LiPo vs. Li-Ion baterie pro drony: hustota energie, výkon a doba letu

Volba mezi lithium-polymerovou baterií a lithium-iontovou baterií je důležitým rozhodnutím pro výrobce dronů, produktové inženýry a týmy pro nákup. Chemie baterie ovlivňuje výkon, dobu letu, hmotnost, tepelné chování, strukturu balení, životnost a celkový design dronu.

Pojmy LiPo a Li-ion se často používají, jako by popisovaly zcela odlišné rodiny baterií. V praxi se jedná o dobíjecí technologie na bázi lithium-iontů. Nicméně komerční trh s drony běžně používá 'LiPo' k popisu lehkých pouzdrových článků navržených pro vysoký proudový výstup, zatímco 'Li-ion' často odkazuje na válcové nebo hranolové články určené k uložení více energie pro danou hmotnost nebo objem.

Řešení dronů s lithiovou polymerovou baterií může být vhodné pro závody FPV, rychlou akceleraci a vysokoproudé zemědělské operace. Lithium-iontová baterie dronu může být vhodnější pro dlouhodobé mapovací, inspekční nebo sledovací mise, kde je průměrná spotřeba energie nižší a doba letu je důležitější než krátké výpadky energie.

Ani jedna chemie není univerzálně lepší. Správná volba závisí na pohonném systému dronu, užitečném zatížení, profilu letu, aktuální poptávce, provozní teplotě, rozměrech baterie a komerčních požadavcích.

Tato příručka porovnává LiPo a Li-ion baterie speciálně pro aplikace v dronech. Zaměřuje se spíše na výběr chemie než na opakování obecných definic hustoty energie a hustoty výkonu. Pro širší vysvětlení těchto dvou pojmů viz stávající článek ZERNE o baterie s vysokou hustotou energie a vysokou hustotou energie.

Rychlá odpověď

LiPo baterie jsou obecně preferovány, když dron vyžaduje vysoký okamžitý proud, rychlé zrychlení, silné udržení napětí a lehký formát pouzdra. Jsou široce používány v závodech FPV, freestyle dronech a vysoce výkonných UAV aplikacích.

Li-ion baterie jsou často zvažovány, když dron upřednostňuje delší výdrž, vyšší uloženou energii a nižší průměrnou spotřebu proudu. Mohou být užitečné pro mapování, inspekci, sledování a další aplikace pro dlouhé lety za předpokladu, že baterie může dodávat požadovaný trvalý a špičkový proud.

Konečné rozhodnutí by mělo být založeno na skutečných měřeních proudu, poklesu napětí, hmotnosti baterie, užitečné zátěži, teplotě a letových zkouškách spíše než na samotných chemických štítcích.

Jaký je rozdíl mezi LiPo a Li-Ion bateriemi pro drony?

Struktura LiPo baterie

LiPo baterie obecně používá pouzdrový článek se systémem elektrolytů na bázi polymeru. Formát sáčku může poskytnout vysoký poměr energie k hmotnosti a umožňuje výrobcům přizpůsobit tloušťku, délku a šířku balení.

Pro aplikace dronů jsou LiPo články často navrženy pro vysokou kapacitu vybíjení. Jejich nízký vnitřní odpor může pomoci baterii dodávat silný proud během vzletu, zrychlení a agresivních manévrů.

Mezi typické výhody LiPo patří:

• vysoký proudový výstup;

• silná krátkodobá dodávka energie;

• lehká konstrukce pouzdra;

• flexibilní geometrie balení;

• dobrá integrace do kompaktních rámů dronů;

• vhodnost pro vysoce výkonné pohonné systémy.

Mezi nevýhody lze zařadit větší citlivost na mechanické poškození, bobtnání, nesprávné nabíjení, nadměrné teplo a nevhodné podmínky skladování. Skutečný výkon závisí na konstrukci článku, konstrukci obalu, ochranném systému a provozních podmínkách.

Struktura Li-Ion baterie

Termín Li-ion baterie se často používá pro válcové nebo prizmatické články, včetně formátů jako 18650 a 21700. Tyto články jsou běžně navrženy tak, aby poskytovaly vysokou akumulovanou energii a stabilní výkon po delší provozní období.

