Как устроен аккумулятор дрона

Большинство пилотов никогда не задумываются о том, как изготавливается аккумулятор для дрона, пока нужный им комплект не перестаёт существовать. Количество элементов неверно, форма не подходит к раме, разъём отличается от того, что установлен на вашей плате распределения питания, или цена трудно обоснована при оптовых закупках. В этот момент сборка собственного комплекта начинает выглядеть разумным решением — и так оно и есть, если рассматривать её как тщательную сборочную работу, а не как химический эксперимент.

Создание аккумулятора для дрона сводится к четырём решениям: выбор элементов, их расположение, способ соединения и защита комплекта. Всё остальное — это реализация. Далее приведена именно эта последовательность, в том порядке, в котором вы будете её проходить на практике, плюс этапы испытаний и документирования, определяющие, переживёт ли комплект сезон.

1. Знайте три части аккумулятора для дрона

Аккумулятор для дрона проще, чем кажется. Он состоит из трёх частей, и каждая из них важна.

• Элементы, в которых хранится энергия. Напряжение, ёмкость и ток разряда определяются именно ими
• Плата управления или защиты, которая поддерживает элементы внутри безопасных пределов и в интеллектуальных аккумуляторных блоках передаёт статус контроллеру полёта
• Механическая часть: соединения, проводка, разъём и оболочка, удерживающая всё вместе и предотвращающая расшатывание в воздухе

Пропустите любой из трёх компонентов — и аккумуляторный блок выходит из строя, обычно в воздухе. Начинающие пилоты склонны чрезмерно детализировать расчёт элементов и недостаточно прорабатывать остальные два компонента

2. Выберите тип элемента раньше всего

Два семейства доминируют на рынке аккумуляторов для дронов, и каждое из них хорошо справляется со своими задачами

• Пакетные элементы (LiPo и LiHV) — это знакомые гибкие аккумуляторы. Они обеспечивают высокие токи разряда, лёгкие для своей мощности и доступны практически в любом размере, поэтому по-прежнему доминируют в FPV- и видеодронах. Им требуется физическая защита, а хранить их в полностью заряженном состоянии не рекомендуется
• Цилиндрические литий-ионные элементы (18650, 21700 и аналогичные) обеспечивают большую ёмкость на килограмм, более низкие токи разряда и значительно больший срок службы в циклах. Дроны с длительным временем полёта и картографические дроны обычно используют именно их

Рейтинг разряда, который выглядит впечатляюще на этикетке, бесполезен, если элементы не могут обеспечить пиковую нагрузку без просадки напряжения. Подберите номинальный ток непрерывного разряда так, чтобы он соответствовал реальному потреблению ваших моторов, и добавьте запас.

3. Сначала определите напряжение и ёмкость

Это тот этап, который стоит записать ещё до покупки чего-либо.

• Элементы, соединённые последовательно, суммируют напряжение. Номинальное напряжение одного LiPo-элемента — 3,7 В, а напряжение полной зарядки — 4,2 В; следовательно, аккумуляторная сборка 6S имеет номинальное напряжение 22,2 В и напряжение полной зарядки 25,2 В.
• Элементы, соединённые параллельно, суммируют ёмкость и токовую отдачу. Две параллельные группы элементов ёмкостью 2500 мА·ч дают суммарную ёмкость 5000 мА·ч.
• Ватт-часы показывают реальный запас энергии: напряжение, умноженное на ампер-часы. Аккумуляторная сборка 6S ёмкостью 5000 мА·ч содержит примерно 111 Вт·ч (22,2 В × 5 А·ч).

Затем проверьте массу. Каждая сборка — это компромисс между временем полёта и поведением летательного аппарата в воздухе; сборка, масса которой превышает расчётную для планера, «съедает» больше времени полёта, чем прибавляет дополнительная ёмкость.

4. Сопоставьте элементы перед их соединением

Элементы, покидающие завод одновременно, близки по характеристикам, но не идентичны. Используйте новые элементы одной модели из одной партии. Не смешивайте разные модели и ни в коем случае не смешивайте новые элементы с уже эксплуатировавшимися.

