Bygga en solcellsladdare för LiPo-batterier

Bygga en solcellsladdare för LiPo-batterier

Jag har börjat bygga och flyga små racing-drönare. Det är små drönare med fyra propellrar (quadcopter), ca 15-40 cm stora. Man kan utrusta drönarna med kamera och ha goggles som man tittar i, då kallas det för FPV (first person view).

Drönare är inte så energieffektiva, allt som håller dem uppe är propellrarnas ständiga snurrande, så det går åt mycket energi när man flyger. I går när vi var ute räckte ett 1S 700 mAh batteri ca 7 minuter på en liten drönare. Så om man vill flyga mer än 7 minuter måste man ha fler fulladdade batterier med sig eller kunna ladda batterierna.

Läs mer om LiPo på min sida om Säker laddning av LiPo-batterier.

Eftersom LiPo-batterier inte ska lagras fulladdade, men måste vara fulladdade för att flyga, har jag ett problem. Om jag vill gå ut och flyga en vacker dag måste jag först ladda upp mina batterier, vilket kan ta ganska lång tid, sedan ta med alla och gå ut och flyga ca 7 minuter per batteri, och sedan gå hem igen och ladda.

Varje batteri tar ett tag att ladda och kräver att det kopplas i och ut ur laddaren så det blir mycket jobb för att ladda, säg, 4 batterier.

Min tanke är därför att jag vill ha en portabel laddstation som jag kan ha med mig ut på fältet. Jag tänker att jag ska ha med mig en LiPo-laddare och en strömkälla så att jag kan ladda ett batteri samtidigt som jag flyger med ett annat. Det går inte lika snabbt att ladda upp ett batteri som det tar att ladda ur det så jag får anpassa mig till laddhastigheten. Jag kan tex ha med mig 2 batterier ut, flyga slut dem och sedan sätta dem på laddning, ett efter ett, medan jag sitter och gottar mig i solen. Eller så kan jag ha med mig fler batterier så att jag kan flyga/ladda en hel dag utan att behöva åka hem. Hur många batterier som krävs för en hel flygdag beror på hur snabbat jag kan ladda upp dem.

Effektåtgång

Jag har precis köpte en ny laddare till mina LiPo-batterier, den kan leverera 2 * 100W. Den har alltså 2 separata laddare på 100W vardera och kan totalt leverera 200W. Antagligen kommer jag inte ladda med så stor effekt, inte ens mina 4S klarar att ladda med så stor effekt. Så vi kan räkna på 200W som max-effekt.

Solceller som strömkälla till laddaren

Som strömkälla har jag tänkt att ha solceller. Jag gillar ju att vara ute och flyga när det är sol och att sitta i solen när jag inte flyger så det känns som en bra kombination.

Solceller levererar inte exakt den spänning man vill ha, de kan variera rätt kraftigt beroende på hur mycket ljus de får. 1 solcell ger max 0,5V och man kopplar ihop dem i serie, vanligtvis 36 stycken, vilket då blir 18V. Dessa 18V ska sedan justeras ner till 12V med hjälp av en spänningsregulator så att ett batteri kan laddas och hjälpa till att jämna ut spänningen.

Ett solcellssystem har oftast en speciell spänningsregulator som kallas för solcellsregulator eftersom den ska förstår sig på solcellen, förstå hur man laddar batteriet och växla mellan dessa för att leverera ström till behovet.

För att ladda mina LiPo-batterier behöver jag alltså ett system med:

  • Solceller, 18V
  • Solcellsregulator
  • Batteri för att lagra ström och jämna ut spänning från solcellen
  • LiPo-laddare

Det kanske hade gått att koppla solcellerna direkt till LiPo-laddaren (utan ett mellanlagringsbatteri och ytterligare en laddare) men jag tror att det är bättre för laddaren om den får en jämn och stabil spänning. Dessutom kan jag ladda min batterier från mellanlagringsbatteriet, om jag har ett sådant, om solen är i moln eller om jag inte orkar fälla upp solcellerna.

