الإدارة الحرارية لبطارية الطائرة بدون طيار لظروف الطيران الساخنة والباردة

لا تعمل بطارية الطائرة بدون طيار في بيئة مستقلة عن درجة الحرارة. تؤثر الظروف المحيطة، وتيار التفريغ، وتصميم العلبة، وحمل المحرك، وأشعة الشمس، وتدفق الهواء، وظروف الشحن، على السلوك الحراري للبطارية أثناء المهمة.

عندما تصبح بطارية الطائرة بدون طيار باردة جدًا، تزداد مقاومتها الداخلية بشكل عام. يمكن أن تكون النتيجة انخفاضًا أكبر في الجهد الكهربي وتقليل ذروة الطاقة ووقت طيران أقصر قابلاً للاستخدام. عندما يصبح الجو حارًا للغاية، يتسارع التقادم الكيميائي ويزداد خطر عدم استقرار الأداء. يمكن أن يؤدي التيار العالي والتهوية السيئة والتعرض المباشر لأشعة الشمس إلى تفاقم الوضع.

بالنسبة لمصنعي الطائرات بدون طيار والقائمين على تكامل الأنظمة، فإن الإدارة الحرارية هي أكثر من مجرد مسألة اختيار بطارية ذات سعة أكبر. إنها مهمة تصميم على مستوى النظام تتضمن خلايا البطارية وهيكل العبوة والإلكترونيات وحاوية الطائرة والشاحن وملف الطيران.

إجابة سريعة

تؤثر درجة حرارة بطارية الطائرة بدون طيار على خرج الطاقة واستقرار الجهد ووقت الطيران وسلامة الشحن وعمر البطارية.

• في الظروف الباردة، ترتفع المقاومة الداخلية وقد توفر البطارية طاقة أقل.

• في الظروف الحارة، تتسارع عملية الشيخوخة ويزداد الإجهاد الحراري.

• تيار التفريغ العالي يولد الحرارة حسب العلاقة Q ≈ I²R ، مما يعني أن الحرارة ترتفع بسرعة مع زيادة التيار.

• يجمع الحل الموثوق بين كيمياء الخلايا المناسبة والبنية منخفضة المقاومة والمسارات الحرارية واستشعار درجة الحرارة والشحن المتحكم فيه والتحقق من صحة التطبيق المحدد.

• لا يوجد نطاق عالمي لدرجة الحرارة لكل بطارية بدون طيار. اتبع دائمًا مواصفات الشركة المصنعة للخلية والتغليف وBMS.

ما هي الإدارة الحرارية للبطارية بدون طيار؟

الإدارة الحرارية لبطارية الطائرة بدون طيار هي عملية التحكم في درجة حرارة البطارية ومراقبتها والتحقق من صحتها طوال عمر تشغيل البطارية.

ويغطي عدة ولايات مختلفة:

1. التفريغ أثناء الرحلة

2. الشحن بين البعثات

3. التخزين والنقل

4. التسخين أو التبريد قبل الاستخدام

5. الأحداث الحرارية الناجمة عن التحميل الزائد أو التلف أو التشغيل غير الطبيعي

قد تكون حزمة البطارية مقبولة أثناء رحلة داخلية قصيرة ولكنها غير مناسبة لمهمة خارجية طويلة تحت ضوء الشمس المباشر. وبالمثل، فإن الحزمة التي تعمل بشكل طبيعي في درجة حرارة الغرفة قد تتعرض لانخفاض كبير في الجهد في عملية الشتاء.

ولذلك ينبغي تصميم الإدارة الحرارية حول ملف المهمة الكامل بدلاً من درجة حرارة مختبر واحد.

كيف تؤثر درجة الحرارة على أداء بطارية الطائرة بدون طيار

آثار الطقس البارد

يمكن أن تؤثر الظروف الباردة على بطارية الطائرة بدون طيار بعدة طرق:

• زيادة المقاومة الداخلية

• يتدلى الجهد الأكبر تحت الحمل

• انخفاض تسليم الطاقة لحظية

• انخفاض القدرة الفعالة

• قبول شحن أبطأ

• احتمال عدم التوازن بين الخلايا

• انخفاض أداء التجديد أو الاسترداد في بعض الأنظمة

قد تبدو البطارية وكأنها تتمتع بحالة شحن كافية، لكن الجهد الكهربي يمكن أن ينخفض ​​بسرعة أكبر عندما تتطلب المحركات تيارًا عاليًا. وهذا مهم بشكل خاص للطائرات بدون طيار FPV، والمنصات الصناعية التي تحمل حمولات ثقيلة والطائرات التي تعمل على ارتفاعات عالية.

