Главная » В деталях » Подробное руководство по LiPo аккумуляторным батареям

Подробное руководство по LiPo аккумуляторным батареям

Литий полимерные аккумуляторные батареи (LiPo) известны уже довольно много лет и в сегменте квадрокоптеров без них уже никуда, ничего нового, такого же эффективного источника энергии пока инженеры предложить нам не могут, во всяком случае массово. Если вы читаете это, то значит уже достаточно близко знакомы с такими батареями, в той или иной степени. Сегодня их используют в различных электронных гаджетах, телефонах, ноутбуках, планшетах и конечно же в беспилотных летательных аппаратах. На основе лития существует несколько типов батарей, но для квадрокоптеров самыми эффективными на сегодня являются LiPo благодаря их малому весу и характеристикам.

Батарея может состоять из одной ячейки (банки), выдавать 100 мАч и стоить пару долларов, которой будет вполне достаточно для такого микро дрона как Nano Proto X, или же быть о 6-ти ячейках с общей емкостью уже 22000 мАч, способной поднять в воздух большой квадрокоптер, весом более 1 килограмма и стоить уже сотню долларов. Если вы летали на любом DJI Phantom, то одна его батарея это всего лишь 10% от его общей стоимости, т.е. около 100$ при общей цене в 1000$. Так вот неправильный и неразумный подход к выбору батареи для квадрокоптера может привести к, казалось бы, небольшому сбою, который, случившись на высоте всего лишь 100 м., приведет к отказу электромоторов и к падению дрона на жесткую землю или еще хуже на асфальт. И ваш аппарат стоимостью несколько десятков тысяч рублей разлетится в дребезги из-за детальки, на которой вы решили сэкономить и не заменили ее вовремя.



Кроилово ведет к попадалову

Радует то, что наука не стоит на месте и с каждым годом автономные источники питания, такие как аккумуляторные батареи, совершенствуются и уже не за горами двойное или тройное увеличение емкости без потерь в весе или размере. Ну и надежность и отказоустойчивость тоже постепенно улучшается.

NiCad и NiMH батареи

До недавнего времени в качестве аккумуляторных батарей массово были распространены никель-кадмиевые (NiCd), а чуть позже и никель-металлогидридные (NiMH). Они исправно выполняли свои функции и кое где до сих пор работают. И в них главное было правильное использование, обслуживание и хранение, т.к. все это напрямую влияло на их эффективность и срок службы. Их нельзя было оставлять на долгое время без использования, нельзя было дозаряжать и оба этих типа аккумуляторов страдали от постоянного внутреннего саморазряда.

NiCd батареи обычно теряли около 1% своего заряда каждый день, а с NiMH дело обстояло еще хуже, как вам потерять 10-20% заряда в первый день и потом еще по 4% в последующие дни. Новый тип NiMH аккумуляторов от Sanyo под названием LSD Eneloop меньше подвержен саморазряду, но все же он имеет место быть, от этого никуда не деться.

А вот LiPo батареи если и саморазряжаются, то в гораздо меньших масштабах и это практически не заметно. Обычно можно оставить такую полностью заряженную (исправную конечно) батарею на полке на месяц и она, если и саморазрядится, то не более чем на 1 % от своей емкости. Теоретически, можно зарядит весь свой комплект аккумуляторов, оставить его на хранение и брать того, когда это нужно для полетов.

Так что все, что вы знали про NiCd и NiMH батареи нужно забыть или отложить, т.к. LiPo батареи требуют другого подхода в эксплуатации, обслуживании, хранении и зарядке. Все вы наверное слышали о потенциальной опасности, которая может исходить от этих батарей, при их неправильном использовании, да это факт, но если делать все правильно, никакой угрозы они представлять не будут и прослужат не один год. Кухонный нож ведь тоже предмет повышенной опасности, но мы же не переживаем, когда храним его дома и берем в руки, не надо просто им тыкать в людей. Так же и с литий полимерными аккумуляторами, используйте их правильно и все будут в безопасности.

