какие аккумуляторы используются в дронах

Аккумуляторы для дронов напрямую влияют на продолжительность полёта, выходную мощность, грузоподъёмность, устойчивость полёта и эксплуатационную безопасность. Большинство современных дронов используют перезаряжаемые литиевые аккумуляторы, однако наиболее подходящая химия и технические характеристики аккумулятора зависят от размеров летательного аппарата, типов двигателей, массы полезной нагрузки и целевого применения.

В этом руководстве объясняется, какие аккумуляторы используются в дронах, как различные типы аккумуляторов соотносятся друг с другом, как рассчитать продолжительность полёта, а также как правильно выбирать, заряжать, хранить и обслуживать аккумулятор дрона.

Какие типы аккумуляторов используются в дронах?

Большинство потребительских дронов, дронов FPV, дронов для аэросъёмки и профессиональных дронов используют один из следующих типов аккумуляторов:

— Полимерные литиевые аккумуляторы (LiPo)
— Ионные литиевые аккумуляторы (Li-ion)
— Полимерные литиевые аккумуляторы повышенного напряжения (LiHV)
— Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4)
— Интеллектуальные аккумуляторные блоки с встроенной системой управления аккумулятором (BMS)
— Устаревшие никелевые аккумуляторы сейчас встречаются редко, поскольку они тяжелее и обладают меньшей энергоёмкостью.

1. Литий-полимерные аккумуляторы (LiPo)

Литий-полимерные аккумуляторы, широко известные как LiPo-аккумуляторы, являются наиболее распространённым источником питания для FPV-дронов, гоночных дронов, дронов для аэросъёмки и многих профессиональных летательных аппаратов.

Элементы LiPo используют лёгкую упаковку в виде пакетов, что позволяет производителям выпускать аккумуляторы различных форм и размеров. Они также способны обеспечивать высокий ток, необходимый для быстрого ускорения, набора высоты и резких манёвров.

Преимущества LiPo-аккумуляторов для дронов

скорости разряда

Высокая лёгкость конструкции

Гибкость форм и габаритов

Высокая мощность

Подходят для высокооборотистых двигателей

Недостатки LiPo-аккумуляторов для дронов

— Чувствительны к перезаряду и глубокому разряду

— Более подвержены набуханию и механическим повреждениям

— Требуют совместимого балансирующего зарядного устройства

— Представляют повышенный риск возгорания при повреждении или неправильной зарядке

— Аккумуляторы LiPo, как правило, являются оптимальным выбором для гонок FPV, фристайла, аэрофотосъёмки и других задач, требующих быстрой отдачи мощности.

2. Аккумуляторы на основе литий-ионных технологий (Li-ion)

Литий-ионные аккумуляторы обычно используют цилиндрические элементы, например, типоразмеров 18650 или 21700. Обычно они обеспечивают более высокую удельную ёмкость и продолжительность полёта по сравнению с высокоамперными аккумуляторами LiPo, хотя их максимальный ток разряда может быть ниже.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов для дронов

— Длительная продолжительность полёта

— Низкий саморазряд

— Хороший ресурс по количеству циклов зарядки/разрядки

-Высокая плотность энергии относительно массы

-Подходят для длительных полётов на большие расстояния

Недостатки литий-ионных аккумуляторов для дронов

-Более низкая способность к разряду по сравнению со многими LiPo-аккумуляторами для FPV

-Менее пригодны для резкого ускорения

-Цилиндрические элементы ограничивают форму аккумуляторных блоков

-Требуют точного подбора элементов и продуманного проектирования блока

Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в дронах с продолжительным временем полёта, воздушных аппаратах для картографирования, инспекционных дронах и других устройствах, где приоритетом является время полёта, а не максимальная импульсная мощность.

3. Высоковольтные литий-полимерные аккумуляторы (LiHV)

Высоковольтные литий-полимерные аккумуляторы, обычно называемые аккумуляторами LiHV, предназначены для зарядки до более высокого максимального напряжения по сравнению со стандартными LiPo-аккумуляторами.

