วิธีทำแบตเตอรี่โดรน

นักบินส่วนใหญ่ไม่เคยคิดถึงวิธีการผลิตแบตเตอรี่สำหรับโดรนเลย จนกว่าจะถึงเวลาที่แบตเตอรี่แบบที่ต้องการจะใช้งานจริงกลับไม่มีวางจำหน่าย อาจเป็นเพราะจำนวนเซลล์ไม่ตรงกับที่ต้องการ รูปร่างไม่พอดีกับโครงสร้างของโดรน ขั้วต่อไม่เข้ากับบอร์ดกระจายพลังงานที่ใช้อยู่ หรือแม้แต่ราคาที่สูงเกินไปเมื่อต้องสั่งซื้อในปริมาณมาก ณ จุดนั้น การประกอบแบตเตอรี่ขึ้นเองเริ่มดูเป็นทางเลือกที่สมเหตุสมผล — และก็เป็นเช่นนั้นจริง ตราบใดที่มองว่าเป็นงานประกอบอย่างระมัดระวัง ไม่ใช่การทดลองทางเคมี

การผลิตแบตเตอรี่สำหรับโดรนขึ้นอยู่กับการตัดสินใจเพียงสี่ประการ ได้แก่ เซลล์ชนิดใดที่จะใช้ การจัดเรียงเซลล์อย่างไร การเชื่อมต่อเซลล์เข้าด้วยกันอย่างไร และจะป้องกันชุดแบตเตอรี่นั้นอย่างไร ส่วนที่เหลือทั้งหมดคือการลงมือทำตามแผนที่วางไว้ สิ่งที่จะกล่าวต่อไปนี้คือลำดับขั้นตอนดังกล่าวตามที่คุณจะดำเนินการจริง รวมถึงขั้นตอนการทดสอบและการจัดทำเอกสาร ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดว่าชุดแบตเตอรี่นั้นจะสามารถใช้งานผ่านฤดูกาลหนึ่งไปได้หรือไม่

๑. รู้จักส่วนประกอบสามส่วนของแบตเตอรี่สำหรับโดรน

แบตเตอรี่สำหรับโดรนมีความเรียบง่ายกว่าที่มองเห็น ประกอบด้วยสามส่วน และแต่ละส่วนล้วนมีความสำคัญ

• เซลล์ ซึ่งทำหน้าที่เก็บพลังงาน แรงดันไฟฟ้า ความจุ และอัตราการปล่อยกระแสไฟฟ้า ล้วนขึ้นอยู่กับเซลล์เหล่านี้
• บอร์ดจัดการหรือป้องกัน ซึ่งรักษาเซลล์ภายในให้อยู่ในขีดจำกัดที่ปลอดภัย และในแบตเตอรี่อัจฉริยะจะรายงานสถานะไปยังคอนโทรลเลอร์บิน
• ส่วนกลไก: การเชื่อมต่อ สายไฟ ขั้วต่อ และวัสดุหุ้มที่ยึดทุกส่วนเข้าด้วยกันเพื่อไม่ให้สั่นคลอนหรือหลุดออกจากกันขณะบิน

หากละเลยองค์ประกอบใดองค์ประกอบหนึ่งจากสามส่วนนี้ แบตเตอรี่จะล้มเหลว โดยปกติเกิดขึ้นขณะบิน ผู้เริ่มต้นมักวางแผนจำนวนเซลล์มากเกินไป แต่ให้ความสำคัญกับสองส่วนที่เหลือน้อยเกินไป

2. เลือกชนิดของเซลล์ก่อนสิ่งอื่นใด

มีเซลล์แบตเตอรี่สองประเภทที่ครองตลาดโดรนอยู่ และแต่ละประเภทเหมาะกับงานต่างกัน

• เซลล์แบบถุง (LiPo และ LiHV) คือแบตเตอรี่แบบนิ่มที่คุ้นเคยกันดี มีอัตราการปล่อยกระแสสูง น้ำหนักเบาเมื่อเทียบกับกำลังที่ให้ และมีจำหน่ายในเกือบทุกขนาด จึงยังคงเป็นที่นิยมใช้ในโดรน FPV และโดรนสำหรับถ่ายภาพ ทั้งนี้เซลล์ประเภทนี้จำเป็นต้องได้รับการป้องกันทางกายภาพ และไม่ควรเก็บไว้ที่ระดับชาร์จเต็ม
• เซลล์ลิเธียมไอออนแบบทรงกระบอก (เช่น 18650, 21700 และรุ่นที่ใกล้เคียง) มีพลังงานต่อน้ำหนักสูงกว่า อัตราการปล่อยกระแสต่ำกว่า และอายุการใช้งานนานกว่ามาก จึงมักใช้ในแพลตฟอร์มที่ต้องบินต่อเนื่องเป็นเวลานานและโดรนสำหรับทำแผนที่

