高温および低温の飛行条件におけるドローンバッテリーの熱管理

ドローンのバッテリーは温度に依存しない環境では動作しません。周囲条件、放電電流、エンクロージャ設計、モーター負荷、太陽光、空気の流れ、充電条件はすべて、ミッション中のバッテリーの熱挙動に影響します。

ドローンのバッテリーが冷えすぎると、一般に内部抵抗が増加します。その結果、電圧低下が大きくなり、ピーク電力が減少し、使用可能な飛行時間が短くなる可能性があります。温度が高すぎると化学劣化が加速し、性能が不安定になるリスクが高まります。高電流、不十分な換気、直射日光などにより、状況がさらに悪化する可能性があります。

したがって、ドローン メーカーやシステム インテグレーターにとって、熱管理は、より大容量のバッテリーを選択するだけの問題ではありません。これは、バッテリーセル、パック構造、電子機器、航空機の筐体、充電器、飛行プロファイルを含むシステムレベルの設計タスクです。

簡単な回答

ドローンのバッテリー温度は、出力、電圧の安定性、飛行時間、充電の安全性、バッテリー寿命に影響します。

• 寒い環境では内部抵抗が上昇し、バッテリーが供給できる電力が低下する可能性があります。

• 高温条件下では老化が加速し、熱応力が増加します。

• 高い放電電流は関係に従って熱を発生します 、Q ≈ I²R の。これは、電流が増加すると熱が急速に上昇することを意味します。

• 信頼性の高いソリューションは、適切なセルの化学的性質、低抵抗構造、熱経路、温度検知、制御された充電、およびアプリケーション固有の検証を組み合わせたものです。

• すべてのドローンのバッテリーに共通の温度範囲はありません。常にセル、パック、BMS の製造元の仕様に従ってください。

ドローンのバッテリーの熱管理とは何ですか?

ドローンのバッテリーの熱管理 は、バッテリーの動作寿命全体にわたってバッテリー温度を制御、監視、検証するプロセスです。

いくつかの異なる状態をカバーします。

1. 飛行中の放電

2. ミッション間の充電

3. 保管と輸送

4. 使用前の予熱または冷却

5. 過負荷、損傷、または異常な動作によって引き起こされる熱事象

バッテリーパックは、屋内での短時間の飛行では許容できるかもしれませんが、直射日光が当たる屋外での長時間の飛行には適していません。同様に、室温では正常に動作するパックでも、冬季の動作では大幅な電圧低下が発生する可能性があります。

したがって、熱管理は単一の実験室温度ではなく、完全なミッションプロファイルに基づいて設計される必要があります。

温度がドローンのバッテリー性能に与える影響

寒さの影響

寒い環境はドローンのバッテリーにいくつかの影響を与える可能性があります。

• 内部抵抗の増加

• 負荷時の電圧低下が大きくなる

• 瞬間的な電力供給の低下

• 実効容量の減少

• 充電の受け入れが遅い

• 細胞間の不均衡の可能性

• 一部のシステムでの回生または回復パフォーマンスの低下

バッテリーにはまだ十分な充電状態があるように見えますが、モーターが高電流を要求すると、電圧がより早く低下する可能性があります。これは、FPV ドローン、重いペイロードを運ぶ産業用プラットフォーム、および高高度で動作する航空機にとって特に重要です。

寒冷地での性能は周囲温度以外にも依存します。風による冷却、パックの断熱、バッテリーの開始温度、放電率、高電流で過ごす時間がすべて重要です。

暑さの影響

高温は以下の原因となる可能性があります。

• カレンダーとサイクルのエージングの高速化

• 自己放電の増加

• 大電流動作時の熱ストレスが大きくなる

• 制限を超えると腫れや損傷のリスクが増加します

• 保護システムの介入

• 長期的な容量保持の低下

バッテリーは適度な温度でミッションを開始し、継続的な上昇、ホバリング、または高速飛行の後にはさらに高温になることがあります。黒い筐体が直射日光にさらされると、離陸前にかなりの熱が加わる可能性があります。

ゼルネさん 高温バッテリー ソリューションは、 動作温度の上昇が設計要件の一部であるアプリケーションで検討できます。最終的な性能は、航空機の実際の荷重プロファイルと環境条件に照らして確認する必要があります。

バッテリーの熱はどこから来るのでしょうか?