В этом руководстве я расскажу вам как правильно эксплуатировать LiPo аккумуляторные батареи, чтобы ваши ожидания и вложения в них оправдались. Вы посмотрите как выжать из них 200 циклов заряд/разряд вместо 50. И давайте представим, что вы только что купили себе новый квадрокоптер и к нему еще парочку запасных аккумуляторов. Стоило вам это, конечно, значительную сумму денег, особенно если речь идет от вещах с эмблемой DJI.

Обслуживание новой батареи для квадрокоптера

Если вы когда либо покупали новую LiPo аккумуляторную батарею и измеряли ее напряжение, то наверное заметили, что оно колеблется в пределах 3,8-3,85 В на ячейку. Это примерно равно 40% их емкости и это считается идеальным состоянием для длительного хранения такого типа батарей. Это официальная рекомендация всех производителей. Все новые батареи попадают магазины именно в таком состоянии. Я уверен, что большинство из вас, покупая новый мобильный телефон замечали, что его батарея заряжена не полностью. И теперь вы знаете почему.

И еще один немаловажный факт, заряжать новые батареи нужно аккуратно, не быстро, как минимум пару первых циклов. Заряжать нужно не быстрее чем «1С» (поговорим об этом обозначении чуть позже). Так же это относиться и к первым разрядкам. Кто то скажет, что это не так важно. Конечно, это не принесет серьезных проблем. Но все таки считается, что «обкатка» уж точно не повредит. Идея обкатки состоит в том, чтобы первые 1-2  полета не сажать батарею ниже 50% ее емкости. Так вы дадите внутренним химическим процессам устаканиться, что должно благотворно повлиять на срок службы аккумулятора. И после нескольких первых циклов заряда/разряда вы увидите небольшие увеличение эксплуатационных качеств новой батареи и этот как раз означает, что она пришла в норму, все приработалось и можно начинать ей пользоваться в обычном режиме.

Как заряжать LiPo аккумуляторы

Очень важно заряжать литий полимерные батареи только таким типом зарядного устройство, которое предназначено именно для LiPo ячеек. Сейчас все новые зарядники идут с системой балансировки (равномерный заряд), которая позволяет не только безопасно заряжать аккумуляторы, но и продляет их срок службы.

Заявленное напряжение типичной LiPo ячейки составляет от 3 до 4,2 В при полном заряде. Разряжать ячейку ниже чем 3В и заряжать выше 4,2В крайне не желательно, т.к. это приводит к необратимым изменениям и внутренним повреждениям. Если у вас универсальное зарядное устройство, всегда при зарядке выбирайте тип LiPo, т.к. эта функция не даст заряднику перезарядить батарею свыше 4,2В, при достижении этого значения он просто отключиться. Если же этого не сделать или проворонить напряжение по какой либо другой причине, то перезаряд приведет, во-первых, к вздутию ячеек, а затем и к их возгоранию. Так что будьте крайне внимательны во время процесса зарядки.

Станции зарядки

Современные аккумуляторные батареи, такие как устанавливаются на квадрокоптеры DJI Phantom 3 или 4 имеют такой форм-фактор, что ты их просто вставляешь в разъем, где они легко защелкиваются, и их не нужно подключать вручную проводами или как то еще по старинке. Для такого типа батарей есть, конечно, специальные зарядные станции, на которых заряжать аккумуляторы очень удобно.

Есть и зарядные станции, на которых можно заряжать сразу несколько батарей, что в принципе звучит очень хорошо. Но не все знают, что дешевые модели таких станций заряжают три аккумулятора в три раза больше, т.е. по сути время вы вообще не выигрываете.

Если же вам нужна качественная зарядная станция для аккумуляторов от вашего прожорливого квадрокоптера, то я бы рекомендовал поискать нечто подобное:

Это Spinido Battery Dock Intelligent Charging Hub, разработанный для зарядки аккумулятор от Phantom 2 и 3. Эта док станция может заряжать одновременно до 3-х аккумуляторных батарей, скорость зарядки идентична зарядки одной батареи. У этой станции даже есть прошивка и специальный порт для ее обновления, в случае если производитель самих аккумуляторов что-то поменяет в их настройках, т.к. вы наверное знаете, что у DJI все аккумуляторы считаются «умными» и они как бы сами следят за своим состоянием.

