Quadcopter – eksploatacja baterii LiPo

lipo_chargingAkumulator litowo polimerowy to bardzo dobry magazyn energii, ten rodzaj baterii pozwolił na rozwijanie się całej gałęzi przemysłu, od hobby i zabawek po samochody elektryczne. Pozwala na pobieranie bardzo dużych prądów dla urządzeń które ich wymagają, gdzie zwykły akumulator litowo jonowy lub niklowo kadmowy dawno by się zagotował, i choć co prawda nie ma takiego długiego życia jak li-ion, to ciągle jest niezastąpiony w prądożernych zastosowaniach.

Oznaczenia

Jako przykład weźmy sobie akumulator o oznaczeniu 3S 25-35C 2200mAh i rozbijmy je na czynniki pierwsze:

3S lub 3 cell to ilość cel z jakich akumulator jest zbudowany. Każda cela ma swoje napięcie robocze, np dla akumulatora niklowego jest to 1,2V, a dla litowego to 3,7V, choć może być inne jeśli producent wyraźnie to oznaczył. Jeśli na obudowie nie podano napięcia, to wystarczy pomnożyć ilość cel przez napięcie robocze każdej z nich, i w tym przypadku otrzymujemy 11,1V, ponieważ cele łączone są szeregowo.

2200mAh – pojemność baterii wyrażona w miliamperogodzinach (mAh) lub amperogodzinach (Ah). Oznacza to że bateria może oddawać 2,2A przez godzinę, 1A przez 2,2 godziny, itd.

25-35C to wydajność prądowa naszej baterii. C to pojemność akumulatora, wystarczy przemnożyć 2,2 (2200mAh) przez 25 aby otrzymać 55A, co jest prądem ciągłym jaki bateria może oddawać w bezpieczny sposób. Druga liczba nie zawsze występuje, oznacza ona prąd szczytowy (w krótkim impulsie do kilku sekund) jaki może oddać bateria bez uszkodzenia czy zagrzania, w tym przypadku jest to 77A.

lipo_sticker

Inny przykład to bateria 3S 50C 5000mAh, którą stosuje się w większych modelach latających. W pełni naładowana dysponuje napięciem 12.6V i prądem ciągłym na poziomie 250A i bez trudu odpali auto jeśli padnie nam akumulator. W przypadku pierwszej baterii ciągła moc to niemal 700W, w przypadku drugiej to ponad 3KW! Jest to ogromny zapas energii możliwy do uwolnienia w bardzo krótkim czasie, tych liczb nie należy lekceważyć… choć przy tańszych produktach często są one poważnie zawyżane.

Zagrożenia

Baterie litowo polimerowe uznawane są za przedmioty niebezpieczne, nie wolno przewozić ich w samolotach, stąd zamawianie ich z Chiń kończy się często wysyłką droga morską, lub wysyłką specjalną za którą zapłacimy więcej. W przypadku gdy coś pójdzie nie tak, baterie te uwalniają swoją całą energię w ciągu kilku – kilkunastu sekund, nagrzewając się na tyle aby doprowadzić do samozapłonu. Nie używaj baterii która doznała wypadku, np jest zgnieciona, przekłuta, wygięta lub była mocno obciążana i zwyczajnie spuchła. Jeśli bateria jest tylko delikatnie uszkodzona (wgniecenie, zgięcie) lub jeśli jest lekko spuchnięta, w ostateczności można używać jej do zasilania naziemnej stacji bazowej czy ładowarki, do zasilania modeli jeżdżących lub pływających, ale nigdy nie wkładaj jej do modelu latającego. Baterii przekłutych czy rozciętych nigdy nie próbuj ładować bo może skończyć się to pożarem.

ZAWSZE nadzoruj proces ładowania, nie pozostawiaj ładującej się baterii w domu bez nadzoru lub na noc, bo efekty mogą być opłakane – tutaj widać jak wiele jest przypadków pożarów w garażach czy samochodach, spowodowanych przez ładujące się baterie LiPo.

Budowa baterii LiPo

Baterie w zależności od wymaganego napięcia mogą być zbudowane z różnej ilości cel, od jednej do sześciu czy ośmiu, a nawet więcej. Baterie mogą występować również w wersjach z twardymi obudowami, które zapobiegają uszkodzeniom mechanicznym, ale znowu ważą swoje. Baterie bez takiej obudowy to po prostu gołe ogniwa umieszczone w plastykowej koszulce. Same ogniwa są bardzo miękkie i podatne na uszkodzenia, bardzo łatwo je przedziurawić, stąd niewolno ich narażać nawet na najmniejsze uszkodzenia mechaniczne.

