高出力電池

ドローンはモーターを適切にドライブすることが最終目標です。
Ardupilotでの電源モニターについてはArdupilotの電源管理にあります。

モーターにもよりますが、実用レベルだと30Aや50Aがごく普通に扱われます。
モーターに推奨のESCがあり、それが何アンペアまでOKか仕様書に書かれているはずです。

その電力を発生させる電源がこの稿の話題です。
空を飛ぶマルチコプター、飛行機タイプのドローンの場合、少しでも無駄な負荷を減らすために、現在はリチウムポリマー電池一択です。
しかしリチウムポリマー電池はトラブルが多い繊細な電池です。ニュースにはなりませんが充電中の爆発はしばしば起きています。リチウムポリマー電池の充電中は絶対に留守などにせず、トラブル対応ができるようにしておいてください。

一方、船や車の場合、あまり重量を気にしないのでLFP (リン酸鉄リチウム)電池を使うことが多いです。とくにポピュラーなものが18650といわれる単三電池より大きい電池です。
これはソニーが決めた規格のようです。一個が3.7V 2,300~3,600mAhのものが普通です。
中国製で極端に大きい値を示したものがありますが、嘘ですから注意してください。

さて、18650電池の充電については多くの記事がネットに掲載されています。
ほとんどがBMC(Battery Management Circuit)をつけて充電しろ、という当たり前の話です。

問題はここからでドローンで使う場合、電池から30Aの電流を取り出す必要があります。
電池の性能の議論も大事ですが、もっと重要な問題は配線です。

電池は通常、電池ボックスなどに入れて使われます。しかし、この電池ボックスの金具と電池はほとんど点で繋がっているといっても過言ではありません。しかもそこからの導線も一般的にはとても細いものです。

スマホ程度ならば、これでOKで問題はないように見えます。

今、14.4V(3.7Vx4)で、3セル(3個並列)のバッテリーパックを考えます。
なんとなく電池のレイアウトを決めると下図のAのようになると思います。
なぜならば、4本を直列で入れられる電池ボックスを使うとこうなるからです。

 

私自身の失敗ですが、Aの配線でモーターを回すと、列のどれかの配線が火を吹きます。
理由は電線が細いこと、電極との接触も細いため、配線か接点が発熱します。電圧が最も高い列から大量に出力され、他の列はほとんど使われないことになります。均等に使われないのです。

そのためいわゆる電池パック(例えば、3.7Vx4 = 14.4V)はBのような配線になっています。
並列に束ねられ、電極はステンレス板が電気溶接されています。これで面接触になっているので大出力に耐えられます。

 

束ねたグループをBMSと接続できるようにして、電圧をあげていきます。

ここまででおわかりかと思いますが、18650を集めて自分で電池パックを作り出すのはかなり面倒なのです。
個別に安全装置がついている乾電池タイプだとさらに始末に終えません。
興味がある方はこのサイト(英語)を御覧ください。18650で電池パックを作る専門サイトで、さまざまな注意事項が書かれています。

また、中国でこんなバッテリーパックのキットもあります。


BMS基盤が付属しているところはクールですが、電線は自前で用意しなきゃいけません。
また、電極の溶接が必要なことにご注意ください
18650の電池を大量に持っているので苦肉の策で採用しております。
18650電池はひとつ350円くらいで入手でき、ケースが2000円くらいですのでこの21個(20Ah)で9400円くらいです。
市販品は10,000円から12,000円ですからスポット溶接と組み立ての手間を考えたら市販品を購入したほうがいいです。

 

金属板を電池にスポット溶接する様子は、こんな感じです。

 

このキットは7個の電池を並列に接続します。
赤い導線はスポット溶接の電極です。
奥に見えているポータブルなスポット溶接機で十分ですが、難しいのは電池がすべて電気を蓄えていることです。電極をハサミで切っていて何回かショートさてて大きな火花が出ました。

組み立てると電池の充電状態によって電池間で電気が移動しますから、軽く発熱します。
しばらく待ってから充電しましょう。

繰り返しますが、一般的にはバッテリーパックを購入することを強くオススメします。

ある製品シリーズは次のような重さです。

  • 12V 12Ah 1.5Kg
  • 12V 18Ah 2Kg
  • 12V 30Ah 3.25Kg

ドローンの世界では12V, 16V, 20Vなどの電圧がモーターに使われますが、車用12Vの製品を使うことが一番コストが安くすむことは言うまでもありません。

また、22Vくらいになると回路内にスイッチをいれておかないと接続するだけで火花が飛びます。
ドローンのフォーラムでスイッチの話をしたことがありますが「部品点数が増えてトラブルの元だ」などと言っている人も少なくありません。しかし一般のユーザーにスイッチなしで電源コネクターの抜き差しをしろというのも酷な話ですし、コネクターメーカーはスイッチとしての扱いを想定していません。
トータルで考えると重量を気にしなくていい船のような機体にはスイッチをつけたほうが、使い勝手、安全性は向上します。
DJI社のドローンにはスイッチはついています。
高アンペアに対応したスイッチは、やはり車関係で探すと見つけやすいです。

なお、電動自転車の電池の流用を検討してみましたが、36Vから40Vで動いていますから電圧が高すぎて流用は難しいと思います。

以上、電源電池のお話でした。

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