Стандартный элемент LiPo обычно заряжается до 4,20 В, тогда как элемент LiHV может заряжаться примерно до 4,35 В. Это обеспечивает незначительно большее количество запасённой энергии, но только в том случае, если дрон и зарядное устройство специально разработаны для батарей LiHV.

Никогда не заряжайте стандартную батарею LiPo с использованием режима напряжения LiHV. Это может привести к вздутию, перегреву, необратимому повреждению или возгоранию.

4. Батареи на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4)

Батареи на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4) ценятся за термическую стабильность, длительный срок службы в циклах и надёжную работу.

Они реже применяются в малых дронах, поскольку, как правило, обеспечивают меньшую удельную энергоёмкость (Дж/кг), чем батареи LiPo или традиционные литий-ионные аккумуляторы. Однако их безопасность и долговечность могут сделать их пригодными для определённых промышленных, исследовательских и критически важных с точки зрения безопасности платформ.

5. Батареи для дронов на основе никеля

Никель-кадмиевые (NiCad) и никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы ранее использовались в старых радиоуправляемых летательных аппаратах, однако сегодня их редко выбирают для современных дронов.

Эти аккумуляторы тяжелее и обладают меньшей удельной энергоёмкостью по сравнению с литиевыми. Никель-кадмиевые аккумуляторы также содержат токсичный кадмий и могут страдать от эффекта памяти.

Они всё ещё могут встречаться в устаревшем оборудовании, учебных летательных аппаратах или специализированных системах, но в целом непригодны для современных высокопроизводительных дронов.

Понимание напряжения аккумулятора дрона

Напряжение аккумулятора дрона в основном зависит от количества элементов, соединённых последовательно. Буква «S» обозначает количество последовательно соединённых элементов.

Более высокое напряжение позволяет силовой установке обеспечивать ту же мощность при меньшем токе. Однако двигатели дрона, электронные регуляторы скорости, контроллер полёта и другие компоненты должны поддерживать выбранное напряжение.

Никогда не заменяйте аккумулятор на модель с более высоким напряжением, если производитель летательного аппарата не подтвердил совместимость.

Что означает ёмкость аккумулятора?

Ёмкость аккумулятора измеряется в миллиампер-часах (mAh) или ампер-часах (Ah). Она показывает, какой электрический заряд способен хранить аккумулятор.

Аккумулятор с более высокой ёмкостью может обеспечить более продолжительное время полёта, однако он также будет крупнее и тяжелее. Если дополнительный вес чрезмерен, двигателям придётся расходовать больше энергии для удержания дрона в воздухе, что снижает ожидаемое преимущество в автономности.

Следовательно, лучший аккумулятор для дрона — это не всегда тот, у которого самая высокая ёмкость. Это аккумулятор, обеспечивающий оптимальный баланс между ёмкостью, массой, выходной мощностью и совместимостью с летательным аппаратом.

Что такое рейтинг C аккумулятора для дрона?

Рейтинг C указывает, насколько быстро аккумулятор может безопасно разряжаться.

Максимальный непрерывный ток (A) = Ёмкость аккумулятора (Ah) × Рейтинг C

Например, аккумулятор ёмкостью 4000 mAh имеет ёмкость 4 Ah. Если его номинальная непрерывная скорость разряда составляет 50C:

4 Ah × 50C = 200 A

На практике объявленные значения коэффициента C не всегда измеряются с использованием одних и тех же стандартов испытаний. Покупателям также следует учитывать просадку напряжения, внутреннее сопротивление, рабочую температуру, ограничения разъёмов и данные производителя по результатам испытаний.

Превышение безопасного тока разряда аккумулятора может привести к перегреву, резкому падению напряжения, вздутию, сокращению срока службы в циклах или необратимому повреждению.

Какие аккумуляторы подходят для различных типов дронов?

Дроны для гонок и фристайла в формате FPV

Дроны FPV обычно используют литий-полимерные аккумуляторы с высоким током разряда. Пилоты-гонщики нуждаются в лёгких аккумуляторных блоках, способных обеспечивать высокий ток при резком ускорении и быстрой смене направления движения.