يعتمد أداء الطقس البارد على أكثر من درجة الحرارة المحيطة. تبريد الرياح، وعزل العبوة، ودرجة حرارة بدء تشغيل البطارية، ومعدل التفريغ، والوقت الذي تقضيه عند التيار العالي، كلها أمور مهمة.

آثار الطقس الحار

درجات الحرارة المرتفعة يمكن أن تسبب:

• تقويم أسرع ودورة الشيخوخة

• زيادة التفريغ الذاتي

• إجهاد حراري أكبر أثناء التشغيل بالتيار العالي

• زيادة خطر التورم أو الضرر إذا تم تجاوز الحدود

• تدخل نظام الحماية

• انخفاض الاحتفاظ بالقدرة على المدى الطويل

قد تبدأ البطارية مهمة عند درجة حرارة معتدلة وتصبح أكثر سخونة بعد التسلق المستمر أو التحليق أو الطيران عالي السرعة. يمكن للعلبة السوداء المعرضة لأشعة الشمس المباشرة أن تضيف حرارة كبيرة قبل الإقلاع.

زيرن يمكن النظر في حل البطارية ذات درجة الحرارة العالية للتطبيقات التي تكون فيها درجات حرارة التشغيل المرتفعة جزءًا من متطلبات التصميم. لا يزال الأداء النهائي بحاجة إلى تأكيد وفقًا لملف الحمولة الفعلي للطائرة والظروف البيئية.

من أين تأتي حرارة البطارية؟

يتم توليد حرارة البطارية داخليًا ويتم نقلها من خلال هيكل العبوة إلى البيئة المحيطة.

تسخين مقاوم

العلاقة الأساسية هي:

توليد الحرارة ≈ I²R

أين:

• أنا حالي

• R هي المقاومة الكهربائية للخلية وعلامات التبويب وأشرطة التوصيل والموصلات والأسلاك

إذا تضاعف التيار، يمكن أن تزيد المقاومة المقاومة بمقدار أربع مرات تقريبًا، على افتراض أن المقاومة تظل ثابتة. ولهذا السبب تتطلب تطبيقات الطائرات بدون طيار ذات التيار العالي اهتمامًا دقيقًا باختيار الخلايا والوصلات البينية وتصميم الموصل.

دليلنا ل يوضح التصنيف C وتيار التفريغ لبطارية الطائرة بدون طيار كيفية تقييم الطلب الحالي مقابل قدرة التفريغ المستمر والمتفجر.

الحرارة البيئية

يمكن أن ترتفع درجة حرارة البطارية أيضًا بسبب:

• الإشعاع الشمسي المباشر

• الحرارة الناتجة عن المحركات أو المجالس الاقتصادية والاجتماعية أو إلكترونيات الطاقة

• الهواء الساخن محصور داخل القفص

• سوء فصلها عن المكونات الأخرى المنتجة للحرارة

• تدفق هواء محدود أثناء التحليق

• ارتفاع درجة الحرارة المحيطة أثناء التخزين أو الشحن

الحرارة المتعلقة بالمهمة

تنتج مراحل الطيران المختلفة أحمالًا حرارية مختلفة:

يجب أن يختبر التحقق الحراري ملف تعريف المهمة الكامل بدلاً من قياس تفريغ الحالة المستقرة فقط.

الإدارة الحرارية لبطارية الطائرة بدون طيار في الطقس الحار

تحسين المسار الحراري

يجب أن تنتقل الحرارة من الخلايا إلى البيئة الخارجية. قد يستخدم التصميم العملي:

• المكونات الهيكلية الموصلة حرارياً

• تباعد الخلايا السليم

• ألواح توزيع الحرارة

• مواد الواجهة الحرارية

• مسارات موصلة من الخلايا إلى العلبة

• الانفصال عن الالكترونيات الساخنة

• فتحات التهوية أو قنوات تدفق الهواء عند الاقتضاء

ويعتمد الحل الصحيح على شكل العبوة وهيكل الطائرة ومتطلبات الحماية من الماء أو الغبار والمساحة المتاحة.

