Por Lauren Nagel
Existem centenas de baterias para drones no mercado e pode ser difícil decidir qual é a mais adequada para a sua construção. Um dos principais desafios é descodificar os vários indicadores de desempenho indicados na bateria, tais como a capacidade, a taxa de descarga e a configuração das células.
Escolher a bateria certa para o seu drone não só ajudará a melhorar o desempenho, como também a aumentar a sua vida útil. Tal como o seu motor e hélice, a sua bateria acabará por avariar, mas isso pode ser adiado escolhendo a bateria correta e operando-a em segurança.
Neste artigo abordaremos:
- O que são baterias LiPo
- Segurança das baterias LiPo
- Como ler uma bateria LiPo
- Capacidade das baterias LiPo
- Classificação de tensão da bateria
- Configuração das células LiPo
- Taxa de descarga / Classificação C
- Como escolher uma bateria LiPo para o seu drone
- Exemplo - Escolher a bateria certa para o máximo tempo de voo
Figura 1: Pack de baterias LiPo utilizado no drone quadricóptero Otus
O que são baterias LiPo
As baterias mais comuns utilizadas em drones são as baterias de polímero de lítio (LiPo). As baterias LiPo são compostas por um cátodo e um ânodo à base de lítio separados por um eletrólito polimérico.
As baterias LiPo diferem das outras baterias de iões de lítio (Li-ion) por terem um componente de eletrólito polimérico sólido em vez de um eletrólito líquido. Os eletrólitos poliméricos comuns podem ser secos, porosos ou em gel, e incluem polimetacrilato de metilo (PMMA), poliacrilonitrilo (PAN), polifluoretileno de vinilideno (PVdF) e óxido de polietileno (PEO).
A ciência por detrás das baterias LiPo é a mesma das outras baterias Li-ion: a energia química é convertida em energia elétrica quando os eletrões viajam do ânodo da bateria para o seu cátodo, criando uma corrente elétrica. O cátodo contém um óxido metálico de lítio (como o óxido de lítio e cobalto (LiCoO2)), que fornece iões de lítio, enquanto o ânodo contém um carbono de lítio (como o grafite).
O ânodo e o cátodo são separados por um eletrólito que interage com o ânodo para gerar eletrões, o que cria um gradiente de carga na célula. À medida que o ânodo fica carregado negativamente, os eletrões viajam ao longo de um fio condutor para o cátodo. Todo o sistema, assim, sofre uma reação eletroquímica de oxirredução (redução/oxidação): o ânodo perde eletrões e fica oxidado, enquanto o cátodo ganha eletrões e fica reduzido.
Figura 2: Reação redox da bateria LiPo
As baterias à base de lítio têm uma densidade de energia superior em comparação com as baterias de níquel-cádmio ou níquel-hidreto metálico, o que significa que podem fornecer mais energia com menos peso. As baterias LiPo rivalizam com as baterias Li-Ion em termos de densidade de energia, mas são especialmente populares porque têm menos probabilidade de vazar.
A densidade de energia das baterias LiPo varia entre 140 e mais de 200 Wh/kg em termos de peso e entre 250 e mais de 350 Wh/L em termos de volume. A densidade de energia volumétrica é importante a considerar ao construir um drone para que a bateria caiba na estrutura, mas para cálculos de desempenho, a densidade de energia por peso é mais relevante. Com maior densidade vem um custo mais elevado, pelo que o seu orçamento também pode ser um fator limitativo.
Figura 3: Densidades de energia relativas por volume e peso dos tipos comuns de baterias (Imagem: Open Impulse)
Uma tecnologia que poderá em breve rivalizar com as baterias LiPo como a opção preferida para drones são as baterias Licerion da Sion Power. Estas baterias ostentam uma densidade de energia de até 500 Wh/kg e 1000 Wh/L. Também têm um volume de eletrólito líquido 50% inferior em comparação com outras baterias Li-Ion. Foram concebidas especificamente para aplicações não tripuladas, nomeadamente satélites pseudo artificiais de grande altitude (HAPS) e drones de grande altitude e longa autonomia (HALE).
