Por Lauren Nagel
Hay cientos de baterías para drones en el mercado y puede ser difícil decidir cuál es la adecuada para tu dron. Uno de los principales desafíos es descifrar los numerosos indicadores de rendimiento que figuran en la batería, como la capacidad, la tasa de descarga y la configuración de las celdas.
Elegir la batería adecuada para tu dron no solo ayudará a mejorar el rendimiento, sino que también aumentará su vida útil. Al igual que el motor y la hélice, la batería acabará fallando, pero esto se puede posponer eligiendo la correcta y utilizándola de forma segura.
En este artículo trataremos:
- Qué son las baterías LiPo
- Seguridad de las baterías LiPo
- Cómo leer una batería LiPo
- Capacidad de las baterías LiPo
- Tensión nominal de la batería
- Configuración de las celdas LiPo
- Tasa de descarga / Valor C
- Cómo elegir una batería LiPo para tu dron
- Ejemplo: elegir la batería adecuada para obtener el máximo tiempo de vuelo
Figura 1: Paquete de baterías LiPo utilizado en el dron cuadricóptero Otus
Qué son las baterías LiPo
Las baterías más comunes utilizadas en los drones son las de polímero de litio (LiPo). Las baterías LiPo están compuestas por un cátodo y un ánodo a base de litio separados por un electrolito polimérico.
Las baterías LiPo difieren de otras baterías de iones de litio (Li-ion) en que tienen un componente de electrolito polimérico sólido en lugar de un electrolito líquido. Los electrolitos poliméricos comunes pueden ser secos, porosos o en gel, e incluyen polimetacrilato de metilo (PMMA), poliacrilonitrilo (PAN), fluoruro de vinilideno (PVdF) y óxido de etileno (PEO).
La ciencia detrás de las baterías LiPo es la misma que en otras baterías Li-ion: la energía química se convierte en energía eléctrica cuando los electrones viajan desde el ánodo de la batería hasta su cátodo, creando una corriente eléctrica. El cátodo contiene un óxido metálico de litio (como el óxido de litio y cobalto (LiCoO2)), que proporciona iones de litio, mientras que el ánodo contiene un carbono de litio (como el grafito).
El ánodo y el cátodo están separados por un electrolito que interactúa con el ánodo para generar electrones, lo que crea un gradiente de carga en la celda. A medida que el ánodo se carga negativamente, los electrones viajan a lo largo de un cable conductor hasta el cátodo. Todo el sistema experimenta así una reacción electroquímica redox (reducción/oxidación): el ánodo pierde electrones y se oxida, mientras que el cátodo gana electrones y se reduce.
Figura 2: Reacción redox de la batería LiPo
Las baterías a base de litio tienen una mayor densidad de energía en comparación con las baterías de níquel-cadmio o níquel-metal hidruro, lo que significa que pueden proporcionar más energía con menos peso. Las baterías LiPo rivalizan con las baterías Li-ion en términos de densidad de energía, pero son especialmente populares porque es menos probable que goteen.
La densidad de energía de las baterías LiPo oscila entre 140 y más de 200 Wh/kg en términos de peso y entre 250 y más de 350 Wh/L en volumen. La densidad de energía volumétrica es importante a considerar al construir un dron para que la batería quepa en el chasis, pero para los cálculos de rendimiento, la densidad de energía por peso es más relevante. Una mayor densidad conlleva un mayor costo, por lo que tu presupuesto también puede ser un factor limitante.
Figura 3: Densidades de energía relativas por volumen y peso de tipos comunes de baterías (Imagen: Open Impulse)
Una tecnología que pronto podría rivalizar con las baterías LiPo como la opción preferida para drones son las baterías Licerion de Sion Power. Estas baterías cuentan con una densidad de energía de hasta 500 Wh/kg y 1000 Wh/L. También tienen un volumen de electrolito líquido un 50 % menor en comparación con otras baterías Li-ion. Fueron diseñadas específicamente para aplicaciones no tripuladas, en particular para satélites pseudo artificiales de gran altitud (HAPS) y drones de gran altitud y larga autonomía (HALE).