Bateria zbudowana z kilku cel posiada te cele połączone w szereg aby podnieść swoje napięcie, a dodatkowe gniazdo balansera umożliwia poprawne i bezpieczne ładowanie całości – o czym za chwilę. Poniższe obrazki przedstawiają budowę typowej baterii 3S, oraz schemat jej połączeń wewnętrznych.

lipo_cells
lipo_schematic
Ładowanie

Baterie te mają ściśle określone parametry ładowania i rozładowywania i muszą być ładowane ładowarką przeznaczoną do ogniw litowych i żadną inną. Nie wolno ładować ich jakimś zwykłym zasilaczem lub o zgrozo prostownikiem, niech nikomu nie przyjdzie do głowy taki pomysł. Ładowanie przebiega w taki sam sposób co baterii litowo jonowych co już opisywałem w serii artykułów o akumulatorach li-ion, czyli metodą CC/CV. CC (constant current) to ładowanie stałym ustawionym odpowiednio prądem aż do wzrostu napięcia do wartości pełnego naładowania określonej przez producenta, zarówno w przypadku li-ion jak i li-po jest to 4,2V na celę więc 12,6V dla pakietu 3S. Następnie następuje faza CV (constant voltage) czyli ładowanie stałym napięciem 4,2V wraz ze zmniejszaniem prądu do około 1/10 prądu początkowego, po czym ładowarka kończy pracę lub wykonuje jeszcze ładowanie podtrzymujące / doładowywanie. Prąd ładowania to zazwyczaj 1C, czyli jednokrotność pojemności, więc dla 2,2Ah będzie to 2,2A, chyba że producent zaznaczył inaczej.

Dodatkowo, ładowanie musi odbywać się równolegle z balansowaniem, czyli nadzorowaniem i wyrównywaniem napięć poszczególnych cel – służy do tego gniazdo balansera. Jako że cele połączone są szeregowo, to nie sposób zmierzyć napięcia każdej z nich poprzez wyprowadzenia całego pakietu. Bez kontroli poszczególnych cel bateria zużywa się dużo szybciej ponieważ cele są przeładowywane, a samo ładowanie staje się bardzo niebezpieczne bo przeładowana bateria li-po jest bardzo niestabilna chemicznie. Rozładowywanie również musi odbywać się w kontrolowanych warunkach, zawsze używaj jakiegoś alarmu który przypomni o kończącej się energii. Przyjmuje się 3V jako dolną granicę rozładowania dla pojedynczej celi przy której należy rozładowywanie przerwać, absolutne minimum to 2,5V, a czym bateria bardziej rozładowana poniżej 2,5V, tym bardziej niebezpieczne będzie jej późniejsze ładowanie i używanie. Podwyższona temperatura ładowania lub rozładowywania, przeładowane lub nadmiernie rozładowane ogniwo oznacza dużo szybsze jego postarzanie, w takich przypadkach chemia oraz elektrody ulegają nieodwracalnemu uszkodzeniu.

Podłączenie ładowarki

lipo_connectingW tym miejscu również można popełnić poważny błąd. Najpierw zawsze podłącz wtyki bananowe do ładowarki, a dopiero potem baterię do przejściówki – jeśli zrobisz inaczej, istnieje zagrożenie że nieizolowane wtyki bananowe spowodują zwarcie. Następnie podłącz gniazdo balansera. Na zdjęciu widać dwie przejściówki które zrobiłem sobie na potrzeby ładowania dwóch baterii jednocześnie. Pierwsza to rozdzielacz gniazda balansera, druga to przewód prądowy z jednej strony zakończony solidnymi wtykami bananowymi a z drugiej dwoma gniazdami XT60 – baterie tutaj ładuję równolegle, co skraca czas ładowania całości o połowę. Pamiętaj że aby połączyć dwie baterie równolegle, muszą one być w podobnym stopniu naładowania – jeśli połączysz baterię naładowaną z rozładowaną, to popłynie między nimi bardzo duży prąd i ta rozładowana prawdopodobnie ulegnie uszkodzeniu, i może być to widowiskowe uszkodzenie. Pojemność baterii połączonych równolegle sumuje się, więc taki zestaw ładujemy odpowiednio większym prądem – tutaj 4,4A – w tym samym czasie naładujemy dwie baterie, zamiast jak normalnie jedna po drugiej prądami 2,2A.