«C» рейтинг

Почти все литий полимерные аккумуляторные батареи, которые сейчас есть на рынке имеют маркировку «C». Буква «C» здесь означает емкость (Capacity), обозначающая с какой скоростью батарею можно разряжать, т.е. каким током (ток разряда). Саму же емкость обычно измеряют в мАч, а самая распространенная емкость ячейки сейчас это 2200 мАч. Что все это значит, давайте посмотрим на примере, рейтинг 20C означает: 2200 мАч 20C ячейка = 2,2A x 20 = 44A  ток постоянного разряда. Т.е. такую аккумуляторную батарею можно разряжать со скоростью, которая в 20 раз выше ее емкости в Амперах. Есть еще и обозначение «burst», которое позволяет в два раза превысить скорость разряда (пиковый ток разряда) без вреда для самого аккумулятора, но только на очень короткий промежуток времени, на несколько секунд.

Как избежать повреждений

Повредить аккумулятор очень легко, если не следовать его спецификациям. Для безопасного использования батареи лучше даже не приближаться к крайним значениям нагрузок. Вообще, чем выше «С» рейтинг, тем более качественной считается батарея, что для нашего с вами случая, а именно использования при больших нагрузках в квадрокоптерах, очень и очень важно. А нагрузки любой дрон дает такие, что не каждый аккумулятор может справиться. Высокое потребление энергии идет во время жестких и сложных маневров, когда электромоторы работают на пределе своих возможностей. И если вот такие маневры предпринимать слишком часто, батарея длительное время будет работать, не то что на пределе, а сверх своих пределов и очень быстро получит серьезные, невосполнимые повреждения. Сначала, как и полагается, она нагреется, эксплуатационные характеристики резко упадут, а если продолжить ее насиловать, то и до возгорания не далеко.

Хороший ли у вас LiPo аккумулятор?

А вот давайте и попробуем разобраться. Сразу скажу, что основная масса литий полимерных аккумуляторов сейчас идет из Китая и качеством они не отличаются. Этот «С» рейтинг по сути на таких батареях не говорит ни о чем. Что там наклеил производитель на заводе особо никто не разбирается. Через меня прошли уже куча таких батарей, которые не то чтобы соответствуют своим заявленным характеристикам, а даже близко к ним не приближаются. Мои качественные, оригинальные аккумуляторы с рейтингом 20С легко обходили по характеристикам китайские 45С! Так что тут, не то что на два надо делить, а как бы не на три. А как я уже говорил выше, сэкономите на аккумуляторе, ваш дорогой (или не очень) квадрокоптер может легко рухнуть с большой высоты.

Не гонитесь за дешевизной, но и не покупайте дорогие, т.к. «цена» не равно «качество». Нужно грамотно подходить к выбору, ну или по крайней мере, перед установкой батареи в квадрокоптер, проверить все ее характеристики, чтобы точно знать на что она способна, и сколько сможет протянуть в воздухе.

35С говоришь? Не верю!

За последний год протестировал больше сотни аккумуляторных батарей и ни одна из них не смогла превзойти рейтинг 35С, так что если производитель заявляет, что его батарейка может больше, есть повод сомневаться.

Сбалансированная аккумуляторная батарея

Баланс ячеек в батарее очень важен. Если сам аккумулятор используется правильно и не выходил за пределы нагрузок, то все его ячейки будут сбалансированными. Разбалансировка может произойти из-за чрезмерного разряда или перезаряда. Иногда бывает и заводской брак, конечно. Равномерная, сбалансированная зарядка позволит заряжать все ячейки в аккумуляторе равномерно.

Температура

Важно следить за температурой аккумулятора во время его зарядки. Если вы храните свои батареи при температуре ниже 0ºC (что в принципе само по себе не плохо), то заряжать их сразу после изъятия из места хранения категорически нельзя. Дайте им самостоятельно нагреться до комнатной температуры, а иначе велик риск возгорания.

Во время зарядки всегда проверяйте температуру батареи просто коснувшись рукой. Если заряжать в режиме 1С, то аккумуляторы не должны быть даже теплыми. Однако, я частенько заряжаю свои в режиме 3С, они конечно немного нагреваются, но не критично. Если же батарея во время зарядки нагревается через чур сильно, значит с ней что-то не то, и нужно срочно это дело прекратить.

