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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 secondo articolo di una serie che ci porterà a conoscere gli aspetti più importanti delle batterie.
Se non l’hai già letta, vedi parte 1.
LiPo e LiIon
si tratta di due tipologie di batterie al litio, quindi condividono alcuni vantaggi (lunga vita, veloce ricarica, leggerezza, ecc.), ma sono diverse…
LiPo
LiPo = Litium Polimery Battery, ovvero batteria ai polimeri di litio.
Come dice il nome si tratta di un particolare tipo di batterie, con particolari proprietà, che la rendono particolarmente adatte ai nostri droni.
LiIon
Se leggete il libretto informativo del vostro smartphone, del vostro pc portatile, e di tanti altri oggetti di uso comune, vedrete che utilizzano batterie di tipo LiIon (Litium Ion Battery, ovvero batteria agli ioni di litio).
La batteria più famosa è sicuramente la 18650, che è sotto forma di stilo (18mm di diametro e 650mm di lunghezza). Pensate che persino la Tesla, la famosa auto elettrica, è alimentata da migliaia di queste stilo.
Ma in cosa si differenziano queste due Batterie?
Le LiIon sono le batterie a più alta densità di carica (in genere), quindi vengono utilizzate tutte le volte che si deve immagazzinare tanta corrente in poco spazio (Smartphone, pc, ecc.).
Le LiPo hanno una densità di carica leggermente inferiore (in realtà dipende dal modello) ma hanno la proprietà di riuscire ad erogare tantissima potenza istantaneamente (infatti si possono trovare LiPo con anche 100C, mentre le LiIon migliori arrivano al massimo a 20-30C).
Quindi nell’analogia con il circuito elettrico, le LiIon sono serbatoi leggermente più grandi, ma con un rubinetto in uscita piccolo, mantre le LiPo hanno rubinetti molto grandi, che le consentono di svuotarsi in pochi minuti.
Risulta allora chiaro che sia conveniente utilizzare LiIon nei dispositivi che richiedono bassa potenza e quindi che scaricano lentamente la batteria (pc, smartphone, ecc.), mentre si devono utilizzare LiPo nei dispositivi che richiedono grandi Potenze e in cui la batteria ha una durata molto ridotta (droni).
LiHv
Le LiHv sono LiPo ad alto voltaggio (High Voltage).
Sono cioè batterie al litio con una tensione massima superiore a quella delle tipiche LiPo:
LiPo = max 4.20V/cella
LiHv = max 4.35V/cella
Come sono fatte?
Sostanzialmente sono LiPo costruite in maniera leggermente diversa, o con componenti di più alta qualità, in grado di resistere ad una tensione leggermente superiore in modo sicuro (anche molte normali LiPo possono raggiungere 4.35V, ma è un’operazione molto rischiosa, perchè non è garantito che non esplodano! NON CI PROVATE!).
Inoltre la tensione superiore degenera più velocemente le batterie, e infatti (in genere) le LiHv hanno una vita minore rispetto alle normali LiPo.
NOTA: se utilizzi batterie LiHv, devi modificare il valore “Maximum cell Voltage” portandolo a 4.40V invece dei 4.30V impostati di default. Questo perchè altrimenti Betaflight riconoscerà la vostra LiHv 4s come una LiPo 5s e quindi penserà che la batteria sia subito scarica e suonerà l’allarme.
Perchè allora sono usate?
La tensione leggermente maggiore consente di ottenere più potenza dai propri motori (infatti i giri di un motore Brushless sono proporzionali alla tensione della batteria, quindi se utilizzo batterie con il 4% in più di tensione, i motori gireranno circa il 4% più velocemente), quindi è equivalente ad avere motori con un po’ più di KV.
Inoltre contengono più “energia” all’interno a parità di mAh.
Ricorda infatti che la Potenza è l’unità di misura che si mantiene nelle trasformazioni.
Allora una 1500mAh a 4.20V contiene all’interno 1.5Ah*4.2V=6.3Wh
Mentre la stessa cella da 1500mAh caricata a 4.35V contiene all’interno 1.5Ah*4.35V=6.525Wh
Vista la minore vita, sono in genere consigliate solo a chi cerca veramente il massimo delle prestazioni (anche se oggi, visti i nuovi esc e motori in grado di supportare sempre più spesso le 5s e 6s, è preferibile in genere spostarsi su batterie con più celle).
