UAV測量講座　リチウムポリマバッテリの使用方法

ドローンで使用されているバッテリは、リチウムポリマバッテリ、略してリポバッテリ、あるいは単にリポとも呼ばれます。このリポバッテリは、軽量、大容量という大きな特徴があり、ブラシレスモータの進歩と相まって今ではエンジンよりもはるかに多くのパワーを発揮するまでに至りました。ドローンの登場はこうしたバッテリとモータの進化が大きく貢献していると言えます。

リポバッテリの構造と特徴

リポバッテリは軽量、大容量という大きな利点がある反面、取扱いを間違えると爆発、発火に至ります。飛行機を燃やしてしまった、ヘリを燃やしてしまったという話はよくあり、更には家を燃やしてしまったという話も過去聞いたことがあります。リポバッテリのしくみを知り、正しく取り扱いましょう。

リポバッテリの構造

軽量・大容量なことからパソコン、スマホ等に使用されているリチウムイオンバッテリがありますが、リポバッテリはこのリチウムイオンバッテリを改良したものです。リポバッテリは、このイオンのかわりにゲル状の導電性ポリマーを使用しています。リチウムイオンは液体の電解質ですが、それをゲルに変更し金属ケースからアルミラミネートに変更することで、軽量かついろんな形状のものを作りやすくなりました。

リポバッテリーの強み

小型、軽量
高起電力（1セルあたり3.7V)
大容量
メモリ効果がない

メモリ効果とは、今でも一般機器によく使われているニッカドバッテリ、ニッカド水素バッテリに見られますが、容量を残して充電をすると段々と充電されなくなっていく現象です。本来バッテリが持っている容量分の充電がされないわけです。そのためすぐバッテリがなくなってしまいます。このメモリ効果を防ぐためには、一度完全に放電をしてから充電を行う事が必要ですが、放電時間も必要になるため充電時間が長くなってしまうという欠点があります。

リポバッテリの弱み

高価
過充電、過放電、衝撃等により発火の可能性がある
過充電によるバッテリ寿命への影響

充電に関しては専用の充電器を使用することで過充電はまずないと思いますが、過放電には注意が必要です。ドローンの飛行でバッテリ容量ぎりぎりまで過放電させていると、バッテリの寿命が大きく縮まります。バッテリがもちを焼いたように膨らんできて、内部の電極がショートし発火する可能性があります。出来るだけ過放電、過充電させないことが長く使うこつです。

取扱い時の注意事項

リポバッテリは、前述のようにラミネートケースのため、衝撃には非常に弱いです。例えば、飛行機、ヘリコプタ等で墜落して衝撃を受けたリポバッテリは、その後の取扱いには最大限に注意が必要です。もし内部セルに損傷を受けていれば、何かのきっかけでいつ内部がショートし火を噴くかわかりません。

またリポバッテリは充電中は目を離してはいけません。発火の確立は、充電時が一番多いので、何かあってもすぐ対処できるようにしておく必要があります。発火したリポは、花火のように液体を飛ばしながら火を噴くため、不測の事態に備えて金属製容器、耐熱手袋、消化器等を用意しておくのが良いと思います。

他には、充電中は可燃物を近くに置かない、並列にして充電しない、乗り物の中で充電しない、があります。

リポバッテリの保管

リポバッテリの保管は、50%程度の容量にするのが一番良いとされています。容量がありすぎてもなさ過ぎてもバッテリの寿命に影響します。また高温の場所に保管しない事も大事です。真夏の車内に置きっぱなしというのは、非常に危険ですので注意したいところです。

なお、きちんと扱っているバッテリであれば、突如火を噴くということは無いと思いますが、私は念のため大型ドローン用の21000mAのリポは、頑丈な金属製の容器にいれて保管をしています。ホームセンタ等で売っているアルミケースは熱に弱いので、鉄製のものを使用しています。

リポバッテリ寿命の判断

形状判断

リポは使用していると少しずつ膨らんできます。ふくらみが大きくなると内部セルが損傷してしまうため、どこかで寿命の判断をしなければなりません。どこまで膨らんだらまずいのか、まずくないのかは一概に言えませんが、急激に膨らみが大きくなってきた場合は、すぐに使用を中止したほうが良いと思います。使用回数と共にうっすら膨らんでいる程度でしたら大丈夫だと思いますが、その後の取扱いには注意が必要です。

