Puolijohdeakut droneille: turvallisuus, energiatiheys ja käyttötapaukset

Dronevalmistajilla on jatkuva paine parantaa lentoaikaa, hyötykuormakapasiteettia, turvallisuutta ja toimintavarmuutta. Perinteisiä LiPo-akkuja käytetään edelleen laajalti suuritehoisissa droneissa, kun taas Li-ion-akkuja harkitaan usein pitkäkestoisissa tehtävissä. Puolijohdeakut ovat nousemassa toiseksi vaihtoehdoksi projekteihin, joissa tarvitaan erilaista tasapainoa energiatiheyden, turvallisuuden ja integroinnin joustavuuden välillä.

Kiinnostus droonien solid-state-akkuihin kasvaa, koska akku voi vaikuttaa enemmän kuin lentoaikaan. Uusi akkuarkkitehtuuri voi vaikuttaa lämpökäyttäytymiseen, mekaaniseen suunnitteluun, latausstrategiaan, suojausvaatimuksiin, valmistusprosessiin ja sertifiointisuunnitteluun.

Puolijohdeteknologiaa ei kuitenkaan pidä sekoittaa täysin solid-state-akkuihin. Puolikiinteät akut sisältävät edelleen osittain nestemäisen tai geelimäisen elektrolyyttijärjestelmän, kun taas täysin solid-state-akut pyrkivät käyttämään kiinteää elektrolyyttiä. Näillä kahdella tekniikalla on eri kehitysvaiheet, valmistusvaatimukset ja suorituskykyvaatimukset.

Tässä oppaassa kerrotaan, kuinka puolikiinteän olomuodon akkuja voidaan käyttää droneissa, mitä etuja ne voivat tarjota, missä niiden rajoitukset ovat edelleen olemassa ja kuinka OEM-tiimien tulisi arvioida ne ennen kaupallista käyttöönottoa.

Pikavastaus

Puolijohdeakut voivat sopia droneille, jotka tarvitsevat yhdistelmän:

• suurempi energiatiheys;

• parempi vastustuskyky vuotoja tai syttymisriskejä vastaan ​​verrattuna joihinkin neste-elektrolyyttimalleihin;

• pidempi kestävyys;

• pienempi paino tietylle energiatavoitteelle;

• parempi integrointi edistyneisiin UAV- tai eVTOL-alustoihin;

• kehityspolku, joka pysyy lähempänä olemassa olevia litiumakkujen valmistusprosesseja.

Ne eivät automaattisesti ole paras vaihtoehto LiPo- tai Li-ion-akuille. Tehokas FPV-drone saattaa silti vaatia validoidun korkean nopeuden LiPo-paketin, kun taas kartoitus- tai teollisuusalusta voi hyötyä puolikiinteän teknologian arvioinnista korkean energian Li-ion- ja LiPo-vaihtoehtojen rinnalla.

Mikä on puolijohdeakku?

Puolikiinteässä akussa käytetään elektrolyyttijärjestelmää, jonka ominaisuudet ovat tavanomaisen nestemäisen elektrolyytin ja täysin kiinteän elektrolyytin välillä. Rakenteesta riippuen elektrolyytti voi olla geelimäistä, osittain kiinteää tai immobilisoitua strukturoituun materiaaliin.

Tarkoituksena on yhdistää joitain molempien lähestymistapojen etuja:

• ylläpitää riittävä ionikuljetus käytännöllistä latausta ja purkamista varten;

• vähentää palavan nestemäisen elektrolyytin liikkuvuutta;

• parantaa vuotojen vastustuskykyä;

• tukea korkeamman energian elektrodimateriaalit;

• vähentää joitain nestemäisen elektrolyytin liikkumiseen liittyviä riskejä;

• pysyvät yhteensopivana olemassa olevan solunvalmistusinfrastruktuurin osien kanssa.

Puolikiinteä tila ei tarkoita, että akku on täysin kiinteä. Se ei myöskään tarkoita, että akku ei voi ylikuumentua, vaurioitua tai päästä ylikuumenemiseen. Todellinen turvallisuussuorituskyky riippuu kennokemiasta, erottimen suunnittelusta, elektrodimateriaaleista, pakkauksen rakenteesta, suojaelektroniikasta, lämmönhallinnasta ja valmistuslaadusta.