Lectura adicional: Tipos de Drones y UAVs
Seguridad de las baterías LiPo
Las baterías LiPo tienen un mayor riesgo de incendio e hinchazón que las tecnologías más antiguas debido a su química interna. Operar la batería en o más allá de sus límites puede provocar la acumulación de átomos de oxígeno y la acumulación de óxido de litio (Li2O), lo que crea una mayor resistencia interna. Más resistencia interna conduce a más calor, y comienza el ciclo de fuga térmica.
Una vez que el paquete de baterías comienza a hincharse, esto es un buen indicio de que la batería está dañada más allá de toda reparación o ha llegado al final de su ciclo de vida. Usarla más allá de este punto aumentará aún más su temperatura y potencialmente provocará un incendio.
Para las baterías LiPo comunes, la tensión nominal o promedio es de 3,7 V/celda con una tensión máxima de 4,2 V/celda. Después de que la celda esté completamente cargada, proporcionará brevemente 4,2 V antes de caer a 3,7 V durante la mayor parte de la vida de la batería. Se vuelve peligroso descargar la batería después de que la tensión de la celda haya caído por debajo de 3,2 V porque la resistencia en la batería aumenta, lo que hace que se caliente e hinche, resultando en daños.
Figura 4: Batería LiPo en llamas (Crédito: alishanmao)
Para evitar esto, muchos fabricantes de motores han añadido un corte de bajo voltaje (LVC) a sus controles, que les impide extraer carga después de un cierto umbral, generalmente en el rango de 3,2 - 3,4 V. Sobrecargar una batería LiPo es igualmente peligroso y puede resultar en sobrecalentamiento e incluso una explosión.
Los incendios de baterías de iones de litio se clasifican como incendios de líquidos inflamables de Clase B, por lo que se debe usar un extintor de incendios tipo ABC o BC para apagarlos. Estos extintores detienen la reacción química para que no ocurra y eventualmente apagan el fuego.
Para más consejos de seguridad de baterías LiPo, echa un vistazo al artículo de The Drone Girl sobre “15 cosas que todo usuario de baterías LiPo debería saber”.
Cómo leer una batería LiPo
Las baterías LiPo están etiquetadas con varias piezas importantes de información, que incluyen: capacidad de la batería, tensión, configuración de celdas y tasa de descarga (figura 15): 
Figura 5: Etiquetas comunes de baterías LiPo
Capacidad de la batería LiPo
La capacidad de la batería se da en mAh o Ah y puede usarse para estimar tu tiempo de vuelo (más sobre esto más adelante). La capacidad de la batería se define más específicamente como el número de horas de corriente o potencia que la batería puede proporcionar. Las unidades comunes son el amperio-hora (Ah) y el vatio-hora (Wh). Si una batería tiene una capacidad de 1 Ah, puedes extraer 1 A de corriente durante una hora. Si la capacidad es de 1 Wh, la batería proporcionaría 1 W de potencia durante una hora.
Tensión nominal de la batería
La tensión nominal de la batería te permitirá determinar la velocidad de tu motor y el amperaje. Dado que los motores se clasifican en Kv con la unidad RPM/Volt, el número de voltios que tu batería puede suministrar determinará qué tan rápido girará tu motor.
Lectura adicional: Cómo calcular el Kv de un motor sin escobillas
Puedes causar daños a tu circuito o incluso provocar un incendio si tu tensión nominal es demasiado baja o la corriente extraída es demasiado alta, por lo que es importante elegir la tensión de tu batería cuidadosamente. Para determinar la máxima corriente que tu dron extraerá, configura tu motor y hélice con un banco de pruebas de propulsión y ejecútalos a máxima potencia. La corriente registrada al 100 % de potencia te dice el amperaje máximo que tu motor extraerá, así que multiplica esto por el número de motores para obtener el consumo total de corriente de tu dron. La batería debe ser capaz de proporcionar al menos esta cantidad de corriente para evitar el sobrecalentamiento.