Le batterie al litio esplodono! Fai attenzione!
Dobbiamo fare molta attenzione a come utilizziamo le batterie al litio, perché è facile danneggiarle e se vengono maltrattate possono anche esplodere!
Perchè esplodono le batterie al litio?
Se si surriscaldano le batterie tenono a gonfiarsi e se la pressione all’interno della cella sale, l’involucro si può rompere e in tal caso il contenuto della batteria viene a contatto con l’aria.
Fin qui nulla di strano, ma il problema è che le batterie contengono litio, che reagisce a contatto con acqua o umidità, infiammandosi, quindi possono provocare seri danni!
Ma quindi cosa può far esplodere una lipo?
- Caricare la batteria oltre il valore massimo dichiarato di tensione (tipicamente 4.20V/cella)
NOTA: per questo è importante che il caricabatterie sia di qualità, ben tarato e ben funzionante! Se per qualche motivo non interrompe la carica arrivato al valore massimo, farà sicuramente esplodere le batterie!
Vedi ad esempio il video qui sotto che mostra cosa succede se il caricabatterie non interrompe la ricarica quando si giunge alla tensione massima.
NOTA: La fase più delicata è sicuramente la ricarica! Sorveglia SEMPRE le lipo durante la carica! - Scarica o ricarica troppo veloce: La corrente scorrerà sulla resistenza interna della batteria e genererà calore (Effetto Joule), in maniera quadratica rispetto alla corrente (una corrente doppia, generà 4 volte più calore). Se le celle superano una certa temperatura inizieranno a gonfiarsi, con il rischio di esplodere
NOTA: attenzione ai corto circuiti, generano correnti enormi! - danni fisici: ovviamente danni fisici possono far fuoriuscire il gas contenuto nella LiPo, o possono creare un cortocircuito interno, che ne determina un surriscaldamento e successiva esplosione!
Per questo a volte le LiPo esplodono in seguito ai crash.
Come utilizzare le batterie al litio correttamente
1-La ricarica
La ricarica, come accennato, è la fase più delicata dell’utilizzo di una batteria al litio, per questo è indispensabile prestarci molta attenzione.
Le batterie LiPo moderne si possono ricaricare molto velocemente, alcune dicono fino a 15C, ma è bene ricordare che più veloce le si ricarica, più alta è la possibilità che vadano a fuoco, e più si rovineranno durante la ricarica.
E’ quindi consigliato caricare sempre le LiPo ad 1C, cioè con una corrente pari alla capacità della batteria (ad esempio 1.5A per una batteria da 1500mAh) durante le ricariche normali (circa 1 ora per la carica).
Si può eccezionalmente caricare a 2C, cioè con una corrente pari al doppio della capacità della batteria (ad esempio 3A per una 1500mAh) nel caso in cui si abbia bisogno di una ricarica rapida (circa 30 minuti per la carica).
Come caricabatterie, io mi trovo molto bene con i caricatori della ISDT, sono piccoli e potenti, e se siete indecisi vi consiglio di acquistarne uno di questi, sono tutti ottimi.
Se il vostro caricabatterie lo supporta, è consigliato alimentarlo con un alimentatore a 24V rispetto a 12V.
Questo permetterà di sfruttare l’intera potenza del caricabatterie.
Inoltre devi acquistare un alimentatore che eroghi sufficiente potenza, in base alle batterie che intendi ricaricare, moltiplicando tensione massima della batteria, per corrente di ricarica che intendi utilizzare.
Se ad esempio vuoi ricaricare una batteria 4S da 1500mAh al massimo a 2C (quindi 3A di corrente di carica), avrai bisogno di un alimentatore da più di P=V*I=16.8*3=50.4W
PRECAUZIONI:
- sorvegliare sempre le batterie durante la ricarica
- caricare le batterie il più lontano possibile da materiali infiammabili
- ricontrolla sempre di aver impostato la corretta modalità di ricarica
2-La ricarica in Parallelo
Esistono in commercio schede come quella in foto che consentono la ricarica in parallelo delle batterie.
Si chiamano “Parallel Board” e le potete acquistare qui.
Quando si collegano le batterie in parallelo, esattamente come visto sopra, la tensione resta la stessa mentre la corrente della batteria complessiva sarà la somma di tutte le batterie.
