Jak mierzyć napięcie baterii Li-Po?

Jedną z podstawowych rzeczy, która decyduje o tym, czy nasz kopter będzie latał, czy też nie, jest bateria. Jednocześnie jest to jeden z elementów, którego sprawności nie da się ocenić „na oko” – trzeba wziąć miernik i sprawdzić. Multimetr uniwersalny, który mierzy napięcie, natężenie i ciągłość obwodów – przydatne przy prostej diagnostyce elektroniki – można kupić już za około 20 zł i jest on wystarczający do dużej części naszych potrzeb. Zobaczmy, jak zrobić z niego użytek!

Miernik

Miernik elektryczny, zwany także multimetrem pozwoli nam ustalić, jakie jest bieżące napięcie baterii. W celu wykonania takiego pomiaru musimy przede wszystkim upewnić się, że mamy właściwie podłączone sondy. U dołu znajdują się otwory, w które wkładamy końcówki – czerwoną i czarną. Tą pierwszą podłączamy do tego, który jest oznaczony jako „V”, co oznacza „Voltage” – napięcie. Proste multimetry mają dodatkowe złącze do pomiaru prądu (z osobnym bezpiecznikiem), oznaczone na ogół 10A lub current, w celu oznaczenia, że maksymalna wartość, jaką bezpiecznie można mierzyć to 10 A(mperów). My chcemy zmierzyć napięcie, więc pozostajemy w złączu V. Tego samego używamy mierząc opór oraz ciągłość przewodów elektrycznych. Końcówkę czarnej sondy podłączamy zawsze do „COM”.

Tak przygotowany miernik musimy teraz włączyć – najczęściej pokrętłem na jego środku. Interesuje nas opcja „V” oznaczona liniami: prostą i przerywaną. Oznacza to pomiary dla prądu stałego (takiego, jak jest w baterii). „V” oznaczone falą jest stosowane do pomiaru napięcia zmiennego – takiego jak np. w gniazdku elektrycznym. Mój miernik ma automatyczny dobór zakresu – tańsze urządzenia wymagają jego ręcznej nastawy. Liczba, która znajduje się przy danej opcji oznacza górny zakres pomiarowy. Jeżeli napisane jest np. 10 to oznacza to maksymalne napięcie 10V. Jeśli jest to 1000m oznacza to 1000mV (miliwoltów – 1/1000 wolta), czyli 1V (wolt). Są jeszcze zakresy oznaczone greckim „u”, czyli „mikro” – jest to odpowiednik 1/1.000.000V, czyli 10^-6V – do pomiaru bardzo niewielkich napięć. Mierząc napięcie baterii Li-Po ustawiamy zakres na 10V, jeśli mamy ogniwo do 2S (7.4V), natomiast dla większych wybieramy 100, co zapewni nam zmieszczenie się w górnym zakresie. Przypominam, że Li-Po np. 4S to już maksymalnie 16.8V, więc zakres do 10V nie wystarczy. Jeżeli nie mamy pojęcia jakiego napięcia się spodziewać, możemy zacząć od najwyższego możliwego zakresu i jeśli nie mamy żadnego sensownego odczytu lub wartość jest bardzo mała, przestawiamy na kolejny – mniejszy zakres, aż wyniki zaczną mieć sens. Należy pamiętać, że jeśli mierzymy napięcie w zakresie np. 10V, to wynik na wyświetlaczu jest właśnie w woltach, czyli 4.2 oznacza 4.2V. Gdybyśmy przestawili na zakres powiedzmy 1000m, to rezultat pokazuje się w tej jednostce, czyli mV i dla napięcia 3.7V mielibyśmy 3700 (mV), a nie 3.7. Warto o tym pamiętać. Trzymanie się właściwego zakresu pomiarowego daje nam też większą precyzję i mierząc np. 100mV lepiej to robić na zakresie 1000m, niż np. 10V. Do pomiarów napięć rzędu 1-20V nie powinien to być dla nas jednak problem, ponieważ potrzebujemy zgrubnej informacji o napięciu, a nie wzorcowej informacji do trzeciego miejsca po przecinku. Wiedząc już trochę o miernikach napięcia pora dowiedzieć się, czego mamy spodziewać się po baterii litowo-polimerowej, którą będziemy mierzyć.

Co należy wiedzieć o zasilaniu kopterów?