Leitura adicional: Tipos de Drones e UAVs
Segurança das baterias LiPo
As baterias LiPo têm um maior risco de incêndio e inchaço do que as tecnologias mais antigas devido à sua química interna. Operar a bateria na sua capacidade máxima ou além dela pode levar à acumulação de átomos de oxigénio e ao aumento do óxido de lítio (Li2O), o que cria uma maior resistência interna. Mais resistência interna leva a mais calor, e o ciclo de fuga térmica começa.
Assim que o pack de baterias começa a inchar, isto é um bom indicador de que a bateria está danificada além de qualquer reparação ou que atingiu o fim do seu ciclo de vida. Utilizá-la após este ponto aumentará ainda mais a sua temperatura e poderá levar a um incêndio.
Para baterias LiPo comuns, a tensão nominal ou média é de 3,7 V/célula, com uma tensão máxima de 4,2 V/célula. Depois de a célula estar totalmente carregada, ela fornecerá brevemente 4,2 V antes de descer para 3,7 V durante a maior parte da vida da bateria. Torna-se perigoso descarregar a bateria depois de a tensão da célula descer abaixo de 3,2 V porque a resistência na bateria aumenta, fazendo-a aquecer e inchar, resultando em danos.
Figura 4: Bateria LiPo em chamas (Crédito: alishanmao)
Para evitar isto, muitos fabricantes de motores adicionaram um corte de baixa tensão (LVC) aos seus controlos, que impede que estes consumam carga após um determinado limiar, geralmente na faixa de 3,2 - 3,4 V. Sobrecargar uma bateria LiPo é igualmente perigoso e pode resultar em sobreaquecimento e até mesmo uma explosão.
Os incêndios de baterias de iões de lítio são classificados como incêndios de líquidos inflamáveis da Classe B, pelo que deve ser utilizado um extintor de incêndio do tipo ABC ou BC para os apagar. Estes extintores impedem a ocorrência da reação química e acabam por apagar o fogo.
Para mais dicas de segurança das baterias LiPo, consulte o artigo da The Drone Girl sobre “15 coisas que todos os utilizadores de baterias LiPo devem saber”.
Como ler uma bateria LiPo
As baterias LiPo são marcadas com algumas informações importantes, incluindo: capacidade da bateria, tensão, configuração das células e taxa de descarga (figura 15): 
Figura 5: Etiquetas comuns de baterias LiPo
Capacidade da bateria LiPo
A capacidade da bateria é dada em mAh ou Ah e pode ser usada para estimar o seu tempo de voo (mais sobre isto mais à frente). A capacidade da bateria é definida mais especificamente como o número de horas de corrente ou potência que a bateria pode fornecer. As unidades comuns são o ampérea-hora (Ah) e o watt-hora (Wh). Se uma bateria tiver uma capacidade de 1 Ah, pode consumir 1 A de corrente durante uma hora. Se a capacidade for de 1 Wh, a bateria forneceria 1 W de potência durante uma hora.
Classificação de tensão da bateria
A classificação de tensão da bateria permitirá determinar a velocidade do seu motor e a amperagem. Como os motores são classificados em Kv com a unidade RPM/Volt, o número de volts que a sua bateria pode fornecer determinará a velocidade com que o seu motor girará.
Leitura adicional: Como calcular o Kv de um motor brushless
Pode causar danos ao seu circuito ou até mesmo provocar um incêndio se a sua classificação de tensão for demasiado baixa ou a corrente consumida for demasiado alta, pelo que é importante escolher a tensão da sua bateria cuidadosamente. Para determinar a corrente máxima que o seu drone consumirá, configure o seu motor e hélice com um banco de testes de propulsão e execute-os no máximo acelerador. A corrente registada a 100% de acelerador diz-lhe a amperagem máxima que o seu motor consumirá, pelo que deve multiplicar isto pelo número de motores para obter o consumo total de corrente do seu drone. A bateria deve ser capaz de fornecer pelo menos esta quantidade de corrente para evitar o sobreaquecimento.