ZERNE:n puolikiinteän olomuodon litiumakkuratkaisu voidaan arvioida projekteihin, jotka edellyttävät tasapainoa turvallisuussuorituskyvyn, energiatiheyden ja räätälöidyn paketin integroinnin välillä.

Puolikiinteät akut vs. perinteiset LiPo- ja Li-Ion-akut

Tämä taulukko on teknologian seulontatyökalu. Tietty solun suorituskyky voi vaihdella merkittävästi kunkin luokan sisällä.

Katso kemian tason vertailu, joka keskittyy nykyisiin drone-sovelluksiin LiPo vs. Li-ion drone akun opas.

Mahdolliset turvallisuusedut

Turvallisuus on yksi tärkeimmistä syistä, miksi insinöörit tutkivat puolikiinteän olomuodon akkuja.

Puolikiinteä elektrolyytti voi auttaa vähentämään tiettyjä riskejä, jotka liittyvät vapaasti virtaaviin nestemäisiin elektrolyytteihin, kuten:

• vuoto mekaanisten vaurioiden jälkeen;

• elektrolyytin liike kennon sisällä;

• syttymisriski tietyissä vikatilanteissa;

• leviäminen vaurioituneiden alueiden välillä;

• puhkaisuherkkyys joissakin solumalleissa.

Nämä mahdolliset hyödyt on ilmaistava huolellisesti. Puolikiinteä akku ei ole tulenkestävä, vaurioitumaton tai huoltovapaa. Akku voi silti tulla vaaralliseksi seuraavista syistä:

• ylilataus;

• oikosulku;

• murskaus tai puhkaisu;

• vakava ylikuumeneminen;

• valmistusvirheet;

• solujen epätasapaino;

• väärät suojausasetukset;

• sopimaton lataus tai varastointi;

• ulkoinen tulipalo tai mekaaninen vaikutus.

Drone OEM:iden turvallisuutta tulisi arvioida strukturoidun testauksen avulla sen sijaan, että se oletetaan tekniikan nimestä.

Tärkeitä validointialueita ovat:

• ylihinta vastaus;

• ulkoinen oikosulku vastaus;

• murskaus- ja puhkaisukäyttäytyminen;

• lämpöstabiilisuus;

• etenemisvastus;

• tärinä ja isku;

• käyttö korkeassa ja matalassa lämpötilassa;

• lataus lämpötilarajoissa;

• eristys ja liittimen turvallisuus.

The drone-akun turvallisuus- ja säilytysopasta voidaan käyttää tämän artikkelin rinnalla yleisten käsittely-, säilytys- ja vaurioihin reagoivien periaatteiden osalta.

Energiatiheys ja lentoaika

Energiatiheys kuvaa kuinka paljon energiaa akku varastoi suhteessa sen massaan tai tilavuuteen. Dronissa korkeampi käyttöenergiatiheys voi auttaa suunnittelutiimiä:

• pidentää lentoaikaa;

• kuljettaa ylimääräistä hyötykuormaa;

• vähentää akun massaa;

• vähentää akun vaihtojen määrää;

• luo enemmän tilaa antureille tai laitteille;

• parantaa energiareserviä vaikeisiin sääolosuhteisiin.

Yksinkertainen energialaskelma on:

Akun energia (Wh) = nimellisjännite (V) × kapasiteetti (Ah)

Todellinen lentoaikahyöty riippuu lentokoneen kokonaisjärjestelmästä. Akun kapasiteetin lisääminen lisää myös painoa, ja raskaampi lentokone vaatii enemmän työntövoimaa.

Lentoaikaan vaikuttavat:

• akun energia;

• akun massa;

• keskimääräinen tehontarve;

• hyötykuorma;

• moottorin ja potkurin tehokkuus;

• tuuli;

• lämpötila;

• lentotila;

• varannon asettaminen;

• akun ikääntyminen.

Puolikiinteää akkua tulisi siksi verrata käyttämällä käytettävää energiaa vaaditulla virralla , ei vain kennotason energiatiheyslukua.

Saat lisätietoja energiasta, hyötykuormasta ja todellisesta käyttöajasta lukemalla drone-akun lentoaikaopas.

Tehon ja C-nopeuden huomioitavaa

Energiatiheys ja tehokapasiteetti ovat eri vaatimuksia. Akku voi varastoida suuren määrän energiaa, mutta se ei silti sovellu dronille, joka vaatii suurta virtaa lentoonlähdön tai nopean kiihdytyksen aikana.

