BATTERIE

Questo articolo presenta informazioni tecniche a titolo esemplificativo e non esaustivo per fornire una base di partenza al lettore per ulteriori approfondimenti autonomi.
L’autore non si assume alcuna responsabilità circa procedure o comportamenti ivi descritti che potrebbero risultare dannosi; a tal riguardo si invita il lettore a consultare e rispettare sempre scrupolosamente quanto indicato dalla casa costruttrice del proprio equipaggiamento e/o strumentazione.

Quando parliamo delle batterie in uso nei droni di oggi ci riferiamo ad accumulatori ai polimeri di litio, dicitura spesso abbreviata in LiPo.
L’avvento di questa tecnologia e la conseguente commercializzazione delle batterie LiPo, ha consentito lo sviluppo di innumerevoli applicazioni in vari ambiti di impegno. Tra questi vi è anche quello aeromodellistico, mondo da cui provengo, che grazie a questa innovazione tecnologica ha goduto anni di grande sviluppo con l’arrivo sul mercato anche dei primi elicotteri elettrici, gli antenati degli odierni droni.
Le batterie LiPo infatti, rispetto a quelle al nichel-cadmino (NiCd) o al nichel-metal idrato (NiMH), usate prima di questa tecnologia, vantano una densità di energia (Wh/kg ) e un rapporto potenza/peso (W/kg ) notevolmente maggiori. Esse infatti sopportano un’alta corrente di scarica (normalmente indicata con il fattore “C”) che si traduce in potenza e quindi in prestazioni del drone.
Questa nuova generazione di accumulatori, diversamente da quelli tradizionali al NiCd o al NiMH che hanno un contenitore in metallo, sono costituiti da fogli separatori di elettrolita polimerico flessibili, laminati ciascuno sull’altro, immersi in un bagno di solvente organico gelificato e racchiusi in un involucro leggero e sigillato. Questo principio costruttivo assicura leggerezza, potenza ed efficienza grazie uno rapido scambio ionico tra l’anodo e il catodo (i poli della batteria).
Questa tecnologia unita allo sviluppo di regolatori elettronici sempre più efficienti e sofisticati, ha permesso l’evoluzione di motori elettrici (brushless – senza spazzole) molto performanti. Infatti più corrente riuscirà ad erogare la batteria e più il drone potrà montare motori potenti.
La potenza elettrica (che si misura in Watt –“W”) è data dalla tensione (che si misura in Volt –“V”) moltiplicata per l’intensità di corrente (che si misura in Ampere –“A”).
La durata della carica della batteria si misura invece in Ampere-ora (Ah), unità che indica il valore di corrente che la nostra batteria è in grado di erogare con continuità in questa unità di tempo.
Quando diciamo che la batteria del nostro drone è da 4500mAh stiamo di fatto indicando che essa è in grado di erogare 4500 millesimi di Ampere per un’ora. Per conoscere la capacità della batteria in Ampere dovremmo semplicemente dividere per mille, ottenendo quindi 4.5Ah; mentre per avere la corrente nominale dovemmo dividere per il tempo: 4,5Ah/1h= 4,5A.
Il numero di celle che unite in serie compongono la batteria, indicato con la lettera “S”, definisce invece il voltaggio della stessa. Considerando infatti che la tensione nominale di una cella LiPo è di 3,7 Volt, moltiplicando questo fattore per il numero di celle otterremo la tensione nominale del nostro accumulatore. Ad esempio una batteria 4S avrà una tensione nominale di 4 x 3,7 Volt = 14,8 Volt. Parliamo sempre di tensione nominale, da non confondere con la tensione massima di carica che normalmente è fissata tra 4,16 e 4,23Volt a seconda delle caratteristiche chimiche e costruttive delle celle.
La dicitura 4S può inoltre essere seguita da un secondo valore numerico e dalla lettera “P” che sta a indicare quante sono le celle collegate in parallelo. Ad esempio la sigla S42P indica che la batteria è composta da 8 celle di cui 4 collegate in serie e 4 in parallelo. Rispetto a un accumulatore 4S1P, composto da celle di analoga capacità, la tensione nominale sarà sempre di 14,8V, raddoppierà invece la capacità.
Altre caratteristiche fondamentali delle batterie LiPo sono il valore continuo di corrente e il valore di corrente di picco massimo erogabile per 15 secondi.
Il primo valore normalmente è indicato con un valore numerico, ad esempio 10, che moltiplicato per la corrente nominale della batteria consente di calcolare la corrente massima che essa può erogare in modo continuativo; riprendendo il nostro caso avremo: 4,5A x 10 = 45A.
Il secondo valore è invece indicato con un numero seguito da “C”, ad esempio 30C. Nel nostro caso quindi la corrente di picco erogabile per massimo 15 secondi sarà pari a 4,5A x 30=135A.

