Batterie (Tipologie e caratteristiche)

Il tema delle batterie è tanto ampio quanto in continua evoluzione non solo per il settre dei multirotori in scala ridotta, ma anche per le nuove tipologie di aeromobili che si stanno velocemente sviluppando ed infine per il settore automobilistico non meno produttivo dal punto di vista tecnologico. I multirotori sono sostanzialmente elettrici e richiedono una considerevole quantità di energia, che sia costante e di buona qualità, quindi con amperaggi che vanno tra valori di 2000 mA ad addirittura 16000 mA. La potenza è ovviamente proporzionale alla grandezza, alle prestazioni ed al peso della macchina che deve essere energeticamente efficiente per mantenersi in volo.

Purtroppo il peso fisico delle batterie rimane il punto critico di questi velivoli perchè sono senza dubbio l'elemento più pesante e questo penalizza la durata del volo che può oscillare tra i 15 minuti ed i 40 nelle migliori condizioni di volo e cioè con una macchina avente un basso carico pagante e gestita in maniera da evitare accellerazioni brusche o manovre troppo strette, cosi pure le variazioni di temperatura come le basse temperature invernali o l'umidita che potrebbe produrre ossidazione galvanica sul contatti aumentandone la resistenza elettrica. Il consumo di energia infatti dipende non solo dalla massa dell'aeromobile ma anche dalla gestione di questi durante il volo ed a terra.

Le batterie più comuni utilizzate sia nel mondo aeromodellistico che nel nostro caso e cioè a bordo dei multirotori sono quelle conosciute con il termine di LiPo (Lithium Polymer) e cioè a Polimeri di Litio, questo tipo di batteria è particolarmente indicata per il volo elettrico per una moltitudine di ragioni.

Il primo punto a loro favore è il rapporto densità energetica/peso, ciò significa che in buona sostanza a parità di potenza se confrontata ad una batteria convenzionale risultano più leggere per la potenza erogabile e queste le rende perfette per il volo. Una seconda caratteristica interessante è che possono assumere quasi qualsiasi forma poichè il processo costruttivo è basato sulla posa di film di polimeri di litio che però è un metallo con delle proprie caratteristiche che come vedremo rende queste batterie anche pericolose e che in ogni caso le rendono flessibili e meccanicamente resistenti. Ed è la loro densità che le fa immagazinare tanta energia in uno spazio ridotto o meglio su una superficie limitata costituita dal film con cui è fabbricata.

Le batterie a Litio (Lipo) sono in genere costituite da una o più celle che possono essere collegate in parallelo (tensione uguale ad ogni singola cella ma amperaggio sommato tra le celle) o in serie (tensione sommata ed amperaggio uguale ad ogni singola cella). Le batterie LiPo diversamente dalla maggior parte delle batterie non utilizza un liquido od una soluzione chimica per il processo elettrolitico ma è costituita da una lamina in genere polimerica simile ad una sottile pellicola di plastica, e poichè la sua funzione è di fare l'elettrolita essa è inserita in un sandwitch tra l'anodo ed il cadoto che permette lo scambio degli ioni di litio durante il processo di carica in una direzione e di scarica nella direzione opposta, ed è per questo che si possono costruire batterie al LiPo aventi forme iregolari.

Alcune delle caratteristiche di queste batterie sono anche le limitazioni che questo dispositivo presenta, poichè funzionano mediante lo scambio ionico tra catodo e anodo, per questo i cicli di ricarica/scarica vanno in media tra i 300 ed i 500, anche se personalmente non sono mai riuscito neanche lontanamente a raggiungere i 150 cicli nella migliore delle ipotesi e la batteria era già deteriorata e quindi meno efficiente, anzi aggiungerei che meno si usa la batteria e peggiore è la qualità della sua vita, infatti con il tempo tendono a gonfiarsi e questo denota un chiaro segno di deterioramento.

In alcuni casi alcune le batterie presentano il cosidetto effetto memoria che ne limita ancora di più la vita e le prestazioni, in questo tipo di batterie non è consigliabile ricaricarle a metà ciclo poichè possono memorizzare quello stato di carica come massimo consentito e dunque dimezzano la loro capacità energetica, è per questo che è consigliabile in ogni caso scaricare la batterie fino al loro limite minimo e mai portarle a zero perchè quello la distruggerebbe completamente. In genere si consiglia di non andare al di sotto del 20% della sua capacità in fase di scarica.