استخدم تدفق الهواء بعناية

يمكن أن يؤدي تدفق الهواء إلى تحسين عملية رفض الحرارة، لكنه ليس كافيًا دائمًا. قد يكون تبريد الطائرة بدون طيار التي تحوم لفترات طويلة أقل فعالية من تلك التي تطير للأمام بسرعة.

يجب على فرق التصميم تقييم:

• مواقع مداخل ومخارج الهواء

• انخفاض الضغط من خلال العلبة

• دخول الغبار والماء

• أداء التبريد أثناء التحويم

• اتجاه غسل ​​المروحة

• ما إذا كان تدفق الهواء يصل إلى البطارية بدلاً من تجاوزها

السيطرة على التيار والطاقة

يمكن للبرمجيات تقليل الإجهاد الحراري من خلال:

• الحد الحالي

• تخفيض الطاقة عند درجة حرارة عالية

• عتبات العودة إلى الوطن على أساس المهمة

• تحذيرات البطارية المتعلقة بدرجة الحرارة

• جدولة التحميل

• انخفاض تسارع الذروة

• الإنهاء التلقائي للرحلة أو منطق الهبوط

وينبغي تنسيق هذه الضوابط مع نظام إدارة المباني ووحدة التحكم في الطيران. إن تحذير درجة الحرارة الذي لا يؤدي إلى اتخاذ إجراء ذي معنى يوفر حماية محدودة.

تجنب شحن الكمادات الساخنة على الفور

بعد رحلة طيران شاقة، قد تظل العبوة ساخنة حتى لو هبطت الطائرة. يجب أن يبدأ الشحن فقط عندما تصل البطارية إلى نطاق الشحن المعتمد من قبل الشركة المصنعة.

سير عمل التشغيل الآمن هو:

1. اترك العبوة لتبرد في مكان جيد التهوية ومتحكم فيه.

2. افحص العبوة بحثًا عن أي تورم أو تأثير أو تلف في الموصل.

3. تأكد من أن درجة الحرارة والجهد ضمن حدود الشحن المعتمدة.

4. استخدم الشاحن المحدد وملف الشحن.

5. توقف عن الشحن في حالة ظهور حرارة غير طبيعية أو رائحة أو تشوه.

الإدارة الحرارية لبطارية الطائرة بدون طيار في الطقس البارد

التسخين المسبق قبل التشغيل بالتيار العالي

يمكن أن يؤدي التسخين المسبق إلى تقليل ترهل الجهد وتحسين توصيل الطاقة. يجب أن تصل البطارية إلى نطاق التشغيل المعتمد قبل المطالبة بتيار عالي.

قد تشمل الأساليب المناسبة ما يلي:

• تسخين مقاوم متكامل

• خزائن التدفئة التي تسيطر عليها

• مقصورات البطارية المعزولة

• أنظمة التسخين المسبق على مستوى الطائرات

• المعدات الأرضية التي يتم التحكم في درجة حرارتها

لا تستخدم اللهب المكشوف أو مصدر الحرارة غير المنضبط أو طريقة التسخين المرتجلة. الهدف هو الاحترار الموحد والتحكم دون الإضرار بالخلايا أو العلبة أو الأجهزة الإلكترونية.

زيرن يعتبر حل بطارية الليثيوم ذات درجة الحرارة المنخفضة مناسبًا لتطبيقات الطائرات بدون طيار المعرضة للبيئات الباردة. يجب تحديد درجة حرارة التصميم المطلوبة وتيار التفريغ واستراتيجية التسخين المسبق مع مورد البطارية أثناء المواصفات.

تقليل إجهاد البداية الباردة

لا ينبغي أن تتعرض البطاريات الباردة على الفور لأعلى تيار متاح. اعتمادًا على الطائرة، قد يحتاج مراقب الطيران إلى:

• الحد من التسارع الأولي

• تقييد التسلق العدواني

• تأخير وظائف الحمولة عالية الطاقة

• مراقبة ترهل جهد الخلية

• زيادة الحد الأدنى لاحتياطي العودة إلى الوطن

• استخدم فترة الاحماء على مراحل

حدود التشغيل والشحن منفصلة

قد لا تكون درجة حرارة التفريغ المسموح بها للبطارية هي نفس درجة حرارة الشحن المسموح بها. يمكن أن يؤدي شحن البطارية الباردة جدًا إلى حدوث ضرر لا يمكن إصلاحه للخلايا.

