Як вибрати акумулятор для дрона: повний гайд для військових і цивільних операторів

Акумулятор для дрона – це як бензин в автомобілі. Без нього нікуди не поїдеш, а якщо він закінчиться в найневідповідніший момент, то виникнуть труднощі. І якщо у випадку з автомобілем ви просто зупинитеся на дорозі, то коли мова заходить про військовий БПЛА, неправильно обраний акумулятор буде коштувати самого дрона, тому що він впаде, а також проваленої місії, від якої можуть залежати здоров'я, життя людей і досягнення стратегічних цілей.

Як і у випадку з автомобільним паливом, існують різні види акумуляторів, які відрізняються за параметрами. І вибирати їх потрібно далеко не тільки за ємністю (за параметром, який визначає тривалість польоту), але за багатьма іншими характеристиками залежно від типу дрона. 

Основні параметри

Вибираючи акумулятор для дрона, необхідно враховувати різні параметри джерела живлення. Перелічимо основні характеристики батарей.  

Ємність

Простими словами, це те, скільки енергії може накопичити акумулятор під час заряду, і, відповідно, скільки потім він може віддати дрону під час польоту. Ємність вимірюється в міліампер-годинах (мА·год, mA⋅h) або у ват-годинах (Вт⋅год, W⋅h). Чим більший цей показник, тим довше дрон може перебувати в польоті, тим рідше потрібні підзарядки та заміни акумуляторів. 

Однак чим більша ємність, тим більша вага акумулятора, що впливає на маневреність. Крім того, надмірне підвищення ємності навпаки призводить до зменшення часу польоту, оскільки вага батареї збільшується настільки сильно, що моторам дрона доводиться витрачати набагато більше енергії. 

Напруга

Напруга в акумуляторах вимірюється у вольтах (В, V). Однак у батареях для дрона заведено вказувати кількість S, а в народі кажуть – кількість банок. S – це одна комірка, напруга якої становить 3,7 В. Відповідно, якщо напруга акумулятора 2S = 3,7 В * 2, то у вольтах це буде 7,4 В, якщо 4S = 3,7 В * 4, то вийде 14,8 В, а, наприклад, якщо мова про акумулятор для дрона 6s = 3,7 В * 6 буде дорівнювати 22,2 В. 

Чим більше напруга, тим більше можна отримати потужність від батареї, продуктивність польоту і хорошу реакцію на газ, дрон стає більш динамічним. 

Однак важливо розуміти, що напруга повинна бути обрана відповідно до параметра живлення, який підтримують мотори та електронні регулятори швидкості (ESC). Як правило, вони працюють в певному діапазоні напруг (наприклад, 2S-4S). Якщо напруга акумулятора буде нижче підтримуваної, то мотори не будуть обертатися, а якщо вище – відбудеться перегрів компонентів і вихід їх з ладу. 

Струмовіддача

Цей параметр показує, яку силу струму може забезпечити акумулятор безпечно, скільки електрики одночасно він може віддавати без перегріву. Вимірюється в амперах (А), а позначається літерою C (наприклад, 0,5C, 2C і т.д.) і також називається C-рейтинг. Значення мають два параметри струмовіддачі. 

Постійна струмовіддача показує кількість електрики, що віддається акумулятором безпечно протягом усього польоту у звичайному режимі. А пікова – кількість електрики, яку може віддати батарея короткостроково і без перегріву, наприклад, протягом 5-10 секунд. 

Чим вище струмовіддача, тим точніше дрон виконує різкі маневри, оскільки при різких прискореннях живлення не просідає. Якщо струмовіддача буде обрана занадто малою, то при прискореннях можливі провали управління, відеопередачі та навіть втрати зв'язку. 

Вага

Як вже було сказано, вага залежить від ємності. Але на неї також впливають тип елемента (Li-Po, Li-ion та ін.), корпусу (soft-pack, hard-case та ін.) та інші параметри. Чим більша вага акумулятора, тим більше навантаження на мотори, а відповідно та енерговитрати. А також це збільшує інерцію і маневреність БПЛА. 

Наприклад, вибираючи акумулятор для FPV дрона, краще віддати перевагу легкому, навіть на шкоду ємності. Адже для такого типу БПЛА важлива маневреність і швидкість. 

Типи акумуляторів для дронів

Акумулятори поділяються на кілька типів залежно від хімічного складу. Для FPV-дронів найчастіше застосовуються літій-полімерні (Li-Po). Їх переваги: 

• висока струмовіддача – добре підходить для різкого прискорення і маневрів без просідання напруги;

• невелика вага – не збільшує інерційність дрона, дає більше свободи для віражу, не навантажує мотори.