Outra forma de determinar a amperagem máxima que pode consumir da bateria é multiplicar a capacidade em Ah pela classificação C. Para uma bateria classificada para 5800 mAh/5,8 Ah e 25C contínuo, a corrente máxima que pode consumir em segurança é 145 A (5,8 x 25 = 145).
Configuração das células LiPo
A configuração das células está por vezes presente na etiqueta e descreve o número e o layout das células LiPo na bateria. Lembre-se de que uma célula LiPo tem uma tensão nominal de 3,7 V e várias células LiPo podem ser ligadas em série. Uma bateria 4S teria quatro células LiPo em série (S), dando uma bateria de 14,8 V (4 x 3,7 V = 14,8 V). Uma bateria também pode ter um código como 4S2P, que nos diz que existem quatro células ligadas em série e dois conjuntos de células ligados em paralelo (P), para um total de oito células LiPo.
Taxa de descarga/ Classificação C
A taxa de descarga ou a classificação C é uma medida de quão rapidamente a bateria pode descarregar em segurança. Se uma bateria tiver uma classificação C de 25 e uma capacidade de 5800 mAh/ 5,8 Ah, poderia descarregá-la em segurança a 25 vezes a capacidade da bateria, 25 x 5,8 = 145 Ah. Com potência contínua a essa taxa, a bateria de 5,8 Ah poderia ser descarregada em 2,4 minutos ((5,8 / 145) x 60 = 2,4). As baterias também podem ter uma gama ou taxa de descarga 'de pico', onde a bateria pode exceder a sua saída de potência constante por um curto período de tempo sem sobreaquecer, como durante uma subida súbita ou correção. Uma classificação C mais alta é excelente para aplicações como corridas de drones que exigem rajadas de velocidade, uma vez que a bateria pode fornecer a carga necessária muito rapidamente.
Como escolher uma bateria LiPo para o seu drone
A melhor bateria para o seu drone é aquela que melhor se adapta à sua aplicação. Se o tempo de voo é a sua principal preocupação, vai querer reduzir a sua massa e maximizar a capacidade da bateria (equação 1), que depende da densidade de energia e da massa (equação 2).
Onde:
E = capacidade
σ = densidade de energia
M = massa em gramas (g)
Se a potência e a velocidade são as suas principais prioridades, vai querer uma bateria que possa fornecer grandes quantidades de carga rapidamente e sem sobreaquecer, pelo que está à procura de uma tensão e classificação C elevadas.
Aqui está um resumo de como cada variável da bateria afeta o seu desempenho:
Capacidade da bateria
- Maior capacidade → tempo de voo mais longo → maior massa
- Aumentar a capacidade da bateria dará mais tempo de voo, mas com retornos decrescentes à medida que a massa da bateria aumenta (figura 6)
- Testar várias baterias pode ajudá-lo a encontrar a capacidade útil máxima
Leitura adicional: Como Aumentar o Tempo de Voo e a Capacidade de Carga do Seu Drone
Figura 6: Tempo de voo do drone vs. Capacidade da bateria
Tensão
- Baterias de tensão mais alta farão o motor girar a um RPM mais alto, por isso encontre uma tensão que corresponda à sua faixa de velocidade de rotação desejada
- Baterias de tensão mais alta tendem a ser mais eficientes, mas também mais pesadas - consulte os valores de eficiência dos testes de impulso para encontrar um equilíbrio
Taxa de descarga/ Classificação C
- Escolha uma classificação com base na sua aplicação - velocidades altas e entrega rápida vs. potência baixa constante
- Se a taxa de descarga for demasiado baixa, o seu drone terá falta de potência e desempenho inferior
- Se a taxa de descarga for demasiado alta, poderá estar a carregar peso desnecessário
Consumo de corrente
- Utilize as técnicas mencionadas para determinar a corrente consumida pelos seus motores
- A bateria deve ser capaz de fornecer pelo menos tanta corrente quanto o drone consumirá para evitar o sobreaquecimento
Exemplo - Escolher a Bateria Certa para o Máximo Tempo de Voo
Para demonstrar o processo de escolha da bateria certa, vamos utilizar o exemplo de construir um drone para agricultura - ele deve ter um tempo de voo longo, mas não precisamos de rajadas de potência rápidas. Utilizaremos dados que recolhemos no nosso sistema de propulsão para informar as nossas decisões.
