Jak testujeme baterie

Každá baterie na tomto webu prošla sérií vybíjecích testů pomocí naší vybíjecí stanice. Všechny uváděné hodnoty pocházejí z měření konkrétního kusu baterie – nepřebíráme žádné údaje od výrobce ani je nedopočítáváme z katalogových listů. Baterie je vždy náhodně vybraný kus a je testována tak, jak je vybalena z krabice - žádné záběhové cykly (testy samotné jsou sestavené tak, aby postupně baterii cyklovaly a zátěž se s každým testem postupně zvyšovala – baterie se tak přirozeně zacykluje v průběhu testování).

Vybíjecí stanice

Naše vlastní vybíjecí stanice je odporová zátěž s regulací proudu, sestrojená na míru pro zátěžové testy baterií. Její proudový rozsah je 0,3 až 120 A, pokrývá tak od pomalého vybíjení whoop baterií až po zátěžové testy velkých packů.

Stanice měří a reguluje proud na nastavenou hodnotu a měří napětí jednotlivých článků z balančního konektoru, kterým neteče žádný proud. Jde tedy o tzv. čtyřsvorkové měření, které na rozdíl od napětí celé baterie není zatíženo úbytkem na kabelech, konektoru ani na měřicím bočníku.

Teplotu snímá sonda umístěná na těle baterie, která je umístěna přímo na obalu článku. Záznam z měření pak pokračuje i dlouho po odpojení zátěže, protože teplo vzniká uvnitř článků a na povrch se dostává se zpožděním – vrchol oteplení nastává až několik minut po skončení vybíjení.

Testovací průběh

Pevná sada zátěží stejná pro všechny baterie nedává smysl: tvrdému závodnímu packu by nezměřila jeho limity a starší nebo měkčí baterii by mohla poškodit. Test proto probíhá ve dvou fázích a druhá fáze je každému kusu předepsána na míru podle výsledků té první.

Po nahrání prvních tří běhů analýza spočítá dvě předepsané hodnoty: zátěž validačního běhu (aby daný kus překročil teplotní limit jen o několik kelvinů) a proud punche (mez, kterou baterie prokazatelně udrží po celý 10s test). Každá baterie je tak zatížena stejně vzhledem ke svým vlastním schopnostem – jediný způsob, jak čísla férově porovnávat, aniž by test měkčí kusy poškozoval a na tvrdých neměřil nic.

Podmínky měření

• Nastavené proudy i uváděná C jsou vztaženy ke kapacitě na etiketě – dva kusy téhož produktu tak vždy absolvují identické nastavení a C × mAh dává přímo ampéry. Nadhodnocená etiketa všechna C úměrně sníží.
• Teplotní sonda je vždy na stejném místě – uprostřed baterie mezi středními články, pod izolací přímo na článku a na teplovodivé pásce tak, aby snímala baterii a nikoli okolní vzduch. Odlišné umístění sondy by znemožnilo srovnání mezi kusy.
• Klidný vzduch, bez nuceného chlazení, baterie leží uvnitř uzavřené nádoby. Chlazení, které nelze spolehlivě opakovat (kterému je ale baterie za letu vystavena), by se jinak promítlo do výsledného hodnocení.
• Po zátěžových testech se teplota zaznamenává ještě cca 600 s. Vrchol oteplení nastává až několik minut po odpojení zátěže a jeho vynechání by vedlo k nadhodnocenému trvalému C.
• Start při pokojové teplotě (20–28 °C). Oteplení se vždy počítá proti startovní teplotě daného kusu, takže teplota dílny výsledek neovlivní.

Parametry: co znamenají a jak je číst

Změřená kapacita (mAh) a energie (Wh)

Kapacita a energie skutečně odevzdané při referenčním vybíjení do vybíjecího limitu článku. Vyšší je lepší; energie navíc zohledňuje i napětí, takže dvě baterie se stejnou kapacitou se mohou lišit v odevzdané energii.