У Li-Po батарей є і мінуси. Однак при правильній експлуатації вони незначні. Такі акумулятори чутливі до перезаряду і перерозряду, а також під час заряду необхідно використовувати балансир – всі комірки повинні заряджатися однаково. Ці мінуси абсолютно не відчуваються, якщо FPV дрон виконує місію камікадзе і є одноразовим. 

Також існують літієві акумулятори високої напруги (LiHV, Lithium High Voltage). Якщо в Li-Po акумуляторах максимальна напруга кожної комірки становить 4,2 В, то в LiHV – 4,35 В. Це дає більше тяги на перших хвилинах польоту і дозволяє зробити ривок. У деяких ситуаціях це можна використовувати як тактичну перевагу. Також при рівній масі з Li-Po батареєю, LiHV має більшу ємність.

Для тривалих і спокійних польотів частіше використовується батарея для дрона літій-іонного типу (Li-Ion). До їх переваг належать: 

• велика енергетична щільність;

• стійкість до глибокого розряду;

• менший ризик пошкодження, здуття.

Недоліками Li-ion акумуляторів є менша струмовіддача, повільна реакція на прискорення, підвищення газу, гірша маневреність дрона. З огляду на всі плюси та мінуси, такі типи батарей можна ефективно використовувати на розвідувальних багаторазових БПЛА. Від них не потрібна маневреність і потрібно тривале перебування в небі, що і може забезпечити Li-ion батарея. 

Існують і інші види акумуляторів, наприклад, NiMH, NiCd, Pb-гелеві. Зараз вони вважаються застарілими та в військових БПЛА не використовуються, особливо не підходять для FPV-днів, оскільки є важкими та мають низьку струмовіддачу. Такі можна зустріти тільки в іграшкових дронах. 

Як правильно вибрати акумулятор для дрона

Підбір акумулятора для дрона – це зовсім не про вибір найємнішого варіанту, щоб його вистачило якомога на довший час. Враховуються й інші параметри. 

Найбільш «ненажерливими» компонентами дрона є мотори. Тому акумулятор, в першу чергу підбирається під них. Визначте напругу (кількість банок) відповідно до рекомендацій до моторів, ESC і бажаної швидкості та крутним моментом (чим більше S, тим більше потужності при тій же силі струму). 

Розрахуйте сумарне споживання струму двигунів. Для кожного мотора знайдіть середній або максимально очікуваний струм Imotor, (A) при обраній напрузі та розмірі пропелерів (інформація береться з дата-шитів або тестів). Сумарний струм всієї установки дорівнює струму, кратному кількості двигунів:

Isum ​= Nmotors ​* Imotor​

Наприклад, 4 мотори * 30 А = 120 А (Isum – сумарний струм всієї установки). 

Застосуйте коефіцієнт запасу струму, щоб уникнути деградації акумулятора і забезпечити стабільний політ:

Irequired​ = Isum ​* Kreserve​ 

Kreserve ​ – це коефіцієнт запасу, зазвичай він дорівнює 1,3-1,5, чим агресивніший політ очікується, тим більший коефіцієнт. Тому можна навести такий приклад: 120 А * 1,3 = 156 А (Irequired​ – рекомендуємо піковий струм акумулятора).

Якщо ви знаєте бажану ємність акумулятора, Q (А·год), яка враховує його допустиму вагу, то знаючи споживану силу струму, можна визначити приблизну тривалість польоту (T):

T = (Q * 60) / I 

Якщо обрано акумулятор на 20 000 мА·год (або 20 А·год) для БПЛА з піковою силою струму 156 А, то можна врахувати, що середній струм буде близько 130 А. При таких параметрах, дрон буде в повітрі близько (20 А·год * 60) / 130 А ≈ 9,2 хв. Якщо під час польоту струм буде часто досягати пікових показників, то час зменшується. 

Ми розрахували параметри акумуляторів для деяких популярних сетапів БПЛА. 

Для FPV-рейсингу, ударних операцій рекомендується взяти в пріоритет C-рейтинг і вагу. Підійдуть такі акумулятори:

• 6S, висока напруга для найшвидшої реакції;

• струмовіддача до 150 A  і вище, для стабільного живлення при прискоренні;

• ємність невелика – 1 000-1 300 мА·год.

Для фрістайлу виконання маневрів і фігур пілотажу потрібна стабільна напруга, трохи більший час польоту, плавність. Це забезпечить такий акумулятор:

• рекомендуються 6s;

• струмовіддача – 100-120 A;

• ємність – 1 300-1 500 мА·год.

