У аккумулятора дрона две почти противоположные задачи. Он должен унести как можно больше энергии и при этом без заметной просадки напряжения отдавать моторам большой ток. Именно на этом противоречии строится выбор между LiPo и Li-ion: одна батарея может легче переносить резкие нагрузки, другая - хранить больше энергии на каждый килограмм массы.
Чем LiPo на самом деле отличается от Li-ion?
Граница между LiPo и Li-ion не настолько четкая, как может показаться по названиям. Аккумуляторы, которые продаются для дронов как LiPo, тоже относятся к литий-ионным системам. В технической литературе литий-ионными полимерными часто называют ячейки в мягком пакетном корпусе, хотя внутри многих коммерческих элементов используется жидкий электролит с полимерными компонентами, а не полностью твердый полимер.
Поэтому в беспилотной технике обозначения LiPo и Li-ion обычно описывают не просто две химии, а два разных подхода к аккумулятору. Под LiPo чаще понимают плоские пакетные ячейки, рассчитанные на высокий ток разряда. Под Li-ion часто имеют в виду цилиндрические элементы форматов 18650 и 21700 либо батареи из похожих высокоэнергетических ячеек.
Такое разделение удобно, но не абсолютно. Современный цилиндрический Li-ion тоже может быть очень мощным. Например, Molicel P45B формата 21700 имеет емкость 4,5 А/ч, удельную энергию 242 Вт/ч/кг и заявленный непрерывный ток разряда 45 А. Поэтому сравнивать батареи только по словам LiPo и Li-ion уже недостаточно: важны конкретная ячейка, внутреннее сопротивление, допустимый ток, масса и конструкция всей сборки.
Почему LiPo так часто используют на мощных дронах?
Моторы мультикоптера постоянно меняют потребление. При резком наборе высоты, разгоне или удержании тяжелой машины тяга растет сразу на нескольких двигателях, и аккумулятору приходится быстро отдавать большой ток. Для такой работы особенно важны низкое внутреннее сопротивление и способность батареи сохранять напряжение под нагрузкой.
Именно поэтому LiPo давно стали стандартным вариантом для FPV-коптеров, гоночных моделей, тяжелых мультикоптеров и других аппаратов с высокой пиковой мощностью. Пакетные элементы можно сделать с большой площадью электродов и подобрать конструкцию под высокий ток разряда.
Для LiPo часто указывают C-рейтинг. Он показывает ток относительно емкости батареи. Если аккумулятор имеет емкость 5 А/ч и рейтинг 20C, расчетное значение составляет 100 А. Но воспринимать C-рейтинг как универсальный способ сравнения разных производителей нельзя: методики определения предельного тока различаются, а фактическую нагрузку ограничивают нагрев, внутреннее сопротивление, проводка, разъемы и система управления батареей.
Хороший пример применения мощной батареи дает DJI FPV. Его аккумулятор LiPo 6S имеет напряжение 22,2 В, запас энергии 44,4 Вт/ч и массу около 295 г. Устройство рассчитано на аппарат с быстрым разгоном и высокой мощностью силовой установки, поэтому здесь способность батареи отдавать ток важнее максимальной удельной энергоемкости.
- Высокий ток. LiPo хорошо подходит для силовых установок с резкими скачками потребления.
- Небольшая просадка напряжения. Правильно подобранная высокотоковая батарея лучше сохраняет питание двигателей при росте нагрузки.
- Гибкая форма. Пакетные ячейки можно собирать в плоские аккумуляторы разных размеров.
- Цена преимущества. Высокая мощность не означает автоматически большой запас энергии относительно массы батареи.
Почему Li-ion позволяет дрону летать дольше?
Для продолжительного полета важнее другой показатель: сколько ватт-часов энергии удается поднять в воздух на каждый килограмм аккумулятора. Чем выше удельная энергоемкость, тем меньше массы требуется для одинакового запаса энергии.
