LiPo против литий-ионных аккумуляторов для дронов: плотность энергии, мощность и время полета

Выбор между литий-полимерным аккумулятором и литий-ионным аккумулятором является важным решением для производителей дронов, инженеров-технологов и групп по закупкам. Химический состав батареи влияет на выходную мощность, время полета, вес, тепловые характеристики, структуру аккумулятора, срок службы и общую конструкцию дрона.

Термины LiPo и Li-ion часто используются так, как будто они описывают совершенно разные семейства аккумуляторов. На практике обе технологии являются перезаряжаемыми на основе литий-ионных аккумуляторов. Однако на рынке коммерческих дронов обычно используется термин «LiPo» для описания легких аккумуляторов, рассчитанных на большой выходной ток, тогда как термин «Li-ion» часто относится к цилиндрическим или призматическим элементам, предназначенным для хранения большего количества энергии при заданном весе или объеме.

Решение для дронов с литий-полимерной батареей может подойти для гонок FPV, быстрого ускорения и сильноточных сельскохозяйственных работ. Литий-ионная батарея для дронов может быть более подходящей для длительных картографических, инспекционных или наблюдательных миссий, где средняя потребляемая мощность ниже, а время полета более важно, чем короткие всплески мощности.

Никакая химия не является универсально лучшей. Правильный выбор зависит от двигательной установки дрона, полезной нагрузки, профиля полета, потребляемой мощности, рабочей температуры, размеров батареи и коммерческих требований.

В этом руководстве сравниваются LiPo и литий-ионные аккумуляторы специально для дронов. Он фокусируется на выборе химического состава, а не на повторении общих определений плотности энергии и плотности мощности. Более широкое объяснение этих двух концепций можно найти в существующей статье ЦЕРНЕ о батареи с высокой плотностью энергии и высокой плотностью мощности.

Быстрый ответ

Батареи LiPo обычно предпочтительнее, когда дрону требуется высокий мгновенный ток, быстрое ускорение, сильное сохранение напряжения и легкий формат чехла. Они широко используются в гонках FPV, дронах для фристайла и мощных БПЛА.

Литий-ионные аккумуляторы часто рассматриваются, когда дрон отдает предпочтение большей долговечности, более высокому запасу энергии и более низкому среднему потреблению тока. Они могут быть полезны для картографирования, инспекции, наблюдения и других задач, связанных с длительными полетами, при условии, что батарея может обеспечивать необходимый непрерывный и пиковый ток.

Окончательное решение должно основываться на фактических измерениях тока, провалах напряжения, массе батареи, полезной нагрузке, температуре и летных испытаниях, а не только на химических этикетках.

В чем разница между LiPo и литий-ионными аккумуляторами для дронов?

Структура LiPo батареи

В LiPo-батарее обычно используется ячейка пакетного типа с электролитной системой на основе полимера. Формат пакета может обеспечить высокое соотношение энергии и веса и позволяет производителям настраивать толщину, длину и ширину упаковки.

Для применения в дронах элементы LiPo часто проектируются с высокой разрядной способностью. Их низкое внутреннее сопротивление может помочь аккумулятору выдавать сильный ток во время взлета, ускорения и агрессивных маневров.

Типичные преимущества LiPo включают в себя:

• высокий выходной ток;

• сильная краткосрочная подача энергии;

• легкая конструкция сумки;

• гибкая геометрия упаковки;

• хорошая интеграция в компактные корпуса дронов;

• пригодность для высокопроизводительных двигательных установок.

К недостаткам можно отнести большую чувствительность к механическим повреждениям, вздутию, неправильной зарядке, чрезмерному нагреву и неподходящим условиям хранения. Фактическая производительность зависит от конструкции элемента, конструкции блока, системы защиты и условий эксплуатации.

Структура литий-ионного аккумулятора

Термин «литий-ионная батарея» часто используется для обозначения цилиндрических или призматических элементов, включая такие форматы, как 18650 и 21700. Эти элементы обычно предназначены для обеспечения высокого запаса энергии и стабильной работы в течение длительных периодов эксплуатации.