バッテリーの熱は内部で発生し、パック構造を通じて周囲環境に伝達されます。

抵抗加熱

主な関係は次のとおりです。

発熱量 ≈ I²R

どこ：

• 私 は現在です

• R はセル、タブ、バスバー、コネクタ、配線の電気抵抗です。

電流が 2 倍になると、抵抗が一定のままであると仮定すると、抵抗加熱は約 4 倍に増加する可能性があります。このため、高電流ドローンアプリケーションでは、セルの選択、相互接続、コネクタの設計に細心の注意を払う必要があります。

私たちのガイド ドローンバッテリーのC定格と放電電流は、 連続放電能力とバースト放電能力に対して電流需要をどのように評価すべきかを説明します。

環境熱

バッテリー温度は次のような理由でも上昇する可能性があります。

• 直接日射

• モーター、ESC、またはパワーエレクトロニクスからの熱

• 熱気が筐体内に滞留する

• 他の熱を発生するコンポーネントからの分離が不十分

• ホバリング中の空気の流れの制限

• 保管中または充電中の周囲温度が高い

ミッション関連の熱

飛行フェーズが異なると、熱負荷も異なります。

熱検証では、定常状態の放電のみを測定するのではなく、完全なミッション プロファイルをテストする必要があります。

炎天下でのドローンバッテリーの熱管理

熱経路を改善する

熱は細胞から外部環境に移動する必要があります。実際の設計では、以下を使用できます。

• 熱伝導性構造部品

• 適切なセル間隔

• 伝熱板

• サーマルインターフェースマテリアル

• セルからエンクロージャまでの導電パス

• 高温の電子機器からの分離

• 必要に応じて通気口または空気流路

正しい解決策は、パックの形状、航空機の構造、防水または防塵の要件、利用可能なスペースによって異なります。

エアフローを慎重に使用する

空気の流れにより熱の遮断を向上させることができますが、常に十分であるとは限りません。長時間ホバリングするドローンは、高速で飛行するドローンよりも冷却効果が低い可能性があります。

設計チームは以下を評価する必要があります。

• 空気の入口と出口の位置

• エンクロージャ内の圧力降下

• 粉塵や水の侵入

• ホバリング時の冷却性能

• プロペラ洗浄方向

• 空気の流れがバッテリーをバイパスするのではなくバッテリーに到達するかどうか

電流と電力を制御する

ソフトウェアは以下を通じて熱ストレスを軽減できます。

• 電流制限

• 高温時の電力ディレーティング

• ミッションベースの帰宅閾値

• 温度を考慮したバッテリー警告

• ロードスケジューリング

• ピーク加速度の低減

• 自動飛行終了または着陸ロジック

これらの制御は、BMS および飛行管制官と調整する必要があります。意味のあるアクションを引き起こさない温度警告は、限定的な保護しか提供しません。

ホットパックをすぐに充電しないでください

厳しいフライトの後は、飛行機が着陸してもパックが熱いままになる場合があります。充電は、バッテリーがメーカーの承認した充電範囲に達した場合にのみ開始してください。

安全な運用ワークフローは次のとおりです。

1. 制御された換気の良い場所でパックを冷まします。

2. パックの膨張、衝撃、コネクタの損傷を検査します。

3. 温度と電圧が承認された充電制限内であることを確認してください。

4. 指定された充電器と充電プロファイルを使用してください。

5. 異常な発熱、異臭、変形が生じた場合は充電を中止してください。

寒冷地におけるドローンバッテリーの熱管理

大電流動作前の予熱

予熱によって電圧低下が軽減され、電力供給が向上します。高電流を要求する前に、バッテリーが承認された動作範囲に達する必要があります。

適切なアプローチには次のようなものがあります。

• 統合された抵抗加熱

• 制御された保温キャビネット

• 絶縁されたバッテリーコンパートメント

• 航空機レベルの予熱システム

• 温度管理された地上設備

裸火、制御されていない熱源、または即席の加熱方法を使用しないでください。目的は、セル、筐体、電子機器に損傷を与えることなく、均一で制御された加温を行うことです。

ゼルネさん 低温リチウム電池ソリューションは 、寒い環境にさらされるドローン用途に適しています。必要な設計温度、放電電流、および予熱戦略は、仕様の際にバッテリーのサプライヤーと定義する必要があります。

