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Le batterie al litio sono la fonte di potenza dei droni, ma anche di tantissimi altri dispositivi che ci circondano, come smartphone, laptop e tanti altri… ma le conosciamo davvero bene?
Prima di parlare delle batterie, scopriamo cosa significano alcuni termini che utilizzeremo. Questo è il primo articolo di una serie che ci porterà a conoscere gli aspetti più importanti delle batterie.
Tensione, corrente, resistenza, potenza, capacità?
Durante questa spiegazione faremo spesso l’analogia con il circuito idraulico, con cui abbiamo più familiarità.
La tensione (o differenza di potenziale) (ΔV) si misura in volt [V] e rappresenta la forza che tende a far spostare gli elettroni da un punto ad un’altro del circuito elettrico.
Nell’analogia con il circuito idraulico, la tensione rappresenta la pressione tra 2 punti del circuito, e quindi la forza che tende a far circolare l’acqua nel circuito.
La corrente (I) si misura in Ampere [A] rappresenta la quantità di elettroni che attraversano un certo punto del circuito per unità di tempo. Ad esempio nell’analogia con il circuito idraulico la corrente corrisponde a quanti litri di acqua al secondo passano nel condotto.
La potenza (P) si misura in Watt [W] e si ottiene moltiplicando la tensione per la corrente (P=V*I) e rappresenta un lavoro eseguito per unità di tempo.
E’ di fondamentale importanza in quanto si mantiene sempre!
Ad esempio un motore elettrico trasforma energia elettrica in energia meccanica (e termica per via delle perdite) e durante questa trasformazione la potenza rimane uguale mentre tutte le altre grandezze in gioco cambiano.
La resistenza (R) si misura in Ohm [Ω] e rappresenta la proprietà di un corpo ad opporsi al passaggio di corrente. Nell’analogia con il circuito idraulico, rappresenta gli attriti che tentano di rallentare il fluido. Ad esempio un rubinetto mezzo aperto rappresenta una resistenza, che diminuisce il flusso di acqua generato dalla pressione.
La capacità per le batterie si misura in “Ampere ora” [Ah] (oppure “milli-Ampere ora” mAh) e rappresenta la quantità di corrente che può contenere la batteria. Ad esempio una batteria da 1500mAh = 1,5Ah può assorbire (e poi rilasciare) una corrente di 1,5A per un’ora.
Nell’analogia con il circuito idraulico, la capacità corrisponde ai litri che può contenere un serbatoio.
Risulta allora chiaro che la nostra batteria da 1.5Ah se viene utilizzata per alimentare un circuito che assorbe 3A, durerà solo mezz’ora. Se invece viene utilizzata per alimentare un circuito che assorbe 6A durerà solo un quarto d’ora, e così via.
Così come una tanica da 1,5 litri durerà un ora, se ha un foro da cui escono 1,5 litri all’ora, mentre durerà mezz’ora se dal foro escono 3 litri all’ora e infine durerà 15 minuti, se dal foro fuoriescono 6 litri all’ora.
I fattori di scarica: “C constant” e “C burst”
I “C constant” o semplicemente “C” di una batteria rappresentano quanto velocemente questa può essere scaricata, senza danneggiarsi.
In particolare la corrente che è in grado di erogare per tutta la durata della batteria sarà “C” volte la sua capacità.
Ad esempio una batteria da 1.5Ah e 10C, sarà in grado di erogare 15A in maniera costante senza danneggiarsi.
Nell’analogia con il circuito idraulico, possiamo pensare ai C, come un’indicazione del diametro del rubinetto di uscita della tanica. Ovviamente, più è grande, più potrò svuotarla velocemente.
Invece il valore “C burst” o “C di picco” rappresenta la corrente massima che la batteria è in grado di erogare per qualche secondo senza danneggiarsi. Il funzionamento è esattamente uguale a prima:
una batteria da 1.5A e 10C e 20Cburst, sarà in grado di erogare (20×1.5A=) 30A per qualche secondo, mentre può erogare (10×1.5A=) 15A in maniera continuativa (come visto prima).
NOTA: non fidatevi dei C dichiarati dai produttori… mentono praticamente tutti!
Basti pensare che siamo abituati a vedere lipo da 100C, quindi dovrebbero essere in grado di erogare in maniera continuativa almeno 150A (nel caso di una 1500mAh). In realtà un valore più realistico per una batteria molto buona è di circa 50C (o inferiore), che corrisponde ad una scarica a 75A (o inferiore) costanti senza danni.