U dronů lze zvážit Li-ion balíčky, pokud aplikace obsahuje:

• střední průměrný proud;

• dlouhá plavba nebo období vznášení;

• silná potřeba prodloužené doby letu;

• omezené možnosti výměny nebo nabíjení baterie;

• dostatek místa pro vybraný formát buňky.

Li-ion články nejsou automaticky články s nízkou spotřebou. Některé vysoce výkonné válcové články mohou poskytovat značný proud. Přesná proudová kapacita však musí být potvrzena z datového listu výrobce a ověřena za zamýšlených provozních podmínek.

LiPo vs. Li-Ion: Klíčové srovnání

Toto srovnání je spíše výchozím bodem než univerzálním pravidlem. Chemie článku, konstrukce elektrody, vnitřní odpor, uspořádání balení a testovací podmínky mohou změnit výsledek.

Hustota energie a doba letu

Hustota energie popisuje, kolik energie baterie uchovává v poměru k její hmotnosti nebo objemu. Běžně se vyjadřuje ve Wh/kg nebo Wh/L.

Přibližnou nominální energii baterie lze odhadnout pomocí:

Energie (Wh) = jmenovité napětí (V) × kapacita (Ah)

Například 14,8V, 5Ah baterie má přibližně:

14,8V × 5Ah = 74Wh

Skutečná doba letu závisí na průměrné spotřebě energie dronu:

Teoretická doba letu (hodiny) = energie baterie (Wh) ÷ průměrný výkon (W)

V reálném provozu je výsledek ovlivněn:

• užitečné zatížení;

• účinnost motoru a vrtule;

• vítr;

• letový režim;

• teplota;

• rezerva baterie;

• pokles napětí;

• stárnutí baterie;

• cykly vzletu a přistání.

Baterie s vyšší hustotou energie může prodloužit dobu letu, ale přidání kapacity také zvyšuje hmotnost. Dodatečná hmotnost zvyšuje tah potřebný k udržení výšky a může zvýšit spotřebu energie.

Úplnou diskuzi o kapacitě baterie, průměrném výkonu a skutečné době běhu naleznete na průvodce dobou letu baterie dronu.

Hustota výkonu a výkon dronu s vysokým proudem

Hustota výkonu popisuje, jak rychle může baterie dodávat energii vzhledem ke své hmotnosti nebo objemu. Běžně se vyjadřuje ve W/kg nebo W/L.

Hustota výkonu je důležitá, když dron potřebuje:

• rychlý vzlet;

• vysoký tah;

• rychlé zrychlení;

• náhlé změny směru;

• zvedání těžkého nákladu;

• vysokorychlostní manévry FPV;

• nepřetržitý provoz při vysokém proudu.

LiPo baterie jsou často vybírány pro tyto aplikace, protože vysokorychlostní pouzdrové články mohou dodávat značný proud s relativně nízkým vnitřním odporem. Baterie však musí mít stále správnou velikost. Vysoké C-rating nekompenzuje nesprávně zvolené napětí, nedostatečnou kapacitu nebo špatný tepelný management.

The Řešení lithiových polymerových baterií s vysokou rychlostí vybíjení je relevantní pro systémy dronů, které vyžadují rychlé vybíjení vysokým proudem. Přesná vhodnost baterie musí být stále ověřena s ohledem na motor, ESC, vrtuli, užitečné zatížení a letový profil.

Pochopení C-ratingu LiPo a Li-Ion baterií pro drony

C-rating popisuje aktuální kapacitu baterie vzhledem k její kapacitě.

Zjednodušený současný vzorec je:

Maximální proud (A) = kapacita (Ah) × C-rating

Například ilustrativní 5Ah baterie dimenzovaná na 30C by měla teoretickou hodnotu proudu:

5Ah × 30C = 150A

Tento výpočet je pouze orientační. Skutečný trvalý a nárazový proud závisí na:

• jak výrobce definuje C-rating;

• trvání testu;

• vypínací napětí;

• teplota baterie;

• věk buněk;

• konfigurace balení;

• podmínky chlazení;

• přijatelný pokles napětí.

LiPo balíček může nabídnout vysoké hodnocení C pro náročné manévry dronu, zatímco vysokoenergetický lithium-iontový balíček může mít nižší proud, který je vhodnější pro let se středním výkonem.