การระบุอัตราการปล่อยประจุที่ดูน่าประทับใจบนฉลากนั้นไร้ค่า หากเซลล์ไม่สามารถจ่ายกระแสสูงสุดที่มอเตอร์ต้องการได้โดยไม่เกิดแรงดันตก (voltage sag) โปรดเลือกอัตราการปล่อยประจุแบบต่อเนื่องให้สอดคล้องกับกระแสจริงที่มอเตอร์ดึงใช้งาน แล้วเพิ่มค่าเผื่อไว้ด้วย

3. คำนวณแรงดันไฟฟ้าและความจุก่อนเป็นอันดับแรก

ขั้นตอนนี้คุ้มค่ามากที่จะจดบันทึกไว้ก่อนซื้อสินค้าใด ๆ

• เมื่อต่อเซลล์แบบอนุกรม แรงดันไฟฟ้าจะรวมกัน เซลล์ LiPo หนึ่งเซลล์มีแรงดันเชิงนามธรรม (nominal voltage) 3.7 V และชาร์จเต็มที่ 4.2 V ดังนั้นแบตเตอรี่แบบ 6S จะมีแรงดันเชิงนามธรรม 22.2 V และแรงดันสูงสุดเมื่อชาร์จเต็ม 25.2 V
• เมื่อต่อเซลล์แบบขนาน ความจุและศักยภาพในการจ่ายกระแสจะรวมกัน กลุ่มเซลล์สองชุดที่ต่อกันแบบขนาน แต่ละชุดมีความจุ 2500 mAh จะให้ความจุรวม 5000 mAh
• วัตต์-ชั่วโมง (Wh) บอกพลังงานที่แท้จริง ซึ่งคำนวณจากแรงดันไฟฟ้าคูณด้วยแอมแปร์-ชั่วโมง (Ah) แบตเตอรี่แบบ 6S ที่มีความจุ 5000 mAh จะเก็บพลังงานได้ประมาณ 111 Wh (22.2 V × 5 Ah)

จากนั้นตรวจสอบน้ำหนัก แบตเตอรี่แต่ละแบบคือการตกลงกันระหว่างระยะเวลาบินกับการควบคุมอากาศยาน และหากแบตเตอรี่หนักกว่าที่โครงสร้างอากาศยานออกแบบมาให้รับน้ำหนักไว้ จะทำให้สูญเสียเวลาบินมากกว่าที่ความจุเพิ่มเติมจะชดเชยได้

4. จับคู่เซลล์ให้ตรงกันก่อนนำมารวมเข้าด้วยกัน

เซลล์ที่ออกจากโรงงานพร้อมกันนั้นมีคุณสมบัติใกล้เคียงกัน แต่ไม่เหมือนกันอย่างสมบูรณ์ ให้ใช้เซลล์รุ่นใหม่เดียวกันจากล็อตเดียวกัน ห้ามผสมรุ่นเข้าด้วยกัน และห้ามนำเซลล์ใหม่มาผสมกับเซลล์ที่เคยใช้งานแล้ว

ก่อนประกอบ ให้วัดค่าเซลล์แต่ละตัวสองประการ

• ความจุ เพื่อจัดกลุ่มเซลล์ที่มีค่าใกล้เคียงกันที่สุดเข้าด้วยกัน
• ความต้านทานภายใน ซึ่งมีผลต่อพฤติกรรมของชุดแบตเตอรี่ภายใต้ภาระหนักมากกว่าความจุ

จัดเรียงและคัดแยกเซลล์ออกเป็นกลุ่ม จากนั้นประกอบชุดแบตเตอรี่แต่ละชุดจากกลุ่มที่มีความแปรปรวนน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ ความแข็งแรงของชุดแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับเซลล์ที่อ่อนแอที่สุดในชุดนั้น และหากมีเซลล์ใดเซลล์หนึ่งมีความต้านทานสูง จะทำให้ชุดแบตเตอรี่ทั้งชุดเสียสมดุล