Samej obsługi ładowarki nie będę tutaj opisywał bo to bezcelowe, tą znajdziesz w instrukcji.

Przedłużanie życia baterii, przechowywanie

Niestety baterie Li-Po mają krótszy czas eksploatacji niż Li-Ion, i wytrzymują zwykle 2-3 razy mniejszą ilość cykli ładowań i rozładowań zanim ich pojemność i wydajność zaczną spadać, przeważnie do 1000 cykli dla Li-Ion oraz do 300-400 dla Li-Po. Ale tak jak w przypadku akumulatorów jonowych, tak i przy polimerowych możemy nieco przedłużyć ich życie poprzez eksploatację w niepełnych cyklach. Np ustawiając ładowanie do 4,15V zamiast do 4,20V i rozładowując do 3,6V zamiast do 3V (poniżej 3,6V napięcie bardzo szybko spada, jest to dosłownie minutka dodatkowego lotu) sprawimy że baterie pożyją nieco dłużej, oczywiście kosztem ilości dostępnej energii. Jeśli bateria będzie pracowała w granicy 80-90% swojej pojemności, z pewnością wytrzyma dużo więcej cykli pracy, więc warto zrezygnować z tej dodatkowej minuty lub dwóch lotu. Baterie litowe można (a nawet jest to wskazane) rozładowywać częściowo i częściowo doładowywać ponieważ nie mają efektu pamięci tak jak baterie niklowe, które trzeba eksploatować od 0% do 100% za każdym razem, można powiedzieć że są one przeciwieństwem baterii niklowych.

Właściwe przechowywanie baterii również ma wpływ na ich żywotność, a dokładnie chodzi o właściwe napięcie podczas przechowywania. Napięcie baterii nawet po dosyć porządnym rozładowaniu samo powróci do wartości nominalnej, około 3,7V na celę. Jeśli bateria ma być przechowywana przez tydzień lub dwa, można ją w takim stanie (rozładowanym) pozostawić. Jeśli ma leżeć dłużej, warto skorzystać z opcji Storage w ładowarce, aby naładować baterię do napięcia przechowywania. Jeśli baterię naładowaliśmy pod sam korek ale jej nie użyliśmy, nie możemy przechowywać jej w takim stanie ponieważ wystąpi przyśpieszony spadek pojemności, i należy ją lekko rozładować. Opcja Storage sama naładuje lub rozładuje baterię do odpowiedniego poziomu (około 50% naładowania). Baterie przechowuj w chłodnym (ale nie wilgotnym) miejscu, ponieważ podwyższona temperatura również skraca ich życie (nasłoneczniony parapet to bardzo złe miejsce). Jeśli bateria ma leżeć bardzo długo nieużywana (np całą zimę), dodatkowo można umieścić ją w szczelnym opakowaniu i umieścić w lodówce (nie zamrażarce), wtedy spadek pojemności będzie praktycznie zerowy. Czemu? Po prostu reakcje chemiczne w niskich temperaturach zachodzą znacznie wolniej, to również z tego powodu bateria używana na mrozie zaoferuje wyraźnie krótszy czas lotu.


Baterie dobieraj rozsądnie do obciążenia, tak aby ich wydajność prądowa przewyższała zapotrzebowania sprzętu, przy tanich bateriach przynajmniej 150-200% ponieważ ich deklarowana wydajność będzie sporo zawyżona. Jeśli bateria po skończonym locie jest tylko lekko ciepła, wszystko jest w porządku. Jeśli jest bardzo ciepła lub gorąca, to nie można jej wróżyć długiego życia, pobierany prąd jest zbyt duży jak na jej możliwości i doprowadzi to do szybszego zużycia. Odpowiedni prąd ma również znaczenie podczas samego ładowania, jeśli prąd baterii to 25C to jest to wyłącznie prąd rozładowywania, baterie ładuj prądem 1C, chyba że producent wyraźnie podał inny prąd. Oczywiście, można ładować baterię prądem 2C jeśli nam się śpieszy i jeśli nie robimy tego często, ale czym większym prądem ładujemy tym bardziej jej szkodzimy. Bateria podczas ładowania absolutnie nie powinna robić się ciepła, jeśli tak jest to znaczy że coś jest nie tak. Jeśli bateria po skończonym locie jest wyraźnie ciepła, pozwól jej się ochłodzić przed kolejnym ładowaniem.

