Почему две одинаковые батареи для дрона летают по-разному

Возьмите две батареи из одних и тех же ячеек, одного размера и веса. Одна продержит дрон в воздухе всё, что обещано, другая сядет раньше и нагреется. Разница не в ячейках и не в бренде. Она в шести шагах, которых не видно под термоусадкой. Разберём их по порядку — с физикой и на примере того, как собираем мы.

Из чего состоит сборка: S и P

Сборку описывают двумя цифрами. S — сколько групп ячеек соединено последовательно: их напряжения складываются. P — сколько ячеек в каждой группе соединено параллельно: складываются ёмкость и ток. Сборка 6S3P — это шесть групп по три ячейки, 18 ячеек 21700. У ячейки EVE 40P номинал 3,6 В и ёмкость 4 000 mAh, значит у сборки 21,6 В и 12 000 mAh, или 259 Вт·ч.

Почему сборка не лучше своей самой слабой части

В последовательной цепи через все группы течёт один и тот же ток. Разряд заканчивается, когда хотя бы одна группа дошла до нижней границы напряжения. Если одна группа слабее остальных, она дойдёт туда первой, и вся сборка отдаст меньше, чем могла бы.

В параллельной группе ток делится между ячейками обратно их внутреннему сопротивлению: ячейка с меньшим сопротивлением берёт на себя больше тока и сильнее греется. Со временем такие ячейки стареют по-разному, и разница растёт. Поэтому главное в сборке — одинаковость ячеек.

Сборка — как упряжка: едет со скоростью самой медленной лошади. Одна слабая группа из шести — и вся батарея отдаёт меньше, чем могла бы.

Шаг 1. Входной контроль

Каждую ячейку меряем до сборки: напряжение, внутреннее сопротивление, внешний вид. Внутреннее сопротивление — это то, что превращает ток в тепло: мощность нагрева равна квадрату тока, умноженному на сопротивление. Оно же даёт просадку напряжения под нагрузкой. Ячейку с повышенным сопротивлением видно сразу — и она не попадает в сборку. Берём только новые первичные ячейки EVE, Lishen, DMEGC, Molicel с документами на партию; неизвестные бренды и восстановленные — нет.

Нагрев растёт с квадратом тока: вдвое больший ток — вчетверо больше тепла. Поэтому лишние миллиомы сопротивления особенно заметны на взлёте.

Шаг 2. Подбор в группы

В одну сборку идут ячейки одной партии, и в группы их раскладываем так, чтобы разброс ёмкости и сопротивления был в пределах ±5 %. Тогда группы разряжаются одинаково, ни одна не упирается в нижнюю границу раньше других, а ток в параллели делится ровно.

Ячейка с сопротивлением на 10 % ниже соседки берёт в параллели примерно на десятую часть больше тока — и первой начинает стареть.

Шаг 3. Сварка, а не пайка

Ячейки соединяем никелевыми полосками контактной точечной сваркой: короткий мощный импульс тока проплавляет никель и торец ячейки в точке. Тепло не успевает уйти внутрь ячейки — в отличие от паяльника, который долго прогревает банку. На ячейку ставим четыре точки сварки.

Никель кладём в два слоя по 0,2 мм: это вдвое большее сечение перемычки, чем один слой, а значит меньше сопротивление и нагрев под током. Узкие полоски соединяют ячейки внутри группы, широкие мосты — соседние группы.

Импульс сварки длится доли секунды. Паяльник касается банки секундами — за это время тепло успевает уйти внутрь ячейки.

Шаг 4. Изоляция и крепление

У цилиндрической ячейки корпус — это минус, а плюс выходит в центр торца, совсем рядом с краем корпуса. Поэтому на каждый плюсовой контакт ставим изоляционное кольцо: никель не коснётся края стакана, и замыкания не будет. Ячейки держит цельный печатный холдер сверху и снизу — он сохраняет зазор между ячейками, и сборка не гуляет от вибрации. Поверх никеля — лист изоляции, торцы закрываем электрокартоном, сверху — ПВХ-термоусадка.

Для сборок с 10S ставим плату защиты: баланс, короткое замыкание, перегрузка, перегрев. Для агродронов — Smart BMS, которая передаёт заряд и состояние в полётный контроллер по CAN или SMBus.

Шаг 5. Формовка и балансировка

Готовую сборку проводим через три полных цикла заряда и разряда на зарядно-разрядной станции. Так видно реальную ёмкость сборки, а не цифру с коробки, и сразу заметна группа, которая ведёт себя иначе. После формовки выравниваем группы до разницы 10–20 мВ и оставляем заряд для хранения и перевозки — около 3,8 В на группу.

Шаг 6. Выходной контроль и паспорт

Последний шаг — замеры готовой сборки: ёмкость, внутреннее сопротивление, разбаланс между группами и проверка под нагрузкой. Результаты записываем в паспорт с номером сборки. QR на наклейке ведёт на этот паспорт: можно проверить конкретную банку, а не партию «в среднем».

Про безопасность

Литий-ионные ячейки хранят много энергии, поэтому участок сборки оснащён огнеупорными контейнерами, песочными боксами и огнетушителями класса D, а ячейки проверяются пирометрами. Покупателю важно другое: заряжать сборку балансным зарядным устройством до 4,2 В на группу, хранить при 3,7–3,8 В на группу в прохладном сухом месте и не заряжать на морозе.

Что в итоге

Хорошая сборка — это не только хорошие ячейки. Это одинаковые ячейки, соединённые с минимальным сопротивлением, защищённые от замыкания и вибрации и проверенные замером, а не на глаз. Так мы собираем сборки БАНКА — от 2S для аппаратуры до 12S для агродронов.

Посмотреть сборки, цену и оценку времени полёта для своего аппарата: https://uadditive.ru/battery