Как выбрать аккумулятор для дрона?

Хорошая батарея для беспилотника состоит из ячеек с высокой плотностью энергии и минимальным внутренним сопротивлением, способных выдерживать значительные токовые нагрузки, поэтому:

• обеспечивает стабильное питание двигателей и достаточное время полета летательного аппарата;
• не перегревается при эксплуатационных нагрузках;
• имеет приемлемые размеры и массу.

Батарея обязательно должна соответствовать требованиям конкретного дрона. Например, для долголетов и дальнолетов первостепенное значение имеет емкость АКБ, а для гоночных моделей и быстрых маневренных полетов – обеспечиваемый уровень токоотдачи. Рекомендуемые значения напряжения и емкости, размеров и массы АКБ для конкретной модели беспилотника можно посмотреть в руководстве пользователя или на сайте производителя.

Кроме рабочих параметров, важную роль играет химический состав аккумуляторов. Для автономного питания БПЛА подходят высокотоковые батареи Li-ion и Li-Po – способные при компактных размерах и легком весе предоставлять солидный запас энергии, быстро заряжаться и обеспечивать стабильное питание нагрузки. Далее мы сравним их технические особенности, сопоставим плюсы и минусы.

Сравнение Li-ion и Li-Pol батарей

Высокотоковые Li-ion аккумы и модели Li-Pol оптимально подходят для оснащения дронов, т.к. имеют высокую удельную энергоемкость и обеспечивают достаточно большие разрядные токи. Именно такие батареи нужны беспилотникам: небольшие и легкие, но в то же время емкие и мощные, долговечные и стойкие к перегреву при интенсивной токоотдаче. К тому же, они просты в применении, лишены эффекта памяти, имеют небольшой саморазряд.

По эксплуатационным характеристикам литий-ионные и литий-полимерные АКБ схожи:

• номинальное напряжение 3,6 или 3,7 В на ячейку;
• диапазон рабочих напряжений – от 2,8–3 до 4,2 В на ячейку;
• незначительный саморазряд;
• плотность энергии – до 200 Вт·ч/кг;
• большие разрядные токи (по этому параметру LiPo обычно выигрывают);
• стабильное напряжение при разряде, без значительных просадок;
• возможность быстрой подзарядки;
• диапазон допустимых температур при эксплуатации от -20 до +60 °С, хотя лучше придерживаться серединных значений этого промежутка – от 0 до +30 °С, тогда АКБ будет работать эффективнее и дольше;
• ресурс 500–1000 циклов и более;
• обязательное оснащение интегрированной защитной платой – чтобы ограничивать предельные токи, поддерживать безопасный диапазон напряжений, не допускать перезаряда, критического разряда, перегрева и других опасных состояний;
• ухудшение рабочих параметров на морозе;
• склонность к «старению» – постепенное снижение характеристик при долгом хранении.

Аккумуляторы Li-ion имеют жесткий корпус и стандартизированные типоразмеры. Например, среди них популярны цилиндрические ячейки форм-факторов 18650 и 21700. Батареи необходимого вольтажа, емкости и мощности собирают из одинаковых ячеек, соединяя их последовательно, параллельно или комбинированным методом.

Аккумуляторы Li-Polymer производятся в мягкой защитной оболочке, могут иметь всевозможные размеры и толщину от 1 мм. Отсутствие жесткого металлического корпуса позволяет собрать максимально легкую батарею, но делает ее более уязвимой к механическим повреждениям. Необходимую защиту обеспечивает защитный корпус самой батареи, который должен быть прочным и легким.

Какие аккумуляторы выбрать?

Какой технологии отдать предпочтение – Li-ion или Li-Polymer – зависит от ваших предпочтений, размеров предназначенного для них отсека, условий и стиля полета, размеров беспилотника. Обычно литий-полимерные аккумы используют в ситуациях, когда нужно по максимуму занять пространство батарейного отсека за счет плотного размещения «пакетов» подходящего размера в составе АКБ. В остальных случаях отличную альтернативу им составляют высокотоковые литий-ионные «банки».