Altri tipi di batterie sono quelle Li-Ion che al loro interno hanno un liquido organico come elettrolita che spesso è infiammabile e cosi come le batterie ad acido l'elettrolita permette lo scambio degli ioni di Litio attraverso gli elettronii tra l'anodo ed il catodo. Queste batterie sono più pesanti delle LiPo e meno efficienti, dunque non adatte al volo.

Caricabatterie

La ricarica delle batterie deve essere sempre affidata ad un caricabatterie specifico, di solito a controllo digitale, capace di verificare lo stato di carica su ogni singolo elemento ed in caso di malfunzionamento di interrompere il processo di carica per motivi di sicurezza. Attenzione alla scelta del caricabatterie perchè un dispositivo economico potrebbe mettere a rischio la vostra sicurezza, le batterie infatti esplodono ed io stesso ho avuto una esperienza del genere proprio a causa di un caricabatteria che evidentemente non si è dimostrato all'altezza del compito, inoltre non bisogna MAI FORZARE LO STATO DI CARICA per nessun motivo tantomeno usare caricabatterie improvvisati. Il processo di ricarica andrebbe fatto sempre all'aperto e mai in locali chiusi con materiale incendiabile come tende, plastica, legno etc, perchè in caso di esplosione potrebbe verificarsi un disastro con gravi conseguenze.

Unità di regolazione dell'alimentazione PMU (Power Monitor Unit)

Una volta collegata la batteria al multirotore bisogna assicurarsi che le cose vadano per il verso giusto per evitare pericolose esplosioni o fiamme improvvise, oltretutto è necessario che tutti i sistemi necessari al volo della macchina, dall'unità di controllo, ai motori siano perfettamente alimentati, ed è per questo che si trova a bordo una PMU, e cioè una unita di monitoraggio della potenza elettrica. Si tratta di un dispositivo di estrema importanza, poichè garantisce una costante alimentazione a tutti i componenti del multicoptero; in modo particolare all'unità centrale. La cattiva posizione di questo elemento può causare problemi di sicurezza alla macchina.

E' una vera centrale elettrica in miniuatura, capace di regolare automaticamente la tensione e la corrente necessaria a far funzionare l'Autopilota i motori ed il restante Hardware in maniera perfetta, indipendentemente dalla tenzione e dalla corrente in ingresso, che può variare in base alle caratteristiche della batteria che si utilizza, poichè queste possono avere differenti tensioni ed amperaggi; a seconda del numero di elementi che le compone.
L'unità di controllo di alimentazione va sempre sistemata lontana dalla unità centrale poichè può riscaldarsi o produrre qualche interferenza di tipo elettro-magnetico, che può influenzare il funzionamento sia del GPS sia del compass (bussola elettronica) o peggio dell'unità centrale. Raccomandabile una posizione sulla cellula, anche coperta ma in grado di ricevere una quantità di flusso di aria proveniente dai rotori per garantirne un raffreddamento continuo. Tuttavia se le procedure di assemblaggio sono corrette, ed i componenti perfettamente compatibili questo dispositivo può perfettamente funzionare senza sviluppare calore.
Nell'assemblaggio delle mie macchine durante dei testi indirizzati proprio al corretto posizionamento di questa unità, si è convenuto di utilizzare l'area laterale di destra o sinistra sulla piattaforma inferiore, in una struttura quad, oppure qualsiasi area tra i bracci in un exa, poichè in questa zona si genera un discreto flusso di turbolenze, utili alla ventilazione di questo dispositivo. In una struttura in carbonio più chiusa, giacchè vi sono presenti dei rinforzi a sandwich tra le piastre, sarebbe raccomandabile invece porla al di sotto della piastra inferiore, o sopra la piastra superiore direttamente esposta al flusso dei rotori.
L'unità di regolazione di alimentazione è in grado di supportare vari tipi di batterie, dalle piccole Lipo a due elementi fino a unità a sei elementi, con variazioni di tensione e corrente importanti, dai 7 volt e 600mA, fino ai 21Volts e 6000mA, garantendo tuttavia sempre la stessa potenza all'unità centrale di 5V e 3 Amp in uscita senza bruciarla o danneggiarla.