Для дронов можно рассмотреть возможность использования литий-ионных аккумуляторов, если приложение имеет:

• умеренный средний ток;

• длительный период круиза или висения;

• острая потребность в длительном полете;

• ограниченные возможности по замене или зарядке аккумулятора;

• достаточно места для выбранного формата ячейки.

Литий-ионные элементы не являются автоматически маломощными. Некоторые мощные цилиндрические элементы могут обеспечивать значительный ток. Однако точная допустимая сила тока должна быть подтверждена из таблицы данных производителя и проверена в предполагаемых условиях эксплуатации.

LiPo против Li-Ion: ключевое сравнение

Это сравнение является скорее отправной точкой, чем универсальным правилом. Химический состав ячейки, конструкция электродов, внутреннее сопротивление, расположение упаковки и условия испытаний могут изменить результат.

Плотность энергии и время полета

Плотность энергии показывает, сколько энергии хранит аккумулятор относительно его веса или объема. Обычно он выражается в Втч/кг или Втч/л.

Приблизительную номинальную энергию аккумуляторной батареи можно оценить, используя:

Энергия (Втч) = номинальное напряжение (В) × емкость (Ач)

Например, аккумулятор 14,8 В, 5 Ач имеет примерно:

14,8 В × 5 Ач = 74 Втч

Фактическое время полета зависит от среднего энергопотребления дрона:

Теоретическое время полета (часы) = энергия аккумулятора (Втч) ÷ средняя мощность (Вт)

В реальной эксплуатации на результат влияют:

• полезная нагрузка;

• эффективность двигателя и пропеллера;

• ветер;

• режим полета;

• температура;

• резерв батареи;

• провал напряжения;

• старение аккумулятора;

• циклы взлета и посадки.

Батарея с более высокой плотностью энергии может продлить время полета, но увеличение емкости также увеличивает вес. Дополнительный вес увеличивает тягу, необходимую для поддержания высоты, и может увеличить энергопотребление.

Полное описание емкости аккумулятора, средней мощности и фактического времени автономной работы см. Руководство по времени полета батареи дрона.

Плотность мощности и сильноточные характеристики дрона

Плотность мощности показывает, насколько быстро батарея может доставлять энергию относительно ее веса или объема. Обычно его выражают в Вт/кг или Вт/л.

Плотность мощности имеет значение, когда дрону необходимо:

• быстрый взлет;

• высокая тяга;

• быстрое ускорение;

• внезапные изменения направления;

• подъем тяжелого груза;

• высокоскоростные маневры FPV;

• продолжительная работа при высоком токе.

Для этих целей часто выбираются LiPo-аккумуляторы, поскольку высокоскоростные пакетные элементы могут обеспечивать значительный ток при относительно низком внутреннем сопротивлении. Однако аккумулятор все равно должен быть правильного размера. Высокий рейтинг C не компенсирует неправильно выбранное напряжение, недостаточную мощность или плохое управление температурой.

Решение для литий-полимерных аккумуляторов с высокой скоростью разряда актуально для систем дронов, требующих сильноточной быстрой разрядки. Точная пригодность батареи по-прежнему должна быть проверена на соответствие двигателю, ESC, пропеллеру, полезной нагрузке и профилю полета.

Понимание рейтинга C в LiPo и литий-ионных аккумуляторах для дронов

Рейтинг C описывает текущую емкость батареи относительно ее емкости.

Упрощенная формула тока:

Максимальный ток (А) = емкость (Ач) × рейтинг C

Например, примерная батарея емкостью 5 Ач, рассчитанная на температуру 30°C, будет иметь теоретическое значение тока:

5 Ач × 30 С = 150 А

Этот расчет является лишь справочным. Фактический непрерывный и импульсный ток зависит от:

• как производитель определяет C-рейтинг;

• продолжительность испытания;

• напряжение отсечки;

• температура батареи;

• клеточный возраст;

• конфигурация пакета;

• условия охлаждения;

• допустимые провалы напряжения.

Батарея LiPo может иметь высокий рейтинг C для требовательных маневров дрона, в то время как литий-ионная батарея высокой энергии может иметь более низкий номинальный ток, который больше подходит для крейсерского полета средней мощности.

Подробное объяснение непрерывного и импульсного разряда см. Руководство по рейтингу C батареи для дрона.