Podrobné vysvětlení kontinuálního a nárazového výboje viz Průvodce hodnocením baterie dronu C.

Doba letu: LiPo vs. Li-Ion

Baterie, která poskytuje nejdelší dobu letu, závisí na kompletní konstrukci dronu.

Kdy může LiPo poskytnout lepší praktický výkon

LiPo může poskytnout lepší praktický výkon, když dron vyžaduje vysoký výkon během celé mise. Baterie s dodávkou silného proudu může udržovat napětí pod zatížením a umožnit efektivní provoz pohonného systému.

To může být důležité pro:

• FPV závody;

• freestylové drony;

• rychlé lezení;

• těžké zemědělské postřiky;

• doručovací drony s opakovaným vzletem a přistáním;

• průmyslové UAV nesoucí velké užitečné zatížení.

LiPo baterie může mít kratší teoretickou dobu letu než vysokoenergetická Li-ion baterie, ale LiPo baterie může být lepší volbou, pokud Li-ion baterie nemůže poskytnout dostatečný proud bez výrazného poklesu napětí nebo přehřátí.

Kdy může Li-Ion poskytnout lepší praktický výkon

Li-ion může poskytnout lepší praktický výkon, když dron tráví většinu své mise na relativně stabilní a střední úrovni výkonu.

To může zahrnovat:

• letecké mapování;

• inspekce infrastruktury;

• dohled;

• monitorování životního prostředí;

• komunikační relé;

• dálkové zobrazování;

• nízkorychlostní autonomní let.

V těchto případech může být energie uložená v baterii důležitější než krátké výpadky energie. Konstruktér však musí potvrdit, že buňky zvládnou vzlet, stoupání, kompenzaci větru a nouzové manévrování.

Průvodce výběrem podle aplikace

Tato tabulka by měla být použita pouze pro počáteční hodnocení. Konečný výběr vyžaduje naměřená data ze skutečného dronu.

LiPo vs. Li-Ion pro FPV drony

FPV drony často vyžadují rychlé změny rychlosti motoru a vysoký proud během zrychlení, střemhlavých letů, ostrých zatáček a zotavení. Tyto provozní podmínky upřednostňují baterie se silným výkonem a nízkým poklesem napětí.

Vysokorychlostní LiPo balení je často praktickým výchozím bodem, protože:

• formát sáčku může snížit hmotnost balení;

• článek může být navržen pro vysoký proud;

• sada může podporovat rychlé změny v poptávce po energii;

• baterii lze integrovat do kompaktních rámů;

• retence napětí může zlepšit odezvu.

LiPo FPV baterie však stále potřebuje vhodné nabíjení, skladování, kontrolu a kontrolu teploty. Silnoproudé balení může při náročném letu generovat značné teplo.

LiPo vs. Li-Ion pro průmyslové drony

Průmyslové drony často nesou kamery, LiDAR, multispektrální senzory, stříkací zařízení nebo komunikační zařízení. Jejich výběr baterie je složitější, protože baterie musí vyvažovat energii, výkon, hmotnost, mechanickou integraci a spolehlivost.

ZERNE's malá průmyslová baterie pro drony představuje příklady průmyslových baterií v několika konfiguracích napětí a kapacity. To ilustruje, proč by měla být průmyslová baterie specifikována podle kompletní aplikace a nikoli pouze podle chemie.

U průmyslového projektu vyhodnoťte:

• hmotnost užitečného zatížení;

• průměrný výkon;

• špičkový proud;

• trvání mise;

• frekvence vzletu a přistání;

• okolní teplota;

• rozměry bateriového prostoru;

• konektor a montážní systém;

• požadovaná ochrana;

• požadavky na dopravu a dokumentaci.

Bezpečnostní a tepelná hlediska

LiPo i Li-ion baterie vyžadují pečlivé zacházení. Volba chemie neodstraňuje potřebu bezpečného nabíjení, skladování, přepravy a provozních postupů.

Mezi důležité úvahy patří:

• nenabíjejte poškozenou nebo oteklou baterii;

• před použitím zkontrolujte obal;

• zabránit rozdrcení, propíchnutí a oděru;

• chránit vakové buňky před mechanickým poškozením;

• zajistit vhodné tepelné cesty;

• vyhněte se provozu mimo specifikovaný teplotní rozsah;

• použijte nabíječku kompatibilní s konfigurací baterie;

• sledovat neobvyklé teplo, zápach, únik nebo otok;

• vyřaďte poškozené baterie z provozu.

