LiPo батареї

Вступ

Заряджання батарей - це важлива частина польотів на дронах, але також одна з найскладніших і потенційно небезпечних, якщо її неправильно зрозуміти.

Літієві батареї зараз всюди - телефони, ноутбуки, портативні колонки та всілякі гаджети їх використовують.

Що відрізняє батареї, які ми використовуємо в FPV, так це відсутність вбудованої BMS (системи керування батареєю).
Вони фактично є голими літій-полімерними елементами, підключеними до XT60 і JST конекторів.

Уся відповідальність — на тобі: правильне поводження з батареєю, заряджання її з правильними налаштуваннями і найголовніше - виявлення, коли щось починає йти не так (якщо таке трапиться).

Що таке LiPo?

Літій-полімерні батареї, зазвичай звані LiPo, - це тип літієвих батарей. Відмінність від літій-іонних батарей (окрім хімії) полягає у:

• Струм розряду (C-рейтинг): LiPo можуть видавати сотні ампер короткочасно; Li-Ion в основному використовуються для постійних навантажень, як телефони чи комп’ютери.
• Вага та енергетична щільність: LiPo тієї ж ємності значно легші за Li-Ion. Це ідеально для FPV дронів, адже ми завжди намагаємось зробити квадрокоптер легшим і маневренішим.

Чому немає захисної електроніки?

Це поширене питання, коли люди дізнаються, що більшість батарей у FPV не мають захисної електроніки, і цікавляться чому.
Просто кажучи, FPV дрони споживають багато струму короткими імпульсами, і BMS з MOSFET-ами, здатними витримати такі струми, була б дорогою і важкою.
На відміну від телефону чи комп’ютера, які споживають кілька ампер постійно, FPV дрон може спожити до 200А менш ніж за секунду.
LiPo батареї розраховані на такі навантаження; більшість BMS - ні.

Для уточнення: Відсутність BMS не робить батареї небезпечними, це просто перекладає відповідальність на тебе.

Розуміння характеристик

Для безпечного використання LiPo важливо розуміти характеристики батареї, такі як кількість елементів, ємність, напруга та струм розряду.

Кількість елементів

Типова LiPo батарея складається з кількох менших елементів, з’єднаних послідовно, що підсумовує їхню напругу.
Кількість елементів позначається символом S. Наприклад, батарея 6S має 6 елементів послідовно (S означає Series - послідовно).

Іноді після кількості елементів трапляється P, що означає кількість паралельних груп. Наприклад, 6S2P - це дві паралельні групи по 6 елементів, всього 12 елементів.

Напруга

Напруга батареї залежить від кількості елементів. Кожен елемент має діапазон від 3.0V до 4.2V, номінальна напруга - 3.7V. Якщо елемент опускається нижче 3V, він пошкоджується назавжди, а якщо перевищує 4.2V - може стати небезпечним і навіть загорітися.

Можна розрахувати максимальну напругу батареї, знаючи кількість елементів. Наприклад:

• Повністю заряджена 6S LiPo має 6 елементів по 4.2V, тобто 4.2V × 6 = 25.2V
• Повністю розряджена 4S LiPo (4 елементи по 3V) - 12V

Просідання напруги

Варто зазначити, що напруга буде просідати під час польоту, і це стає помітніше ближче до кінця.
Крива розряду LiPo не лінійна; коли батарея досягає певної точки (зазвичай близько 3.4V під навантаженням для типової 4/6S LiPo), напруга може швидко впасти.

Ємність

Ємність - це кількість електричного заряду, яку батарея може зберігати і віддавати, вимірюється в міліампер-годинах (mAh) та ампер-годинах (Ah).
1Ah = 1000mAh

Наприклад, повністю заряджена 1300mAh LiPo розрядиться за 1 годину при постійному навантаженні 1.3A. За 30 хвилин при навантаженні 2.6A. Це в ідеальних умовах, які майже ніколи не бувають.

Дрон не споживає постійний струм; він змінюється залежно від стилю польоту, моторів, ваги, навіть вітру та висоти. Тому при кінематографічному польоті час польоту більший, ніж при фрістайлі чи гонках.