Poctivost kapacity (%)

Změřená kapacita děleno údajem na etiketě. Rozmezí 95–105 % odpovídá korektní etiketě, hodnoty pod 90 % znamenají výrazně nadhodnocený údaj. Protože se C počítají z etikety, sníží nepoctivá etiketa baterii i všechna hodnocení C.

C ve špičce (C)

Nejvyšší okamžitý proud, který baterie unese, aniž by napětí jejího nejslabšího článku kleslo pod 3,30 V (Li-ion 2,50 V) při nabití baterie na 50% své kapacity. Tato hodnota určuje, jak se bude baterie chovat při prudkém přidání plynu. Vyšší je lepší.

Udrží po celý punch (C)

Doplněk k C ve špičce: proud, při kterém nejslabší článek zůstane nad 3,30 V i v nejhorším okamžiku celého punche (typicky 6–10 s po začátku, kdy se pokles nabití a polarizace článků sejdou dřív, než je stačí kompenzovat zahřátí). Zatímco C ve špičce popisuje první okamžik prudkého přidání plynu, tato hodnota říká, co baterie udrží po celou dobu výkonové špičky. Vyšší je lepší; čti ji vedle proudu punche daného kusu – proto se nezobrazuje ve srovnání.

Trvalé C (C)

Zátěž, při které se baterie během celého vybití ohřeje přesně o +35 K nad svou startovní teplotu. Pro hobby baterie žádná norma trvalé C nedefinuje, proto hodnotu vždy uvádíme spolu s definicí. Hodnota tedy určuje, jakým proudem mohu baterii vybíjet po celou dobu letu, aniž bych ji přehřál a poškodil. Vyšší je lepší. Hranice +35 K v praxi znamená ohřátí baterie na cca 60 °C, tedy na teplotu považovanou za horní hranici bezpečného použití; nad ní hrozí nevratné poškození, případně samovznícení (thermal runaway). Měří se v klidném vzduchu bez proudění – za letu s dobrým chlazením lze dosáhnout lepších hodnot, ale pro konzistentní srovnání se testuje v nejhorších reprodukovatelných podmínkách.

Trvalé C na kilogram (C/kg)

Trvalé C děleno hmotností baterie v kilogramech – metrika pro závodníky: nejlehčí baterie s největším trvalým výkonem má nejvyšší číslo. Vyšší je lepší; dává smysl především mezi bateriemi podobné kapacity.

Vnitřní odpor (mΩ) – nejhorší článek a průměr

Odpor článku určuje, o kolik klesne napětí s každým ampérem zátěže. Měří se pro každý článek zvlášť z balančního konektoru, při 50 % nabití a třísekundovém pulzu, v klidném a nezahřátém stavu baterie. Nižší je lepší. Zatížitelnost celé baterie určuje její nejslabší článek – klesne na limit jako první.

Specifický odpor (mΩ·Ah)

Odpor nejhoršího článku vynásobený změřenou kapacitou. Vydělením vlivu velikosti vzniká veličina srovnatelná napříč kapacitami – whoop baterii lze přímo poměřit se šestičlánkem. Nižší je lepší; u 6S FPV baterií odpovídá hodnota pod 8 výbornému výsledku, kolem 10 průměru, nad 15 podprůměru.

Tepelné ztráty (%)

Podíl energie, která se místo pohonu přemění v teplo (při 15C testu). Počítá se z plochy mezi referenční a zátěžovou vybíjecí křivkou, takže zahrnuje všechny ztrátové mechanismy. Nižší je lepší; jednotky procent jsou v pořádku, hodnoty přes 10 % znamenají, že se ztráty stávají hlavním omezením a baterie se pravděpodobně bude nadměrně zahřívat, a bude mít tím pádem nízké trvalé C.

Min. napětí článku při punchi (V)

Nejnižší napětí nejslabšího článku během desetisekundového punche. Vyšší je lepší, ale čti spolu s proudem punche – punch je předepsán každé baterii jinak (viz výše), takže tvrdší baterie drží své minimum při výrazně vyšším proudu.