После полетов на квадрокоптере, батареи, скорее всего будут, очень теплыми. Не ставьте их сразу на зарядку, дайте им немного охладиться в пассивном режиме.

Поврежденные ячейки (банки)

Никогда даже не пытайтесь заряжать аккумуляторы, которые повреждены, вздутые, со сколами или другими следами внешних повреждений. Их нужно обязательно утилизировать. Также не подзаряжайте полностью заряженные батареи, которые пролежали длительное время на хранении.

Никогда не оставляйте процесс зарядки без внимания!

Из вышепрочитанного все наверное уже поняли (а если не поняли, прочитайте еще раз), чтоб LiPo аккумуляторные батареи могут быть крайне опасной штукой, если что-то пойдет не так. Так вот, НИКОГДА не оставляется их без внимания во время зарядки. Даже если вы на 100% уверены в своем зарядном устройстве, не делайте этого. Можно конечно оставить их самих с собой где нибудь в поле, или в изолированном бункере, только не удивляйтесь если однажды случить что нибудь неприятное. Как говориться, «Дерьмо случается», время от времени.

Если не верите, то посмотрите видео с того же YouTube, где люди сжигали не только сами аккумуляторы, но и помещения, в которых они их заряжали. Так что это совсем не шуточки. Вот вам для примера один. Батарея, кстати говоря, была совсем не дешевая, от DJI Phantom, которые славятся своей надежности и «умностью», но как видите и с ними такое случается.

Ток заряда

Есть единогласное мнение специалистов, что заряжать литий полимерные батареи нужно в режиме 1С, т.е. для аккумулятора 2200 мАч ток зарядки не должен превышать 2,2А. Считается, что большие значения тока заряда вредят самой батареи. Но есть и другое мнение, которое я подтверждаю на протяжении уже пары лет. Я обычно заряжаю свои LiPo аккумуляторные батареи в 3С режиме, т.е. в 3 раза большим током. Никакой разницы на живучести самих батарей или их характеристиках замечено не было. Делал даже специальные сравнения с полевыми вылетами — разницы никакой.

Большинство аккумуляторов у меня заряжаются минут 20-30 и я на 99% уверен, что никакого вреда такой ток заряда им не приносит. Есть даже некоторые производители, заявляющие, что их батареи способны выдержать 5С или даже 8С, но…. Сверх большие токи приводят к заметному увеличению температуры аккумуляторов, а это уже совсем не хорошо и в итоге точно скажется на их сроке службы. Так что для меня стандарт это 3С.

Ток разряда

Чуть выше я уже объяснил, что означает рейтинг «C». Разряжать батарею током выше этого рейтинга нельзя, т.к. это приводит к внутренним изменениям, которые совсем не полезны для самой батареи. Но основная проблема большинства владельцев квадрокоптеров и их литий полимерных аккумуляторов в том, что они позволяют им (аккумуляторам) разряжаться «в ноль». Это приводит к непоправимым повреждениям и очень быстро изнашивает саму аккумуляторную батарею.

Наиболее важным фактором продления срока службы LiPo батареи является оставление приемлемого уровня заряда и игнорирование этого совета является самой распространенной причиной быстрого выхода из батарей строя. Даже если вы разрядите свой аккумулятор ниже 80% его изначальной емкости, это значительно снизит его срок службы. По результатам тестов было выявлено, что если в аккумуляторной батарее оставлять заряд в районе 40% (ну или чуть чуть ниже), то срок службы такой батареи будет в три раза выше чем той, что постоянно разряжают в ноль. Так что это ваши деньги. Хотите часто покупать новые аккумуляторы — продолжайте летать пока на запищит сигнал о почти полном разряде.