Dimensionera systemet

Nu när jag vet vilka komponenter jag behöver är det dags att dimensionera upp systemet. Som jag skrev ovan vet jag att min laddare drar max 200 W (kanske lite mer eftersom detta är uteffekten, men vi kan räkna med den eftersom jag inte tror att jag har något behov av att maxa uteffekten).

Nu kan man ju enkelt tänka sig att om jag vill plocka ut 200W i ena ändan av systemet så behöver jag stoppa in 200W i andra ändan. Och så är det ju, men det finns några ytterligare faktorer som påverkar beräkningen, framförallt tid.

En solcellspanel har en angiven uteffekt, tex 35W, 50W, 180W. Eftersom jag vet att jag vill kunna slänga in min panel i bilen och lätt kunna bära den några meter och fälla upp den på en gräsmatta är jag ganska begränsad av den fysiska dimensionen och vikten på panelen. En 180W-panel tror jag är i största laget (150 x 70 cm, 11,2 kg) om jag ska orka ta med den varje gång.

En 180W-panel levererar max 180W. Om panelen skuggas eller om de infallande strålarna inte är i optimal vinkel minskar uteffekten. Så jag vet redan nu att jag inte kommer att kunna levererar de 200W som behövs för laddaren. Men eftersom faktorn tid spelar in kanske den effekt som solpanel levererar kan räcka ändå, om jag inte laddar 100% av tiden.

Exempel 1, mini-drönare

Låt oss göra ett realistiskt exempel. Säg att jag har en mini-drönare som går på 1-cellsbatteri och att jag har 3 stycken 1-cells-batterier på 700 mAh och att varje flygning drar 500 mAh (innan drönaren blir för seg och tråkig att flyga) och att varje flygning varar 5 minuter. Mellan varje flygning behöver jag 5 minuter för att byta batteri, sätta det gamla på laddning, ställa in radion osv.

Ett 1-cellsbatteri laddas med 3,7V och jag vågar ladda med 2C, alltså 1,4A (0,7 Ah 2C), då blir effekten P = U I = 3,7V * 1,4A = 5W. Om jag laddar två batterier samtidigt blir effekten 10W. Det tar dock längre tid att ladda ett batteri än att flyga slut på det. Ett sådant här batteri tar ca 30 minuter att ladda fullt (denna siffra behöver verifieras) då laddaren laddar snabbt i början men långsammare mot slutet.

Om vi återgår till mina 3 batterier så innebär detta att jag kan flyga 5 minuter med första batteriet och måste sedan vänta 30 minuter innan det är fulladdat och jag kan använda det igen. Under tiden kan jag börja använda batteri nummer 2 och sedan sätta det på laddning. När jag även har flugit klart med det tredje batteriet borde det ha gått 25 minuter från att jag började flyga. Batteri 1 är fortfarande på laddning och behöver 10 minuter till så om jag vill fortsätta flyga räcker inte 3 batterier. Allt detta är begränsningar i laddaren så än så länge behöver inte ta med solcellerna i dimensioneringen.

Så för att flyga konstant behöver jag 4 batterier och kommer att dra ca 10W från laddaren hela tiden. I det här fallet kanske en solcellspanel på 20W skulle räcka?

Exempel 2, racing-drönare med 4S-batteri

Ett annat realistiskt exempel är att testa med min racingdrönare som går på 4 celler (4S). För att vara snäll mot batterier vill jag ladda med max 3C. Mina batterier i det här exemplet är på 1550 mAh styck och 3C blir då 4,7A eller 44W. Om jag laddar 2 sådana är jag uppe i 88W och då börjar solcellspanelen bli begränsningen.

Jag behöver flyga lite mer för att se hur mycket batterierna kan leverera innan de är för svaga för att vara roliga att flyga med. Och därefter testa hur snabbt det går att ladda dem, innan jag kan fortsätta räkna på detta.

Fortsättning följer...

Dig o Dats butik