Bateria litowo-polimerowa wymaga innego traktowania, niż pozostałe typy, z którymi się spotykamy. Składa się ona z jednego lub więcej ogniw o napięciu znamionowym 3.7V, które w większości przypadków są ze sobą połączone szeregowo. Pozwala to na zwiększenie napięcia do poziomu, który jest sumą napięć wszystkich ogniw. Oznaczenie „S” to skrót od „serial”, czyli „szeregowy”. Dwa ogniwa o napięciu 3.7V połączone w ten sposób dają 7.4V (3.7 x 2) na wyjściu. Jeśli użyjemy czterech – uzyskamy baterię 4S mającą znamionowo 14.8V. Każde z ogniw litowo-polimerowych, które wchodzą w skład baterii ma swój stały zakres napięć pracy. Maksymalnie jest to 4.2V (po naładowaniu) oraz w okolicach 3.5-3.3V, gdy ulegnie ono rozładowaniu. Spadek poniżej napięcia 3.0V może prowadzić do trwałego uszkodzenia celi (inna nazwa ogniwa) i utraty jej fabrycznych parametrów. Wpływa to na jej możliwość powtórnego naładowania (może nie wrócić do 4.2V tylko np. do 4.05V), a także na maksymalny prąd, jaki jesteśmy w stanie z niej pobrać. Często uszkodzeniu ogniwa towarzyszy także spuchnięcie, które świadczy o tym, że bateria częściowo utraciła swoje właściwości i nie można jej tak mocno eksploatować, a w przypadku wyraźnego zaokrąglenia należy zaprzestać jej używania i zutylizować.

Pamiętając jak wygląda zakres pracy pojedynczego ogniwa, możemy teraz przełożyć napięcia na baterie składające się z paru, połączonych szeregowo. Dla baterii 2S (2 cele) wspomniałem już, że znamionowo uzyskujemy 7.4V, czyli tyle, ile wynosi suma napięć obu cel (3.7 x 2). Tym samym ekstrapolujemy to na napięcie maksymalne: 8.4V (2 x 4.2V) oraz minimalne: 6.0V (2 x 3.0V). Jeżeli pomierzymy na baterii oznaczonej jako 2S wartości w innym zakresie to albo jest ona przeładowana (niebezpieczne!), albo w stanie tzw. głębokiego rozładowania (deep discharge), który jak wspominałem prowadzi do nieodwracalnych zmian chemicznych i tym samym potencjalnego uszkodzenia – niektóre baterie potrafią to przetrzymać, ale nikt tego nie gwarantuje. Warto też wiedzieć, że ładowarki odmawiają ładowania ogniw, które mają poniżej 3.0V na pojedynczą celę. Z tej przyczyny, jeśli kopter sygnalizuje, że już pora lądować – np. miganiem diod na ramionach, to nie zwlekajmy z tym aż nadto, ponieważ możemy uszkodzić baterię i uniemożliwić sobie jej powtórne ładowanie. Sytuacja, w której kopter samoczynnie wyłącza się w powietrzu świadczy o tym, że napięcie spadło do krytycznie niskiego poziomu i zadziałało tzw. LVC (Low Voltage Cutoff), czyli odcięcie zasilania w celu uchronienia baterii przed uszkodzeniem. Tutaj jednak nie należy również oczekiwać żadnych gwarancji – szczególnie w tańszych modelach latających.

Ostatnią rzeczą, jaką musimy poznać to złącze balansera. Rozpoznajemy je po dodatkowej wtyczce, która wychodzi z baterii. Ma ona o jeden pin więcej, niż wynosi liczba cel i występuje tylko w ogniwach, które mają ich 2 lub więcej. Celem złącza balansera jest możliwość kontroli i ładowania każdego z ogniw z osobna tak, aby każde z nich miało wzorcową wartość napięcia. W trakcie eksploatacji zdarza się, że jedno z ogniw ulega np. szybszemu rozładowaniu i po locie na jednym z nich mamy 3.6V, a na drugim 3.5V. Ładowarka z balanserem ma za zadanie rozpoznać tą sytuację i pilnować, aby po ładowaniu napięcia na obu celach się zrównały.

Mierzymy główne napięcie baterii

Pora teraz przystąpić do właściwej operacji, czyli mierzenia napięć na naszej baterii. Po włączeniu miernika, sprawdzeniu podłączenia sond i ustawieniu odpowiedniego zakresu znajdujemy na złączu baterii metalowy element, który pozwoli nam na zmierzenie napięcia. W przypadku wtyku XT-60 jest to jego wnętrze.