Время полета: LiPo против Li-Ion

Выбор аккумулятора, обеспечивающего максимальное время полета, зависит от конструкции дрона.

Когда LiPo может обеспечить лучшую практическую эффективность

LiPo может обеспечить лучшую практическую производительность, когда дрону требуется высокая мощность на протяжении всей миссии. Аккумулятор с сильным током может поддерживать напряжение под нагрузкой и обеспечивать эффективную работу двигательной установки.

Это может быть важно для:

• FPV-гонки;

• дроны для фристайла;

• быстрое восхождение;

• интенсивное сельскохозяйственное опрыскивание;

• дроны-доставщики с многократным взлетом и посадкой;

• промышленные БПЛА, несущие большую полезную нагрузку.

Батарея LiPo может иметь более короткое теоретическое время полета, чем литий-ионная батарея высокой энергии, но батарея LiPo может быть лучшим вариантом, если литий-ионная батарея не может обеспечить достаточный ток без серьезных провалов напряжения или перегрева.

Когда литий-ионный аккумулятор может обеспечить лучшую практическую эффективность

Литий-ионный аккумулятор может обеспечить более высокие практические характеристики, когда дрон проводит большую часть своей миссии на относительно стабильном и умеренном уровне мощности.

Это может включать в себя:

• аэрофотосъемка;

• инспекция инфраструктуры;

• наблюдение;

• экологический мониторинг;

• реле связи;

• визуализация на большом расстоянии;

• Низкоскоростной автономный полет.

В этих случаях энергия, запасенная в аккумуляторе, может быть более важной, чем короткие всплески мощности. Однако проектировщик должен подтвердить, что ячейки способны выдерживать взлет, набор высоты, компенсацию ветра и аварийное маневрирование.

Руководство по выбору в зависимости от применения

Эту таблицу следует использовать только для первоначальной оценки. Для окончательного выбора требуются данные измерений с реального дрона.

LiPo против Li-Ion для FPV-дронов

FPV-дронам часто требуется быстрое изменение скорости двигателя и большой ток во время ускорения, пикирования, резких поворотов и восстановления. Эти условия эксплуатации благоприятствуют батареям с высокой мощностью и низким провалом напряжения.

Высокопроизводительный аккумулятор LiPo часто является практичной отправной точкой, потому что:

• формат пакета позволяет снизить вес упаковки;

• элемент может быть рассчитан на большой ток;

• пакет может поддерживать быстрые изменения спроса на электроэнергию;

• аккумулятор можно встроить в компактные рамки;

• сохранение напряжения может улучшить отзывчивость.

Однако аккумулятор LiPo FPV по-прежнему нуждается в соответствующей зарядке, хранении, проверке и контроле температуры. Сильноточный аккумулятор может выделять значительное количество тепла во время тяжелого полета.

LiPo против Li-Ion для промышленных дронов

Промышленные дроны часто оснащены камерами, LiDAR, мультиспектральными датчиками, распылительным оборудованием или устройствами связи. Выбор аккумуляторов более сложен, поскольку аккумулятор должен сочетать энергию, мощность, вес, механическую интеграцию и надежность.

ЦЕРНЕ Небольшой аккумулятор для промышленных дронов представляет примеры промышленных аккумуляторов с несколькими конфигурациями напряжения и емкости. Это иллюстрирует, почему промышленную батарею следует выбирать в соответствии с полным применением, а не выбирать только по химическому составу.

Для промышленного проекта оцените:

• вес полезной нагрузки;

• средняя мощность;

• пиковый ток;

• продолжительность миссии;

• частота взлета и посадки;

• температура окружающей среды;

• размеры аккумуляторного отсека;

• разъем и система крепления;

• необходимая защита;

• Требования к транспортировке и документации.

Соображения безопасности и температурного режима

И LiPo, и Li-ion аккумуляторы требуют осторожного обращения. Выбор химии не устраняет необходимость в безопасных процедурах зарядки, хранения, транспортировки и эксплуатации.