5. ต่อกลุ่มเซลล์เข้าด้วยกันด้วยเครื่องเชื่อมแบบจุด

ความร้อนทำลายเซลล์ลิเธียม วิธีการบัดกรีโดยตรงที่ขั้วต่อของเซลล์จะส่งผ่านความร้อนเข้าสู่ซีลและโครงสร้างภายใน ซึ่งมักไม่ปรากฏความเสียหายออกมาจนกว่าชุดแบตเตอรี่จะถูกนำไปใช้งานจริงแล้ว ส่วนการเชื่อมแบบจุดด้วยแถบไนเกิลนั้นทำหน้าที่เดียวกันแต่ใช้เวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาที และปล่อยความร้อนน้อยกว่ามาก จึงเป็นเหตุผลที่ชุดแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ผลิตด้วยวิธีนี้

มีสี่ปัจจัยที่กำหนดว่ารอยต่อจะคงทนหรือไม่

• เลือกขนาดของแถบไนเคิลให้เหมาะสมกับกระแสสูงสุด ไม่ใช่กระแสเฉลี่ย เพราะแถบไนเคิลที่มีขนาดเล็กเกินไปจะเพิ่มความต้านทาน ความร้อน และการตกของแรงดัน
• รักษารูปแบบการเชื่อมให้สม่ำเสมอ เพื่อให้กระแสกระจายทั่วบริเวณจุดเชื่อมต่อ
• ใช้สายไฟที่มีขนาดหน้าตัดเหมาะสมสำหรับสายนำหลัก และให้สั้นที่สุดเท่าที่โครงสร้างอากาศยานจะอนุญาต
• เสริมค้ำสายนำบริเวณที่ออกจากชุดแบตเตอรี่ การสั่นสะเทือน — ไม่ใช่กระแสไฟฟ้า — คือสาเหตุหลักที่ทำให้รอยบัดกรีหลุด

6. เพิ่มระบบป้องกันและระบบสมดุล

ชุดเซลล์ที่ไม่มีระบบป้องกันจะทำลายตัวเองได้อย่างง่ายดาย ดังนั้นทุกชุดแบตเตอรี่ที่คุณประกอบขึ้นจึงจำเป็นต้องมีระบบป้องกัน ไม่ว่าจะเป็นระบบจัดการแบตเตอรี่แบบครบวงจร (BMS) หรือแผงสมดุลพร้อมวงจรป้องกันแยกต่างหาก อย่างน้อยที่สุด คุณควรจัดหา:

• ระบบตัดการทำงานเมื่อชาร์จเกินและปล่อยประจุเกิน ซึ่งต้องตั้งค่าให้สอดคล้องกับชนิดของสารเคมีในเซลล์
• ระบบป้องกันกระแสเกินและระบบป้องกันวงจรลัดที่มีค่าการรับกระแสสูงสุดมากกว่ากระแสสูงสุดที่ใช้งาน เพื่อไม่ให้ระบบทำงานผิดพลาดระหว่างบิน
• ระบบสมดุลระดับเซลล์ เพื่อรักษาความสมดุลของชุดแบตเตอรี่ไว้ตลอดหลายร้อยรอบการใช้งาน
• เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิสำหรับชุดแบตเตอรี่ที่ต้องทำงานหนัก หรือใช้งานในสภาพอากาศร้อน

แบตเตอรี่อัจฉริยะมีระยะการใช้งานที่ไกลขึ้น และรายงานแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ จำนวนรอบการชาร์จ-ปล่อยประจุ และสภาพสุขภาพของเซลล์ไปยังหน่วยควบคุมการบิน ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้เครื่องบินสามารถแจ้งเตือนผู้ใช้ล่วงหน้าก่อนที่เซลล์ใดเซลล์หนึ่งจะเสียหายได้ ข้อมูลเหล่านี้ รวมถึงการทดสอบที่เกี่ยวข้อง เป็นเหตุผลหลักที่ทำให้แบตเตอรี่เชิงพาณิชย์มีราคาสูงกว่าราคาของเซลล์ภายในอย่างเดียว

7. ออกแบบและสร้างให้ทนทานต่อโครงสร้างอากาศยาน

นี่คือจุดที่แบตเตอรี่แบบโฮมเมดมักล้มเหลวในทางปฏิบัติ: ไม่ใช่ด้านไฟฟ้า แต่เป็นด้านกลไก