Sebbene queste batterie presentino indubbi vantaggi rispetto alle precedenti tecnologie, richiedono però alcune precauzioni di utilizzo pena un rapido degrado o, molto peggio, il rischio di incendio e in taluni casi anche di esplosione.
Una delle fasi più delicate è rappresentata dalla carica che deve avvenire esclusivamente con carica batterie dedicati. L’ immagazzinamento dell’energia deve infatti svolgersi a corrente constante e tensione variabile fino a quando la cella non raggiunge la massima tensione consentita (normalmente tra 4,16 e 4,23V). A questo punto i parametri si invertono e la carica prosegue a tensione costante e corrente variabile fino al raggiungimento del livello massimo, quando il processo si interrompe automaticamente.
Mentre tutto ciò avviene però il processore del carica batterie dovrà svolgere anche un’altra operazione fondamentale chiamata equalizzazione. Come abbiamo anticipato la batteria di un drone è quasi sempre composta da più celle che per funzionare al meglio devono avere la medesima tensione. Il processo di equalizzazione o bilanciamento assolve proprio a questa funzione.
Una batteria che presenta un disequilibrio della tensione nominale tra le celle non si caricherà mai al 100%, ma soprattutto una volta scarica la cella con la tensione più bassa potrebbe scendere sotto il voltaggio minimo di sicurezza degradandosi velocemente.
Le celle LiPo infatti hanno un intervallo di sicurezza della tensione entro cui devono operare (Safe Operating Area) che normalmente va da un minimo di 2,7/3,0Volt a un massimo di 4,16/4,23Volt. Oltre queste soglie la batteria va in sofferenza rischiando di danneggiarsi.
A ciò va infine aggiunto che gli accumulatori LiPo hanno un numero di cicli di carica/scarica massimo definito che, nei modelli recenti di droni dotati delle cosiddette “batterie intelligenti”, è gestito da un processore. Per prevenire spiacevoli avarie in volo queste batterie verificano costantemente lo stato di efficienza di ogni singola cella. Una volta raggiunto il numero massimo di cicli (solitamente tra i 300 e 500), o rilevate delle anomalie, la batteria diviene automaticamente inutilizzabile.
Ciò premesso possiamo comprendere meglio alcune buone prassi che possono salvaguardare l’efficienza delle nostre batterie e quindi anche la vita del nostro drone.