يجب على الشاحن أو نظام إدارة المباني التحقق من درجة الحرارة قبل بدء الشحن. إذا كانت درجة الحرارة خارج النطاق المعتمد، فيجب أن يظل الشحن معطلاً حتى تصل العبوة إلى حالة آمنة.

عناصر تصميم حزمة البطارية التي تؤثر على درجة الحرارة

اختيار الخلية

كيمياء الخلية وتأثير البناء:

• المقاومة الداخلية

• القدرة على التفريغ

• توليد الحرارة

• الاحتفاظ بالقدرة

• أداء درجات الحرارة المنخفضة

• الشيخوخة بسبب ارتفاع درجة الحرارة

إن أفضل خلية ليست بالضرورة هي الخلية ذات السعة الاسمية الأعلى. الاختيار الصحيح يوازن بين كثافة الطاقة والطاقة ونطاق درجة الحرارة ودورة الحياة والقيود الميكانيكية.

للتطبيقات المتقدمة، قد توفر بطاريات الحالة شبه الصلبة للطائرات بدون طيار اتجاهًا بديلاً لتحسين كثافة الطاقة وخصائص السلامة. يجب التحقق من مدى ملاءمة أي كيمياء لمتطلبات الطاقة والحرارة للطائرة.

الترابطات والموصلات

يمكن أن تصبح علامات التبويب وأشرطة التوصيل والأسلاك والموصلات مصادر حرارة محلية. يجب على المهندسين التحقق من:

• الكثافة الحالية

• مقاومة الاتصال

• جودة اللحام أو اللحام

• ارتفاع درجة حرارة الموصل

• الاهتزاز الميكانيكي

• توجيه الكابل

• حماية ضد التآكل

قد تحتوي الخلية على مواصفات كافية في حين أن الحزمة الكاملة لا تزال ترتفع درجة حرارتها بسبب الاتصال السيئ التصميم.

الضميمة والعزل

يجب أن يوازن العلبة بين الحماية ورفض الحرارة. يمكن أن يؤدي العزل الزائد إلى الاحتفاظ بالحرارة في الطقس الحار، في حين أن العزل غير الكافي يمكن أن يسمح للبطارية الباردة بفقد الحرارة بسرعة كبيرة.

تشمل الاعتبارات المهمة ما يلي:

• سمك الجدار

• الموصلية الحرارية للمواد

• مقاومة الحريق والتأثير

• حماية الملكية الفكرية

• إمكانية الخدمة

• سلوك الضغط أو التنفيس

• تصاعد الاتصال مع الطائرة

أجهزة استشعار درجة الحرارة

قد لا يمثل المستشعر الواحد الخلية الأكثر سخونة في حزمة متعددة الخلايا. اعتمادًا على حجم العبوة وملف المخاطر، قد يتطلب التصميم أجهزة استشعار قريبة من:

• مركز مجموعة الخلايا

• علامات التبويب عالية الحالية

• موصلات

• الالكترونيات المنتجة للحرارة

• المناطق ذات تدفق الهواء المحدود

يجب التحقق من وضع المستشعر أثناء الاختبار الحراري، ولا يتم اختياره فقط من طراز CAD.

الإدارة الحرارية عن طريق تطبيق الطائرات بدون طيار

طائرات بدون طيار FPV

غالبًا ما تشهد طائرات FPV بدون طيار تغيرات سريعة في الطلب الحالي. تشمل الأولويات الحرارية ما يلي:

• مقاومة داخلية منخفضة

• قدرة عالية على الانفجار الحالي

• موصلات آمنة

• الرصد أثناء الطيران العدواني

• فترة تهدئة كافية بين الرحلات الجوية

قد تحتوي العبوة المدمجة على مساحة سطح محدودة لرفض الحرارة، لذا يجب تقييم المظهر الجانبي الحالي ومدة الرحلة معًا.