Здесь многие современные Li-ion элементы получают преимущество. Та же ячейка Molicel P45B хранит 16,2 Вт/ч при массе около 69-70 г. У специализированных высокоэнергетических элементов показатель может быть еще выше, хотя при его росте часто приходится снижать допустимую мощность разряда.
Разница хорошо видна даже на готовых аккумуляторах DJI, хотя напрямую сравнивать летные характеристики разных моделей нельзя. У блока DJI FPV удельная энергия составляет около 151 Вт/ч/кг. В DJI Avata используется Li-ion батарея на 35,71 Вт/ч массой 162 г, что соответствует примерно 220 Вт/ч/кг.
Для аппарата, которому не нужны огромные токи в течение всего полета, дополнительные ватт-часы на килограмм могут оказаться полезнее высокого C-рейтинга. По этой причине Li-ion встречается на компактных съемочных дронах, аппаратах длительного полета и самолетных платформах, где тяга после набора скорости остается сравнительно стабильной.
Но ставить знак равенства между Li-ion и большой дальностью нельзя. Время полета зависит также от аэродинамики, массы корпуса, винтов, режима движения, ветра и эффективности силовой установки. Аккумулятор задает доступный запас энергии, а сам летательный аппарат определяет, насколько быстро он его расходует.
Что важнее для дрона: мощность или энергоемкость?
Мощность показывает, насколько интенсивно батарея может отдавать накопленную энергию. Энергоемкость показывает, сколько этой энергии вообще находится внутри. Для дрона нужны оба параметра, но их соотношение зависит от режима полета.
| Параметр | LiPo | Li-ion |
|---|---|---|
| Главное преимущество | Высокая отдаваемая мощность | Высокий запас энергии относительно массы |
| Резкие скачки нагрузки | Обычно переносит лучше | Зависит от конкретного типа ячеек |
| Продолжительный равномерный полет | Подходит, но не всегда оптимален по массе | Часто выгоднее по энергоемкости |
| Типичная форма ячейки | Пакетная | Цилиндрическая или пакетная |
| Где часто встречается | FPV, гоночные и тяжелые мультикоптеры | Съемочные, дальнолетные и экономичные платформы |
Представим два аккумулятора одинаковой массы. Первый способен очень быстро отдавать энергию, но хранит ее меньше. Второй хранит больше, однако имеет более жесткое ограничение по току. Первый удобнее там, где моторы периодически требуют большой мощности. Второй выгоднее, если силовая установка работает достаточно ровно и не выводит ячейки за допустимую нагрузку.
Большая емкость в миллиампер-часах сама по себе ничего не говорит о времени полета. Сравнивать аккумуляторы правильнее по энергии в ватт-часах и массе. Батарея на 10 000 мА/ч при низком напряжении может хранить меньше энергии, чем батарея с меньшим количеством ампер-часов, но большим числом последовательно соединенных ячеек.
Количество ячеек в серии обозначают буквой S. В классическом LiPo номинальное напряжение одной ячейки обычно около 3,7 В, поэтому сборка 4S дает примерно 14,8 В, а 6S - около 22,2 В. Более высокое напряжение позволяет передавать ту же электрическую мощность при меньшем токе, но двигатели, регуляторы и остальная силовая электроника должны быть рассчитаны на такое питание.
Почему нельзя просто поставить на дрон максимально энергоемкую батарею?
Потому что двигатель требует не только энергии, но и мощности здесь и сейчас. Высокоэнергетическая ячейка может отлично работать при умеренном разряде, но заметно сильнее просаживает напряжение, если потребление резко возрастет. Часть потенциального выигрыша во времени полета тогда исчезает из-за нагрева и падения напряжения.
Обратная крайность тоже не всегда полезна. Высокотоковый LiPo с огромным запасом по мощности не сделает спокойный съемочный дрон эффективнее, если двигателям такой ток никогда не требуется. В этом случае часть массы батареи фактически приходится на характеристику, которой аппарат почти не пользуется.
Производители аккумуляторов предлагают разные серии даже внутри одного форм-фактора. Одни ячейки оптимизируют под мощность, другие - под энергоемкость. У пакетных батарей происходит то же самое: существуют высокотоковые LiPo, высокоэнергетические LiPo и промежуточные варианты.