• ยึดเซลล์ด้วยแผ่นเว้นระยะหรือที่ยึด เพื่อไม่ให้เซลล์เสียดสีกัน
• ติดฉนวนกันไฟฟ้าระหว่างแบตเตอรี่กับส่วนใด ๆ บนโครงที่นำไฟฟ้า
• ห่อบางเตอรี่ด้วยเทปและหุ้มด้วยที่หดความร้อน เพื่อไม่ให้ส่วนใดเคลื่อนคลาดจากแรงสั่นสะเทือน
• ใช้ขั้วต่อที่รองรับกระแสไฟฟ้าที่ใช้งาน และตรวจสอบให้แน่ใจว่าสอดคล้องกับขั้วต่อที่ติดตั้งอยู่บนอากาศยานแล้ว
• ป้องกันแบตเตอรี่จากความชื้นหากโดรนบินภายนอกอาคาร และรักษาห่อหุ้มให้สมบูรณ์รอบสายสมดุล (balance leads)

น้ำหนักและการกระจายมวลควรพิจารณาเป็นขั้นตอนสุดท้าย การเปลี่ยนตำแหน่งศูนย์กลางมวลของแบตเตอรี่จะส่งผลต่อพฤติกรรมการบินของโดรน และหน่วยควบคุมการบินสามารถปรับตัวได้เพียงบางส่วนเท่านั้น

8. ทดสอบแบตเตอรี่ทุกชุดก่อนบิน

แบตเตอรี่ชุดใหม่จะได้รับความไว้วางใจจากการทดสอบในห้องปฏิบัติการ ไม่ใช่ขณะบิน

• ตรวจสอบค่าความต้านทานภายในของแต่ละเซลล์หลังการประกอบ ค่าที่ผิดปกติบ่งชี้ถึงการเชื่อมที่ไม่ดี หรือเซลล์ที่เสีย
• ทำการปล่อยประจุแบบเต็มรูปแบบ และเปรียบเทียบกำลังไฟฟ้าที่ส่งออกจริงกับค่าที่ระบุไว้
• ยืนยันว่าแบตเตอรี่สามารถปรับสมดุลได้ตามปกติ และแผงควบคุมการป้องกันตัดวงจรได้ตรงตามจุดที่กำหนด
• สังเกตอุณหภูมิขณะใช้งานภายใต้โหลดในรอบแรกๆ
• ให้ใช้รอบแรกอย่างเบามือ และชาร์จในพื้นที่ปลอดภัยที่ไม่ติดไฟ

หากเซลล์ใดเซลล์หนึ่งแสดงค่าผิดเพี้ยนจากเซลล์อื่น ให้หยุดทันทีและแก้ไข แบตเตอรี่ที่ไม่สมดุลจะไม่ดีขึ้นแม้ใช้งานต่อไป

9. รู้ว่าสิ่งใดสามารถจัดส่งหรือขายได้

การประกอบแบตเตอรี่เพื่อใช้เอง กับการประกอบเพื่อขาย เป็นโครงการคนละประเภทกันโดยสิ้นเชิง แบตเตอรี่ลิเธียมทุกชนิดที่เข้าสู่ระบบพาณิชย์หรือการขนส่ง จะถูกจัดเป็นสินค้าอันตราย และแบตเตอรี่ที่ประกอบขึ้นเองที่บ้านจะไม่มีประวัติการทดสอบรองรับ ดังนั้นสำหรับแบตเตอรี่ที่ออกจากโต๊ะทำงานของคุณในฐานะผลิตภัณฑ์ มาตรฐานขั้นต่ำคือ:

• ผลการทดสอบตามมาตรฐาน UN 38.3 ซึ่งเซลล์ลิเธียมและแบตเตอรี่ทุกชนิดที่ขนส่งต้องผ่านการทดสอบนี้ และต้องมีสรุปผลการทดสอบพร้อมใช้งานสำหรับชุดแบตเตอรี่ที่กำลังจัดส่ง
• มาตรฐานความปลอดภัย IEC 62133-2:2017 สำหรับเซลล์ลิเธียมแบบปิดผนึกและแบตเตอรี่แบบพกพา รวมถึงการประกอบเซลล์เข้าเป็นชุด
• เครื่องหมายและฉลากสำหรับการขนส่งตามคลาส 9 ที่ถูกต้อง
• ระเบียบว่าด้วยแบตเตอรี่ของสหภาพยุโรป (EU) 2023/1542 ซึ่งมีผลบังคับใช้ตั้งแต่เดือนกุมภาพันธ์ 2024 โดยข้อกำหนดด้านฉลากจะเริ่มบังคับใช้เป็นระยะตั้งแต่ปี 2026 และข้อกำหนดด้านข้อมูลดิจิทัลจะตามมาภายหลัง