LiPo baterie mohou být zvláště citlivé na mechanické poškození kvůli jejich pouzdrové konstrukci. Li-ion válcové články mají více definovanou vnější strukturu, ale kompletní balení stále vyžaduje ochranu proti nárazu, zkratu, přehřátí a nevyváženosti článků.

Teplota také ovlivňuje vnitřní odpor, dodávku proudu a použitelnou kapacitu. U dronů vystavených horkým nebo studeným podmínkám se obraťte na průvodce řízením teploty baterie dronu.

Stárnutí baterie a životnost

Výběr baterie by měl brát v úvahu nejen výkon při prvním letu, ale také výkon baterie po opakovaném použití.

Stárnutí baterie lze urychlit:

• vysoký vybíjecí proud;

• vysoká teplota buněk;

• hluboký výtok;

• dlouhé skladování při nevhodném stavu nabití;

• opakované přetěžování;

• nabíjení mimo doporučené podmínky;

• mechanické poškození;

• špatná shoda buněk.

LiPo a Li-ion baterie mohou vykazovat různé vzorce stárnutí v závislosti na jejich konstrukci a použití. Baterie, která je nepřetržitě provozována v blízkosti svého maximálního proudu, může ztrácet výkon rychleji než baterie používaná v provozním rozsahu s nižším zatížením.

U projektů OEM definujte přijatelná kritéria konce životnosti před hromadnou výrobou. Mohou zahrnovat:

• minimální zbývající kapacita;

• maximální vnitřní odpor;

• maximální teplota;

• konzistence napětí;

• počet cyklů;

• výsledky fyzické kontroly;

• schopnost splnit požadovaný špičkový proud.

Jak by si OEM kupující měli vybrat mezi LiPo a Li-Ion

Výrobce baterií by měl před doporučením chemie obdržet kompletní aplikační data.

Poskytnout:

• cílový čas letu;

• jmenovité napětí;

• rozsah kapacity;

• průměrný proud;

• špičkový proud;

• informace o motoru a ESC;

• hmotnost užitečného zatížení;

• maximální hmotnost balení;

• dostupný prostor pro baterie;

• typ konektoru;

• způsob nabíjení;

• provozní teplota;

• očekávaná frekvence cyklu;

• požadavky na skladování;

• dopravní trhy;

• požadavky na certifikaci nebo dokumentaci.

ZERNE's Vlastní bateriový servis lze použít k vyhodnocení rozměrů balení, elektrických specifikací, konektorů, ochranných součástí a aplikačních podmínek před ověřením prototypu.

Spolehlivý vývojový proces by měl zahrnovat:

1. přezkoumání požadavků aplikace;

2. předběžný výběr chemie;

3. konfigurace buňky a balení;

4. výroba prototypů;

5. elektrické a tepelné testování;

6. integrace do dronu;

7. ověření letu se skutečným užitečným zatížením;

8. revize a potvrzení výroby.

Časté chyby při výběru

Volba LiPo pouze proto, že má vysoké hodnocení C

Vysoká proudová schopnost je užitečná, ale nezaručuje dlouhou dobu letu, nízkou hmotnost ani dlouhou životnost.

Volba Li-Ion pouze proto, že má vysokou hustotu energie

Vysokoenergetický článek nemusí být vhodný, pokud dron potřebuje vysoký proud během vzletu nebo rychlého manévrování.

Porovnání kapacity bez porovnávání hmotnosti

Větší hodnocení mAh může zvýšit hmotnost baterie natolik, aby se snížila očekávaná výhoda doby letu.

Ignorování poklesu napětí

Baterie se může na papíře jevit jako vhodná, ale během skutečného letu dochází k nadměrnému poklesu napětí. Otestujte baterii za skutečných proudových a teplotních podmínek.

Zacházení se všemi články LiPo nebo Li-Ion jako s identickými

Články v rámci stejné obecné chemie mohou mít velmi odlišný vnitřní odpor, vybíjecí schopnost, hustotu energie, rozměry a chování při stárnutí.