C-рейтинг

C-рейтинг - це струмовий рейтинг батареї, що показує, який струм можна з неї зняти одночасно. C тут означає ємність. Щоб перевести C-рейтинг у ампери, помнож ємність батареї в Ah на C-рейтинг.

Наприклад: у нас є батарея 1300mAh з C-рейтингом 120C.

• Спочатку переводимо ємність у ампер-години: 1300 ÷ 1000 = 1.3A
• Далі множимо на C-рейтинг: 1.3 × 120 = 156A

Деякі батареї вказують burst C-рейтинг - це струм, який батарея може віддати короткочасно (зазвичай кілька секунд).

Внутрішній опір

Внутрішній опір (IR) - це опір струму всередині самої батареї. Вимірюється в міліомах (mΩ).

З часом IR батареї зростає, це нормально, але зрештою він стане настільки великим, що батарея не зможе ефективно віддавати струм.

Більшість сучасних зарядних пристроїв вимірюють IR під час заряджання та балансування, це чудовий спосіб відстежувати стан батареї, найточніше - коли батарея майже повністю заряджена.

Нормальний IR батареї залежить від ємності, типу та напруги, але ось загальні орієнтири:

Батарея	Норма IR	Середній IR	Високий IR
LiPo 2S-6S 1-3 Ah	3 - 15 mΩ	15 - 25 mΩ	25+ mΩ
LiPo 2S-6S 5-10 Ah	2 - 6 mΩ	6 - 15 mΩ	15+ mΩ
Li-Ion 1-3 Ah (18650)	20 - 40 mΩ	40 - 70 mΩ	70+ mΩ
Li-Ion 4-6 Ah (21700)	12 - 25 mΩ	25 - 40 mΩ	40+ mΩ

Конектори батарей

LiPo батареї мають різні конектори, важливо переконатися, що дрон і зарядний пристрій підтримують конектор на батареї, інакше потрібен перехідник.

Тепер, коли попередження зроблено; найпоширеніші конектори у FPV дронах і батареях:

XT

XT - найпоширеніший конектор у FPV дронах та LiPo. Це жовтий роз’єм із двома контактами.

• XT60: більшість 3S-6S батарей використовують цей конектор; жовтий, два контакти
• XT30: менша версія XT60, використовується на менших 2S-4S батареях для легких дронів/сіневупів, які не споживають багато струму
• XT90: більша версія XT60, в основному для великих дронів із 6-8S батареями та дуже великим струмом

Deans (T-Plug)

Конектор Deans, або T-Plug - старий тип, в основному використовувався в RC-автомобілях та страйкбольній зброї, зараз рідко зустрічається у дронах. Це червоний роз’єм із двома плоскими контактами під кутом 90 градусів, у формі “Т”.

1S/Tinywhoop конектори

• PH2.0: був дуже популярний на tinywhoop раніше. Схожий на JST, використовується лише на 1S батареях, але зараз майже витіснений BT2.0/A30
• BT2.0: новий конектор, заміна PH2.0; має менший опір, збільшує час польоту та потужність. Розроблений BetaFPV
• A30: від GNB; конкурент BT2.0. Деякі дрони BT2.0 сумісні з A30, але сумісність не стандартизована
• NX69: дуже новий конектор від NewBeeDrone; ще не поширений

Балансувальний конектор

Батареї з більш ніж одним елементом мають другий роз’єм із кількома проводами, так званий балансувальний конектор. Він потрібен для балансування елементів під час заряджання.

Конектор називається JST-XH. Кількість контактів відповідає кількості елементів у батареї плюс один

Безпека батарей

Дуже важливо стежити за станом батарей на предмет пошкоджень, інакше це може призвести до пожежі.

Ознаки, що LiPo більше не безпечна:

• Роздута батарея/елемент
• Фізичні пошкодження: вигнута батарея, подряпаний елемент, прокол
• Велике просідання напруги
• Елементи не збалансовані
• IR одного елемента значно відрізняється
• Фруктовий запах: батарея протікає, виділяє шкідливі хімікати та гази, негайно винеси її на вулицю
• Гріється під час заряджання: негайно припини заряджання

Вибір батареї

По-перше, напруга батареї (кількість елементів) має відповідати тій, на яку розрахований дрон.