طائرات بدون طيار الزراعية

عادة ما تحمل الطائرات الزراعية بدون طيار حمولات كبيرة ويمكن أن تحلق لفترات طويلة. أنها تتطلب الاهتمام بما يلي:

• تيار مستمر

• تدفق الهواء في حاوية البطارية

• الظروف الخارجية الحارة

• دورات الشحن المتكررة

• التعرض للمواد الكيميائية أو الرطوبة

• استبدال البطارية بسرعة

طائرات بدون طيار الصناعية والتفتيش

قد تعمل طائرات الفحص ورسم الخرائط في بيئات باردة أو حارة أو مغبرة أو على ارتفاعات عالية. يجب أن يأخذ التصميم الحراري بعين الاعتبار:

• مهمات طويلة

• فرص الهبوط محدودة

• الحمولات الحساسة

• انخفاض الضغط المحيط

• التغيرات في درجات الحرارة الموسمية

• قياس عن بعد موثوق ومعالجة الأخطاء

طائرات بدون طيار للطقس البارد والارتفاعات العالية

تستفيد أنظمة الطقس البارد من:

• التسخين المسبق المتحكم فيه

• اختيار الخلايا ذات درجة الحرارة المنخفضة

• حدود الطاقة على أساس درجة الحرارة

• حاويات معزولة ولكن متوازنة حرارياً

• إعدادات الاحتياطي المحافظ

• التحقق من صحة البداية الباردة

خطة عملية للتحقق الحراري

يجب التحقق من صحة الإدارة الحرارية من خلال الأجهزة التمثيلية وأحمال المهام.

سجل كلا من درجة الحرارة القصوى ومعدل التغير في درجة الحرارة. البطارية التي تصل إلى درجة حرارة معتدلة بسرعة كبيرة قد تتطلب المزيد من الاهتمام من تلك التي تصل إلى نفس درجة الحرارة تدريجيا.

يجب أن يتضمن الاختبار أيضًا مجموعات أسوأ الحالات، مثل:

• ارتفاع درجة الحرارة المحيطة بالإضافة إلى الحمولة القصوى

• بطارية مبللة بالبرد بالإضافة إلى التسلق الفوري

• تدفق هواء منخفض بالإضافة إلى التحويم المستمر

• حالة شحن عالية بالإضافة إلى ضوء الشمس المباشر

• مهمات متكررة مع فترات تهدئة قصيرة

الأخطاء الشائعة في الإدارة الحرارية

استخدام درجة الحرارة المحيطة كمرجع وحيد

يمكن أن تختلف درجة حرارة البطارية داخل العلبة بشكل كبير عن تقرير الطقس. قم بقياس العبوة مباشرة.

اختبار فقط في التيار الاسمي

يمكن أن يؤدي تيار الذروة والدفقات المتكررة وفترات التحويم الطويلة إلى إنتاج سلوك تسخين مختلف تمامًا.

تجاهل درجة حرارة الشحن

قد تنجو الحزمة من الرحلة ولكنها تتضرر عند الشحن خارج النطاق المسموح به.

وضع أجهزة الاستشعار في مكان بارد

قد يقوم المستشعر الموجود بالقرب من مسار تدفق الهواء بالإبلاغ عن درجة حرارة الخلية أو الموصل الأكثر سخونة.

معاملة جميع بطاريات الليثيوم على قدم المساواة

تختلف الكيمياء وتركيبات الخلايا المختلفة في سلوك المقاومة والطاقة ودرجة الحرارة.

إضافة العزل دون التحليل الحراري

يمكن أن يساعد العزل في العمل في الطقس البارد ولكنه يحبس الحرارة أثناء مهام الطقس الحار.

الاعتماد فقط على نظام إدارة المباني (BMS).

يعد نظام إدارة المباني طبقة حماية مهمة، لكنه لا يمكنه التعويض عن الاختيار غير المناسب للخلايا، أو المسارات الحرارية السيئة، أو غلاف الطائرة غير المناسب.

التعليمات

ما هي درجة الحرارة المثالية لبطارية الطائرة بدون طيار؟

لا توجد درجة حرارة مثالية واحدة لكل بطارية. تعتمد نطاقات التشغيل والشحن الصحيحة على كيمياء الخلية وتصميم العبوة ومواصفات الشركة المصنعة.