Распространённые конфигурации включают сборки 4S и 6S, хотя правильное напряжение зависит от характеристик двигателей и электронных регуляторов скорости (ESC).

Дроны для аэросъёмки и потребительские дроны

Дроны для аэрофотосъёмки обычно используют фирменные интеллектуальные аккумуляторные блоки на основе лития. В такие аккумуляторы могут быть встроены электронные компоненты, контролирующие температуру, напряжение, количество циклов зарядки-разрядки, баланс ячеек и оставшуюся ёмкость.

Некоторые интеллектуальные аккумуляторы также обеспечивают автоматическую разрядку для хранения.

Дроны с длительным временем полёта

Дроны с длительным временем полёта часто используют аккумуляторные блоки на основе литий-ионных элементов, поскольку время полёта важнее максимальной кратковременной мощности. Двигатели и пропеллеры должны работать эффективно в пределах токовых характеристик аккумулятора.

Сельскохозяйственные и промышленные дроны

Для дронов, используемых в сельскохозяйственном опрыскивании, картографировании, доставке и инспекции, требуются более крупные аккумуляторные блоки, способные обеспечить питание более тяжёлых полезных нагрузок.

— Такие аккумуляторы могут включать:

— Элементы, рассчитанные на высокий ток

— Усиленные корпуса

— Датчики температуры

— Интерфейсы связи

— Системы управления батареями

— Индивидуальные разъёмы

— Защита от ударов и вибрации

Специализированные беспилотные летательные аппараты

Для специализированных БПЛА могут потребоваться индивидуальные аккумуляторы, рассчитанные на экстремальные температуры, вибрацию, ударные нагрузки, увеличенное время полёта или работу на большой высоте.

Как рассчитать продолжительность полёта БПЛА

Упрощённую оценку продолжительности полёта можно рассчитать с использованием энергии аккумулятора и среднего энергопотребления:

Продолжительность полёта (ч) = Ёмкость аккумулятора (А·ч) × Номинальное напряжение (В) × КПД системы ÷ Среднее энергопотребление (Вт)

Например, аккумулятор ёмкостью 5 А·ч и напряжением 14,8 В содержит приблизительно:

5 А·ч × 14,8 В = 74 Вт·ч

Если дрон потребляет в среднем 500 Вт, а КПД системы оценивается в 80 %:

74 Вт·ч × 0,8 ÷ 500 Вт = 0,118 ч

Это примерно семь минут.

Фактическое время полёта может зависеть от следующих факторов:

— массы летательного аппарата

— полезной нагрузки

— скорости ветра

— эффективности пропеллеров

— скорости полёта

— Агрессивное ускорение

— Температура окружающей среды

— Возраст аккумулятора

— Внутреннее сопротивление

— Необходимый запас энергии для посадки

Пилоты обычно должны приземляться до полной разрядки аккумулятора. Поддержание разумного запаса снижает риск резкого падения напряжения и способствует защите элементов.

Как безопасно заряжать аккумулятор дрона

Всегда используйте зарядное устройство, предназначенное для химического состава, напряжения и количества элементов аккумулятора.

Для стандартного LiPo-аккумулятора FPV:

1. Осмотрите аккумулятор на наличие вздутия, проколов, повреждённых проводов или ослабленных разъёмов.

2. Убедитесь в правильности химического состава аккумулятора и количества элементов в последовательной цепи на зарядном устройстве.

3. Подключите как основной силовой кабель, так и балансировочный разъём при необходимости балансировки при зарядке.

4. Выберите подходящий ток заряда. Обычно применяется ток 1C, если производитель не указывает иное.

5. Заряжайте аккумулятор на негорючей поверхности в хорошо проветриваемом месте.

6. Оставайтесь рядом на протяжении всего процесса зарядки.

7. Отключите аккумулятор сразу после завершения зарядки.

Зарядка током 1C не всегда означает, что аккумулятор полностью зарядится ровно за один час. Финальные этапы балансировки и постоянного напряжения могут увеличить общее время зарядки.

Как следует хранить аккумуляторы для дронов?

