Źródła zasilania energią elektryczną

Rodzaje akumulatorów stosowanych w bsp

Li-Po

użytkowanie

Akumulatory Li-Po dobrze jest często ładować i użytkować. Przyjmuje się, że pakiety Li-Po działają sprawnie przez okres 200-350 cykli ładowania, przy czym im częściej są użytkowane tym lepiej. Bardziej na niekorzyść działa wiek akumulatora niż częstość użytkowania.

Ich stan można kontrolować za pomocą tzw. testera Li-Po oraz testera napięcia. Ten drugi jest bardziej dokładnym i ważnym narzędziem pomiarowym.

‍

Korzystanie z baterii, gdy mają temperaturę poniżej 18 stopni C, bardzo szybko prowadzi do przeciążenia i głębokich spadków napięcia. Pilot drona narażony jest na to, że chwilę po starcie bateria, która miała temperaturę niższą niż 18 stopni C, nagle będzie podawać zbyt mały prąd (niskie napięcie), aby silniki wytworzyły odpowiednią siłę nośną, co w efekcie skutkuje upadkiem drona z wysokości.

Sposobem na użytkowanie baterii w warunkach zimowych jest wcześniejsze ich rozgrzanie za pomocą na przykład tzw. podgrzewaczy. Należy jednak pamiętać, by rozgrzewać baterię na długi czas przed startem, nie wystarczy parę minut przed startem. Czasem trzeba nawet 90 min poświęć na to by bateria i jej wnętrze zostały wystarczająco rozgrzane.

‍

Podobnie użytkowanie baterii których temperatura przekroczyła 40 stopni C, jest również niekorzystne, gdyż także rośnie gwałtownie oporność wewnątrz akumulatora i jest on mniej wydajny. Należy starać się nie dopuszczać do temperatur ponad 50 C, oraz bezwzględnie pilnować, aby w żadnym wypadku nie przekroczyć temperatury 60 stopni C.

ładowanie

Częste i nawet szybkie ładowanie jest korzystne dla tego typu akumulatorów.

Akumulatory Li-Po należy ładować wyłącznie ładowarkami przeznaczonymi do tego typu baterii oraz ładowanie powinno odbywać się z wykorzystaniem balansera (może być w baterii lub w ładowarce). Balanser zwiększa bezpieczeństwo podczas ładowania oraz zapewnia równomierny poziom naładowania cel.  

‍

W trakcie ładowania oraz przechowywania w celu ograniczenia ryzyka pożaru można baterie umieszczać np. w specjalnych torbach zabezpieczających tzw. ‘LiPo Safe Bag’, specjalnych pojemnikach lub samodzielnie wydzielonych i osłoniętych przestrzeniach niepalnym materiałem.

‍

Przy rozładowywaniu baterii podczas pracy balanser nie jest wykorzystywany. Najważniejszą sprawą, o którą należy zadbać jest to, aby nie przeciążyć baterii Li-Po.

‍

Przeciążeniem baterii będzie sytuacja, gdy :

• pojawiają się spadki napięcia na którejś z cel poniżej 3,3V (można to sprawdzać w niektórych aplikacjach sterujących)
• temperatura baterii przekracza 60 stopni C, prowadzi to do trwałych uszkodzeń, ale niekorzystne są juz temperatury powyżej 50 stopni C
• w pełni rozładujemy baterię (zaleca się rozładować baterię do 80% i wylądować pozostawiając 20%)
• napięcie na którejś z cel bez obciążenia, czyli nie pracującej jest niższe niż 3,75V

przechowywanie

Należy przechowywać w warunkach suchych i chłodnych. Nie powinno się przechowywać w pełni naładowanych lub w pełni rozładowanych baterii typu Li-Po, nawet przez krótki czas (np. przez jedną chociaż noc). Optymalnymi warunki przechowywania dłużej niż 2 dni to, takie gdy cele mają napięcia na celach pomiędzy 3,82V- 3,84V/celę, a pilnować należy tego, aby nie przekroczyły granic 3,65V - 4,0V.

W okresach jeszcze dłuższego przechowywania bez użytkowania np. jesienią i zimą należy co miesiąc kontrolować stan napięcia i jeżeli spadnie poniżej 3,75V do doładować baterie, ale nie do pełna. Do pełna akumulator należy naładować dopiero przed samym użyciem, gdy przygotowujemy się do realizacji naszej operacji z wykorzystaniem bsp.

niebezpieczeństwo

Ładowanie baterii Li-Po bez użycia balansera, stosowanie niecertyfikowanych ładowarek, innych niż zaleca producent jest niebezpieczne. Może prowadzić do przeładowania baterii i do wybuchu chemii znajdującej się wewnątrz. Utylizacja naładowanych baterii również jest niebezpieczna, dlatego pakiety przeznaczone już do utylizacji należy maksymalnie, do granic możliwości rozładować.