هل يقلل الطقس البارد من وقت طيران الطائرة بدون طيار؟

نعم. يمكن أن تؤدي الظروف الباردة إلى زيادة المقاومة الداخلية وتقليل الطاقة المتاحة وجعل البطارية تصل إلى الحد الأقصى للجهد بشكل أسرع. يمكن أن يساعد التسخين المسبق واختيار بطارية مناسبة ذات درجة حرارة منخفضة.

هل يمكنني شحن بطارية بدون طيار باردة؟

فقط إذا كانت البطارية ضمن نطاق الشحن المعتمد. يجب تدفئة البطارية الباردة بطريقة محكمة قبل الشحن.

لماذا تصبح بطارية الطائرة بدون طيار ساخنة أثناء التحليق؟

يتطلب التحويم قوة محرك مستمرة مع توفير تبريد محدود نسبيًا للحركة الأمامية. يمكن أن يؤدي التيار العالي أو تدفق الهواء الضعيف أو الطائرة المحملة فوق طاقتها أو التوصيلات عالية المقاومة إلى زيادة الحرارة.

هل البطارية ذات السعة الأعلى دائمًا أفضل للأداء الحراري؟

لا. قد تؤدي الحزمة ذات السعة الأعلى إلى زيادة الوزن وزيادة متطلبات الطاقة للطائرة. يعتمد الأداء الحراري على السعة والطلب الحالي والمقاومة والتبريد وملف المهمة الكامل.

كيف يؤثر تصنيف C على درجة حرارة البطارية؟

يمكن للبطارية التي تعمل بالقرب من حد التفريغ العملي أن تولد المزيد من الحرارة، خاصة عندما تكون المقاومة الداخلية عالية. يجب تقييم تصنيف C مع التيار الفعلي وسعة العبوة ومدة النبض والتبريد.

هل يجب أن أستخدم مروحة لتبريد بطارية الطائرة بدون طيار؟

قد تساعد المروحة في بعض الطائرات، ولكن يجب أن تكون متوافقة مع متطلبات الهيكل والغبار والماء والديناميكية الهوائية. يجب التحقق من صحة أجهزة التبريد في ظل ظروف الطيران الفعلية.

هل يمكن للإدارة الحرارية تحسين عمر البطارية؟

نعم. يمكن أن يؤدي الحد من الحرارة المفرطة وتجنب الشحن البارد وتقليل الضغط الحراري المتكرر إلى دعم الاحتفاظ بالقدرة بشكل أفضل وعمر الدورة. لا يمكنه القضاء على الشيخوخة الطبيعية للبطارية.

ما هي المعلومات التي يجب أن أقدمها عند طلب بطارية طائرة بدون طيار مخصصة؟

قم بتوفير جهد الطائرة والقدرة المستهدفة والتيار المستمر والذروة ووقت الرحلة والحمولة والأبعاد والموصل ومتطلبات الاتصال ودرجات حرارة التشغيل وطريقة الشحن وملف المهمة المتوقع.

خاتمة

تجمع الإدارة الفعالة لدرجة حرارة بطارية الطائرة بدون طيار بين كيمياء البطارية والتصميم الكهربائي والتعبئة الميكانيكية والاستشعار وضوابط البرامج والاختبارات البيئية.

تحتاج أنظمة الطقس الحار إلى رفض فعال للحرارة وتخفيض الحرارة على أساس درجة الحرارة. تحتاج أنظمة الطقس البارد إلى تسخين مسبق يمكن التحكم فيه وخلايا مناسبة وحماية ضد الشحن البارد. يتطلب كلا الشرطين التحقق من الصحة باستخدام ملفات التعريف الحالية الحقيقية والحمولات والمرفقات ومهام الطيران.

تدعم ZERNE تطوير البطاريات الخاصة بالتطبيقات لأنظمة الطائرات بدون طيار، بما في ذلك تصميم مخصص لبطاريات الليثيوم وحلول درجات الحرارة المنخفضة وحلول درجات الحرارة المرتفعة وحزم الطاقة العالية المتخصصة.

لمناقشة متطلباتك، اتصل بالفريق الفني لبطارية ZERNE وأخبره بالمواصفات الكهربائية والميكانيكية والبيئية الخاصة بك.