Перед сборкой измерьте каждый элемент по двум параметрам:

• Ёмкость — чтобы сгруппировать наиболее близкие по значению элементы
• Внутреннее сопротивление — этот параметр важнее ёмкости для поведения блока под нагрузкой

Отсортируйте элементы и соберите каждый блок из самой однородной группы, имеющейся в наличии. Прочность блока определяется слабейшим элементом в нём, а один элемент с высоким внутренним сопротивлением выведет весь блок из баланса.

5. Соедините элементы точечной сваркой

Тепло губительно для литиевых элементов. Пайка непосредственно на вывод элемента передаёт тепло в уплотнение и внутреннюю структуру, причём повреждения зачастую проявляются только после ввода блока в эксплуатацию. Точечная сварка никелевой полосой выполняет ту же задачу за миллисекунды и с гораздо меньшим тепловым воздействием — именно поэтому промышленные блоки собираются именно таким способом.

Четыре фактора определяют, будут ли соединения надёжными:

• Подберите ширину никелевой полосы по максимальному току, а не по среднему значению: слишком узкая полоса увеличивает сопротивление, нагрев и просадку напряжения
• Соблюдайте равномерность сварочного рисунка, чтобы ток распределялся по всему соединению
• Используйте правильное сечение провода для основных выводов и делайте их как можно короче — в пределах возможностей конструкции планера
• Зафиксируйте выводы в точке выхода из блока. Разрушение паяных соединений вызывает не ток, а вибрация

6. Добавьте защиту и балансировку

Группа элементов без защиты неизбежно выйдет из строя, поэтому на каждом собранном блоке должна присутствовать защита — будь то полноценная система управления батареей (BMS) или плата балансировки в сочетании с отдельной схемой защиты. Минимальный набор функций включает:

• Отключение при перезаряде и переразряде, настроенное под ваш тип химии
• Защиту от перегрузки и короткого замыкания с номинальным током выше пикового потребления, чтобы срабатывание не происходило в полёте
• Балансировку элементов, обеспечивающую стабильность напряжения на всём блоке в течение сотен циклов
• Контроль температуры для блоков, работающих в интенсивном режиме или эксплуатируемых при высоких температурах

Умные аккумуляторные блоки обеспечивают большую дальность полёта и передают в контроллер полёта данные о напряжении каждой ячейки, количестве циклов зарядки-разрядки и состоянии здоровья аккумулятора — именно поэтому воздушное судно может предупредить вас до того, как одна из ячеек выйдет из строя. Эти данные, а также испытания, на которых они основаны, составляют основную часть причины, по которой коммерческий аккумуляторный блок стоит дороже, чем суммарная стоимость входящих в него ячеек.

7. Создавайте блок так, чтобы он выдерживал нагрузки от планера

На практике самодельные аккумуляторные блоки чаще всего выходят из строя не по электрическим, а по механическим причинам.

• Фиксируйте ячейки с помощью прокладок или держателей, чтобы они не терлись друг о друга.
• Изолируйте аккумуляторный блок от всех токопроводящих элементов рамы.
• Обмотайте аккумуляторный блок лентой и термоусадочной трубкой, чтобы ничего не смещалось при вибрации.
• Используйте разъём, рассчитанный на ваш рабочий ток, и убедитесь, что он совместим с тем, который уже установлен на воздушном судне.
• Защитите аккумуляторный блок от влаги при полётах БПЛА на открытом воздухе и сохраняйте целостность оболочки вокруг балансировочных проводов.

Вес и баланс требуют последнего внимания. Аккумуляторный блок, смещающий центр тяжести, изменяет поведение БПЛА в полёте, а контроллер полёта способен компенсировать это лишь в ограниченной степени.

8. Проверьте каждый аккумуляторный блок перед полётом

Новый аккумуляторный блок заслуживает доверия в мастерской, а не в воздухе.