‍

Li-Ion

https://blog.swiatbaterii.pl/bateria-litowo-jonowa/

https://www.apple.com/pl/batteries/why-lithium-ion/

użytkowanie

Najbardziej szkodliwe dla tego typu akumulatorów jest rozładowanie ich do zera i pozostawienie ich w tym stanie na długi czas. Ten typ baterii (podobnie jak Li-Po) bardzo źle reagują na całkowite rozładowanie. Li-Ion pozostawione w głębokim rozładowaniu przez dłuższy czas ulegają uszkodzeniu na poziomie struktury krystalicznej ogniw (z powodu zbyt niskiego napięcia poniżej 2,7V)

ładowanie

Można ładować je w trybie szybkiego ładowania, gdy potrzebujemy, ale w zalecany tryb powolny zapewnia im dłuższą żywotność. Nie trzeba czekać z doładowaniem, aż bateria się rozładuje. Można je doładowywać w każdym momencie.

terminologia używana w odniesieniu do baterii

efekt pamięci

Spotykamy w ogniwach Ni-Cd (niklowo-kadmowych) i zalecane było, aby przed ładowaniem rozładować takie baterie do zera.

wiedza jak działa bateria

‍

‍

‍

1. Zarządzanie pakietami LiPo

Pakiety LiPo (litowo-polimerowe) są kluczowym elementem zasilania dronów, ale ich właściwe użytkowanie jest niezbędne dla bezpieczeństwa i długowieczności. Należy pamiętać o kilku kluczowych zasadach:

• Przechowywanie: LiPo powinny być przechowywane w temperaturze pokojowej, w stanie naładowania około 50-60% (tryb storage). Dzięki temu można uniknąć ich degradacji.
• Ładowanie: Zawsze należy używać dedykowanych ładowarek z funkcją balansowania, aby zapobiec przeładowaniu poszczególnych cel. Niewłaściwe ładowanie może prowadzić do przegrzania, a nawet pożaru.
• Bezpieczeństwo: Pakiety LiPo są wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne. Każde pęknięcie lub deformacja może oznaczać, że bateria jest niebezpieczna do dalszego użytku i powinna zostać zutylizowana​ (Shearwater Aerospace)​ (Unmanned Systems Technology).

2. Wydajność i temperatura

Pakiety LiPo są bardzo wrażliwe na temperaturę:

• Niskie temperatury: Zmniejszają wydajność baterii, co może skrócić czas lotu nawet o 20-30%. Dla misji w chłodnym klimacie zaleca się przechowywanie baterii w cieple przed lotem.
• Wysokie temperatury: Mogą prowadzić do przegrzania i skrócenia żywotności baterii. Zaleca się unikanie długotrwałego użytkowania w ekstremalnie gorących warunkach oraz przechowywanie baterii w zacienionym miejscu​ (Unmanned Systems Technology).

3. Wskaźniki zużycia baterii

Nowoczesne systemy monitorowania baterii (BMS) w dronach umożliwiają dokładne śledzenie stanu pakietów LiPo:

• Cykl życia: BMS może monitorować liczbę cykli ładowania, co pozwala na przewidywanie, kiedy bateria zacznie tracić wydajność.
• Alerty o stanie zdrowia: Systemy te mogą wykrywać anomalie, takie jak nierównowaga między celami, które mogą wskazywać na potrzebę wymiany baterii​ (Unmanned Systems Technology).

4. Baterie w aparaturach sterujących

Aparatury sterujące (np. piloty FPV) często używają innych typów baterii, takich jak Li-Ion (litowo-jonowe) lub NiMH (niklowo-wodorkowe). Kilka aspektów ich użytkowania:

• Li-Ion: Te baterie oferują wysoką pojemność i niską wagę, co sprawia, że są idealne do długotrwałego użytkowania. Jednak ich ładowanie wymaga precyzyjnego kontrolera ładowania, aby uniknąć przeładowania.
• NiMH: Są bardziej odporne na uszkodzenia i mogą być ładowane bez ryzyka „pamięci” (efektu zmniejszającego ich pojemność), ale są cięższe i mają mniejszą pojemność niż Li-Ion​ (Shearwater Aerospace).