Zotavení napětí při punchi (mV)

O kolik napětí nejslabšího článku vystoupá od nejhlubšího propadu do konce punche. Slabé a unavené baterie propadají nejvíc hned na začátku a už se nezotaví; zdravé a lepší články se během burstu zahřejí, jejich odpor klesne a napětí se částečně vrátí, nicméně je nutné počítat, že taková baterie nebude fungovat za studena tak dobře, jako zahřátá.

Hmotnost (g) a rozměry

Hmotnost včetně kabelů a konektoru.

Hustota energie (Wh/kg)

Referenční energie na kilogram. Současné FPV LiPo se pohybují kolem 120–160 Wh/kg; vyšší hustota energie obvykle znamená nižší zatížitelnost (věčný kompromis energie vs. výkon), proto ji čti spolu s trvalým C, resp. C/kg.

Poměr energie/cena (Wh/1000 Kč)

Skutečně dodaná energie za tisíc korun. Objektivní cenová metrika – baterie s nadhodnocenou etiketou se v ní propadne bez ohledu na svou nominální cenu. Vyšší je lepší.

Výpočty do hloubky

Kapacita, energie, vnitřní odpor

Kapacita a energie — integrace měřeného proudu (resp. výkonu U·I) v čase během referenčního vybíjení z plného nabití na vybíjecí limit článku (3,10 V u LiPo, 2,50 V u Li-ion; stejný limit platí pro všechny testy dané baterie).

Vnitřní odpor — R_i = ΔU / ΔI při skokové změně zátěže, vyhodnoceno pro každý článek zvlášť z napětí balančního konektoru (čtyřvodičově, bez úbytku na kabeláži). Uváděná hodnota odpovídá 50 % nabití a třísekundovému pulzu.

C ve špičce – celý postup

Vstupy pocházejí z OCV napětí při 50 % SOC a z následného punche:

• U_ocv,i – klidové napětí každého článku v polovině nabití (50% SOC), odečtené po dlouhém ustálení;
• R_i – okamžitý odpor každého článku (~0,3 s), odečtený ze skokového náběhu proudu na začátku punche;

Pro každý článek se spočítá proud, při kterém článek klesne přesně na limit U_floor = 3,30 V (Li-ion 2,50 V):

I_i = (U_ocv,i − U_floor) / R_i

Baterii limituje nejslabší článek: I_max = min(I_i)

Ze záznamu punche se navíc odečte efektivní odpor nejhoršího článku v nejhorším okamžiku burstu a stejným výpočtem vznikne hodnota Udrží po celý punch – spodní, konzervativní mez špičkového zatížení, která zahrnuje pokles nabití i zahřátí článků během punche.

Odpor článku není konstantní – mění se s nabitím baterie (SOC), roste s délkou pulzu a klesá se zahřátím článků. Z toho důvodu ho testujeme v klidovém stavu, při teplotě článků shodné s okolní teplotou a při 50% SOC formou okamžitého náběhu proudu, za současného monitorování napětí článků. Tento test se snaží simulovat prudké zatížení baterie, např. při přidání plynu ve vzduchu.

Trvalé C – celý postup

Z každého úplného vybití se odečte oteplení ΔT = vrchol teploty za celý záznam (včetně cca 600 s doběhu – vrchol nastává až minuty po odpojení zátěže) minus startovní teplota kusu.

Trvalé C je pak vypočteno jako interpolace mezi měřeními – nejteplejší běh pod +35 K a nejmírnější běh nad ním (od toho je v sadě validační běh, jehož zátěž je předepsána tak, aby limit překročil):

C_trv = C_pod + (35 − ΔT_pod) · (C_nad − C_pod) / (ΔT_nad − ΔT_pod)

Ilustrační data: limit +35 K leží mezi během 30C a validačním během; trvalé C se odečte na spojnici těchto dvou měření.