Для дронів, що використовуються на великій дистанції та в тривалих польотах, пріоритетами будуть максимальна ємність, невелика вага:

• напруга 6S або 8S залежно від рами та моторів;

• струмовіддачі вистачить 30-60 A, оскільки маневри спокійні;

• ємність потрібна 5 000-25 000 мА·год, може бути акумулятор Li-ion.

При використанні легких компактних дронів типу Cinewhoop пріоритетами стають невелика вага і стабільна напруга, тому характеристики акумулятора такі:

• напруга 4S, оскільки мотори енергоефективні; 

• струмовіддача 30-60 A, для таких моторів цього вистачить навіть для прискорень;

• ємність 650-1 000 мА·год.

Для DJI Mavic та інших готових дронів рекомендується використовувати ті акумулятори, які передбачені виробником. Як правило, вони мають захист від перегріву, перерозряду, перерозряду, а також оснащуються платою BMS для зменшення деградації. Використання сторонніх акумуляторів може вивести з ладу дрон. 

Баланс між напругою, ємністю та струмом

Від вибору акумулятора залежить час польоту, потужність і керованість дрона. На ці властивості впливають ємність, напруга і струмовіддача. Необхідно балансувати між цими параметрами, щоб домогтися оптимальних властивостей. 

Напруга обмежується параметрами ESC і моторів. Наприклад, для стандартних FPV-дронів на рамі 5-7 дюймів для оптимальної потужності та середнього споживання підійдуть акумулятори на 6S (22,2 В). Для гоночних дронів з великою тягою, великих платформ або БПЛА для польотів на далекі відстані рекомендуються акумулятори на 8S (29,6 В).

Велика ємність акумулятора дає більший час польоту, проте не варто, закривши очі на все, вибирати максимально об'ємні варіанти. Чим більша ємність, тим більша вага, а це збільшує інерційність і шкодить динаміці БПЛА, що важливо для FPV дронів. Також збільшується навантаження на мотори та зменшується їх термін служби. Тому необхідно знайти аккумулятор для квадрокоптера з такою ємністю, яка дасть оптимальну для даного дрона і завдання вагу, а також час польоту. 

Формули ідеального поєднання для різних стилів польоту

Параметри акумулятора залежать і від типу пілотування. Наприклад, для агресивного FPV і фрістайлу рекомендується висока напруга і струм, а також середня ємність, яка забезпечить нормальну вагу. Якщо потрібні тривалі та спокійні польоти, аккумулятор на квадрокоптер повинен бути з великою ємністю, стабільною напругою, низьким струмом, тому, що не буде різких маневрів. 

Для зйомки за допомогою дрона варто вибрати акумулятор із середніми параметрами за всіма характеристиками. Правильний вибір акумулятора збільшує ефективність дрона. А також впливає на термін роботи акумулятора, оскільки знижує його перегрів і ризик здуття. 

Приклад готових акумуляторних збірок

У таблиці зібрані приклади моделей акумуляторів з їх характеристиками, а також описані умови, в яких вони показують свої переваги: 

Типові помилки при виборі акумулятора

Щоб ви змогли правильно вибрати акумулятор, ми зібрали список популярних помилок, які часто роблять новачки:

1. Занадто важка батарея без урахування ваги самого дрона. Це призведе до втрати вантажопідйомності, маневреності, перевищення енергоспоживання. 

2. Ігнорування живлення ESC і моторів. При занадто низькій напрузі акумулятора, мотори не запустяться, при занадто високій – перегріються і вийдуть з ладу.

3. Використання батареї з низькою струмовіддачею. При різких маневрах, прискореннях, напруга буде падати, виникнуть провали в управлінні, передачі відео, втрати зв'язку. Також акумулятор перегріється і вийде з ладу. 

4. Ігнорування перевірки напруги перед використанням. Якщо акумулятор виявиться не зарядженим або несправним, то це буде видно по його напрузі. Таке джерело живлення не можна ставити на дрон. 

5. Зарядка без балансування. Балансування необхідне для того, щоб всі банки батареї мали однакову напругу. В іншому випадку акумулятор для квадрокоптера швидко виходить з ладу і працює неефективно. 

Висновок

Правильний вибір акумулятора для дрона – це завжди баланс між потужністю, ємністю, струмовіддачею та іншими параметрами. Успішність повітряної місії БПЛА сильно залежить від якості акумуляторів, а також їх правильної експлуатації та зберігання.