ちなみに、このふくらみは内部にガスが溜まっているのが原因です。

特性判断

リポは複数のセルから構成されています。例えばDJI製のファントム４であれば４セルですから、バッテリ内部では１つのセル(3.7V)が4つ直列に接続されています。リポ専用の充電器は充電後、この４つのセルの電圧のバランスを取ります。正常なものは最終的には0.001～0.004V範囲に収まります。

私はこの各セルのばらつきが0.1とか0.2V、0.3V以上差が出てきたバッテリは、危険領域と考えています。充電器がバランスを取ろうとしてもバランスが取れないセルがあるわけですから、このセルが他のセルに比べて劣化してきていると判断しています。

内部は直列で接続されていますから、一つでも不良セルがあり電流が流せなくなると、全体としても急激にバッテリの電圧がダウンしドローンは墜落してしまいます。

普段から飛行後のバッテリのセル電圧状態、充電後のセル電圧状態を見ていると、バッテリの衰えが感覚的にわかってくるようになります。使用前後、充電前後は常に確認する癖を付けましょう。通常、一般的なリポバッテリの場合は、市販のリポバッテリ対応のバッテリチェッカで各セルのmin電圧とmax電圧を確認することができます。私はフタバ製のものを使用していますが、バッテリを扱うかぎりはバッテリチェッカは必須です。

DJI製品の場合は、インテリジェントバッテリという特殊なバッテリなっていますのでバッテリチェッカで確認することはできませんが、DJI Goのアプリで各セルの状態を確認することができます。0.01V単位までしか見ることは出来ませんが、それで十分だと思います。

リポバッテリの表記の意味(性能）

リポバッテリには、そのバッテリの性能を示す表記がされています。例として下記の写真を見てみましょう。

表面のラベルには、以下のように記載されています。３S1P11.1V　1300mAh　35C　45.5Ａmp Continuous,　60C 78.0Amp Burst 初めて見る人には、なにがなんだかさっぱり？だと思います。でも理解すると簡単です。

3S1P11.1V：3セル直列に接続されていて11.1Vの電圧ということを意味しています。(1Pはすみません、よくわかりません）
1300mAh：このバッテリは1300mAの電流を1時間流せるだけの容量を持っているということを意味しています。
35C：このリポは1300mAの35倍の電流を連続的に流せることを意味しています。言い換えるとバッテリの内部抵抗を意味しています。内部抵抗を求めてみると、オームの法則でR=E/Iですから、R=11.1V/45.5A R=0.24Ω相当という事になります。
45.5mA continuous：上記で説明した35Cの条件を記載したものです。continuousとは連続という意味です。
60C 78.0Amp Burst：瞬間的であれば、1300mAの60倍流せるという事を意味しています。瞬間的な内部抵抗は、上記で計算した抵抗以下の実力があるという事です。

KYPOMは35Cの条件でcontinuousということが書かれていますが、メーカによっては書かれていないものがあり、continuousなのかburstなのかわからないものがあります。性能を比較して購入する場合は、定義の違いに注意が必要です。

慣らし放電

新品バッテリは、慣らし放電を必ず行った方が良いそうです。慣らしを行わないで５C以上の放電をおこなってしまうと性能を著しく低下させるとのことで、はじめの３～４フライトは３～５C程度で放電し慣らすのが良いようです。

慣らしは、一般的に販売されているリポであれば、市販のリポバッテリ専用の充電器で、放電モードを使用し慣らすのがよいと思います。 DJIのインテリジェントバッテリは、市販の充電器を使用することはできませんので、静かにホバリングして慣らすしかありません。ドローンはヘリのように３Dフライトという急激なピッチ操作はないため、バッテリに対して瞬間的に強い負荷をかけることはありません。そのため極端に慣らしを意識する必要はないかと思っています。私は最初の１～２フライトはホバリングメイン＋ゆっくり飛行させる程度にしています。