Otra forma de determinar el amperaje máximo que puedes extraer de la batería es multiplicando la capacidad en Ah por el valor C. Para una batería clasificada para 5800 mAh/5,8 Ah y 25C continua, la máxima corriente que puedes extraer de forma segura es 145 A (5,8 x 25 = 145).
Configuración de celdas LiPo
La configuración de celdas a veces está presente en la etiqueta y describe el número y la disposición de las celdas LiPo en la batería. Recuerda que una celda LiPo tiene una tensión nominal de 3,7 V y varias celdas LiPo pueden conectarse en serie. Una batería 4S tendría cuatro celdas LiPo en serie (S), dando una batería de 14,8 V (4 x 3,7 V = 14,8 V). Una batería también podría tener un código como 4S2P, que nos dice que hay cuatro celdas conectadas en serie y dos conjuntos de celdas conectados en paralelo (P), para un total de ocho celdas LiPo.
Tasa de descarga/ Valor C
La tasa de descarga o el valor C es una medida de qué tan rápido la batería puede descargarse de forma segura. Si una batería tiene un valor C de 25 y una capacidad de 5800 mAh/ 5,8 Ah, podrías descargarla de forma segura a 25 veces la capacidad de la batería, 25 x 5,8 = 145 Ah. Con potencia continua a esa tasa, la batería de 5,8 Ah podría descargarse en 2,4 minutos ((5,8 / 145) x 60 = 2,4). Las baterías también pueden tener un rango o tasa de descarga ‘pico’, donde la batería puede exceder su salida de potencia constante por un corto período de tiempo sin sobrecalentarse, como durante un ascenso repentino o corrección. Un valor C más alto es excelente para aplicaciones como las carreras de drones que requieren ráfagas de velocidad, ya que la batería puede entregar la carga necesaria muy rápidamente.
Cómo elegir una batería LiPo para tu dron
La mejor batería para tu dron es la que mejor se adapte a tu aplicación. Si el tiempo de vuelo es tu principal preocupación, querrás reducir tu masa y maximizar la capacidad de la batería (ecuación 1), que depende de la densidad de energía y la masa (ecuación 2).
Donde:
E = capacidad
σ = densidad de energía
M = masa en gramos (g)
Si la potencia y la velocidad son tus principales prioridades, querrás una batería que pueda entregar grandes cantidades de carga rápidamente y sin sobrecalentarse, por lo que estás buscando un alto voltaje y valor C.
Aquí está un resumen de cómo cada variable de la batería afecta tu rendimiento:
Capacidad de la batería
- Mayor capacidad → mayor tiempo de vuelo → mayor masa
- Aumentar la capacidad de la batería te dará más tiempo de vuelo, pero con rendimientos decrecientes a medida que aumenta la masa de la batería (figura 6)
- Probar varias baterías puede ayudarte a encontrar la máxima capacidad útil
Lectura adicional: Cómo aumentar el tiempo de vuelo y la capacidad de carga de tu dron
Figura 6: Tiempo de vuelo de dron vs. Capacidad de batería
Voltaje
- Las baterías de mayor voltaje harán girar el motor a un RPM más alto, así que encuentra un voltaje que coincida con el rango de velocidad de rotación deseado
- Las baterías de mayor voltaje tienden a ser más eficientes pero también más pesadas - consulta los valores de eficiencia de las pruebas de empuje para encontrar un equilibrio
Tasa de descarga/ Valor C
- Elige una clasificación basada en tu aplicación - altas velocidades y entrega rápida vs. potencia baja constante
- Si la tasa de descarga es demasiado baja, tu dron carecerá de potencia y tendrá un rendimiento inferior
- Si la tasa de descarga es demasiado alta, podrías estar llevando un peso innecesario
Consumo de corriente
- Usa las técnicas mencionadas para determinar la corriente extraída por tus motores
- La batería debe ser capaz de proporcionar al menos tanta corriente como el dron extraerá para evitar el sobrecalentamiento
Ejemplo - Elegir la batería adecuada para el máximo tiempo de vuelo
Para demostrar el proceso de elegir la batería adecuada, usaremos el ejemplo de construir un dron para la agricultura - debe tener un largo tiempo de vuelo, pero no necesitamos ráfagas de potencia rápidas. Usaremos datos que hemos recopilado sobre nuestro sistema de propulsión para informar nuestras decisiones.