5. Szybkie ładowanie i ładowanie na miejscu

W kontekście dronów użytkowanych komercyjnie, szybkie ładowanie staje się coraz ważniejsze. Dzięki nowoczesnym systemom ładowania, możliwe jest naładowanie baterii do pełna w zaledwie kilkadziesiąt minut, co znacząco zwiększa efektywność operacyjną. W przypadku większych flot dronów, rozważane są rozwiązania, takie jak sieci wspólnych ładowarek czy automatyczne systemy wymiany baterii​ (Drone Industry Insights)​ (Unmanned Systems Technology).

‍

Baterie Li-Po (litowo-polimerowe) są popularnym wyborem w dronach ze względu na ich wysoką gęstość energetyczną i lekkość. Jednak są one również bardziej wrażliwe i podatne na uszkodzenia w porównaniu do innych typów baterii. Oto, co najbardziej szkodzi bateriom Li-Po:

1. Nadmierne rozładowanie: Rozładowanie baterii poniżej jej minimalnego bezpiecznego napięcia (zwykle 3,0 V na celę) może prowadzić do trwałych uszkodzeń, zmniejszenia pojemności, a nawet całkowitej awarii baterii​ (3D Insider).
2. Przegrzewanie: Li-Po są wrażliwe na wysokie temperatury. Przegrzanie może prowadzić do degradacji elektrolitu wewnątrz baterii, co powoduje jej puchnięcie oraz zwiększa ryzyko zapalenia się. Przegrzanie może wystąpić zarówno podczas ładowania, jak i w trakcie lotu, zwłaszcza przy intensywnym obciążeniu silników​ w upalne dni (3D Insider).
3. Przeciążenie: Przeciążenie, czyli pobieranie prądu przekraczającego możliwości baterii, może prowadzić do jej uszkodzenia. Każda bateria ma określony wskaźnik rozładowania (C-rating), który określa maksymalne obciążenie, jakie bateria może bezpiecznie znieść. Przekroczenie tego limitu może spowodować wewnętrzne uszkodzenia i zwiększyć ryzyko awarii​ (3D Insider).
4. Niewłaściwe przechowywanie: Przechowywanie baterii w stanie pełnego naładowania lub całkowitego rozładowania przez dłuższy czas może prowadzić do zmniejszenia jej żywotności. Najlepiej przechowywać baterie Li-Po na poziomie około 50-70% naładowania, w chłodnym, suchym miejscu​ (3D Insider).
5. Uszkodzenia mechaniczne: Niektóre pakiety zasilejące Lip-Po nie mają sztywnej obudowy, wtedy są podatne na uszkodzenia mechaniczne, takie jak przebicia lub zgniecenia, które mogą prowadzić do zwarcia, puchnięcia, a nawet pożaru​ (3D Insider).

Te czynniki podkreślają, jak ważne jest odpowiednie obchodzenie się z bateriami Li-Po, aby zapewnić ich długowieczność i bezpieczeństwo podczas użytkowania. Regularna kontrola stanu baterii, unikanie ekstremalnych warunków i stosowanie się do zaleceń producenta może znacząco przedłużyć ich żywotność.

‍

‍

1. Zaawansowane systemy zarządzania baterią (BMS)

Nowoczesne akumulatory, takie jak LiPo, coraz częściej są wyposażone w zaawansowane systemy zarządzania baterią (BMS). Te systemy monitorują stan naładowania, temperaturę i ogólną kondycję baterii, co pomaga uniknąć niebezpiecznych sytuacji, takich jak przegrzanie czy zwarcie. BMS mogą również przewidywać moment, w którym bateria zaczyna się starzeć, co pozwala na jej wymianę przed wystąpieniem awarii w trakcie lotu​ (Unmanned Systems Technology).

2. Wzrost popularności hybrydowych systemów zasilania

Choć baterie LiPo są najpopularniejsze, coraz więcej uwagi poświęca się hybrydowym systemom zasilania, które łączą baterie z innymi źródłami energii, takimi jak ogniwa paliwowe lub panele słoneczne. Na przykład, drony hybrydowe zasilane ogniwami wodorowymi mogą latać przez kilka godzin bez przerwy, co znacząco zwiększa ich zasięg i czas operacji​ (Drone Industry Insights).