Важные соображения включают в себя:

• не заряжайте поврежденный или вздутый аккумулятор;

• осмотрите упаковку перед использованием;

• предотвратить раздавливание, прокол и истирание;

• защитить ячейки мешочка от механических повреждений;

• обеспечить соответствующие тепловые пути;

• избегайте работы за пределами указанного диапазона температур;

• используйте зарядное устройство, совместимое с конфигурацией аккумулятора;

• следить за необычным нагревом, запахом, утечкой или набуханием;

• вывести поврежденные аккумуляторы из эксплуатации.

LiPo-аккумуляторы могут быть особенно чувствительны к механическим повреждениям из-за их корпусной конструкции. Литий-ионные цилиндрические элементы имеют более четкую внешнюю структуру, но весь комплект по-прежнему требует защиты от ударов, короткого замыкания, перегрева и дисбаланса элементов.

Температура также влияет на внутреннее сопротивление, подачу тока и полезную емкость. Если дроны подвергаются воздействию жарких или холодных условий, обратитесь к Руководство по управлению температурой аккумулятора дрона.

Старение батареи и срок службы

При выборе аккумулятора следует учитывать не только его характеристики при первом полете, но и то, как аккумулятор будет вести себя после многократного использования.

Старение аккумулятора может быть ускорено следующими причинами:

• высокий ток разряда;

• высокая температура ячейки;

• глубокий разряд;

• длительное хранение при неподходящем состоянии заряда;

• повторяющиеся перегрузки;

• зарядка вне рекомендуемых условий;

• механические повреждения;

• плохое соответствие ячеек.

LiPo и литий-ионные аккумуляторы могут иметь разные закономерности старения в зависимости от конструкции и применения их элементов. Батарея, которая непрерывно работает при токе, близком к максимальному, может потерять свои энергетические характеристики быстрее, чем батарея, используемая в рабочем диапазоне с меньшими нагрузками.

Для OEM-проектов перед массовым производством определите приемлемые критерии окончания срока службы. Они могут включать в себя:

• минимальная остаточная мощность;

• максимальное внутреннее сопротивление;

• максимальная температура;

• постоянство напряжения;

• счетчик циклов;

• результаты физического осмотра;

• способность обеспечивать необходимый пиковый ток.

Как OEM-покупателям следует выбирать между LiPo и Li-Ion

Производитель аккумуляторов должен получить полные данные о применении, прежде чем рекомендовать химический состав.

Предоставлять:

• целевое время полета;

• номинальное напряжение;

• диапазон мощности;

• средний ток;

• пиковый ток;

• информация о двигателе и ESC;

• вес полезной нагрузки;

• максимальный вес упаковки;

• доступный аккумуляторный отсек;

• тип разъема;

• способ зарядки;

• рабочая температура;

• ожидаемая частота цикла;

• требования к хранению;

• транспортные рынки;

• требования к сертификации или документации.

ЦЕРНЕ Сервисное обслуживание аккумуляторов по индивидуальному заказу можно использовать для оценки размеров упаковки, электрических характеристик, разъемов, компонентов защиты и условий применения перед проверкой прототипа.

Надежный процесс разработки должен включать в себя:

1. рассмотрение требований приложения;

2. предварительный подбор химии;

3. конфигурация ячейки и упаковки;

4. производство прототипов;

5. электрические и тепловые испытания;

6. интеграция в дрон;

7. летная валидация с фактической полезной нагрузкой;

8. доработка и подтверждение производства.

Распространенные ошибки выбора

Выбор LiPo только потому, что он имеет высокий рейтинг C

Высокий ток полезен, но он не гарантирует длительного времени полета, малого веса или длительного срока службы.

Выбор литий-ионного аккумулятора только потому, что он имеет высокую плотность энергии

Высокоэнергетический элемент может не подойти, если дрону требуется большой ток во время взлета или быстрого маневрирования.

Сравнение емкости без сравнения веса

Увеличение номинала в мАч может привести к увеличению массы аккумулятора настолько, что ожидаемый выигрыш во времени полета уменьшится.

Игнорирование провалов напряжения

На бумаге батарея может показаться подходящей, но в реальном полете ее напряжение сильно падает. Проверьте батарею в реальных условиях тока и температуры.

Считаем все LiPo или литий-ионные элементы идентичными

Клетки одного и того же химического состава могут иметь очень разное внутреннее сопротивление, разрядную способность, плотность энергии, размеры и поведение при старении.