Se ad esempio colleghi insieme 4 batterie 4S (cioè 14.8V) da 1500mAh, otterrai una batteria da 4S (cioè 14.8V) da 6000mAh.
Attenzione anche a scegliere un alimentatore e un caricabatterie sufficientemente potenti.
Infatti considerando la batteria sopra, (formata da 4 batterie in parallelo), per ricaricarla ad 1C avrai bisogno di un alimentatore e caricabatterie capaci di erogare una potenza pari a P=V*I=16.8*6=100.8W
Come effettuare la ricarica in parallelo:
- Le batterie possono essere collegate alla scheda solo quando sono esattamente alla stessa identica tensione (massimo 0.02V/cella di differenza)
Per questo motivo consiglio di collegare prima le batterie una alla volta al caricabatterie o al Battery meter e scriversi le tensioni di tutte le batterie, e poi collegarle alla scheda solo quando si è certi che siano esattamente alla stessa carica. - collegare sempre prima il cavo XT60 e poi il cavetto bilanciatore
- Impostare una corrente di ricarica pari alla somma delle capacità delle batterie per effettuare una ricarica ad 1C (se le batterie sono tutte identiche)
Se le batterie sono diverse è comunque possibile caricarle in parallelo, ma è molto consigliato di limitare la corrente alla capacità della batteria più piccola collegata, comunque una corrente sufficientemente bassa!
Le batterie infatti possono avere curve di ricarica diverse.
Il mio consiglio è quello di mettere in storage le batterie una alla volta dopo averle utilizzate, e poi una volta che sono tutte a 3.80V possono essere tranquillamente collegate alla scheda di ricarica parallela per ricaricarle.
Un altro consiglio è quello di limitarsi ad una ricarica ad 1C quando si ricarica in parallelo, evitando ricariche veloci.
La Parallel Board di Joshua Bardwell
Se siete un po’ distratti vi consiglio caldamente di acquistare la Parallel Board di Joshua Bardwell, perché ha particolari dispositivi che consentono di evitare corto circuiti. Inoltre anche se collegate batterie con diversa carica, eviterà correnti troppo grandi nel circuito che altrimenti potrebbero bruciare la scheda, o ancor peggio, far esplodere le batterie!
3-Lo Storage
Lo Storage (conservazione in italiano), consiste nel portare le batterie ad un valore “sicuro” di carica per la buona conservazione delle stesse.
Infatti una Batteria al litio si “consuma” cioè perde prestazioni semplicemente con il passare del tempo.
Questo decadimento però aumenta molto al salire della temperatura ed al salire della tensione a cui è caricata la batteria.
Per questo si deve sempre evitare di lasciare le batterie completamente cariche per periodi lunghi.
Non c’è una regola per determinare quanto tempo si possa lasciare una batteria carica, ma il consiglio generale è quello di lasciarle cariche il minor tempo possibile (consiglio di caricare la batterie lo stesso giorno o il giorno prima dell’utilizzo).
Si potrebbe quindi pensare di lasciare le batterie il più scarico possibile per evitare deterioramento.
Invece non è così, infatti le batterie rimanendo ferme tendono a scaricarsi (di pochissimo quelle nuove).
Quindi se lasciamo una batteria ferma per lungo tempo completamente scarica, la tensione scenderà lentamente sotto i 3V/cella, facendola morire.
Esiste quindi un valore consigliato a cui lasciare le batterie per ridurre al minimo il deterioramento ed evitare la morte delle stesse per eccessiva scarica anche se vengono lasciate ferme per lunghi periodi.
I valori consigliati per lo storage sono:
- LiIon = 3.70V
- LiPo = 3.80V
- LiHv = 3.85V
Quindi quando si ha intenzione di lasciare ferme le batterie per qualche giorno o più, è molto consigliato riportare le batterie a questo valore.
Se le batterie sono state utilizzate e sono quindi scariche, è molto facile portare le batterie a questo livello, basta utilizzare la funzione “STORAGE” del tuo caricabatterie.
Se invece non hai utilizzato le batterie, e quindi ti ritrovi con le batterie completamente cariche, il caricabatterie impiegherà tantissimo tempo a scaricare le batterie (dipende dal particolare caricabatterie, ma in genere i caricabatterie classici scaricano una 4S a circa 0.3A, quindi per una batteria da 1500mAh impiegherà quasi 5 ore!)