Tarkista puolikiinteän olomuodon drone-akut:

• jatkuva purkausvirta;

• purkausvirta;

• jännitteen lasku;

• sisäinen vastus;

• latausnopeus;

• kennon lämpötila kuormituksen alaisena;

• toipuminen suurvirtatapahtuman jälkeen;

• suorituskyky eri lataustiloissa.

Tehokas FPV-alusta saattaa silti suosia korkean nopeuden LiPo-akkua. Teollinen drone, jolla on kohtalainen nykyinen kysyntä, voi olla sopivampi ehdokas puolikiinteän olomuodon arviointiin.

The drone-akun C-luokitusopas selittää, kuinka jatkuvaa ja purskevirtaa tulisi arvioida.

Lämpökäyttäytyminen drone-sovelluksissa

Lämpökäyttäytyminen on keskeistä minkä tahansa edistyneen drone-akun suunnittelussa. Vaikka puolikiinteä elektrolyytti vähentää tiettyjä riskejä, akku tuottaa silti lämpöä latauksen ja purkamisen aikana.

Lämpösuunnittelussa tulee ottaa huomioon:

• nykyinen profiili;

• solujen väli;

• pakkaus kotelo;

• ilmavirtaus;

• lämmönjohtavuus polku;

• eristys;

• lämpötila-anturit;

• latausolosuhteet;

• akun asennus;

• ympäristön lämpötila;

• hätäpysäytysstrategia.

Drone-akku voi toimia eri tavalla viileässä varastotestissä kuin suorassa auringonvalossa, korkealla lennolla, talviolosuhteissa tai raskaassa nostotehtävässä.

Käytä projekteissa, jotka ovat alttiina kovalle kuumuudelle tai kylmälle drone-akun lämpötilan hallintaopas toimintarajojen ja validointivaatimusten määrittelemiseksi.

Puolikiinteät käyttökotelot droneille

Pitkäkestoinen kartoitus

Kartoitusdroonit voivat lentää vakailla reiteillä pitkiä aikoja kantaessaan kameroita, paikannuslaitteita tai muita antureita. Jos virrantarve on kohtalainen, puolikiinteä paketti voidaan arvioida paremman käyttöenergian ja pienentyneen akun vaihtotaajuuden suhteen.

Infrastruktuurin tarkastus

Tarkastus-UAV:issa on usein korkearesoluutioisia kameroita, lämpökameroita, LiDAR-kuormia tai muita hyötykuormia. Puolikiinteää akkua voidaan harkita, kun projekti vaatii pidemmän tarkastusajan ilman lentokoneen kokoa.

Pakkauksen on silti tarjottava riittävästi virtaa lentoonlähtöön, nousuun, tuulen kompensointiin ja hätäohjaukseen.

Maatalouden ja teollisuuden UAV:t

Maatalousdronit voivat kuljettaa nestemäisiä tai rakeisia hyötykuormia, mikä luo suuren kokonaispainon. Teollisuuslentokonet voivat toimia pölyssä, kosteudessa, kuumuudessa, kylmässä tai epätasaisessa maastossa.

Näissä sovelluksissa akun arvioinnin tulee sisältää:

• jatkuva teho;

• hyötykuorman vaihtelu;

• toistuva nousu ja lasku;

• ympäristön altistuminen;

• mekaaninen tärinä;

• latauksen kiertokulku;

• kenttäpalveluvaatimukset.

ZERNE:n pienet teolliset drone-akkuratkaisut tarjoavat relevantin vertailukohdan jännitteen, kapasiteetin, virran ja ympäristövaatimusten arvioimiseen ammattimaisissa UAV-projekteissa.

eVTOL ja Advanced Air Mobility

eVTOL-projektit vaativat suurta energiaa, suurta tehoa, tiukkaa painonhallintaa ja laajaa turvallisuusvalidointia. Puolikiinteän olomuodon teknologiaa voidaan pitää osana edistynyttä akkukehitysohjelmaa, mutta kaupallinen käyttöönotto edellyttää paljon muutakin kuin lupaavaa kennotulosta.

Arviointi voi sisältää:

• pakkaustason lämmön leviäminen;

• redundanssi;

• törmäyskestävyys;

• korkean syklin toiminta;

• vian havaitseminen;

• seuranta ja viestintä;

• sertifioinnin suunnittelu;

• huolto- ja vaihtostrategia.