Выбор химии перед определением миссии

Правильная последовательность действий — сначала определить профиль полета, полезную нагрузку, силу тока и окружающую среду, а затем выбрать химический состав батареи и структуру аккумуляторной батареи.

Часто задаваемые вопросы

Что лучше для дронов: LiPo или Li-ion?

Ни то, ни другое не лучше в целом. LiPo часто подходит для сильноточных и маневренных приложений, тогда как Li-ion может подойти для длительных миссий с умеренным средним энергопотреблением.

Литий-ионные батареи для дронов служат дольше, чем батареи LiPo?

Они могут обеспечить более длительное время полета в приложениях, где плотность энергии и умеренный ток являются основными приоритетами. Фактическое время работы зависит от энергии ранца, веса, эффективности тяги, полезной нагрузки и условий полета.

Почему батареи LiPo часто используются в дронах FPV?

Батареи LiPo могут обеспечивать сильный выходной ток, низкое падение напряжения и легкий формат мешочка. Эти характеристики полезны для быстрого ускорения, гонок и маневров вольным стилем.

Можно ли использовать литий-ионную батарею в дроне FPV?

Его можно использовать только в том случае, если элемент и аккумулятор соответствуют требованиям по напряжению, постоянному и пиковому току дрона. Многие литий-ионные аккумуляторы не подходят для сильноточных FPV-приложений без тщательной проверки.

Какая батарея лучше для долговечных дронов?

Литий-ионный аккумулятор может стать подходящей отправной точкой для некоторых дронов с длительным сроком службы, особенно при умеренной средней мощности. Высокоэнергетический LiPo или другой химический состав также может подойти в зависимости от веса, тока и ограничений интеграции.

Имеет ли LiPo более высокую плотность энергии, чем Li-ion?

Ответ зависит от конкретных ячеек и конструкции упаковки. Одних только этикеток с химическим составом аккумуляторов недостаточно для определения плотности энергии. Сравните проверенные Вт/кг, Вт/л, мощность, массу упаковки и условия эксплуатации.

Увеличивает ли более высокий рейтинг C время полета?

Не обязательно. Рейтинг C в основном описывает возможность передачи тока. Это может уменьшить провал напряжения в приложениях с высокой мощностью, но не увеличивает автоматически общий запас энергии в аккумуляторе.

Какой аккумулятор безопаснее: LiPo или Li-ion?

Безопасность зависит от аккумулятора, конструкции упаковки, системы защиты, качества изготовления, способа зарядки, механической защиты, температуры и условий эксплуатации. Ни один химический препарат не следует считать безопасным без соответствующего контроля за конструкцией и обращением.

Можно ли использовать LiPo и литий-ионные элементы в одном аккумуляторе для дрона?

Их не следует смешивать случайно. Различные типы ячеек могут иметь разное поведение по напряжению, требования к зарядке, внутреннее сопротивление и токовую нагрузку. Пакет смешанной химии требует специального проектирования и проверки.

Как OEM-производителю следует сравнивать прототипы LiPo и Li-ion?

Используйте тот же дрон, полезную нагрузку, профиль полета и условия окружающей среды. Измерьте время полета, напряжение, ток, температуру, падение напряжения, вес аккумулятора и емкость аккумулятора после испытаний. Сравните результаты с требованиями к производительности и безопасности проекта.

Заключение

Выбор между LiPo и литий-ионным аккумулятором для дрона должен основываться на всей задаче, а не на какой-то одной спецификации.

LiPo часто является сильным кандидатом для гонок FPV, полетов вольным стилем, быстрого ускорения и приложений с сильным током. Литий-ионные аккумуляторы могут подойти для картографирования, инспекций, наблюдения и других задач, где более важны более длительный срок службы и умеренное энергопотребление.

Лучшая батарея — это та, которая обеспечивает необходимую энергию и мощность в пределах доступного веса, размера, температуры и безопасности. В OEM-проектах за выбором химического состава должны следовать проектирование упаковки, испытания прототипа и летная проверка в реальных условиях эксплуатации.

Нужна помощь в выборе между LiPo и литий-ионным аккумулятором для вашего проекта дрона? Свяжитесь с ZERNE для индивидуальной оценки батареи.