冷間始動時のストレスを軽減

冷えたバッテリーにすぐに最大電流を流すべきではありません。航空機によっては、フライトコントローラーは次のことを行う必要がある場合があります。

• 初期加速を制限する

• 強引な登山を制限する

• 遅延高出力ペイロード機能

• セル電圧低下を監視する

• 最低帰宅準備金を増やす

• 段階的なウォームアップ期間を使用する

個別の動作制限と充電制限

バッテリーの許容放電温度は、許容充電温度と同じではない場合があります。バッテリーが冷たすぎる状態で充電すると、セルに回復不能な損傷が生じる可能性があります。

充電器または BMS は、充電を開始する前に温度を確認する必要があります。温度が承認範囲外の場合は、パックが安全な状態に達するまで充電を無効にしておく必要があります。

温度に影響を与えるバッテリーパックの設計要素

セルの選択

セルの化学的性質と構造は次のような影響を与えます。

• 内部抵抗

• 放電能力

• 発熱

• 容量維持

• 低温性能

• 高温老化

最良のセルとは、必ずしも最大の公称容量を持つセルであるとは限りません。正しい選択により、エネルギー密度、出力、温度範囲、サイクル寿命、機械的制約のバランスが取れます。

高度なアプリケーションの場合、 ドローン用の半固体電池は、 エネルギー密度と安全性の特性を改善するための別の方向性を提供する可能性があります。化学物質の適合性は、航空機の出力および熱要件に対して検証される必要があります。

相互接続とコネクタ

タブ、バスバー、ワイヤ、コネクタが局所的な熱源になる可能性があります。エンジニアは以下を確認する必要があります。

• 電流密度

• 接触抵抗

• はんだまたは溶接の品質

• コネクタの温度上昇

• 機械的振動

• ケーブルの配線

• 摩耗に対する保護

セルが適切な仕様を備えていても、接続の設計が不十分なためにパック全体がまだ過熱している可能性があります。

エンクロージャと絶縁

エンクロージャは保護と熱遮断のバランスをとる必要があります。過剰な断熱は暑い天候でも熱を保持する可能性がありますが、断熱が不十分な場合は冷えたバッテリーの熱が急速に失われる可能性があります。

重要な考慮事項は次のとおりです。

• 肉厚

• 材料の熱伝導率

• 耐火性および耐衝撃性

• 知的財産保護

• 保守性

• 圧力または通気動作

• 航空機との取り付け接触

温度センサー

単一のセンサーが、マルチセル パック内の最も温度の高いセルを表すとは限りません。パックのサイズとリスク プロファイルに応じて、設計では次の近くにセンサーが必要になる場合があります。