Queremos escolher uma bateria com a maior capacidade possível que mantenha a massa total do nosso drone num valor gerível de 20 kg. A massa dos nossos outros componentes é de 12,5 kg, pelo que temos 7,5 kg de massa disponível para a nossa bateria.
Precisamos de um total de 196 N de impulso para manter o drone em voo pairado onde ele realizará a maioria das suas operações, o que é igual a cerca de 50 N por combinação de motor/hélice: (20)*(9,81) / 4 = ~49 N. Para o nosso projeto, queremos que o drone seja capaz de operar até ao dobro do seu impulso de voo pairado, pelo que precisaremos de até 100 N / unidade de propulsão.
O fabricante do nosso motor diz-nos que a corrente contínua máxima do nosso motor é de 100 A. Multiplicado por 4 motores, a nossa bateria teria de ser capaz de fornecer pelo menos 400 A de corrente contínua se operada na capacidade máxima.
No entanto, podemos olhar para os dados de impulso do nosso motor para ver que, ao dobro do nosso impulso de voo pairado (100 N), cada motor consome apenas cerca de 27 A (figura 7). Multiplicado por 4 motores, o nosso drone consumirá no máximo 108 A no total durante a maior parte da sua missão.
Figura 7: Corrente consumida vs. Impulso do Motor
Em termos de tensão, o fabricante do motor não forneceu quaisquer dados, mas podemos consultar os resultados dos nossos testes de propulsão para verificar que o motor consumiu entre 45 e 49 V na nossa gama de funcionamento (figura 8).
Figura 8: Tensão vs. Impulso na gama de funcionamento do drone
Não precisamos de uma velocidade explosiva para o nosso drone, pelo que procuraremos uma bateria 14S / 51,8 V com uma taxa de descarga mínima de 25C e um peso inferior a 7,5 kg.
Aqui estão três candidatas que se enquadram nesta descrição:
Para calcular os valores estimados de tempo de voo na tabela, utilizamos uma versão revista da equação 2. Convertemos Ah em Wh multiplicando o valor de Ah por 47 V e utilizamos um valor fixo de 10 gramas/Watt para a eficiência da hélice:
Com base nestes resultados, a bateria C dar-nos-á o maior tempo de voo (33 min) e não excederá o nosso limite de peso. A corrente máxima que podemos retirar desta bateria é de 550 A (22 Ah x 25C = 550), o que excede a corrente máxima do nosso motor. Portanto, optaremos pela bateria C para a nossa construção.
Conclusão
Escolher a bateria certa para o seu drone pode ajudá-lo a aumentar o desempenho, o tempo de voo e a autonomia. Este processo começa por compreender as diferentes características das baterias, tais como a capacidade da bateria, a taxa de descarga e a tensão.
Pode então determinar as prioridades para a sua construção - precisa do maior tempo de voo possível ou da capacidade de fornecer fortes picos de potência? Tudo isto depende de como pretende utilizar o seu drone.
Por fim, testar o seu sistema de propulsão pode ajudá-lo a reduzir as suas candidatas e a encontrar o melhor conjunto de baterias para a tarefa.
Leitura adicional: Um eBook sobre Construção e Otimização de Drones: Como Aumentar o Seu Tempo de Voo, Carga Útil e Eficiência Geral
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