З ємністю складніше, бо більшість виробників не вказують ідеальне значення для конкретної збірки. Занадто велика батарея - зайва вага; занадто мала - не зможе віддавати потрібний струм, дрон буде слабким.

LiPo

LiPo - найпоширеніший тип батарей у FPV дронах, вони віддають великий струм, дають гарну продуктивність, але не дуже довгий час польоту.
Якщо будуєш фрістайл чи гоночний дрон, LiPo - найкращий вибір.

Таблиця для довідки залежно від розміру дрона:

Розмір дрона	Типова напруга (елементи)	Рекомендована ємність (mAh)
65мм	1S	350
75мм	1S	450
85мм	1S - 2S	450 - 550
2 - 2.5“	2S - 3S	300 - 650
3 - 4“	3S - 4S	650 - 1100
5“	4S - 6S	1300 - 1800
7“	4S - 6S	1800 - 3000
10“	6S - 8S	4000 - 6000

LiIon (для дальніх польотів)

LiIon батареї у FPV дронах менш поширені, бо не можуть віддавати потужні імпульси струму, тому обмежені дальніми польотами. Їх енергетична щільність вища, тобто за той самий розмір часто більша ємність, але й більша вага.

Ось таблиця для довідки:

Розмір дрона	Типова напруга (елементи)	Рекомендована ємність (mAh)
2 - 2.5“	2S - 3S	650 - 1000
3 - 4“	3S - 4S	1000 - 2200
5“	4S - 6S	3000 - 4000
7“	4S - 6S	4000 - 6000
10“	6S - 8S	6000 - 10000+

Підтримка здоров’я батареї

Всі хочуть, щоб батареї служили довше; ось кілька порад, як продовжити їхнє життя!

Зберігання батарей

Правильне зберігання батарей значно подовжує їхній термін служби.
Батареї не люблять екстремальних умов, наприклад, холоду чи спеки, особливо якщо літати агресивно в таких умовах.

Літієві батареї також не люблять бути повністю зарядженими чи розрядженими тривалий час. Тому заряд для зберігання важливий.

Якщо відомо, що найближчі кілька днів польотів не буде (особливо тиждень і більше), запусти програму зберігання на зарядному, щоб довести батарею до ~50% заряду. Елементи деградують значно менше при такому зберіганні.

Польоти в холодну погоду

Взимку при мінусовій температурі зберігай батареї в теплому мішку або під курткою. Не давай їм сильно охолонути. Можна помітити зниження продуктивності та часу польоту - це нормально. Після повернення додому дай їм нагрітися до кімнатної температури перед заряджанням.

Коли я літав в Україні взимку, я тримав дрон у повітрі близько 20 секунд після зльоту, щоб прогріти батарею перед агресивними маневрами. Це допомагає уникнути хімічного стресу, який поступово призводить до роздування.

Це особливо важливо для Li-Ion, які мають більше просідання, і ще більше для Mavic, бо їхні smart-батареї можуть змусити дрон сісти, якщо елемент опуститься нижче 3V.

Не заряджай швидко без потреби

Детальніше про заряджання нижче, але важливо: швидке заряджання зменшує термін служби LiPo без потреби. Найкраще - заряджати на 1C. Підвищуй струм лише якщо дійсно потрібно.

Відстежуй та записуй стан батарей

Окрім моніторингу ознак відмови, корисно маркувати батареї та записувати будь-які ознаки, наприклад, невеликий дисбаланс напруги після польоту, значно більший нагрів, або просто кількість циклів.

Я також записую внутрішній опір після першого циклу, щоб мати базу для порівняння.

Вибір зарядного пристрою

Вибір правильного зарядного пристрою важливий. Переконайся, що зарядний від відомого бренду, як HOTA чи ISDT; уникай безіменних дешевих пристроїв.