Teknologian demonstraattorit

Puolijohdeakut ovat hyödyllisiä myös tutkimusohjelmissa, lentokoneiden prototyypeissä ja teknologian esittelyissä. Näiden projektien avulla tiimit voivat mitata todellista suorituskykyä ennen kuin sitoutuvat tuotantoarkkitehtuuriin.

Testisuunnitelmassa tulee määritellä onnistumiskriteerit ennen prototyypin rakentamista.

OEM-projektien integrointivaatimukset

Puolikiinteän olomuodon käyttöönotto saattaa edellyttää muutoksia akkupakkaukseen ja lentokoneeseen.

Tärkeitä integraatioaiheita ovat:

• solun muoto;

• sarja- ja rinnakkaiskokoonpano;

• nimellisjännite;

• kapasiteetti;

• nykyinen kapasiteetti;

• pakkauksen mitat;

• paino;

• liitin;

• BMS tai PCM;

• lämpöanturit;

• viestintäprotokolla;

• asennusrakenne;

• latauslaitteet;

• huolto- ja vaihtoprosessi.

ZERNE:n mukautettu akkupalvelu tukee keskustelua kennojen valinnasta, paketin suunnittelusta, suojakomponenteista, liittimistä ja sovelluskohtaisista vaatimuksista.

Kun otat yhteyttä valmistajaan, ilmoita:

• tavoitelentoaika;

• hyötykuorma;

• keski- ja huippuvirta;

• moottori- ja ESC-tiedot;

• akun enimmäiskoko;

• akun enimmäispaino;

• käyttölämpötila;

• latausmenetelmä;

• odotettu syklin taajuus;

• liikennemarkkinat;

• asiakirja- tai sertifiointivaatimukset.

Kaupallinen kypsyys ja käyttöönottovaihe

Puolijohde-akut ovat kaupallisesti realistisempia kuin monet täysin solid-state-konseptit, koska jotkin valmistusprosessit ja laitteet voidaan mukauttaa nykyiseen litiumakkujen tuotantoon.

Kypsyys on kuitenkin arvioitava pakkaus- ja sovellustasolla , ei vain solutasolla.

Ennen kuin otat käyttöön puolikiinteän akun tuotantodroonissa, varmista:

• toistettava solun syöttö;

• yhtenäinen erän suorituskyky;

• pakkausten kokoonpanokyky;

• laadunvalvontamenettelyt;

• suojelu ja valvonta;

• lämpötestitiedot;

• syklin käyttöikää koskevat tiedot todellisen kuormituksen alaisena;

• kuljetusasiakirjat;

• kenttä-palvelusuunnitelma;

• pitkän aikavälin toimitusvakaus.

Laboratorioesittely ei automaattisesti todista, että akku on valmis massatuotantoon. Projektiryhmän tulee käyttää prototyyppitestausta, lentokoneiden integrointia ja kontrolloituja kenttäkokeita ennen lopullista valintaa.

Semi-Solid-State vs. Fully Solid-State

Näitä termejä ei pidä käyttää keskenään.

Puolikiinteä olomuoto

Puolikiinteässä akussa käytetään osittain jähmettynyttä tai geelimäistä elektrolyyttijärjestelmää. Se voi tarjota käytännöllisen siirtymän tavanomaisten litiumakkujen ja täysin solid-state-mallien välillä.

Täysin solid-state

Täysin solid-state-akku pyrkii käyttämään kiinteää elektrolyyttiä ilman perinteistä nestemäistä elektrolyyttiä. Se voi tarjota merkittävää pitkän aikavälin potentiaalia, mutta valmistus, käyttöliittymän vakaus, lataus, kustannukset, mekaaninen suunnittelu ja kaupallinen mittakaava ovat edelleen tärkeitä kehityshaasteita.

Nykyisissä droneprojekteissa puolijohdeteknologia voi olla käytännöllisempi arvioitava tekniikka kuin täysin solid-state-paketti, jota ei ole vielä saatavilla vaaditussa muodossa tai tarvittavassa määrässä.

Usein kysytyt kysymykset

Ovatko droonien puolijohdeakut jo kaupallisesti saatavilla?