• 細胞群の中心

• 大電流タブ

• コネクタ

• 熱を発生する電子機器

• 空気の流れが制限されているエリア

センサーの配置は、CAD モデルのみから選択するのではなく、熱テスト中に検証する必要があります。

ドローン応用による熱管理

FPVドローン

FPV ドローンは、現在の需要が急速に変化することがよくあります。熱の優先順位には次のようなものがあります。

• 低い内部抵抗

• 高いバースト電流能力

• 安全なコネクタ

• アグレッシブな飛行中のモニタリング

• フライト間の適切なクールダウン

コンパクトなパックは熱を遮断するための表面積が限られている可能性があるため、電流プロファイルと飛行時間を合わせて評価する必要があります。

農業用ドローン

農業用ドローンは通常、大きなペイロードを搭載しており、長時間ホバリングする場合があります。以下の点に注意が必要です。

• 持続電流

• バッテリーエンクロージャーのエアフロー

• 暑い屋外条件

• 頻繁な充電サイクル

• 化学物質または湿気への曝露

• 素早いバッテリー交換

産業用および検査用ドローン

検査および地図作成用の航空機は、寒さ、暑さ、粉塵の多い環境、または高高度の環境で運航される場合があります。熱設計では以下を考慮する必要があります。

• ロングミッション

• 限られた着陸機会

• 機密性の高いペイロード

• 周囲圧力が低い

• 季節による気温の変化

• 信頼性の高いテレメトリーと障害処理

寒冷地および高高度ドローン

寒冷地用システムには次の利点があります。

• 制御された予熱

• 低温セルの選択

• 温度に基づく電力制限

• 断熱されているが熱バランスのとれたエンクロージャ

• 保守的なリザーブ設定

• コールドスタート検証

実用的な熱検証計画

熱管理は、代表的なハードウェアとミッション負荷を使用して検証する必要があります。

最高温度と温度変化率の両方を記録します。すぐに適度な温度に達するバッテリーは、同じ温度に徐々に達するバッテリーよりも注意が必要な場合があります。

テストには、次のような最悪の場合の組み合わせも含める必要があります。

• 高い周囲温度と最大積載量

• 低温浸漬バッテリーと即時上昇

• 低気流と持続的なホバリング

• 高い充電状態と直射日光

• 短いクールダウン間隔で繰り返されるミッション

よくある熱管理の間違い

周囲温度を唯一の基準として使用する

筐体内のバッテリー温度は、天気予報と大きく異なる場合があります。パックを直接測定します。

公称電流でのみテスト

ピーク電流、繰り返しのバースト、および長いホバリング期間により、非常に異なる加熱動作が発生する可能性があります。

充電温度を無視する

パックは飛行には耐えても、許容範囲外で充電すると損傷する可能性があります。

センサーを涼しい場所に設置する

空気流路近くのセンサーは、最も高温のセルまたはコネクタの温度を過小報告する場合があります。

すべてのリチウム電池を同等のものとして扱う

化学的性質やセル構造が異なると、抵抗、電力、温度の挙動も異なります。

熱解析を行わずに断熱材を追加する

断熱材は寒冷地での動作に役立ちますが、暑い天候でのミッションでは熱を閉じ込めます。

BMS のみに依存する

BMS は重要な保護層ですが、不適切なセルの選択、貧弱な熱経路、または不適切な航空機の筐体を補うことはできません。

よくある質問

ドローンのバッテリーの理想的な温度は何度ですか?

すべてのバッテリーに単一の理想的な温度はありません。正しい動作範囲と充電範囲は、セルの化学的性質、パックの設計、メーカーの仕様によって異なります。

寒さのせいでドローンの飛行時間が短くなる？

はい。寒い環境では内部抵抗が増加し、利用可能な電力が減少し、バッテリーがより早く電圧制限に達する可能性があります。予熱し、適切な低温バッテリーを選択することが役立ちます。

冷えたドローンのバッテリーを充電できますか?

バッテリーが承認された充電範囲内にある場合のみ。冷えたバッテリーは、充電する前に制御された方法で温める必要があります。

ホバリング中にドローンのバッテリーが熱くなるのはなぜですか?

ホバーは継続的なモーター出力を必要としますが、前進運動の冷却は比較的制限されています。高電流、不十分なエアフロー、過負荷の航空機、または高抵抗の接続により、熱が増加する可能性があります。

バッテリー容量が大きいほど、常に熱パフォーマンスが優れているのでしょうか?

いいえ。パックの容量が大きくなると重量が増加し、航空機の出力要件が増加する可能性があります。熱性能は、容量、電流需要、抵抗、冷却、および完全なミッション プロファイルによって決まります。

C 定格はバッテリー温度にどのような影響を与えますか?

実際の放電限界近くで動作するバッテリーは、特に内部抵抗が高い場合、より多くの熱を発生する可能性があります。 C 定格は、実際の電流、パック容量、パルス持続時間、冷却と合わせて評価する必要があります。

ドローンのバッテリーを冷却するためにファンを使用する必要がありますか?

一部の航空機ではファンが役立つ場合がありますが、筐体、埃、水、空力要件に適合する必要があります。冷却ハードウェアは実際の飛行条件で検証する必要があります。

熱管理によりバッテリー寿命を延ばすことができますか?

はい。過度の熱を制限し、低温充電を回避し、繰り返しの熱ストレスを軽減することで、容量保持率とサイクル寿命を向上させることができます。通常のバッテリーの劣化を取り除くことはできません。

カスタムドローンバッテリーをリクエストする場合、どのような情報を提供する必要がありますか?

航空機の電圧、容量目標、連続およびピーク電流、飛行時間、ペイロード、寸法、コネクタ、通信要件、動作温度、充電方法、および予想されるミッションプロファイルを提供します。

結論

ドローンのバッテリー温度を効果的に管理するには、バッテリーの化学的性質、電気設計、機械的パッケージング、センシング、ソフトウェア制御、環境テストを組み合わせます。

暑い気候のシステムには、効率的な熱遮断と温度に基づくディレーティングが必要です。寒冷地用システムには、制御された予熱、適切なセル、および低温充電に対する保護が必要です。どちらの条件も、実際の電流プロファイル、ペイロード、エンクロージャ、飛行ミッションを使用して検証する必要があります。

ZERNE は、次のような要求の厳しいドローン システム向けのアプリケーション固有のバッテリー開発をサポートします。 カスタムリチウム電池設計、低温ソリューション、高温ソリューション、特殊な高出力パック。

要件について話し合うには、電気的、機械的、環境的仕様を添えて ZERNE Battery 技術チームにお問い合わせください。