Мої особисті рекомендації для зарядних 2S+:

• HOTA D6 Pro: два канали, живлення від мережі
• HOTA S6: два канали, живлення від мережі, USB-PD вихід (зручно для зарядки пультів), мій поточний зарядний
• ISDT 608PD: один канал, живлення від USB-PD (можна заряджати від павербанку)
• HOTA T8: один канал, лише DC живлення

Рекомендації для зарядних 1S (tinywhoop):

• ViFly Whoopstor V3: найкращий універсальний 1S зарядний, 6 каналів, працює від USB-PD, XT60 або роз’єму
• GEPRC WooPower W63: сучасний, повнофункціональний 1S зарядний, 6 каналів, контроль mAh та інше

Заряджання LiPo батарей

Правильне заряджання батарей дуже важливе, бо саме тут трапляється більшість небезпечних помилок.

Безпечне місце для заряджання

Важливо вибрати безпечне місце для заряджання батарей.
Звичайні батареї, як у телефоні чи ноутбуці, не піддаються таким навантаженням, як LiPo у FPV. Тому не можна бути занадто обережним із дроновими LiPo.

Не заряджай біля легкозаймистих поверхонь, на вулиці - чудова ідея. Дехто заряджає у грилі чи духовці; це трохи перебір, але теж варіант.

Ще один варіант - LiPo safe bag. Це вогнестійкі мішки для батарей під час заряджання. Вони корисні; я особисто не використовую, бо хочу бачити батареї під час заряджання. В основному використовую для подорожей (про це нижче).

Візуальний огляд і збір характеристик

• Перед заряджанням оглянь батарею на пошкодження, якщо вона роздута чи має пошкодження - не заряджай.
• Далі визнач тип, кількість елементів і ємність - ця інформація потрібна для налаштування зарядного.

Розрахунок струму заряджання

Зазвичай радять заряджати LiPo на 1C, тобто 1 ємність. LiIon ще менше, на 0.5C. Наприклад, 1300mAh батарею заряджають на 1.3A (1300mAh = 1.3Ah), 2000mAh - на 2A і так далі…

При заряджанні на 1C це займе близько години. Вищі струми, як 2C, скорочують час, але збільшують ризик.

Компроміс - це безпека і довгострокове здоров’я батареї. Якщо можливо, заряджай на 1C.

Підключення батареї до зарядного

Після включення зарядного підключи батарею. Порядок не важливий, але я завжди підключаю спочатку балансувальний роз’єм, потім основний, і відключаю у зворотному порядку.

Можна помітити невелику іскру при підключенні основного роз’єму - це нормально.

Для 2S і більше дуже важливо підключати і балансувальний, і основний роз’єм під час заряджання. Балансувальний потрібен для вирівнювання напруги елементів. Деякі зарядні дозволяють заряджати без нього, що може бути небезпечно.

Налаштування зарядного

Різні зарядні мають різний інтерфейс, але всі питають таке:

• Тип батареї: це дуже важливо. Більшість FPV батарей - LiPo, але є і LiHv (вищої напруги). Зарядний не попередить, якщо вибрати не той тип, і це може призвести до пожежі.
• Програма/режим: для заряджання вибирай Charge, далі поясню, для чого потрібні Storage та інші режими.
• Напруга/кількість елементів: ще одна важлива властивість, але більшість сучасних зарядних визначають це автоматично по балансувальному роз’єму. Я рекомендую завжди виставляти вручну, бо якщо є мертвий елемент, зарядний може не побачити це, і це небезпечно.
• Струм заряджання (ампераж): вистав струм, розрахований вище, зазвичай 1C (1C - це НЕ 1A, не плутай)

Як видно вище, я виставив зарядний на Charge, LiPo, 6S (хоча він визначив автоматично), і струм 1.3A, що є 1C для 1300mAh LiPo.

Режими зарядного

Зазвичай використовується Charge, але є й інші корисні режими:

• Storage: доводить батарею до 3.85V/елемент (~50% заряду). Якщо польотів не планується кілька днів, використовуй цей режим. LiPo не люблять бути повністю зарядженими чи розрядженими.
• Discharge: розряджає до ~3V/елемент. Використовується рідко, але якщо батарея поводиться дивно чи пошкоджена, можна знизити її енергію для безпеки.
• Balance: балансує елементи без заряджання, потім зупиняється. (Charge і Storage теж балансують.)

Моніторинг процесу заряджання

Під час заряджання важливо стежити, щоб усе йшло нормально. Це не означає, що треба постійно дивитися на батарею, достатньо бути в тій же кімнаті.