La legge di Ohm
Pensate ora al rubinetto in casa vostra mezzo aperto:
-è presente una differenza di pressione (differenza di potenziale applicata da una batteria nel circuito elettrico) tra il tubo e l’ambiente esterno
-è presente una resistenza che è tanto maggiore, tanto più chiuso è il rubinetto
-scorrerà una quantità di acqua (corrente nel circuito elettrico) che dipende da quanto è chiuso il rubinetto (cioè quanto è grande la resistenza) e quanto è alta la differenza di pressione (differenza di potenziale).
In particolare questa relazione è espressa dalla legge di Ohm:
I=ΔV/R oppure equivalentemente ΔV=RI
1S, 2S, 3s….. 1P, 2P, 3P…. Ma cosa significano??
In elettronica ci sono 2 tipi di collegamento, la serie e il parallelo, come ben illustrato in questa immagine:
Nella serie la tensione delle singole celle si somma, mentre la corrente resta uguale. Nel parallelo la tensione resta uguale, mentre la corrente si somma.
Questo perché nel circuito in serie la corrente si trova a dover attraversare entrambe le celle, mentre nel collegamento in parallelo metà della corrente verrà da una cella, mentre l’altra metà verrà dall’altra cella.
E’ equivalente ad utilizzare 2 pompe in un circuito elettrico, pensiamo di metterle in serie (una dopo l’altra), la quantità d’acqua pompata sarà uguale, ma avrà molta più pressione. Se invece mettiamo le due pompe in parallelo (affiancate una accanto all’altra) saranno in grado di pompare il doppio di flusso di acqua, ma alla stessa pressione.
Il numero davanti alla S indica allora quante celle ci sono in serie, mentre il numero prima della P indica quante celle ci sono in parallelo.
Nell’immagine sopra ad esempio le batterie sono:
- sinistra = 2S 1P
- centro = 2S 2P
- destra = 1S 2P
Il parallelo è in genere utilizzato su batterie di grandi dimensioni, mentre sui droni racing non è in genere utilizzato.
Si utilizza invece (quasi sempre) la serie, per alzare la tensione.
Una batteria 4S avrà 4 celle in serie, una 5S avrà 5 celle in parallelo e così via.
La tensione si somma, come detto sopra, quindi nel caso di LiPo la tensione della batteria sarà:
Perché si utilizzano batterie con più celle in serie?
Può sembrare ovvio, ma non lo è…
Tutti pensano subito che una batteria con una maggiore tensione (più celle in serie) farà girare più velocemente i motori e quindi produrranno più potenza.
Ma in realtà non è questo il motivo, infatti si può ottenere lo stesso identico risultato costruendo motori con più KV.
Inoltre come visto prima, l’unità di misura che si mantiene sempre durante le trasformazioni è la potenza, e una batteria con tanti Ah e una sola cella può avere la stessa potenza (e stesse dimensioni e peso) di una batteria con meno Ah e più celle.
Potrebbe quindi sembrare quindi che sia totalmente indifferente…
Allora perché è conveniente utilizzare una batteria con più celle?
Riduce le perdite nel circuito elettrico!
Vediamolo con un esempio:
Si potrebbero ancora dire un paio di cose:
- con la batteria da 10V ci servirà un esc da 100A, mentre con la batteria da 100V basterà un esc da 10A
- sull’esc si ha sempre la perdita di circa 1V a causa dei mosfet, ovviamente una perdita di 1V su 10 coincide ad un’ulteriore perdita del 10% di potenza, mentre 1V su 100V corrisponde ad una perdita di solo l’1%
- la potenza persa si trasforma in calore, quindi ovviamente con la batteria da 10V, il circuito diventerà molto più caldo e quindi serviranno cavi di sezione maggiore per non bruciare il circuito (quindi più peso sul drone)
C’è però un lato negativo, l’elettronica deve essere sviluppata per supportare una tensione maggiore.
Ecco svelata la convenienza di utilizzare batterie con più celle!
Pensate ad esempio che è lo stesso identico motivo per cui in casa abbiamo 220V e non 12V (che sarebbe più sicuro).
Trasportare 3kW di potenza a 12V per kilometri, senza troppe perdite, richiederebbe cavi grandi quando un tubo dell’acqua!
Articolo di Devis Palmi – Continua!!
Puoi leggere il secondo articolo (con tutte le regole pratiche e tanto altro) qui.