Per questo consiglio di acquistare un dispositivo pensato appositamente per scaricare le batterie.
Il dispositivo consigliato è l’ISDT FD-100, che è in grado di scaricare le batterie con una corrente (che potete scegliere) fino ad un massimo di 6A, quindi per scaricare la stessa batteria da 1500mAh di prima impiegherà meno di 15 minuti. Una bella comodità!
4-La scarica
Dopo aver visto come mantenere, e come caricare le batterie al meglio, arriviamo finalmente alla parte divertente: come utilizzarle!
La principale cosa a cui dovete fare attenzione quando utilizzate una batteria al Litio è evitare di scaricarla troppo!
Può sembrare strano, ma le batterie al litio tendono a “morire” o deteriorarsi molto gravemente se le celle vengono scaricate sotto i 3V/cella.
Non so se ci avete mai fatto caso, ma il vostro smartphone continua a funzionare perfettamente, fino a che di colpo si spegne. Non diminuisce la luminosità e le prestazioni gradualmente come ci si potrebbe aspettare.
Questo perché in tutti i dispositivi alimentati da batterie al litio c’è un circuito che fa spegnere il dispositivo quando rileva che la batteria sta scendendo ad un valore che può danneggiare la batteria, mentre nella realtà all’interno della batteria c’è ancora sufficiente energia.
Piccolo consiglio per i vostri smartphone: proprio per chè le batterie al litio si deteriorano molto se scaricate troppo o caricate troppo, mentre non si deteriorano per i cicli di ricarica, è consigliabile fare tanti piccoli cicli di ricarica e mantenere sempre la carica tra il 20% e l’80%, piuttosto che utilizzare l’intero range della batteria. Inoltre se possibile è anche consigliabile disattivare la ricarica rapida.
Questi due accorgimenti possono allungare notevolmente la vita della vostra batteria!
Tornando al nostro hobby, nei droni non è presente questo circuito (sarebbe pericoloso avere un dispositivo che fa spegnere il drone di colpo), ma è invece lasciata al buon senso del pilota la gestione della batteria.
Il mio consiglio è quello di impostare sul OSD il valore dei Volt per cella della vostra batteria, e mentre volate controllare periodicamente il valore di carica (specie durante le accelerazioni).
Per un buon mantenimento della batteria il consiglio è quello di cercare di non scendere mai sotto i 3.50V/cella, (arrivando al limite a toccare i 3.40V/cella durante le accelerazioni se è indispensabile).
Se la vostra batteria va sotto i 3.50V/cella durante le accelerazioni (quando la batteria è ancora abbastanza carica), vuol dire che il vostro drone richiede più corrente di quella che la vostra batteria sia in grado di erogare.
Il che vuol dire che la vostra batteria è ormai deteriorata, o non ha sufficienti C.
Un’altro modo, (migliore) per monitorare la scarica della batteria è utilizzare il sensore di corrente per avere sotto controllo sempre quanta corrente abbiamo consumato.
Per poter utilizzare questo metodo, oltre ad avere il sensore di corrente, devi assicurarti che sia ben tarato (vedi nel prossimo articolo la procedura per tararlo).
In questo caso sull’OSD devi inserire il valore di mAh consumati e mentre voli sai che puoi usare circa il 70% della capacità della tua LiPo (in realtà dipende dal tipo di batteria e dalla sua salute, può variare tanto).
Quindi nel caso di una 1500mAh puoi consumare al massimo circa 1050mAh (considerando il 70%, ma come dicevo sopra, il limite per la tua batteria può essere anche molto diverso)!
Questa lettura è molto più comoda perchè ti dice veramente quanta corrente della tua batteria hai utilizzato e non dipende da quanto gas stai dando.
Ha però un grande aspetto negativo, non si accorge se la batteria è danneggiata!
Infatti se la batteria fosse danneggiata o deteriorata e contenesse solo 1000mAh, allora la batteria terminerà prima di raggiungere i 1050mAh!
Per questo è importante tenere sempre il valore di V/cella così che, se ci si accorge che la tensione scende troppo, si possa atterrare in sicurezza.
Articolo di Devis Palmi – Continua!!!