Proč ne přímka proložená všemi body najednou? Závislost ΔT na C není v širokém rozsahu lineární (průběh je viditelně konkávní – ohřáté články mají nižší odpor, delší mírné běhy stíhají část tepla odevzdat).

Ostatní výpočty

Tepelné ztráty — teplo z energetické bilance vybíjecích křivek: Q = ∫(U_ref(q) − U_zátěž(q))·dq, tedy plocha mezi referenční křivkou a křivkou při zátěži přes odevzdaný náboj. Zachyceny jsou všechny ztrátové mechanismy (ohmické, polarizační i nárůst odporu na konci vybíjení). Ztráty [%] = Q / (Q + dodaná energie).

Specifický odpor — R_i nejhoršího článku [mΩ] × změřená kapacita [Ah].

Hustota energie — změřená energie [Wh] / hmotnost včetně kabelů [kg].

Trvalé C na kilogram — trvalé C / hmotnost [kg].

Poměr energie/cena — změřená energie [Wh] / cena [tis. Kč].

Jak číst srovnání

Rozdíly do zhruba 5-10 % mezi dvěma bateriemi spadají do opakovatelnosti a nejistoty měření – je namístě považovat je za shodu, nikoli za pořadí.

Hodnoty C jsou vztaženy ke kapacitě na etiketě: C × etiketová kapacita v Ah dává přímo ampéry, přesně tak, jak s C ratingem počítá každý pilot. Nadhodnocená etiketa proto baterii nepomůže – čím víc si výrobce kapacity přimyslí, tím nižší C mu ze stejného změřeného proudu vyjde.

Všechny LiPo baterie mají společný referenční test při 1C, a dále tak běhy 15C a 30C (0.5C, 2C a 5C u Li-ion). Tyto lze mezi sebou srovnávat. Velikost proudu u dalších testů se již odvíjí dynamicky pro každý kus zvlášť na základě těchto základních běhů, z toho důvodu se ve srovnání nezobrazují, neboť jejich srovnání mezi různými bateriemi by pro rozdílné proudy nedávalo smysl.

Srovnávat lze jen baterie stejné chemie. LiPo a Li-ion se vybíjejí jinými proudy a špičkové C se počítá k jinému limitu (3,30 vs. 2,50 V na článek) – web proto porovnání napříč chemiemi vůbec nenabízí.

Malé 1S baterie

Jednočlánkové baterie pro tiny whoop a toothpick (LiPo i LiHV, typicky 300–800 mAh) testujeme jinou metodikou než vícečlánkové packy.

U této třídy nezveřejňujeme žádné C ratingy – ani trvalé, ani špičkové. 1S baterie nemá balanční konektor, takže jediné dostupné napětí je hlavní kanál, díky tomu není možné napětí měřit čtyřsvorkovou metodou. Výsledky by tedy byly zkreslené odporem přívodních kabelů a konktoru.

Místo C ratingů zveřejňujeme:

• Kapacita a energie při 10C a poctivost etikety, hustota energie Wh/kg (baterie se váží s konektorem – gram je 5–8 % vzletové hmotnosti whoopu) a poměr energie/cena.
• Napětí pod zátěží při 50 % SOC – napětí baterie při 30C ve chvíli, kdy odevzdala polovinu své kapacity; to je „napětí uprostřed letu“, které pilot cítí na plynu. Vyšší je lepší.
• Kapacita při nejvyšší zátěži – kolik procent referenční kapacity baterie odevzdá při 30C. Vyšší je lepší; nízká hodnota znamená, že se baterie při tvrdém létání efektivně zmenšuje.
• Vnitřní odpor vč. kabelů – DC-IR z třísekundového skoku zátěže v běhu 30C, měřený na hlavním kanálu, tedy včetně adaptéru a kabelů. Nižší je lepší, ale číslo je srovnatelné jen mezi 1S bateriemi, nikdy s čtyřvodičovými hodnotami vícečlánkových packů.
• Obě vybíjecí křivky – hlavní nástroj této třídy: porovnávejte průběh napětí při 30C mezi bateriemi.