Литиевые аккумуляторы не должны длительное время находиться в полностью заряженном или глубоко разряженном состоянии.

Для многих LiPo-аккумуляторов подходящее напряжение хранения составляет примерно 3,7–3,85 В на элемент. Всегда соблюдайте инструкции производителя аккумулятора, поскольку «умные» аккумуляторы могут автоматически управлять разрядом при хранении.

Для более безопасного хранения:

1. Извлеките аккумулятор из дрона после его охлаждения.

2. Храните его в прохладном, сухом и хорошо проветриваемом месте.

3. Избегайте прямого солнечного света и источников тепла.

4. Защищайте клеммы от случайных коротких замыканий.

5. Держите аккумулятор подальше от легковоспламеняющихся материалов.

6. Регулярно осматривайте аккумуляторы в режиме хранения на предмет вздутия или аномальной потери напряжения.

Когда следует заменить аккумулятор дрона?

— Прекратите использовать аккумулятор, если вы заметите:

— Вздутие или пузырение

— Трещины, проколы или деформированные участки

— Утечка электролита

— Повреждённые разъёмы или провода

— Необычное повышение температуры во время зарядки или эксплуатации

— Сильный дисбаланс напряжения элементов

— Быстрое сокращение продолжительности полёта

— Значительное проседание напряжения

— Резкое увеличение внутреннего сопротивления

Не прокалывайте, не деформируйте, не подвергайте воздействию огня и не тестируйте литиевую батарею с видимыми повреждениями. Обеспечьте её безопасную изоляцию и доставьте в авторизованный центр по переработке аккумуляторов или на объект по утилизации опасных отходов в соответствии с местными нормативными требованиями.

Можно ли брать аккумуляторы для дронов в самолёт?

Авиакомпании применяют строгие правила к литиевым аккумуляторам. Запасные аккумуляторы для дронов, как правило, необходимо перевозить в ручной клади, а не в зарегистрированном багаже. Их контакты также должны быть защищены от короткого замыкания.

Ограничения на аккумуляторы обычно основаны на показателе ватт-часов:

Ватт-часы (Wh) = Номинальное напряжение (V) × Ёмкость (Ah)

Правила могут различаться в зависимости от авиакомпании, страны, размера аккумулятора и маршрута. Перед поездкой ознакомьтесь с актуальными требованиями авиакомпании и соответствующего авиационного органа. Никогда не перевозите повреждённый или вздутый аккумулятор.

Как выбрать производителя аккумуляторов для дронов

Для коммерческих и индивидуальных проектов дронов производителя аккумуляторов следует оценивать не только по цене.

Важные факторы включают:

— Опыт работы с аккумуляторными блоками LiPo и литий-ионными аккумуляторами

— Источники поставки элементов и возможность их прослеживания

— Согласованность напряжения, ёмкости и внутреннего сопротивления

— Разработка системы управления аккумулятором

- Индивидуальные формы и варианты разъёмов

- Конструирование схемы защиты

- Возможности изготовления прототипов и проведения испытаний

- Производственные мощности и контроль поставок

- Процедуры управления качеством

- Техническая поддержка и гарантийное обслуживание

В зависимости от продукта и целевого рынка соответствующая документация может включать сертификаты и отчёты об испытаниях UN38.3, MSDS, IEC 62133, CE, RoHS или другие специфические для применения сертификаты и отчёты.

Профессиональный процесс кастомизации обычно включает подтверждение требований, электрическое проектирование, конструктивное проектирование, производство образцов, испытания характеристик, проверку безопасности, оптимизацию и серийное производство.

Будущие технологии аккумуляторов для дронов

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы будут продолжать широко применяться, однако несколько новых технологий могут повысить продолжительность полёта и безопасность дронов.

Твердотельные батареи

Твердотельные аккумуляторы заменяют традиционные жидкие или гелевые электролиты твердыми материалами. Их потенциальные преимущества включают повышенную безопасность и более высокую удельную энергоёмкость, однако производственные затраты и масштабное коммерческое внедрение остаются сложными задачами.