Независимо от того, какой вид аккумуляторов для дронов вы выберете – Li-ion или Li-Pol – батарея должна подходить конкретному БПЛА по всем параметрам: размерам, массе, емкости, вольтажу, допустимым токовым нагрузкам. Для увеличения емкостного запаса и уровня обеспечиваемой токоотдачи ячейки соединяют параллельно, а для суммирования напряжения – последовательно. Конечно, при этом увеличиваются и габариты, и вес АКБ.

Для FPV дронов, РУ самолетов и подобных им устройств особенно важно найти баланс между достаточным запасом емкости с одной стороны и приемлемыми габаритами и массой с другой. Установка слишком крупной и тяжелой батареи негативно отразится на маневренности, стабильности и производительности квадрокоптера. С другой стороны, накопитель энергии с недостаточными рабочими параметрами не позволит дрону раскрыть свой технический потенциал.

Напряжение батареи должно соответствовать вольтажу двигателей и напрямую влияет на летные характеристики дрона. Небольшой запас напряжения приветствуется, т.к. более мощная батарея повышает производительность беспилотника и увеличивает время полета. Мощностью или энерговооруженностью батареи называют произведение ее емкости и напряжения, измеряемое в ватт-часах. Также убедитесь, что выбранная АКБ подходит конкретному БПЛА по токам разряда и сможет обеспечивать ему необходимое питание, не перегреваясь при этом. Если дрон имеет аккумуляторный отсек, батарея должна соответствовать его параметрам.

Время полета

Автономность беспилотников зависит не только от характеристик бортовых аккумуляторов, но и от размеров самих дронов, их полезной нагрузки, мощности двигателей, погоды и других факторов. В среднем коммерческие дроны летают без замены батареи 15–20 минут, профессиональные – до 35, игрушечные – до 10, самодельные – до 97 минут.

Например, автономность моделей DJI Mavic мини 2 и DJI Mavic 2 Зум составляет около получаса. Использовать аккумуляторные БПЛА дольше помогают запасные АКБ, а разряженные блоки в полевых условиях удобно заряжать от специальных зарядных станций. Немного увеличить время полета позволяет также использование более емких батарей. Например, дрон DJI Mavic Air 2, оснащенный батареей на 3000 мАч, летает в среднем 20–25 минут, а если увеличить емкость АКБ до 4500 мАч, автономность возрастет до 30–35 минут.

Кроме того, для рационального расходования заряда АКБ и продления полетов рекомендуется:

• не утяжелять БПЛА лишним навесным оборудованием и перевозимыми грузами;
• летать при температуре от 0 до 35 °С;
• не совершать полеты против ветра;
• перемещаться плавно, в неагрессивном стиле, без рывков, резких изменений нагрузки и работы на полную мощь.

Схемы сборки

В продаже есть модельные Li-Po батареи с разными характеристиками, например, емкостью 1100, 1300, 1500, 2250, 3300, 5100, 6700, 7100, 9500 mAh. В таких сборках ячейки-пакеты соединены последовательно для набора нужного напряжения, а емкость батареи равна емкости каждого «пакета». Для примера в таблице приведены характеристики литий-полимерных аккумуляторов Lynsa разных конфигураций:

Литий-ионные батареи для беспилотных ЛА и РУ моделей обычно собирают по смешанной схеме, например, 3S2P – для получения напряжения 22,2 В, емкости 12600–19800 мАч и токоотдачи 2С–10С, в зависимости от параметров выбранных ячеек. Современные высокотоковые ячейки позволяют создавать Li-ion сборки с отличными характеристиками, тесно конкурирующие с модельными LiPo батареями.

Ранее в блоге VirtusTec.ru вышла статья о том, как собирают батарею для моноколеса.