เอกสารเหล่านี้ยังเป็นเหตุผลเชิงปฏิบัติที่สนับสนุนการซื้อแทนการประกอบเอง ผู้จัดจำหน่ายที่น่าเชื่อถือจะมอบเอกสารที่จำเป็นให้คุณพร้อมกับชุดแบตเตอรี่ และชุดแบตเตอรี่นั้นได้ผ่านการทดสอบมาแล้ว

ข้อผิดพลาดที่ทำลายชุดแบตเตอรี่ที่ประกอบเอง

• การบัดกรีโดยตรงที่ขั้วเซลล์จนทำให้ซีลเสียหาย
• การนำเซลล์ที่มีรุ่น ล็อต หรืออายุการใช้งานต่างกันมาประกอบรวมกันในชุดเดียว
• การประกอบชุดแบตเตอรี่โดยไม่มีระบบสมดุลหรือระบบป้องกันใดๆ เลย
• การเลือกขนาดของแถบเชื่อมและสายไฟตามกระแสเฉลี่ย แทนที่จะเป็นกระแสสูงสุด
• การข้ามขั้นตอนการหุ้มฉนวนระหว่างแบตเตอรี่แพ็กกับโครงที่นำไฟฟ้า
• การบินทดสอบแพ็กใหม่ทันทีอย่างหนักโดยยังไม่ได้พิสูจน์ประสิทธิภาพบนโต๊ะทดลองมาก่อน
• การชาร์จแพ็กที่น่าสงสัยหรือบวมภายในอาคารเพื่อดูผลลัพธ์ที่เกิดขึ้น
• การจัดส่งหรือจำหน่ายแพ็กโดยไม่มีเอกสารการทดสอบรองรับ

ข้อคิดเห็นสุดท้าย

การผลิตแบตเตอรี่สำหรับโดรนเป็นกระบวนการแบบลำดับขั้นตอน ไม่ใช่ทักษะเดียว: เลือกเคมีของเซลล์ให้เหมาะกับภารกิจของคุณ คำนวณจำนวนเซลล์แบบอนุกรมและขนานอย่างถูกต้อง จับคู่เซลล์ให้ตรงกัน ใช้การเชื่อมแทนการบัดกรี ปกป้องแพ็กอย่างเหมาะสม และทดสอบอย่างละเอียดก่อนนำออกจากโต๊ะทดลอง ผู้ควบคุมโดรนที่ปฏิบัติตามขั้นตอนเหล่านี้จะได้แพ็กที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับอากาศยานของตน ไม่ใช่แพ็กที่พอจะใส่ได้แต่ไม่ลงตัวจริง

หากเป้าหมายคือการสร้างฝูงอากาศยานที่เชื่อถือได้ ไม่ใช่การทดลองเพียงครั้งเดียว วิธีคิดก็เปลี่ยนไป แพ็กที่มาพร้อมการทดสอบครบถ้วน มีเอกสารรับรอง และสามารถผลิตซ้ำได้ จะคุ้มค่ากับราคาที่จ่าย โดยเฉพาะเมื่อทางเลือกอื่นคือแพ็กที่คุณไม่สามารถจัดส่งได้ และไม่กล้าบินเหนือสิ่งของมีค่าใดๆ

บทความที่เกี่ยวข้อง

วิธีเลือกแบตเตอรี่สำหรับโดรน
เรียนรู้ว่าแรงดันไฟฟ้า ความจุ อัตราการคายประจุ และคุณภาพของเซลล์แบตเตอรี่มีผลต่อการเลือกแบตเตอรี่ที่เหมาะสมกับโดรนของคุณอย่างไร

วิธีตรวจสอบสุขภาพของแบตเตอรี่โดรน
สังเกตสัญญาณการสึกหรอแต่เนิ่นๆ โดยตรวจสอบสภาพภายนอก แรงดันไฟฟ้า ความจุ ความต้านทานภายใน และคำเตือนจากแบตเตอรี่

วิธีชาร์จแบตเตอรี่โดรนขณะเดินทาง
วางแผนให้สอดคล้องกับระยะเวลาในการชาร์จ ปรับอัตราการชาร์จให้เหมาะสมกับแบตเตอรี่ของคุณ และรักษาความปลอดภัยขณะชาร์จในสนาม