Аккумулятор, который очень часто разряжают ниже 80%, обычно служить около 50 циклов. Если же не давать емкости падать ниже этих значений или ниже 3,6В на ячейку, то вы сможете значительно продлить жизнь аккумулятору. Я стараюсь придерживаться этого правила и большинство моих аккумуляторных батарей спокойно ходят до 150 циклов заряда/разряда. Сам очень часто сталкиваюсь с людьми, которые фанатично следуют мифу, что заряжать батареи нужно очень медленно (даже ниже 1С), но при этом потом, во время полетов, сажают их почти до нуля. Парни, скорость заряда не так сильно губительно сказывается на аккумуляторах нежели факт их низкого (сверх рекомендуемого) разряда. Если уже очень хочется полетать подольше, оставляйте как минимум 20% емкости и все с вашими батареями будет отлично.

Рабочая температура

Литий полимерные аккумуляторы хорошо себя чувствуют будучи немного теплыми. Они нормально переносят температуру до 60ºC и не очень хорошо работают при низких температурах. Теплый аккумулятор — счастливый аккумулятор, но только до 60ºC, дальше уже вредно, наблюдается вздутие, разрыв оболочки, протечка электролита и т.п. нехорошие последствия. Холод тоже не хорошо, но это не так критично и опасно.

Теплый аккумулятор — счастливый аккумулятор

Если вы когда либо летали на квадрокоптере зимой, вы наверное замечали, как батареи не дают тех характеристик, которые они показывают летом. Особенно холодным зимним днем, напряжение может упасть настолько, что ESC (контроллер скорости), может словить отключение питания при большой нагрузке. А к чему это приведет, я думаю, объяснять не надо, сбор осколков по земле не очень приятное занятие.

Литий полимерные аккумуляторы предпочитают быть теплыми перед началом их использования. По моим наблюдениям, оптимальная рабочая температура для них зимой это 30-40C. Согрейте их в кармане, в рукаве или еще где непосредственно перед самим стартом.

Хранение

А вот тут я расскажу как дело обстоит на самом деле, на своем собственном опыте. Производители утверждают, что оптимальной «вилкой» температур для хранения LiPo аккумуляторных батарей является диапазон 5-27 С. И чем температура ниже в этом диапазоне, тем лучше.

Если переводить все на напряжение, то для длительного хранения в каждой ячейке (банке) должно быть 3,8-3,85В. Отличной идеей после дня полетов и перед, к примеру, недельным хранением, зарядить аккумуляторы до «напряжение хранения» (у всех современных зарядников есть такая функция). Однако, если вы вернулись «с полей» с уже полностью заряженными батареями, я бы рекомендовал их на разряжать, а поставить в таком состоянии на хранение при рекомендованной температуре, но только если вы собираетесь полетать снова на следующих выходных. Если таких планов нет, то их нужно разрядить до 40-60% (как я писал несколькими параграфами выше).

И дело тут в том, чтобы точно следовать вашим циклам заряда/разряда. Если вы летаете на квадрокоптере каждые выходные, то полностью заряженные батареи можно хранить всю неделю при температуре ближе к 5 С. Главное тут именно температура. По многолетнему опыту могу точно сказать, что аккумуляторы, заряженные на 100% и хранящиеся долгое время при завышенных (больше 27 С) температурах постепенно деградировали и теряли свою емкость.

Но лучше все таки после каждых полетов разряжать все аккумуляторы, возвращаться домой и ставить на зарядку для хранения. Хранить всегда в относительном холоде. В идеале будет еще купить специальный несгораемый контейнер или что то типа металлического ящика от боеприпасов. Вот вам несколько вариантов емкостей для хранения.

Почему аккумуляторы вздуваются?

Причина вздутия LiPo аккумуляторных батарей кроется в нескольких факторах. Это может быть брак производства, неправильное использование, превышение срока службы. Все это или одно из них может привести сначала к небольшому набуханию, а если такую батарею продолжать использовать, то она продолжить вздуваться, пока не прорвется внешняя оболочка или пока она не взорвется или не загорится.

Несколько лет назад существовала проблема с китайскими LiPo аккумуляторами, которые вздувались очень быстро, даже если их использовать в щадящем режиме. А причина была загрязнении воды на самих заводах, производящих эти батареи. Если завод работает в стране с влажным климатом, есть большая вероятность попадания влаги внутрь ячеек литий полимерных аккумуляторной батареи, что приводи к окислению лития.