Рекомендую стежити за ознаками відмови, якщо помічаєш щось із цього - негайно припини заряджання:

• Батарея роздувається
• Незвично гаряча: LiPo не повинні нагріватися під час заряджання, LiIon можуть бути трохи теплими
• Фруктовий запах: негайно вимкни і винеси на вулицю; ймовірно, батарея ось-ось почне виділяти гази
• Дисбаланс елементів: якщо один елемент не збалансований на старті, зменш струм і зачекай. Познач батарею маркером чи стрічкою, щоб стежити за нею надалі
• Батарея заряджається незвично довго: це може свідчити про деградацію хімії, перевір IR елементів, якщо не збалансовані - подумай про утилізацію

Відстеження стану заряджання

Більшість зарядних показують такі параметри під час заряджання:

• Напруга основного роз’єм (у V)
• Напруга окремих елементів (у V)
• Струм заряджання (у A)
• Ємність, що надійшла в батарею (у mAh)
• Внутрішній опір кожного елемента (у mΩ)

Як згадувалося, LiPo заряджаються до 4.2V на елемент. Коли батарея наближається до повного заряду, струм падає з початкового значення майже до 0A.

Після завершення заряджання зупини програму і від’єднай батарею.

Заряд для зберігання

Я згадував про заряд для зберігання раніше, поясню, що це і навіщо потрібно:

Літієві батареї найбільш стабільні при ~50% заряду. Вони не люблять бути повністю зарядженими чи розрядженими тривалий час.
Якщо польотів найближчим часом не планується (72+ годин після заряджання), переведи батарею в режим зберігання.

Це робиться так само, як заряджання, але з режимом Storage на зарядному, інше - так само: струм, підключення обох роз’ємів тощо.

Програма зберігання зарядить батарею до 3.85V/елемент, якщо нижче, або повільно розрядить, якщо повністю заряджена. Це може зайняти час, особливо при розряді; більшість зарядних використовують резистори (перетворюють енергію на тепло). Є швидші зовнішні розрядники, якщо це потрібно часто.

Паралельне заряджання

Я не рекомендую паралельне заряджання.
Я не буду показувати, як це робити - є онлайн-інструкції - але дуже не раджу використовувати паралельні плати. Все може піти не так дуже швидко, пошкодити батареї або спричинити пожежу.

Краще купи двоканальний зарядний! Наприклад, Hota D6 Pro, Hota S6 чи подібний. Два незалежних канали - дуже зручно!

Подорожі з LiPo батареями

Більшість авіакомпаній дозволяють брати LiPo на борт. Зазвичай не вимагають нічого особливого; ось кілька порад для безпеки:

• Завжди у ручній поклажі: Батареї будь-якого типу дозволені лише у ручній поклажі, ніколи у багажі
• Не бери пошкоджені батареї: якщо знаєш, що LiPo трохи пошкоджена, не ризикуй
• Заряд для зберігання: як згадувалося вище, при напівзаряді батарея менше страждає від перепадів тиску
• Перевозь у LiPo safe bag: якщо є, краще покласти туди для безпеки. Але більшість авіакомпаній цього не вимагають

Безпечна утилізація батарей

Викидати LiPo у сміття - погана ідея. Хоча вони не такі шкідливі для довкілля, як деякі інші хімії, головна небезпека - займистість при заряді.
LiPo потрібно повністю розрядити перед утилізацією.

Ось кілька безпечних способів.

Destroy-режим зарядного

Деякі зарядні, як ISDT, мають режим Destroy, який розряджає батарею до 0V. Якщо є така функція - це найпростіший і безпечний спосіб.

Лампочка або резистор

Якщо є галогенова лампа, розрахована на напругу батареї, підключи LiPo до лампи і дай їй повністю розрядитися.

Інший спосіб - взяти великий дротяний резистор і підключити батарею до нього. Це теж повільно розрядить батарею.

Солона ванна

Це повільний спосіб, але теж працює:

• Візьми відро, налий води
• Добре розмішай сіль, приблизно 35-40г на 1л води
• Поклади батарею у солону воду
• Винеси відро на вулицю, бо процес виділяє хлор і водень, які токсичні та займисті
• Залиш на тиждень-два, поки батарея повністю не розрядиться