Царь-батка для FPV из аккумуляторов Nissan Leaf

Несколько моих выездов на полеты в этом году омрачались одной небольшой, но очень важной сложностью — отсутствием возможности заряжать аккумуляторы для коптера на месте. А когда летать нужно на протяжении всего дня, липошек не напасешься. Стандартное решение такой проблемы — большой портативный аккумулятор. О своем исполнении такого решения и пойдет речь в этой публикации.

Концепция

За основу царь-батки было взято популярное и многократно проверенное решение — части аккумулятора электромобиля Nissan Leaf, также известные как «консервы». Это довольно крупные модули формата 2s2p в алюминиевой оболочке, которые обычно добывают из отслуживших свое больших автомобильных батарейных сборок.

Обычно для подобных проектов используют два таких модуля, соединяя их последовательно и получая на выходе сборку формата 4s2p. Такое напряжение отлично подходит для питания большинства хоббийных зарядных устройств.

Я видел несколько разных вариантов организации полевых батарей из них: кто-то просто стягивает модули болтами, добавляет «хвост» из XT-60 и балансира и таскает все это в таком виде, кто-то дополнительно помещает сборку в подходящий пластиковый кейс. Я же решил сделать чуть более аккуратное, надежное и безопасное решение.

Основные компоненты

В первую очередь, конечно же, приобретались сами модули. На Авито можно найти множество предложений в широком диапазоне цен — от полутора до пяти тысяч рублей за штуку.

При выборе я ориентировался на несколько параметров: одинаковое напряжение на модулях, отсутствие заметного разброса между половинками каждого модуля, заявленную остаточную емкость не менее 45 Ач и внятную историю эксплуатации. В моем случае это были модули от Nissan Leaf AZE0 2013 года с SOH около 70%, которые продавец мог подтвердить показаниями LeafSpy за разные годы эксплуатации. Комплект из двух модулей обошелся примерно в 4000₽ с доставкой.

После получения я проверил состояние модулей, измерил напряжение на каждой половине. Оба экземпляра оказались практически идентичными: по 3,83 В на ячейку и 7,67 В на модуль.

Во вторую очередь был приобретен подходящий кейс. Я долго подбирал что-то подходящее по габаритам модулей с запасом для прокладки проводов и установки разъемов. Первоначально планировалось разместить всю электронику внутри корпуса, однако в кейсе размером 350×280×110 мм свободного места оказалось значительно меньше, чем ожидалось. Поэтому в итоге был реализован план «Б» — все органы управления и разъемы разместились непосредственно на крышке кейса.

Дополнительно были приобретены:

• панельные разъемы XT-60;
• пятипиновый разъем JST-XH для балансира;
• гибкие силиконовые провода различных сечений;
• медные наконечники и термоусадка;
• два DC-DC модуля USB-C Power Delivery;
• автомобильные предохранители на 50 А и держатель к ним;
• силовой выключатель;
• индикатор заряда аккумулятора.

Особое внимание было уделено защите силовой части. Несмотря на относительно небольшое напряжение, подобные модули способны отдавать очень большие токи, поэтому в конструкцию сразу были заложены силовой предохранитель и главный выключатель.

Процесс сборки

Модули были соединены последовательно, образовав сборку формата 4s2p. Для силовых соединений использовались провода AWG10 и мощные медные наконечники под штатные болтовые соединения модулей. Балансирные провода были выполнены из более тонкого провода, поскольку через них проходят минимальные токи.

После установки аккумуляторов в кейс весь общий плюс был пропущен через предохранитель. И это решение полностью оправдало себя уже во время сборки.

При пайке одного из минусовых проводов я случайно коснулся плюсовой клеммы на выключателе. В результате мгновенно сработал установленный 50-амперный предохранитель – и кроме него ничего не пострадало.

После предохранителя питание разделяется на две ветви: отдельный XT-60 для зарядки самой царь-батки и главный силовой выключатель.

Такое решение позволяет заряжать аккумулятор, не подавая питание на остальные цепи и разъемы.

Рядом с зарядным разъемом был установлен балансирный разъем JST-XH. Для его монтажа была спроектирована и напечатана собственная деталь.

Главный выключатель рассчитан на токи до 100 А. Из-за его размеров разместить его на боковых стенках корпуса не удалось, поэтому он занял место на верхней поверхности крышки. При транспортировке ручку выключателя можно полностью снять, исключив случайное включение или повреждение.

После выключателя питание распределяется на четыре точки потребления: два XT-60 для зарядных устройств и два USB-C Power Delivery модуля.

Для крепления USB-модулей также были спроектированы и напечатаны отдельные корпуса.

Для линий питания зарядных устройств использовался провод 14 AWG, а для USB-модулей и индикатора заряда — более тонкий провод меньшего сечения.

Все минусовые соединения сведены на отдельную медную шину, аналогичную тем, что используются в бытовых электрощитах. Провода обжаты наконечниками НШВИ и надежно закреплены. Сверху шина дополнительно закрыта отдельной печатной крышкой.

На финальном этапе был установлен индикатор заряда аккумулятора. В продаже существует множество вариантов таких устройств, включая модели с отображением напряжения каждой ячейки, однако для данного проекта был выбран максимально простой вариант. Индикатор подключен напрямую к батарее и активируется только при нажатии кнопки, поэтому не оказывает заметного влияния на саморазряд.

Также были изготовлены короткие переходники для подключения зарядных устройств к установленным в корпусе разъемам.

Испытания

Испытания проводились в максимально приближенных к реальности условиях — на автомобильном мероприятии на автодроме ADM.

Суммарно царь-батка обеспечивала работу зарядных устройств примерно с 11:00 до 17:00 с часовым перерывом в середине дня. Точный учет заряженных аккумуляторов не велся, однако по количеству записанных видеороликов можно оценить результат примерно в 30 аккумуляторов формата 6S 1300 мАч.

Дополнительно от встроенных USB-C портов заряжались очки, аппаратура управления и мобильный телефон.

После возвращения домой измерение напряжения показало около 3,3 В на ячейку. Это означает, что аккумулятор был практически полностью использован, а расчетная емкость порядка 45–47 Ач полностью подтвердилась на практике.

За весь день эксплуатации не было обнаружено ни перегрева проводов, ни проблем с разъемами, выключателем или предохранителем. Все элементы конструкции отработали штатно.

Итоги

Проект полностью оправдал ожидания. За относительно небольшие деньги удалось получить полевую аккумуляторную станцию емкостью около 45–47 Ач или примерно 680 Втч, способную обеспечить полноценный летный день без доступа к электросети.

Конечно, после завершения проекта уже появились идеи для следующей версии, но даже в текущем виде царь-батка полностью закрыла свою основную задачу — позволила забыть о нехватке аккумуляторов на выездах и сосредоточиться на самом приятном — полетах.