарядного устройства контролировать напряжение каждой банки на протяжении всего зарядного процесса.
- Балансная зарядка (Balance charge) - в данном случае батарея подключается к ЗУ посредством основного/разрядного и балансировочного проводов, что позволяет зарядному устройству контролировать напряжение каждой банки и осуществлять их зарядку по отдельности, поддерживая на протяжении всего процесса равное напряжение.
- Зарядка до режима хранения (Storage charge) - в данном случае ЗУ доводит напряжение каждой банки АКБ до 3.8-3.85В, что позволяет осуществлять бережное хранение.
- Разрядка (Discharge) - в данном случае зарядное устройство осуществит медленную разрядку АКБ (характеризуется крайне медленным процессом разряда, ещё медленнее чем зарядка).
Балансная зарядка
Балансная зарядка (Balance charge) - в данном случае батарея подключается к ЗУ посредством основного/разрядного и балансировочного проводов, что позволяет зарядному устройству контролировать напряжение каждой банки и осуществлять их зарядку по отдельности, поддерживая на протяжении всего процесса равное напряжение.
Рекомендации по ТБ:
- Не допускать перезаряда – выше 4,2 В на элемент. Несмотря на то, что ЗУ отслеживает и не допускает факт перезаряда, рекомендуется регулярно проверять текущее напряжение батареи посредством вольтметра;
- Избегать короткого замыкания;
- Не допускать перегрева выше 60 °С, в т.ч. При заряде или разряде высокими токами;
- Не оставлять элементы питания под воздействием прямых солнечных лучей, возле отопительных приборов или открытых источников огня;
- Не нарушать герметичность оболочки;
- Не разряжать ниже 3 В на элемент;
- Не подвергать ударам, прокалыванию и другим механическим воздействиям;
- Не хранить в разряженном состоянии;
- Заряжать, не дожидаясь полной разрядки;
- После использования на морозе – выдерживать пару часов при комнатной температуре, а затем заряжать;
- Хранить в полузаряженном состоянии в прохладном сухом месте, в стороне от тепловых приборов;
- Рекомендуется заряжать батарею током 1C или меньше (см. раздел выше «С-рейтинг заряда»);
- Не заряжайте батарею сразу после использования, подождите, пока она полностью остынет;
- Проверяйте соответствие настроек ЗУ с заряжаемой АКБ (например сверяйте: количество банок «S»);
- Никогда не используйте и не заряжайте поврежденную батарею - не заряжайте её, если она вздулась или имеет другие видимые признаки повреждения;
- Отключение АКБ от зарядного устройства должно осуществляться путём непосредственного захвата за сам разъём/коннектор. Другими словами, не стоит для отключения тянуть за провода или за батарею, так как это может привести к отрыву питающих/балансировочных проводов от коннектора/ов в местах пайки, что впоследствии может привести к короткому замыканию АКБ с последующим возгоранием.
Порядок зарядки Li-Po аккумуляторов
Производители Li-Po батарей при отправке партии аккумуляторов с завода распространителям не знают, насколько быстро каждый конкретный АКБ окажется у потребителя; поэтому аккумуляторы поставляются в специальном режиме хранения, который позволяет им не терять своих свойств и не приводит к деградации батарей.
Для того, чтобы вывести АКБ из этого состояния и привести её к пику возможностей, рекомендуется после покупки/получения аккумулятора провести цикл заряде-разряда АКБ.
При этом батарея заряжается до полной (4.2/4.35 В) и разряжается до плато (рабочее напряжение при котором АКБ просаживается дольше всего и при этом хорошо себя «чувствует»; обычно это 3.6-3.7В)
Так повторяется несколько раз. Обычно трёх раз бывает достаточно.
Чаще всего при неисправности батареи выходит из строя не вся сборка, а один или пара из элементов.
Благодаря строению литий-полимерного аккумулятора мы физически можем исключить из цепи повреждённый элемент.
При этом исходные параметры АКБ у нас изменятся, но сам аккумулятор продолжит своё функционирование.
Например, из 4S батареи мы можем сделать 2S.