• Проверьте внутреннее сопротивление каждой ячейки после сборки. Отклонения указывают на плохую сварку или дефектную ячейку
• Проведите полный разрядный тест и сравните фактическую ёмкость с номинальной
• Убедитесь, что балансировка аккумуляторного блока работает корректно и плата защиты отключается в заданных пределах
• Контролируйте температуру под нагрузкой в течение первых циклов
• Сделайте первые циклы щадящими и заряжайте в безопасной, негорючей зоне

Если одна ячейка отклоняется от остальных, немедленно остановитесь и устраните неисправность. Несбалансированный аккумуляторный блок не улучшается в процессе эксплуатации.

9. Знайте, что вы имеете право отправлять или продавать

Сборка аккумуляторного блока для личного использования и его коммерческая продажа — это два принципиально разных проекта. Любое литиевое устройство, перемещающееся в рамках коммерции или транспортировки, классифицируется как опасный груз, а аккумуляторный блок, собранный в домашних условиях, не имеет истории испытаний. Для аккумуляторного блока, покидающего ваш рабочий стол в качестве готового изделия, базовым требованием является:

• Результаты испытаний по стандарту UN 38.3. Каждый литиевый элемент и каждый тип литиевой батареи, перевозимых в транспорте, должны пройти эти испытания, а краткое описание испытаний должно быть доступно для поставляемого комплекта.
• Международный стандарт IEC 62133-2:2017 — норматив по безопасности портативных герметичных литиевых элементов и батарей, включая сборку элементов в комплекты.
• Правильная маркировка и этикетирование класса 9 для транспортировки.
• Регламент ЕС о батареях (ЕС) 2023/1542, вступивший в силу в феврале 2024 года; обязанности по маркировке вводятся поэтапно начиная с 2026 года, а цифровые требования к информации следуют позже.

Эта документация также является практическим аргументом в пользу покупки вместо самостоятельной сборки. Надёжный поставщик передаёт вам всю необходимую документацию вместе с комплектом, а сам комплект уже прошёл все требуемые испытания.

Ошибки, из-за которых самодельный комплект становится непригодным.

• Пайка непосредственно на выводы элементов с повреждением уплотнений.
• Смешивание элементов разных моделей, партий или возраста в одном комплекте.
• Сборка комплекта без балансировки и какой-либо защиты.
• Выбор шины и провода по среднему току вместо пикового тока.
• Пропуск изоляции между блоком и проводящей рамой
• Активная эксплуатация нового блока до того, как он продемонстрирует надёжность на испытательном стенде
• Зарядка подозрительного или вздувшегося блока в помещении для наблюдения за последствиями
• Отгрузка или продажа блока без документации по результатам испытаний

Заключение

Создание аккумулятора для дрона — это последовательность действий, а не единый навык: выбор химии, подходящей для вашей задачи; расчёт соединений последовательно и параллельно; подбор элементов; сварка вместо пайки; защита блока; испытания перед тем, как он покинет стенд. Пилоты, которые проходят все эти этапы, получают блоки, специально созданные для их летательных аппаратов, а не блоки, лишь приблизительно им подходящие.

Если цель — надёжный парк, а не единичный эксперимент, расчёты меняются. Блок, поставляемый с результатами испытаний, документацией и возможностью воспроизводства, стоит своих денег — особенно когда альтернативой является блок, который нельзя отправить и который вы не захотели бы использовать над ценными объектами.

Связанные статьи

Как выбрать аккумуляторы для дронов
Узнайте, как напряжение, ёмкость, ток разряда и качество элементов определяют, какой блок подходит для вашего дрона.

Как проверить состояние аккумуляторов дрона
Выявляйте признаки износа на ранней стадии, проверяя физическое состояние, напряжение, ёмкость, внутреннее сопротивление и предупреждения от аккумулятора.

Как заряжать аккумуляторы для дронов в пути
Планируйте работу с учётом времени зарядки, подбирайте скорость зарядки в соответствии с вашим аккумуляторным блоком и обеспечивайте безопасность полевой зарядки.