И в результате реакции окисления выделяется кислород, которому деваться некуда и от сюда вздутие батареи. Так же причина может быть в плохом качестве перегородках между ячейками. Так же ячейки вздуваются из-за перезаряда или слишком быстрого заряда. В результате на аноде концентрируется избыточное количество лития, а на катоде кислорода. Атом свободного кислорода на столько мал, что он спокойно проходит через перегородку не неся с собой заряда и как итог — оксид лития (литиевая ржавчина). Затем оксид лития использует уже заметно меньше атомов кислорода чем у него имеется в ионизированном состоянии, в итоге остается больше свободного кислорода. И даже если вы решите поэкспериментировать с перезарядом LiPo аккумулятора под водой, он все равно загорится, т.к. сам сможет выработать избыточное количество кислорода, а кислород, как известно, необходим для горения.

Как разряжать

Если сильно разрядить литий полимерный аккумулятор или сделать это слишком быстро, то мы получим обратный процесс описанного выше. Опять же оксид лития, но уже на катоде. Батарея, с которой так небрежно обращаются обычно покрывается коррозией на обоих полюсах и внутри ее корпуса. И чем больше вы ее насилуете, тем больше коррозии получаете. А чем больше коррозии, тем больше сопротивление и тем сильнее и усерднее приходиться работать батарее, чтобы выработать энергию, а это в свою очередь приводит к еще большим повреждениям — это порочный круг. И вне зависимости от бренда и качества LiPo аккумуляторной батареи, основная причина их вздутия — это глубокий разряд.

Напряжение

Максимально напряжение на одну ячейку аккумулятора это 4,235В, но такое возможно только при температуре 60ºC. Максимальное же напряжение при комнатной температуре составляет 4,2В на ячейку. Если окружающая температура ниже 10ºC, то максимум будет уже 4,0В. Если сильно завышать эти значения, то это опять приведен к избытку электронов, которые опять порвут химические связи, свободный литий вступит в реакцию с кислородом, получиться оксид лития и у нас опять вздувшаяся батарея.

Если смотреть с химической стороны вопроса, то вздутие аккумулятора это неизбежный результат, мы только может отсрочить его если будем обращаться с нашими источниками энергии в соответствиями с рекомендациями. Если у вас уже есть вздувшаяся батарея и вы все равно продолжаете ее использовать — она будет вздуваться больше и больше. Лучше в этом случае вывести ее из эксплуатации и корректным образом утилизировать. Даже если вы заметили совсем небольшое набухание, 1-2 миллиметра — это значит, что одна из ячеек уже выработала свой ресурс и начались необратимые процессы. Ей пора в утиль.

Но бывают такие случаю, когда теплая батарея чуть чуть вздувается, а после охлаждения она приходит в нормальную форму. Такую батарею еще можно использовать, но за ней уже надо будет следить. И если после очередного цикла, ее вспухлость не пройдет — тоже в утиль.

Как долго служат LiPo аккумуляторы?

Не держишь 80% — в утиль

Срок службы литий полимерных аккумуляторов зависит от множества факторов. Если батарея повреждена или с ней обращаются неподобающе, то она прослужит всего несколько циклов (10-20 может быть). Если же вы используете ее в соответствии с вышеописанными правилами — то можно ожидать до 200 стабильных циклов заряда/разряда. Но в любом случае, это зависит от того как и где вы используете свои аккумуляторные батареи. Основное правило — если батарея не держит более 80% своей изначальной емкости — в утиль, т.к. дальнейшее ее использование обязательно приведет к вспучиванию и, возможно, к возгоранию.

Утилизация

В отличии от NiCd и NiMH аккумуляторных батарей, литий полимерные экологически безопасны. Но для полной безопасности их все таки лучше полностью разрядить. Делать это нужно на открытом воздухе, по известным причинам. Разряжать нужно медленно до полного нуля. Как только все ячейки батареи показывают напряжение 0В их можно спокойно утилизировать, т.к. они химически инертны.

Опять же в отличии от других типов аккумуляторов, инертные LiPo батареи можно просто выбросить в ваше мусорное ведро. Если же батарея повреждена, то ее процесс полного разряда может быть опасен и делать это нужно крайне осторожно.

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показанОбязательные для заполнения поля помечены *

*

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.