Baterii li-po nie należy przechowywać w pobliżu materiałów łatwopalnych, w ogóle palnych. Zaleca się przechowywanie w np, metalowym pojemniku, w miejscu w którym ewentualny samozapłon nie wyrządzi szkód. Nigdy nie ładuj jednej baterii w towarzystwie innych, wydziel sobie osobny pojemnik do ładowania i osobny do przechowywania. Baterie można także ładować w specjalnie do tego przeznaczonej torbie przeciwogniowej, szukaj pod hasłem „lipo bag”, ale pamiętaj że te najtańsze produkty w ogóle nie spełniają swojego zadania.

Zużywanie się baterii

Baterie zużywają się ze wszystkich wyżej wymienionych powodów, najbardziej niekorzystnie na zużycie wpływają wysoka temperatura oraz praca w pełnych cyklach przy dużych obciążeniach – niestety taka bateria nie osiągnie 300-400 cykli, a zdecydowanie mniej. Baterię można uznać za zużytą jeśli jej pojemność spadnie poniżej 80-70%, wtedy jej używanie powoli mija się z celem. Nie tylko pojemność ma tu znaczenie, ale również rezystancja wewnętrzna ogniwa która odgrywa tutaj bardzo istotne znaczenie. Czym bateria w lepszej kondycji, tym rezystancja niższa, a więc zdolność i sprawność oddawania energii wyższa. Z czasem rezystancja wewnętrzna rośnie, co sprawia że bateria bardziej się grzeje przy oddawaniu tych samych prądów w tej samej maszynie – wtedy nie dość że pojemność jest mniejsza, to część tej zgromadzonej energii zamieniana jest w ciepło. Dodatkowo, proces starzenia postępuje w jeszcze większym tempie, bo bateria z powodu coraz to wyższej temperatury ma coraz gorsze warunki pracy. Bateria pod koniec swojego życia może często lekko puchnąć po obciążeniu a po ochłodzeniu wracać do pierwotnego kształtu, taka bateria nie nadaje się do prądożernych zastosowań ale można jej jeszcze użyć do zasilania mniej wymagających urządzeń. Bateria która spuchła na dobre, absolutnie nie nadaje się więcej do użytku.

Mocowanie baterii do ramy

baterry_velcroDobre przymocowanie baterii do ramy jest na prawdę istotne. Co nam z głośnego alarmu, czy namierzania modelu za pomocą anteny, skoro bateria wypadnie i odetnie zasilanie? Lepiej aby ucierpiała, ale pozwoliła odnaleźć model. Dobre rzepy załatwiają sprawę, ale aby bateria się z nich nie wysunęła, trzeba użyć dwóch krzyżowo, lub przykleić do ramy takie piankowo-gumowe podstawki – jeśli bateria zostanie do nich dociśnięta i zabezpieczona dobrym rzepem, potrzeba będzie na prawdę dużej siły aby ruszyć ją z miejsca. Po za tym przy upadku będzie miała zawsze jakąś tam amortyzację i nie uszkodzi się o odstające elementy ramy, np śruby. Jeśli chodzi o rzepy, ostatnio kupiłem kilka sztuk takich, i można nimi na prawdę dobrze docisnąć baterię – tanie i w miarę porządne.