Złącza Molex 50005 znane z wielu kopterów z bateriami 1S mają wystające blaszki po jednej stronie wtyku.

JST również takie posiadają.

Sondy miernika musimy przytknąć jednocześnie do obu złącz baterii, aby zmierzyć napięcie. Najlepiej jest łączyć je ze sobą zgodnie z kolorami. W przypadku baterii „+” to zawsze czerwony przewód, a masa „-” to czarny. Nietrudno zauważyć, że sondy mają taki sam zestaw kolorystyczny.

Należy tutaj zaznaczyć, że jeśli zamienimy miejscami połączenia (czerwoną sondę połączymy z czarnym przewodem baterii) to nic złego się nie stanie, a dostaniemy jedynie odczyt napięcia o przeciwnym znaku np. zamiast 4.05V będzie -4.05V. Akurat w przypadku tego pomiaru pomyłka do niczego złego nie doprowadzi.

Zobaczmy teraz, jak wygląda taki pomiar w praktyce. Zaczynamy od baterii 1S, czyli składającej się wyłącznie z jednej celi. Po przytknięciu sond do blaszek obu biegunów ogniwa otrzymujemy wynik 3.47V. Jak pamiętamy z wcześniej podanych informacji, jest do dolny zakres rozładowania. Oznacza to, że bateria, którą wziąłem jest niemalże w pełni rozładowana. Słusznie – długo jej nie używałem, a nie należy przechowywać naładowanych pakietów przez dłuższy czas. Powinienem ją składować przy napięciu około 3.8V, więc najwyższa pora nieco ją naładować, aby mogła czekać na wykorzystanie w możliwie „zdrowych” dla niej warunkach.

Przejdźmy teraz do pakietu, który widzieliśmy już na zdjęciu powyżej. Tym razem jest to 2S, czyli bateria, na którą składają się 2 ogniwa litowo-polimerowe. Jej zakres napięć powinien się mieścić pomiędzy 6.0V (2 x 3.0V), a 8.4V (2 x 4.2V). Pomiar wskazał nam 7.49V, co przy założeniu, że obie cele mają podobne napięcie daje nam w przybliżeniu 3.75V na każdej z nich. Jest to właśnie napięcie tzw. storage, które odpowiada pakietowi naładowanemu w 30-40% i jest optymalne, jeśli zamierzamy z niego długo nie korzystać. Wartość ta wzięła się stąd, że w takich warunkach bateria traci możliwie niewielką część swojej pojemności w ciągu roku i ulega najwolniejszej degradacji. Każde ogniwo ulega powolnemu procesowi zużycia, nawet wtedy, gdy się z niego w ogóle nie korzysta, jednak jest to proces na tyle wolny, że bateria mająca parę lat może być wciąż sprawna. Warunkiem jest jej odpowiednie przechowywanie. W przypadku pakietów lipo są to temperatury zdecydowanie poniżej pokojowej i napięcie, które oscyluje w okolicach 3.7-3.75V na każdej celi.

Przechodzimy do baterii 4S, która ma napięcie znamionowe 14.8V (4 x 3.7V). Zmierzona wartość napięcia to 16.69V. Pamiętając, że naładowana cela ma 4.2V, a bateria 4S ma ich 4, możemy łatwo policzyć, że maksymalne napięcie dla tej baterii nie powinno przekroczyć 16.8V. My uzyskaliśmy niemalże 16.7V, co oznacza, że mamy do czynienia z niemalże w pełni naładowanym pakietem li-po.

Mierzymy napięcia poszczególnych cel

Jak już wspomniałem wcześniej, baterie składające się z wielu ogniw mają dodatkowe złącze zwane balanserem. Ma ono zawsze o jeden pin więcej niż wynosi liczba cel (dla 2S – 3, dla 3S – 4, dla 4S – 5 itd.) i służy do pomiaru napięcia na każdej z nich.

