แบตเตอรี่และความปลอดภัย

ทำไมต้องรู้

แบตเตอรี่เป็นทั้งแหล่งพลังงาน ส่วนที่หนักที่สุด และส่วนที่อันตรายที่สุดของโดรน แพ็กที่เล็กเกินไปจะร้อนและแรงดันตกจนเกิด failsafe ตอนไต่ระดับ แพ็กที่ใหญ่เกินไปก็เพิ่มน้ำหนักจนเวลาบินไม่เพิ่ม บทนี้คือการเลือกแพ็กให้พอดีงาน และเข้าใจว่าตัวเลขบนฉลากบอกอะไรและไม่บอกอะไร การชาร์จ เก็บรักษา และขนส่งอย่างละเอียดเรียนแล้วใน UAT 321

ต่อเซลล์เป็นแพ็ก

แพ็กแบตเตอรี่เขียนเป็น xSyP เช่น 6S1P คือหกเซลล์ต่ออนุกรมหนึ่งชุด

• อนุกรม (S) เพิ่มแรงดัน LiPo หนึ่งเซลล์มีแรงดันระบุ 3.7 V ชาร์จเต็ม 4.2 V
• ขนาน (P) เพิ่มความจุและกระแสที่จ่ายได้
• พลังงาน เท่ากับแรงดันระบุคูณความจุ

C rating และกระแสสูงสุด

ตามคำอธิบายของ Grepow C rating คืออัตราส่วนกระแสคายประจุต่อความจุ แพ็ก 10 Ah ที่ระบุ 25C จึงจ่ายกระแสต่อเนื่องได้ $25\times 10=250$ A ตามที่ผู้ผลิตอ้าง Grepow เองเตือนว่าผู้ขายบางรายโฆษณาค่า C จากการคายประจุแบบพัลส์สั้น ๆ ตัวเลขนี้จึงเป็น คำอ้างของผู้ผลิต ควรใช้ด้วยส่วนเผื่อ และตรวจความร้อนจริงของแพ็ก

ความต้านทานภายใน

แบตเตอรี่ทุกก้อนมี ความต้านทานภายใน $R$ เมื่อดึงกระแส $I$ แรงดันที่ขั้วจะลดลง $IR$ และเกิดความร้อน $I^{2}R$ ภายในแพ็ก ความร้อนเพิ่มตามกำลังสองของกระแส ดึงกระแสสองเท่า ความร้อนเพิ่มสี่เท่า

cells, cap_ah, c_rate, r_pack = 6, 10.0, 25, 0.018
v_nominal, v_full = 3.7 * cells, 4.2 * cells
print(f"{cells}S: nominal {v_nominal:.1f} V, full {v_full:.1f} V, energy {v_nominal * cap_ah:.0f} Wh, "
      f"claimed max {c_rate * cap_ah:.0f} A")
for label, amps in (("hover", 25), ("climb", 80)):
    drop = amps * r_pack
    print(f"{label:<5} {amps:>3} A: drop {drop:.2f} V -> {v_full - drop:.2f} V at the terminals, "
          f"heat {amps ** 2 * r_pack:.1f} W inside the pack")

6S: nominal 22.2 V, full 25.2 V, energy 222 Wh, claimed max 250 A
hover  25 A: drop 0.45 V -> 24.75 V at the terminals, heat 11.2 W inside the pack
climb  80 A: drop 1.44 V -> 23.76 V at the terminals, heat 115.2 W inside the pack

LiPo หรือ Li-ion

• LiPo จ่ายกระแสสูงได้ดี เหมาะกับงานที่เร่งแรงหรือบรรทุกหนัก ตัวอย่างแพ็ก Tattu 4S 10000 mAh มีพลังงาน 148 Wh มวล 935 g คิดเป็นประมาณ 158 Wh/kg ทั้งแพ็ก
• Li-ion ทรงกระบอก เช่น เซลล์ 21700 Molicel P45B ความจุ 4.5 Ah พลังงาน 16.2 Wh จ่ายต่อเนื่อง 45 A (10C) และมีพลังงานจำเพาะ 242 Wh/kg เฉพาะตัวเซลล์ เหมาะกับงานบินนานที่ใช้กระแสไม่สูงมาก

ตัวเลขสองชุดนี้ เทียบกันตรง ๆ ไม่ได้ เพราะชุดแรกรวมสายและปลอกแพ็ก ชุดหลังเป็นเซลล์เปล่า การเลือกจริงต้องเทียบแพ็กสำเร็จที่ประกอบแล้วภายใต้กระแสที่ใช้จริง

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• อนุกรมเพิ่มแรงดัน ขนานเพิ่มความจุ พลังงานเท่ากับแรงดันระบุคูณความจุ
• C rating ให้กระแสสูงสุดตามคำอ้างของผู้ผลิต ต้องใช้ด้วยส่วนเผื่อ
• ความต้านทานภายในทำให้แรงดันตก $IR$ และร้อน $I^{2}R$
• LiPo จ่ายกระแสสูงได้ดี Li-ion ให้พลังงานต่อมวลสูง เลือกตามลักษณะงาน

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. แพ็ก 4S2P ใช้เซลล์ 3.7 V 5 Ah มีแรงดัน ความจุ และพลังงานเท่าใด
2. แพ็ก 5 Ah ระบุ 40C ผู้ผลิตอ้างกระแสสูงสุดเท่าใด
3. ความต้านทาน 20 mΩ ดึง 50 A แรงดันตกและความร้อนเท่าใด
4. ถ้าดึงกระแสเพิ่มจาก 25 เป็น 50 A ความร้อนในแพ็กเพิ่มกี่เท่า
5. ทำไมจึงเทียบ 242 Wh/kg ของเซลล์ P45B กับ 158 Wh/kg ของแพ็ก LiPo โดยตรงไม่ได้