3. Energia słoneczna jako rozszerzenie zasięgu

Technologie oparte na energii słonecznej, choć jeszcze w fazie rozwoju, stają się coraz bardziej obiecujące. Drony hybrydowe, które korzystają zarówno z baterii, jak i paneli słonecznych, mogą znacznie wydłużyć czas lotu, nawet do kilkunastu dni w sprzyjających warunkach. To idealne rozwiązanie dla misji długodystansowych lub operacji w trudno dostępnych miejscach​ (Shearwater Aerospace).

4. Szybsze ładowanie i ładowanie w locie

Innowacje w zakresie ładowania obejmują technologie pozwalające na szybkie ładowanie baterii, a także ładowanie w locie za pomocą promieniowania laserowego. Choć te technologie są jeszcze w fazie badań, mogą one w przyszłości zrewolucjonizować sposób, w jaki zarządzamy zasilaniem dronów, pozwalając na niemal ciągłe operacje z minimalnymi przerwami na ładowanie​ (MDPI).

5. Ultra-kondensatory jako uzupełnienie baterii

Ultra-kondensatory zyskują na popularności jako uzupełnienie tradycyjnych baterii. Mogą one dostarczać duże ilości energii w bardzo krótkim czasie, co jest szczególnie przydatne podczas gwałtownych manewrów lub startu. Chociaż nie mogą zastąpić baterii jako głównego źródła zasilania, stanowią efektywne rozwiązanie wspomagające​ (Drone Industry Insights).

‍

‍

Budowa akumulatora LiPo

Akumulator LiPo składa się z wielu ogniw (cel) połączonych w pakiet. Każde ogniwo w pakiecie posiada określone napięcie, które łącznie decyduje o całkowitym napięciu akumulatora. Napięcie jest wskaźnikiem naładowania i zdrowia baterii:

• Napięcie znamionowe dla standardowych ogniw LiPo wynosi 3,7 V na ogniwo. Jest to średnie napięcie, jakie ogniwo utrzymuje podczas większości cyklu rozładowania.
• Napięcie maksymalne dla w pełni naładowanego ogniwa wynosi 4,2 V, a dla ogniw wysokiego napięcia (HV) może wynosić do 4,35 V. Przekroczenie tych wartości może prowadzić do przegrzania lub uszkodzenia ogniwa​ (Unmanned Systems Technology).
• Minimalne napięcie wynosi 3,0 V na ogniwo pod obciążeniem (podczas pracy), co oznacza najniższy bezpieczny poziom rozładowania, poniżej którego ogniwo może zostać trwale uszkodzone.

Zasady przechowywania i konserwacji

Aby utrzymać długą żywotność akumulatorów LiPo, konieczne jest przestrzeganie kilku zasad dotyczących przechowywania:

• Napięcie przechowywania: Ogniwa powinny być przechowywane na poziomie około 3,8 V na ogniwo. Utrzymanie tego napięcia minimalizuje ryzyko degradacji chemicznej wewnątrz ogniwa podczas długotrwałego przechowywania​ (Unmanned Systems Technology).
• Temperatura przechowywania: Najlepiej jest przechowywać akumulatory w chłodnym, suchym miejscu, z dala od bezpośredniego światła słonecznego. Ekstremalne temperatury mogą przyspieszać starzenie się baterii.

Zarządzanie napięciem i bezpieczeństwo

Podczas eksploatacji dronów, szczególnie ważne jest monitorowanie napięcia akumulatorów w czasie rzeczywistym:

• Systemy zarządzania baterią (BMS): Nowoczesne akumulatory są często wyposażone w systemy zarządzania baterią, które monitorują napięcie, temperaturę i inne kluczowe parametry, zapewniając bezpieczeństwo i optymalną wydajność​ (Unmanned Systems Technology).
• Balansowanie ogniw: Balansowanie napięcia między poszczególnymi ogniwami w pakiecie jest kluczowe, aby uniknąć sytuacji, w której jedno ogniwo ulegnie nadmiernemu rozładowaniu, co mogłoby prowadzić do uszkodzenia całego pakietu.

Dzięki tym zasadom i technologiom, akumulatory LiPo pozostają jednymi z najbardziej wydajnych źródeł energii dla dronów, oferując wysoką gęstość energetyczną i możliwość dostarczania dużej mocy w krótkim czasie. Jednakże ich prawidłowe użytkowanie jest kluczowe, aby zapewnić zarówno bezpieczeństwo, jak i długą żywotność​ (Drone Industry Insights)​ (Unmanned Systems Technology).

‍

‍