Dodatkowo dzięki temu ładowarka może balansować poszczególne ogniwa, czyli utrzymywać równe napięcia na każdej z nich. Przykładowo, gdyby cele były niezbalansowane to dla baterii 2S napięcia mogłyby wynosić odpowiednio 3.8V i 3.9V, co sumarycznie dałoby 7.7V na wyjściu. Gdybyśmy ładowali taką baterię przez główne złącze to moglibyśmy doprowadzić do końcowej sytuacji np. 4.25V i 4.15V. Z punktu widzenia ładowarki pakiet byłby naładowany poprawnie do 8.4V (pełny), ale tak naprawdę jedno z ogniw byłoby niedoładowane, a drugie przeładowane. Ładując z użyciem obu złącz (z balanserem), ładowarka miałaby szansę dojść do 4.2V na jednym ogniwie i przestać je ładować, a drugie zaczęła podciągać z 4.1V do 4.2V. Tym sposobem wyrównałaby finalnie napięcia na obu celach do 4.2V dając nam poprawnie naładowany pakiet.

Skoro już wiemy, po co nam złącze balansera, zobaczmy, jak jego przewody są podłączone wewnątrz naszej baterii. Przedstawia to poniższy schemat.

Bateria 3S:

Bateria 4S:

Wszystko opiera się na tym, że pierwszy przewód balansera jest podłączony do „+” pierwszego ogniwa. Każdy następny jest podłączony do bieguna „+” każdej kolejnej celi i jednocześnie „-” poprzedniej – wynika to z połączenia szeregowego pomiędzy ogniwami. Tym sposobem możemy dojść do każdego z ogniwa osobno, bądź zmierzyć napięcie sumaryczne paru z nich na raz. Warto też zauważyć, że przewód główny jest podłączony do „+” pierwszej celi i do „-” ostatniej, co daje nam w połączeniu szeregowym właśnie pełne, sumaryczne napięcie – przykładowo 11.1V na 3S.

Zobaczmy taką operację na przykładach. Każda z nich będzie poprzedzona schematem i zdjęciami realnego pomiaru.

Chcąc sprawdzić wyłącznie pierwszą celę musimy zmierzyć napięcie pomiędzy pierwszym i drugim pinem złącza.

Chcąc dojść do drugiego ogniwa, musimy pominąć „+” pierwszego (pin 1) i zmierzyć między „+” drugiego (pin 2) i „+” trzeciego (pin 3).

Możemy zrobić pomiar sumarycznego napięcia pomiędzy dwiema pierwszymi celami. W tym celu podłączamy się do „+” pierwszej celi (pin 1) i do „+” trzeciej celi, a więc jednocześnie „-” drugiej (pin 3). Jak widać, nasz uzyskany wynik to 8.35V, czyli suma napięć z celi pierwszej i drugiej 4.17V + 4.17V = 8.34V. Różnica w wyniku o 0.01V wynika z zaokrągleń, które robi miernik – teoretycznie na obu celach mogło być np. 4.174V, co po pomnożeniu x 2 daje nam 8.348V, a zaokrąglając do drugiego miejsca po przecinku mamy właśnie 8.348V => 8.35V.

Jeżeli nie skłamałem, to pomiar napięcia pomiędzy pierwszym i ostatnim pinem złącza balansera pozwoli nam na odczyt takiej samej wartości, jak na głównym przewodzie. Sprawdźmy.

Jak widać, zgodnie z tym co powiedziałem, napięcie mierzone pomiędzy „+” pierwszego ogniwa i „-” ostatniego (dwa skrajne przewody balansera) daje nam ten sam wynik, co sprawdzane na głównym złączu, które jest właśnie tam wlutowane. Wynika to z tego, że nasz pomiar „przechodzi” przez wszystkie 4 ogniwa, które są ze sobą połączone, więc na wyświetlaczu pokazuje się nam zsumowana wartość napięć ze wszystkich cel – ponownie przypominam, że tak właśnie działa połączenie szeregowe, czyli „-” jednego ogniwa jest połączony z „+” następnego. Ponownie mamy tu do czynienia z drobnym błędem zaokrąglenia – 4 x 4.17V = 16.68V, gdy tymczasem na mierniku pokazało się 16.69V.

Teraz już wiecie o pomiarach napięcia więcej niż ja! 🙂

Podsumowanie

Mam nadzieję, że po tym wpisie budowa baterii w Waszym kopterze nie będzie już tajemnicą, a wykorzystując najprostszy miernik będziecie w stanie ocenić jej stan. Przedstawione metody pozwalają stwierdzić, czy ogniwo jest przeładowane, w stanie głębokiego rozładowania (deep discharge), a także czy jest ono zbalansowane, czy też nie. Taka wiedza przyda się zarówno użytkownikom najprostszych zabawek za 50-100 zł, jak i operatorom na codzień latającym wielokrotnie droższym sprzętem.