Развитие элементов постепенно стирает старую границу между двумя типами. Цилиндрические Li-ion уже могут сочетать удельную энергию выше 200 Вт/ч/кг с токами в десятки ампер, а некоторые пакетные батареи для промышленных БПЛА рассчитаны прежде всего на продолжительный полет, а не на максимальную мощность. Поэтому надпись LiPo или Li-ion на корпусе дает только первое представление о батарее.
Какой аккумулятор подходит разным типам дронов?
Для небольшого FPV-коптера аккумулятор должен выдерживать очень быстрые изменения мощности. При разгоне ток резко возрастает, затем снова падает, а пилот постоянно меняет тягу. Высокотоковый LiPo хорошо соответствует такому режиму и остается самым распространенным решением в этом классе.
На тяжелом мультикоптере ситуация похожая. Для взлета и удержания большой массы требуется значительная мощность, а кратковременный рост тяги не должен приводить к сильной просадке напряжения. Здесь также широко применяются крупные LiPo-сборки, хотя современные промышленные аппараты используют и другие варианты литий-ионных батарей.
У самолетного беспилотника после взлета энергетический режим может быть намного ровнее. Крыло создает подъемную силу без постоянной работы нескольких вертикально направленных винтов, поэтому для длительного маршрутного полета особенно важна удельная энергоемкость. В таком режиме высокоэнергетические Li-ion ячейки получают больше преимуществ.
Съемочные мультикоптеры находятся между этими крайностями. Им нужна достаточная мощность для взлета и маневров, но производитель одновременно пытается получить продолжительный полет при небольшой массе. Поэтому в серийных моделях встречаются обе технологии.
- FPV и гоночные дроны: чаще LiPo, поскольку требуется высокая мощность и быстрый отклик на изменение тяги.
- Тяжелые мультикоптеры: часто LiPo или другие высокотоковые литиевые сборки.
- Съемочные дроны: применяются оба варианта в зависимости от конструкции и требуемого времени полета.
- Дальнолетные платформы: Li-ion часто дает преимущество благодаря высокой удельной энергоемкости.
- Самолетные БПЛА: высокий запас энергии относительно массы особенно полезен при продолжительном крейсерском полете.
Вопросы и ответы
Что лучше для дрона: LiPo или Li-ion?
LiPo обычно выбирают для высоких токов и резких нагрузок, а Li-ion часто используют там, где важнее удельная энергоемкость и продолжительность полета. Конкретный выбор зависит от характеристик ячеек и силовой установки.
Почему FPV-дроны чаще используют LiPo?
Моторы FPV-дрона при разгоне могут резко увеличивать потребление. Высокотоковые LiPo хорошо переносят такие скачки и меньше просаживают напряжение под большой нагрузкой.
Почему Li-ion может увеличить время полета?
Высокоэнергетические Li-ion ячейки могут хранить больше ватт-часов на килограмм массы. Если силовой установке хватает их допустимого тока, дрон получает больший запас энергии без такого же роста массы.
Что означает C-рейтинг аккумулятора?
C-рейтинг связывает допустимый ток разряда с емкостью аккумулятора. Например, для батареи емкостью 5 А/ч значение 20C соответствует расчетному току 100 А.
Что важнее для времени полета: мА/ч или Вт/ч?
Для сравнения запаса энергии полезнее ватт-часы, поскольку они учитывают одновременно емкость и напряжение аккумулятора. Миллиампер-часы без информации о напряжении не показывают полный запас энергии.
Может ли Li-ion работать на мощном дроне?
Да. Современные высокотоковые Li-ion элементы способны отдавать десятки ампер на одну ячейку. Возможность их применения зависит от конкретной батареи и требований силовой установки.
Что означает 4S или 6S на аккумуляторе дрона?
Буква S показывает число последовательно соединенных ячеек. У классической LiPo-сборки 4S номинальное напряжение составляет около 14,8 В, а у 6S - около 22,2 В.