Queremos elegir una batería con la capacidad más alta posible que mantenga la masa total de nuestro dron en un manejable 20 kg. La masa de nuestros otros componentes es de 12,5 kg, por lo que tenemos 7,5 kg de masa disponible para nuestra batería.
Necesitamos un total de 196 N de empuje para mantener el dron en vuelo estacionario donde realizará la mayor parte de sus operaciones, lo que equivale a unos 50 N por combo de motor/hélice: (20)*(9,81) / 4 = ~49 N. Para nuestro diseño, queremos que el dron sea capaz de operar hasta el doble de su empuje de vuelo estacionario, por lo que requeriremos hasta 100 N / unidad de propulsión.
Nuestro fabricante de motores nos dice que la máxima corriente continua de nuestro motor es de 100 A. Multiplicado por 4 motores, nuestra batería tendría que ser capaz de proporcionar al menos 400 A de corriente continua si se opera a máxima capacidad.
Sin embargo, podemos observar los datos de empuje de nuestro motor para ver que al doble de nuestro empuje de vuelo estacionario (100 N), cada motor solo extrae unos 27 A (figura 7). Multiplicado por 4 motores, nuestro dron no extraerá más de 108 A en total durante la mayor parte de su misión.
Figura 7: Corriente extraída vs. Empuje del motor
En cuanto al voltaje, el fabricante del motor no proporcionó ningún dato, pero podemos recurrir a los resultados de nuestra prueba de propulsión para comprobar que el motor consumió entre 45 y 49 V en nuestro rango de funcionamiento (figura 8).
Figura 8: Voltaje frente al empuje en el rango de funcionamiento del dron
No necesitamos una velocidad explosiva para nuestro dron, por lo que buscaremos una batería de 14S / 51,8 V con una capacidad mínima de descarga de 25C y un peso inferior a 7,5 kg.
Estos son tres candidatos que encajan en esta descripción:
Para calcular los valores estimados de tiempo de vuelo de la tabla, utilizamos una versión revisada de la ecuación 2. Convertimos Ah a Wh multiplicando el valor de Ah por 47 V y utilizamos un valor fijo de 10 gramos/vatio para la eficiencia de la hélice:
Basándonos en estos resultados, la batería C nos proporcionará el mayor tiempo de vuelo (33 min) y no superará nuestro límite de peso. La corriente máxima que podemos extraer de esta batería es de 550 A (22 Ah x 25C = 550), que supera la extracción máxima de nuestro motor. Por lo tanto, elegiremos la batería C para nuestra construcción.
Conclusión
Elegir la batería adecuada para su dron puede ayudarle a aumentar su rendimiento, tiempo de vuelo y autonomía. Este proceso comienza por comprender las distintas características de las baterías, como la capacidad, la tasa de descarga y el voltaje.
A continuación, puede determinar las prioridades de su construcción: ¿necesita el mayor tiempo de vuelo posible o la capacidad de proporcionar potentes ráfagas de energía? Todo depende de cómo pretenda utilizar su dron.
Por último, probar su sistema de propulsión puede ayudarle a reducir el número de candidatos y encontrar el mejor paquete de baterías para el trabajo.
Para leer más: Un libro electrónico sobre la construcción y optimización de drones: cómo aumentar su tiempo de vuelo, carga útil y eficiencia general
Si tiene alguna otra pregunta, no dude en dejarnos un comentario a continuación.