Buone prassi per assicurare lunga vita alla batteria
1. Carica. Considerata la complessità del processo di carica, la prima raccomandazione è quella di usare solo carica batterie indicati dalla casa costruttrice, progettati e tarati per massimizzare il rendimento e la durata dell’accumulatore. Per questioni di sicurezza, non sarebbe la prima volta che una batteria in fase di carica si incendia, è sempre bene sorvegliare l’operazione, che si dovrà svolgere in un ambiente adeguato privo di materiali facilmente infiammabili. Buona norma è appoggiare le batterie in carica su un piano in materiale ignifugo.
3. Dispersione termica. Attendere 20-30 minuti prima ricaricare la batteria dopo averla usata. Quando a una batteria è richiesto di erogare una forte corrente di scarica, tende naturalmente a scaldarsi. È buona norma attendere che la batteria torni a una temperatura normale prima di ricaricarla.
4. Intervallo di sicurezza della tensione. Non scaricare mai la batteria completamente. Come detto le batterie LiPo per preservare efficienza devono lavorare entro un range di tensione, chiamato Safe Operating Area, che indicativamente va da 2,7/3,4V a 4,16/4,23V. Il mio consiglio è di assicurarsi precauzionalmente sempre di non scendere sotto la soglia del 20-30% di carica residua.
5. Bilanciamento. Come detto le batterie composte da più celle, per poter lavorare efficacemente, necessitano che il valore di tensione di ogni cella sia pressoché il medesimo. A tal riguardo quasi tutte le case costruttrici di droni di fascia medio-alta prevedono la possibilità di verificare tramite un’applicazione la tensione di ogni singola cella, prevedendo anche delle modalità per avviare il processo di equalizzazione.
Segnalo a tal proposito che Dji consiglia per le proprie batterie una scarica fino all’8% ogni 20 cicli al fine di consentire un bilanciamento delle celle.
6. Stoccaggio. Se prevediamo un periodo di inattività del drone anche solo di più giorni è buona norma mettere a “riposo” le batterie con una carica residua compresa tra il 40 ed il 60%. In particolare conservare le batterie a piena carica per molto tempo può contribuire a gonfiarle, innescando un precoce processo di deterioramento. Qualora l’inutilizzo si protraesse per diverso tempo, anche più mesi, è importante verificare periodicamente che la carica delle batterie non scenda sotto il 15-20% ed eventualmente fare una carica parziale fino al 60-70%. Solitamente tutte le batterie dei droni utilizzano una barra a led per indicare il livello di carica, maggiori informazioni sullo stato della batteria sono però normalmente visualizzabili mediante l’applicativo software del drone.
7. Sforzo prolungato. Un altro comportamento che può accorciare la vita della batteria è quello di “spremerla” richiedendo l’erogazione di correnti elevate per lunghi periodi di tempo, ad esempio tenendo prolungatamente i motori ad alti regimi o volando forte vento (cosa quest’ultima comunque vietata). Come detto infatti lunghi periodi di scarica intesa possono riscaldare eccessivamente la batteria compromettendo i processi chimici interni.
8. Firmware. Tenere aggiornato firmware della batteria. Le recenti “batterie intelligenti” utilizzate sulla maggior parte dei droni non sono composte solo dalle celle, ma contengono al loro interno anche una piccola scheda elettronica dotata di un firmware che potrebbe richiedere degli aggiornamenti. Questa scheda spesso oltre a monitorare lo stato delle batterie è anche responsabile dei processi di equalizzazione delle celle sopraccitati.
9. Temperatura ambiente. Le batterie nel corso del loro impiego dissipano calore ma, per poter operare in efficienza e sicurezza, la loro temperatura di esercizio deve restare all’interno di un range predefinito. In tal senso anche una temperatura ambiente superiore a 40°Celsius può rappresentare un serio problema soprattutto se la batteria non riceve un adeguato flusso di aria che le consenta di disperdere efficacemente il calore prodotto. Per la stessa ragione non è opportuno lasciare le batterie al sole soprattutto d’estate. Purtroppo anche l’eccessivo freddo è però nemico di questi sofisticai accumulatori in quanto non solo rallenta lo scambio ionico e quindi diminuisce le performance della batteria, ma a lungo andare può accorciarne la vita. Alcuni modelli della DJI ad esempio inibiscono l’avvio dei motori del drone al di sotto una determinata temperatura ambiente. Per conoscere la temperatura massima e minima di esercizio delle tue batterie consulta sempre il manuale o le indicazioni fornite dal costruttore.
10. Danni meccanici. È evidente che cadute o colpi possono danneggiare la batteria provocando schiacciamenti e talvolta anche la foratura dell’involucro con fuoriuscita di liquido. Qualora dovesse capitarvi di danneggiare accidentalmente il vostro accumulatore il mio consiglio è assolutamente quello di non utilizzarla e di smaltirla correttamente quanto prima. Una batteria danneggiata potrebbe infatti mettere a repentaglio la sicurezza del volo e quindi la vostra incolumità o quella di altre persone. Lo stesso consiglio vale anche nel caso in cui doveste verificare che la batteria è particolarmente gonfia. Su quest’ultimo punto in realtà vi sono pareri contrastanti, ma l’esperienza sul campo mi porta precauzionalmente a consigliarvi di non usarla.
11. Test. Verificate costantemente il numero di cicli della batteria e testate periodicamente la sua efficienza. Molte case costruttrici di droni consentono di conoscere il numero di cicli di carica/scarica effettuati dalla batteria e di verificare lo stato di salute delle celle attraverso un’applicazione dedicata.
In sintesi le batterie di un drone richiedono di essere utilizzate con cura e soprattutto usando sempre il buon senso e la massima prudenza. Il loro costo elevato potrebbe infatti indurre il pilota meno esperto a non sostituirle quando necessario, rischiando così di andare incontro ad inconvenienti ben più costosi e decisamente più spiacevoli.

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