Литий-серные аккумуляторы

Литий-серная технология может обеспечить более высокую удельную энергию по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами. Её исследуют для применения в авиации с длительным временем нахождения в воздухе, однако срок службы, стабильность и возможность промышленного масштабирования всё ещё требуют улучшения.

Литиево-металлические аккумуляторы

Литий-металлические элементы могут значительно увеличить запасаемую энергию без пропорционального роста массы аккумулятора. Однако безопасность, срок службы, образование дендритов и стабильность производственного процесса остаются важными задачами разработки.

Водородным топливным элементам

Системы водородных топливных элементов могут обеспечить более длительное время работы для некоторых промышленных беспилотных летательных аппаратов. Они сложнее перезаряжаемых аккумуляторных блоков и требуют хранения водорода, вспомогательного оборудования и специальных эксплуатационных процедур.

Интеллектуальное управление батареей

В будущем аккумуляторы для дронов всё чаще будут использовать интеллектуальный мониторинг для оценки оставшегося времени полёта, выявления дисбаланса элементов, прогнозирования старения аккумулятора и предотвращения небезопасной эксплуатации.

Часто задаваемые вопросы

Какие аккумуляторы используются в большинстве дронов?

Большинство современных дронов используют литий-полимерные или литий-ионные аккумуляторы. FPV-дроны обычно оснащаются высокоразрядными LiPo-блоками, тогда как летательные аппараты с увеличенной продолжительностью полёта могут использовать литий-ионные блоки.

Можно ли установить в свой дрон аккумулятор большей ёмкости?

Только в том случае, если его напряжение, габариты, масса, тип разъёма, способность к разряду и влияние на центр тяжести аппарата совместимы с дроном.

Можно ли заменить 4S-аккумулятор на 6S-аккумулятор?

Нет, за исключением случаев, когда двигатели, электронные регуляторы скорости и другие электронные компоненты специально рассчитаны на напряжение 6S.

Как долго дрон держит заряд батареи?

Продолжительность полёта может составлять всего несколько минут для гоночных дронов и превышать 30 минут для эффективных дронов, используемых при аэросъёмке или в задачах длительного патрулирования.

Срок службы аккумулятора зависит от температуры эксплуатации, глубины разряда, привычек зарядки, условий хранения и нагрузки при работе.

Почему мой аккумулятор для дрона быстро разряжается?

Возможные причины включают низкую температуру окружающей среды, большой вес полезной нагрузки, сильный ветер, агрессивный стиль полёта, неэффективные пропеллеры, старение элементов, рост внутреннего сопротивления или несоответствие характеристик аккумулятора требованиям устройства.

Заключение

Какие аккумуляторы используются в дронах? Большинство дронов используют литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы благодаря высокой мощности и гибкости конструкции либо литий-ионные (Li-ion) — для увеличения продолжительности полёта. Аккумуляторы LiHV и LiFePO4 применяются в более узкоспециализированных задачах, а перспективные технологии могут обеспечить сверхдальние полёты в будущем.

Выбор подходящего аккумулятора для дрона требует больше, чем просто совпадение напряжения и ёмкости. Необходимо также учитывать количество элементов, ток разряда, массу, габариты, тип разъёма, рабочую температуру, энергопотребление летательного аппарата, способ зарядки и систему защиты безопасности.

Особое внимание следует уделить трём правилам:

1. Никогда не оставляйте литиевый аккумулятор без присмотра во время зарядки.

2. Никогда не используйте вздутый, протекающий или физически повреждённый аккумулятор.

3. Храните аккумулятор при напряжении, рекомендованном производителем, в прохладном, сухом и защищённом месте.

Это полное руководство охватывает типы аккумуляторов для дронов, показатели их производительности, вопросы безопасности и технического обслуживания. В нём объясняются аккумуляторы LiPo, Li-ion, LiHV и LiFePO4, а также такие параметры, как напряжение, ёмкость, C-рейтинг, расчёт времени полёта, зарядка, хранение и признаки необходимости замены. Кроме того, рассматриваются перспективные технологии, включая твёрдотельные, литий-серные и литий-металлические аккумуляторы для увеличения продолжительности полёта