Питание и LiPo

Питание и аккумуляторы LiPo

Цель занятия: обучающиеся обслуживают аккумуляторы по регламенту, отбраковывают непригодные и рассчитывают допустимое время полёта.

LiPo — самый опасный и самый расходуемый элемент аппарата. Он же чаще всего оказывается причиной внезапных отказов, которые выглядят необъяснимо.

Три правила, которые не обсуждаются.

Заряжаемый LiPo не остаётся без присмотра. Заряжать в несгораемом пакете или коробке, вдали от горючего.
Вздутый аккумулятор не заряжается и не прокалывается. Он выносится и утилизируется. Вздутие означает, что внутри уже идёт газообразование.
Повреждённый после аварии аккумулятор кладётся отдельно и наблюдается не менее 20 минут. Возгорание часто происходит не сразу после удара.

Как читать маркировку

На аккумуляторе написано что-то вроде 4S 1500 mAh 75C.

Обозначение	Смысл	Практический вывод
4S	4 ячейки последовательно	Напряжение: 4 × 3,7 = 14,8 В номинал
1500 mAh	Ёмкость	Сколько энергии запасено
75C	Токоотдача	Максимальный ток = 75 × 1,5 А = 112,5 А

Напряжение — главный индикатор

На ячейку	Состояние
4,20 В	Полный заряд
3,80 В	Напряжение хранения
3,50 В	Пора садиться
3,30 В	Нижний предел под нагрузкой
ниже 3,0 В	Повреждение, ёмкость потеряна безвозвратно

Глубокий разряд убивает аккумулятор необратимо. Один раз посадив LiPo ниже 3 В на ячейку, вы теряете значительную часть его ёмкости навсегда, а элемент становится склонен к вздутию. Именно поэтому порог посадки ставится с запасом, а не «долетаю, пока не запищит».

Расчёт времени полёта

Оценка сверху, без учёта манёвров:

t = \frac{C \cdot 60 \cdot k}{I}

где $C$ — ёмкость в ампер-часах, $I$ — средний ток в амперах, $k$ — доля используемой ёмкости (обычно 0,8 — оставляем 20 % запаса).

Пример. Аккумулятор 1500 мА·ч = 1,5 А·ч, средний ток в полёте 15 А. $t = \frac{1{,}5 \cdot 60 \cdot 0{,}8}{15} = 4{,}8$ минуты.
Обратите внимание: не 6 минут, как получилось бы без коэффициента запаса. Эти 20 % — то, что остаётся на возврат, заход на посадку и ошибку в расчёте.

Почему висение дороже, чем кажется. Ток сильно зависит от режима: агрессивный полёт с разгонами потребляет в разы больше, чем спокойное перемещение. Средний ток берётся по факту из лога предыдущих полётов, а не из оптимистичной оценки — см. разбор логов.

Зачем нужна балансировка

Аккумулятор 4S — это четыре ячейки последовательно. Они разряжаются чуть по-разному, и со временем расходятся по напряжению.

Опасность: общее напряжение может выглядеть нормальным, пока одна ячейка уже ушла в глубокий разряд. Пример: 3,8 + 3,8 + 3,8 + 3,0 = 14,4 В — на вид приемлемо, а четвёртая ячейка уже повреждена.

Балансировочный разъём позволяет зарядному устройству видеть каждую ячейку отдельно и выравнивать их. Поэтому заряжают всегда с подключённым балансировочным разъёмом.

Проверить перед зарядкой

Измеряем напряжение каждой ячейки. Разброс больше 0,1 В — признак проблемы.

Заряжать током 1C

Ток зарядки, равный ёмкости (для 1500 мА·ч — 1,5 А). Быстрая зарядка большим током сокращает срок службы.

Не оставлять без присмотра

В несгораемом пакете, на негорючей поверхности.

Хранить при 3,8 В на ячейку

Если аккумулятор не будет использован в ближайшие дни — режим хранения. Заряженный «под завязку» LiPo деградирует быстро.

Признаки, что аккумулятор пора списать

Признак	Что означает
Вздутие, даже небольшое	Немедленно на утилизацию
Просадка под нагрузкой больше обычного	Выросло внутреннее сопротивление, ёмкость упала
Ячейки расходятся больше 0,1 В	Одна ячейка деградировала
Заметно быстрее разряжается	Потеря ёмкости
Греется при зарядке	Внутреннее повреждение
Механическое повреждение корпуса	Не эксплуатируется

Просадка как метрика здоровья. Записывайте, до какого напряжения проваливается аккумулятор под полным газом. Новый 4S проседает, скажем, до 14,0 В; тот же аккумулятор через сто циклов — до 13,0 В при том же токе. Это объективный показатель износа, и он виден в логе задолго до отказа. Ведение такой статистики по каждому аккумулятору — признак хорошо поставленной эксплуатации.

Провода, разъёмы и просадка

Ток в десятки ампер предъявляет требования ко всей цепи, а не только к аккумулятору.

Проблема	Проявление
Тонкие провода	Греются, дают просадку напряжения
Плохая пайка	Точка нагрева, обрыв в полёте
Изношенный разъём	Искрение, потеря контакта под вибрацией
Длинные силовые провода	Дополнительное падение напряжения

Потери на проводе: $P = I^2 R$ . При токе 20 А даже сопротивление 0,01 Ом даёт 4 Вт тепла — провод ощутимо греется. Отсюда требование к сечению.

Практика занятия

Измерить и записать

Мультиметром — напряжение каждой ячейки нескольких аккумуляторов. Составляем таблицу состояния парка.

Рассчитать время полёта

По формуле, взяв средний ток из лога реального полёта.

Зарядить по регламенту

С балансировкой, током 1C, в несгораемом пакете, с наблюдением.

Отбраковать

Из подготовленного набора (включая заведомо негодные) выбрать те, что нельзя эксплуатировать, и объяснить почему.

Завести журнал аккумуляторов

Номер, дата ввода, число циклов, просадка под нагрузкой. Ведётся дальше постоянно.

Связь с электротехникой. Всё, что здесь происходит, — это закон Ома и мощность в действии: внутреннее сопротивление даёт просадку, ток в квадрате даёт нагрев, последовательное соединение складывает напряжения. Хороший момент, чтобы связать полёты с основами электротехники — тут теория внезапно становится вопросом, долетит аппарат или нет.

Приёмка занятия

Читает маркировку и объясняет каждое число.
Рассчитывает время полёта с запасом и обосновывает коэффициент.
Объясняет, зачем балансировочный разъём и что будет без него.
Отбраковывает негодные аккумуляторы и аргументирует.
Знает и соблюдает правила зарядки и хранения.

Полётный контроллер Радиолиния