Výběr chemie před definováním mise

Správnou sekvencí je nejprve definovat letový profil, užitečné zatížení, proud a prostředí, poté zvolit chemii baterie a strukturu balení.

Často kladené otázky

Je pro drony lepší LiPo nebo Li-ion?

Ani jedno není univerzálně lepší. LiPo je často vhodný pro aplikace s vysokým proudem a vysokou manévrovatelností, zatímco Li-ion může být vhodný pro dlouhodobé mise s průměrnou potřebou energie.

Vydrží Li-ion baterie pro drony déle než LiPo baterie?

Mohou poskytnout delší dobu letu v aplikacích, kde jsou hlavními prioritami hustota energie a mírný proud. Skutečná doba provozu závisí na energii balení, hmotnosti, účinnosti pohonu, užitečném zatížení a letových podmínkách.

Proč jsou LiPo baterie běžné v FPV dronech?

LiPo baterie mohou poskytnout silný proudový výstup, nízkonapěťový pokles a lehký obalový formát. Tyto vlastnosti jsou užitečné pro rychlou akceleraci, závodní a freestyle manévry.

Lze použít Li-ion baterii v FPV dronu?

Může být použit pouze v případě, že článek a balení splňují požadavky dronu na napětí, trvalý proud a špičkový proud. Mnoho Li-ion baterií není vhodných pro vysokoproudé FPV aplikace bez pečlivého ověření.

Která baterie je lepší pro drony s dlouhou výdrží?

Li-ion může být vhodným výchozím bodem pro některé drony s dlouhou výdrží, zvláště když je průměrný výkon střední. V závislosti na hmotnosti, proudu a integračních omezeních může být také vhodný vysokoenergetický LiPo nebo jiný chemický prostředek.

Má LiPo vyšší hustotu energie než Li-ion?

Odpověď závisí na konkrétních buňkách a designu balení. Samotné chemické štítky baterií ke stanovení hustoty energie nestačí. Porovnejte ověřené Wh/kg, Wh/L, výkon, hmotnost balení a provozní podmínky.

Zvyšuje vyšší hodnocení C dobu letu?

Ne nutně. C-rating popisuje hlavně schopnost dodávat proud. Může snížit pokles napětí v aplikacích s vysokým výkonem, ale nezvyšuje automaticky celkovou energii uloženou v baterii.

Která baterie je bezpečnější, LiPo nebo Li-ion?

Bezpečnost závisí na článku, konstrukci obalu, ochranném systému, kvalitě výroby, způsobu nabíjení, mechanické ochraně, teplotě a provozních podmínkách. Žádná z chemických látek by neměla být považována za bezpečnou bez vhodného návrhu a kontroly manipulace.

Mohou být LiPo a Li-ion články smíchány v jedné baterii pro dron?

Neměly by se míchat náhodně. Různé typy článků mohou mít různé napěťové chování, požadavky na nabíjení, vnitřní odpor a proudovou kapacitu. Balíček smíšené chemie vyžaduje specializované inženýrství a validaci.

Jak by měl OEM porovnávat prototypy LiPo a Li-ion?

Používejte stejný dron, užitečné zatížení, profil letu a podmínky prostředí. Změřte dobu letu, napětí, proud, teplotu, pokles napětí, hmotnost baterie a kapacitu po testu. Porovnejte výsledky s požadavky na výkon a bezpečnost projektu.

Závěr

Volba mezi LiPo a Li-ion baterií pro drony by měla být založena spíše na kompletní misi než na jediné specifikaci.

LiPo je často silným kandidátem pro závody FPV, volný styl, rychlou akceleraci a aplikace s vysokým proudem. Li-ion může být vhodný pro mapování, inspekce, sledování a další mise, kde je důležitější delší výdrž a mírná spotřeba energie.

Nejlepší baterie je ta, která poskytuje požadovanou energii a výkon v rámci dostupné hmotnosti, velikosti, teploty a bezpečnostních limitů. U projektů OEM by po výběru chemie měl následovat návrh balení, testování prototypu a letová validace za skutečných provozních podmínek.

Potřebujete pomoc s výběrem mezi LiPo a Li-ion baterií pro váš projekt dronu? Kontaktujte ZERNE pro vlastní hodnocení baterie.