Joitakin puolijohdeakkuja on saatavana kehityskäyttöön ja erikoissovelluksiin, mutta saatavuus riippuu kennomuodosta, kapasiteetista, jännitteestä, virrantarpeesta ja toimittajasta. Täysin solid-state-droone-akut ovat kaupallistamisen eri ja yleensä aikaisemmassa vaiheessa.

Ovatko puolikiinteät akut turvallisempia kuin LiPo-akut?

Ne voivat vähentää tiettyjä nestemäisiin elektrolyytteihin liittyviä riskejä, mutta turvallisuus riippuu koko kennojen ja pakkausten suunnittelusta. Puolikiinteät akut voivat silti vaurioitua ylilatauksesta, oikosulusta, kuumuudesta, iskusta tai väärästä käsittelystä.

Voivatko puolikiinteät akut tarjota pidemmän drone-lentoajan?

Ne voivat tarjota lentoaikaetua, kun niiden käyttökelpoinen energia-painosuhde on parempi tietylle lentokoneelle. Todelliset tulokset riippuvat hyötykuormasta, nykyisestä tarpeesta, propulsiotehokkuudesta, lämpötilasta ja akun varauksesta.

Soveltuvatko puolikiinteät akut FPV-drooneihin?

Niitä voidaan arvioida FPV-projekteissa, mutta korkeatehoiset LiPo-akut ovat usein käytännöllinen lähtökohta aggressiiviselle kilpa- ja freestyle-lennolle. Puolikiinteässä pakkauksessa on oltava riittävä huippuvirta ja hyväksyttävä jännitteen lasku.

Mitä eroa on puolikiinteällä ja puolijohdeakulla?

Puolikiinteässä akussa käytetään osittain kiinteää tai geelimäistä elektrolyyttijärjestelmää. Täysin solid-state-akku pyrkii käyttämään kiinteää elektrolyyttiä. Niitä tulee arvioida erikseen suorituskyvyn, valmistuksen kypsyyden ja turvallisuuden osalta.

Tarvitsevatko puolikiinteät akut BMS:n?

Vaatimus riippuu solun kokoonpanosta ja sovelluksesta. Monikennoiset dronepaketit saattavat vaatia valvontaa, tasapainotusta, ylijännite-, alijännite-, ylivirta- ja lämpötilasuojausta.

Miten OEM-valmistajien tulisi arvioida puolikiinteä drone-akku?

Käytä todellista dronea, hyötykuormaa, moottoria, ESC:tä, lataustapaa ja käyttöympäristöä. Mittaa lentoaikaa, virtaa, jännitettä, lämpötilaa, jännitteen laskua, kapasiteetin säilymistä ja fyysistä kuntoa toistuvina sykleinä.

Voidaanko puolikiinteitä akkuja käyttää kylmissä olosuhteissa?

Jotkut mallit voidaan kehittää laajempaan lämpötilakäyttöön, mutta tarkka alue on vahvistettava valmistajan tiedoilla ja sovellustestauksella. Älä oleta, että kaikilla puolikiinteillä akuilla on sama suorituskyky alhaisessa lämpötilassa.

Johtopäätös

Puolijohdeakut voivat tarjota hyödyllisen teknologiapolun droneille, jotka vaativat parempaa energiatiheyttä, turvallisuutta ja edistynyttä pakkausintegraatiota. Ne ovat erityisen tärkeitä pitkäkestoisille teollisille UAV:ille, eVTOL-kehitykseen, tarkastusalustoille ja teknologian esittelyyn.

Puolikiinteä olomuoto ei kuitenkaan tarkoita täysin kiinteää, tulenkestävää tai automaattisesti parempia kuin LiPo ja Li-ion. Oikea valinta riippuu nykyisestä kysynnästä, lentoprofiilista, hyötykuormasta, painosta, lämpöolosuhteista, latausvaatimuksista, sertifioinnin suunnittelusta ja tarjonnan kypsyydestä.

OEM-tiimeille suositeltava prosessi on määrittää ensin lentokoneen vaatimukset, valita sopiva solu- ja pakkausarkkitehtuuri, tuottaa prototyyppejä, validoida ne todellisissa lento-olosuhteissa ja vahvistaa dokumentaatio ennen tuotannon käyttöönottoa.

Keskustele puolikiinteän olomuodon akkusovelluksesta ZERNE:n kanssa ja arvioi oikea kenno-, pakkauskokoonpano ja validointisuunnitelma drone-projektillesi.