Alarm LiPo a krzywa rozładowania
dis_500mAh_2CKażdy prosty alarm rozładowania baterii, czy to jako zewnętrzny dopinany alarm do gniazda balansera, czy to jako alarm wbudowany w kontroler lotu, włącza się po przekroczeniu zadanego progu napięcia. Niby rozwiązanie proste i skuteczne, napięcie baterii spada więc alarm nas poinformuje zanim bateria całkiem zdechnie, ale nie do końca. Obrazek po lewej przedstawia krzywą rozładowania przeciętnej baterii LiPo, jak widać przez jakieś 90% pracy takiej baterii jej napięcie utrzymuje się powyżej 3.5V i spada bardzo powoli, i dopiero przy ostatnich 10% następuje gwałtowny spadek tego napięcia. Przy takiej baterii próg alarmu można ustawić na 3.55V i alarm spełni swoją funkcję, bo po jego zadziałaniu bateria pozwoli jeszcze na minutę lub dwie lotu. Jednak jeśli używamy baterii wysokoprądowej, z której pobieramy raczej niewielki jak na jej możliwości prąd, to krzywa rozładowania będzie wyglądała nieco inaczej. W takiej sytuacji napięcie będzie utrzymywało się powyżej wartości 3.5V przez bardzo długi czas, np przez 95%, przy czym w przedziale 70-95% napięcie może spadać bardzo powoli, np o 0.05V, aby następnie bardzo szybko spaść w dół jak kamień – wtedy alarm nie bardzo się sprawdzi, bo ustawiony zbyt wysoko włączy się przy tych 70% baterii, a ustawiony zbyt nisko włączy się za późno, nawet na kilka sekund przed upadkiem modelu. Czy można go ustawić dysponując alarmem z krokiem np. 0.01V? Nie bardzo, bo każdy nasz lot będzie wyglądał inaczej i inny prąd będzie z akumulatora pobierany, co spowoduje że ten gwałtowny spadek może nastąpić przy nieco innym napięciu. Rozwiązaniem takiego problemu może być system który mierzy zużytą energię, porównuje ją z tą zaprogramowaną jako próg (dla różnych baterii różne progi zadziałania), i włącza alarm lub przesyła te dane na ziemię za pomocą telemetrii i aparatura naziemna robi dopiero z tego użytek. Taki sposób kontroli da nam 100% pewności co do pozostałej energii w baterii, kiedy zwykły alarm napięciowy w zależności od sposobu lotu może zadziałać zbyt wcześnie lub zbyt późno.

…multicoptery – spis wszystkich tematów

5.00 avg. rating (99% score) - 6 votes

4 komentarze

  1. Soaringsing

    Bardzo przydatny artykuł. Zaciekawił mnie fakt, że naładowana cela LiPo powinna mieć napięcie 4,2V. Korzystam z dość popularnej ładowarki IMAX B6 i w trybie automatycznego ładowania z balanserem, ładuje ona poszczególne cele tylko do 4,01-4,02V. Akumulator to Turnigy 3s 25-35c 5000mAh. Czy możliwe, że coś jest nie tak z ładowarką?

    • A to napięcie to wyświetlane przez ładowarkę? Czy zmierzone czymś? Czym, i czy dobrze to mierzy? Czy to napięcie to pod koniec ładowania czy jakiś czas po zakończonym ładowaniu? Czy ładowarka jest ustawiona na 4,2V?

    • Też mam ładowarkę imax b6. Nieraz są z nią kłopoty,bo jest tam sporo ustawień i to niezbyt dobrze wyjaśnionych ,nawet na forach.Moja np niezbyt dokładnie mierzy napięcie i ostatnio nie doładowywała baterii a prawidłowym balansowaniu nie było mowy.Po przeczytaniu sporej ilości narzekań zmieniłem parametr oczekiwania w naładowaniu celi do poziomu 12,6 v i trochę pomogło,doładowuje wszystkie ,z tym,że ostania ma 4,21,środkowa 4,20 a pierwsza zazwyczaj około 4,15 i nic z tym zrobić się już chyba nie da.Chyba wrócę do starych ustawień za to z kompletnie rozbalansowanymi celami….,każda ma inne napięcie!!!! Martwi mnie to 4,21 (a pokazuje to tylko miernik prosty tzw „gwizdek”za 11 pln za to dokładny i niezawodny) ,gdzie alarm mam ustawiony na 11,4 bo latam dość wysoko. I tak posługuje się telemetrią voltarzu, ale ma ona błąd rzędu 0,20 v,ale i tak ratuje temat.(odejmuję wartość błędu w pamięci..).Pozdrawiam

    • Nie ma co oczekiwać cudów po tej ładowarce, bo jest najtańsza z możliwych, i muszę jeszcze zwrócić uwagę na to że są podróby po 80zł i oryginały po 150, i przy podróbie to zależy jak się trafi, ładowarka po prostu może działać źle od nowości. Zdaje się że nawet podróby mają menu kalibracji w które można wejść jeden raz, i z zewnętrznym miernikiem skalibrować wszystkie cele.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Proszę pozostawić te dwa pola tak jak są: