Управление температурой аккумулятора дрона в жарких и холодных условиях полета

Аккумулятор дрона не работает в среде, не зависящей от температуры. Условия окружающей среды, ток разряда, конструкция корпуса, нагрузка на двигатель, солнечный свет, поток воздуха и условия зарядки — все это влияет на тепловое поведение батареи во время миссии.

Когда аккумулятор дрона становится слишком холодным, его внутреннее сопротивление обычно увеличивается. Результатом может стать большее падение напряжения, снижение пиковой мощности и сокращение полезного времени полета. Когда становится слишком жарко, химическое старение ускоряется и увеличивается риск нестабильности производительности. Сильная сила тока, плохая вентиляция и прямое воздействие солнечных лучей могут усугубить ситуацию.

Поэтому для производителей дронов и системных интеграторов управление температурным режимом — это больше, чем просто вопрос выбора батареи большей емкости. Это задача проектирования на системном уровне, включающая элементы аккумуляторной батареи, структуру блока, электронику, корпус самолета, зарядное устройство и профиль полета.

Быстрый ответ

Температура батареи дрона влияет на выходную мощность, стабильность напряжения, время полета, безопасность зарядки и срок службы батареи.

• В холодных условиях внутреннее сопротивление возрастает, и батарея может выдавать меньшую мощность.

• В жарких условиях старение ускоряется, а термическое напряжение увеличивается.

• Высокий ток разряда генерирует тепло в соответствии с соотношением Q ≈ I²R , что означает, что тепло быстро возрастает с увеличением тока.

• Надежное решение сочетает в себе подходящий химический состав элементов, конструкцию с низким сопротивлением, тепловые пути, измерение температуры, контролируемую зарядку и проверку для конкретного применения.

• Не существует универсального температурного диапазона для каждой батареи дрона. Всегда следуйте спецификациям производителя элемента, упаковки и BMS.

Что такое терморегуляция батареи дрона?

Управление температурой батареи дрона — это процесс контроля, мониторинга и проверки температуры батареи на протяжении всего срока ее службы.

Он охватывает несколько различных состояний:

1. Разряд во время полета

2. Зарядка между миссиями

3. Хранение и транспортировка

4. Предварительный нагрев или охлаждение перед использованием

5. Тепловые явления, вызванные перегрузкой, повреждением или ненормальной работой.

Аккумуляторный блок может быть приемлем во время короткого полета в помещении, но непригоден для длительного полета на открытом воздухе под прямыми солнечными лучами. Аналогичным образом, аккумулятор, который нормально работает при комнатной температуре, может испытывать значительные провалы напряжения при работе зимой.

Поэтому управление температурным режимом должно разрабатываться с учетом всего профиля миссии, а не какой-то одной лабораторной температуры.

Как температура влияет на работу батареи дрона

Эффекты холодной погоды

Холодные условия могут повлиять на батарею дрона несколькими способами:

• Повышенное внутреннее сопротивление

• Больший провал напряжения под нагрузкой

• Более низкая мгновенная подача мощности

• Сниженная эффективная мощность

• Медленное принятие зарядки

• Возможный дисбаланс между клетками

• Снижение производительности регенерации или восстановления в некоторых системах.

Может показаться, что батарея по-прежнему имеет достаточный уровень заряда, но напряжение может падать быстрее, когда двигатели требуют высокого тока. Это особенно важно для FPV-дронов, промышленных платформ, несущих тяжелую полезную нагрузку, и самолетов, работающих на большой высоте.

Эффективность работы в холодную погоду зависит не только от температуры окружающей среды. Охлаждение ветром, изоляция корпуса, температура запуска аккумулятора, скорость разряда и время, проведенное при высоком токе, — все это имеет значение.

Эффекты жаркой погоды

Высокие температуры могут вызвать:

• Ускоренное календарное и циклическое старение

• Повышенный саморазряд

• Повышенная термическая нагрузка при сильноточной работе.

• Повышенный риск набухания или повреждения в случае превышения пределов.

• Вмешательство в систему защиты

• Снижение долгосрочного сохранения емкости

Аккумулятор может начать миссию при умеренной температуре и сильно нагреться после продолжительного набора высоты, зависания или высокоскоростного полета. Черный кожух, подверженный воздействию прямых солнечных лучей, может значительно нагреть самолет перед взлетом.

ЦЕРНЕ Решение для высокотемпературных аккумуляторов можно рассматривать для применений, где повышенные рабочие температуры являются частью проектных требований. Окончательные характеристики еще необходимо подтвердить с учетом фактического профиля нагрузки самолета и условий окружающей среды.

Откуда берется тепло батареи?

Тепло батареи генерируется внутри и передается через структуру аккумулятора в окружающую среду.

Резистивный нагрев

Первичные отношения – это:

Выделение тепла ≈ I²R

Где:

• Я текущий

• R — электрическое сопротивление ячейки, выводов, шин, разъемов и проводки.

Если ток удвоится, резистивный нагрев может увеличиться примерно в четыре раза, при условии, что сопротивление остается постоянным. Вот почему приложения с сильноточными дронами требуют пристального внимания к выбору ячеек, соединениям и конструкции разъемов.

Наш гид по Рейтинг C батареи дрона и ток разряда объясняют, как следует оценивать потребляемый ток в сравнении с возможностью непрерывного и импульсного разряда.

Экологическое тепло

Температура аккумулятора также может повыситься по следующим причинам:

• Прямое солнечное излучение

• Тепло от двигателей, ESC или силовой электроники

• Горячий воздух задерживается внутри корпуса

• Плохое отделение от других тепловыделяющих компонентов.

• Ограниченный воздушный поток во время зависания

• Высокая температура окружающей среды во время хранения или зарядки

Жара, связанная с миссией

На разных этапах полета возникают разные тепловые нагрузки:

Термическая проверка должна проверять весь профиль миссии, а не измерять только установившийся разряд.

Управление температурой батареи дрона в жаркую погоду

Улучшите тепловой путь

Тепло должно перемещаться от клеток во внешнюю среду. В практичном дизайне могут использоваться:

• Теплопроводящие конструктивные элементы

• Правильное расстояние между ячейками

• Теплораспределительные пластины

• Материалы термоинтерфейса

• Проводящие пути от ячеек к корпусу

• Отделение от горячей электроники

• Вентиляционные отверстия или каналы для потока воздуха, где это необходимо.

Правильное решение зависит от формы упаковки, конструкции самолета, требований к защите от воды или пыли и доступного пространства.

Используйте воздушный поток осторожно

Воздушный поток может улучшить отвод тепла, но этого не всегда достаточно. Дрон, который зависает в течение длительного времени, может иметь менее эффективное охлаждение, чем дрон, летящий вперед на скорости.

Проектные группы должны оценить:

• Места входа и выхода воздуха

• Падение давления в корпусе

• Попадание пыли и воды

• Эффективность охлаждения во время зависания

• Направление мытья пропеллера

• Доходит ли воздушный поток до аккумулятора, а не обходит его

Контроль тока и мощности

Программное обеспечение может снизить термическую нагрузку за счет:

• Ограничение тока

• Снижение мощности при высокой температуре

• Пороги возвращения домой в зависимости от миссии

• Предупреждения о температуре батареи

• Планирование нагрузки

• Уменьшено пиковое ускорение

• Автоматическое завершение полета или логика посадки

Эти элементы управления должны быть скоординированы с BMS и диспетчером полета. Предупреждение о температуре, которое не вызывает значимых действий, обеспечивает ограниченную защиту.

Избегайте немедленной зарядки горячего аккумулятора.

После тяжелого полета рюкзак может оставаться горячим, даже если самолет приземлился. Зарядку следует начинать только тогда, когда аккумулятор достигнет диапазона зарядки, утвержденного производителем.

Безопасный рабочий процесс – это:

1. Дайте упаковке остыть в контролируемом, проветриваемом месте.

2. Осмотрите упаковку на предмет вздутия, ударов или повреждений разъемов.

3. Убедитесь, что температура и напряжение находятся в пределах утвержденных пределов зарядки.

4. Используйте указанное зарядное устройство и профиль зарядки.

5. Прекратите зарядку, если появится ненормальный нагрев, запах или деформация.

Управление температурой батареи дрона в холодную погоду

Предварительный нагрев перед работой с высоким током

Предварительный нагрев может уменьшить провалы напряжения и улучшить подачу электроэнергии. Прежде чем потреблять большой ток, аккумулятор должен достичь утвержденного рабочего диапазона.

Подходящие подходы могут включать:

• Встроенный резистивный нагрев

• Шкафы с контролируемым подогревом

• Изолированные батарейные отсеки

• Системы предварительного подогрева на уровне самолета

• Наземное оборудование с контролем температуры

Не используйте открытое пламя, неконтролируемые источники тепла или подручные методы нагрева. Целью является равномерный, контролируемый нагрев без повреждения элементов, корпуса или электроники.

ЦЕРНЕ Решение для низкотемпературных литиевых батарей актуально для дронов, работающих в холодных условиях. Требуемая расчетная температура, ток разряда и стратегия предварительного нагрева должны быть определены поставщиком батареи во время спецификации.

Уменьшите стресс при холодном запуске

Холодные батареи не следует сразу подвергать воздействию максимально возможного тока. В зависимости от самолета диспетчеру полета может потребоваться:

• Ограничить начальное ускорение

• Ограничьте агрессивное лазание

• Задержка функций полезной нагрузки высокой мощности

• Мониторинг падения напряжения на элементе

• Увеличение минимального резерва на возвращение домой

• Используйте поэтапный период разминки

Отдельные ограничения на эксплуатацию и зарядку

Допустимая температура разряда аккумулятора может не совпадать с допустимой температурой зарядки. Зарядка слишком холодной батареи может привести к необратимому повреждению элементов.

Перед началом зарядки зарядное устройство или BMS должны проверить температуру. Если температура выходит за пределы утвержденного диапазона, зарядку следует отключить до тех пор, пока аккумулятор не достигнет безопасного состояния.

Элементы конструкции аккумуляторной батареи, влияющие на температуру

Выбор ячейки

Влияние клеточной химии и конструкции:

• Внутреннее сопротивление

• Возможность разряда

• Выработка тепла

• Сохранение емкости

• Низкотемпературная производительность

• Высокотемпературное старение

Лучшая ячейка не обязательно имеет наибольшую номинальную емкость. Правильный выбор балансирует плотность энергии, мощность, температурный диапазон, срок службы и механические ограничения.

Для расширенных приложений Полутвердотельные батареи для дронов могут стать альтернативным направлением для улучшения плотности энергии и характеристик безопасности. Пригодность любого химического состава должна быть подтверждена с учетом требований к мощности и температуре самолета.

Соединения и разъемы

Выводы, шины, провода и разъемы могут стать локализованными источниками тепла. Инженеры должны проверить:

• Плотность тока

• Контактное сопротивление

• Качество пайки или сварки

• Повышение температуры разъема

• Механическая вибрация

• Прокладка кабеля

• Защита от истирания

Элемент может иметь адекватные характеристики, в то время как весь блок все равно перегревается из-за плохо спроектированного соединения.

Корпус и изоляция

Корпус должен сочетать защиту и отвод тепла. Чрезмерная изоляция может сохранять тепло в жаркую погоду, а недостаточная изоляция может привести к тому, что холодная батарея слишком быстро потеряет тепло.

Важные соображения включают в себя:

• Толщина стенки

• Теплопроводность материала

• Огнестойкость и ударопрочность

• IP-защита

• Удобство обслуживания

• Поведение по давлению или вентиляции

• Монтаж контакта с самолетом

Датчики температуры

Один датчик не может представлять собой самую горячую ячейку в блоке из нескольких ячеек. В зависимости от размера упаковки и профиля риска в конструкции могут потребоваться датчики рядом с:

• Центр клеточной группы

• Сильноточные вкладки

• Разъемы

• Тепловыделяющая электроника

• Области с ограниченным потоком воздуха

Размещение датчика должно быть проверено во время тепловых испытаний, а не выбрано только из модели CAD.

Управление температурой с помощью приложения дрона

FPV дроны

Дроны FPV часто испытывают быстрые изменения текущего спроса. Тепловые приоритеты включают в себя:

• Низкое внутреннее сопротивление

• Высокий импульсный ток

• Безопасные разъемы

• Мониторинг во время агрессивного полета

• Адекватное время восстановления между полетами

Компактная упаковка может иметь ограниченную площадь поверхности для отвода тепла, поэтому профиль тока и продолжительность полета необходимо оценивать вместе.

Сельскохозяйственные дроны

Сельскохозяйственные дроны обычно несут большую полезную нагрузку и могут зависать в течение длительного времени. Они требуют внимания:

• Устойчивый ток

• Поток воздуха в аккумуляторном отсеке

• Жаркие условия на открытом воздухе

• Частые циклы зарядки

• Воздействие химикатов или влаги

• Быстрая замена батареи

Промышленные и инспекционные дроны

Самолеты для инспекций и картографирования могут работать в холодных, жарких, пыльных или высокогорных условиях. Тепловой расчет должен учитывать:

• Длинные миссии

• Ограниченные возможности посадки

• Чувствительные полезные нагрузки

• Низкое давление окружающей среды

• Сезонные изменения температуры

• Надежная телеметрия и обработка неисправностей

Холодные и высотные дроны

Преимущества систем для холодной погоды:

• Контролируемый предварительный нагрев

• Выбор низкотемпературной ячейки

• Ограничения мощности в зависимости от температуры

• Изолированные, но термически сбалансированные корпуса

• Консервативные резервные настройки

• Проверка холодного запуска

Практический план термической проверки

Управление температурным режимом должно быть проверено с использованием репрезентативного оборудования и нагрузок миссии.

Запишите как максимальную температуру, так и скорость ее изменения. Батарея, которая очень быстро достигает умеренной температуры, может потребовать большего внимания, чем батарея, которая достигает той же температуры постепенно.

Тестирование должно также включать комбинации наихудших случаев, такие как:

• Высокая температура окружающей среды плюс максимальная полезная нагрузка

• Холодная батарея плюс немедленный набор высоты

• Низкий поток воздуха плюс длительное зависание

• Высокий уровень заряда плюс прямой солнечный свет

• Повторяющиеся миссии с короткими интервалами восстановления.

Распространенные ошибки управления температурным режимом

Использование температуры окружающей среды в качестве единственного ориентира

Температура батареи внутри корпуса может существенно отличаться от данных в прогнозе погоды. Измерьте упаковку напрямую.

Тестирование только при номинальном токе

Пиковый ток, повторяющиеся всплески и длительные периоды зависания могут привести к совершенно разному поведению при нагреве.

Игнорирование температуры зарядки

Рюкзак может пережить полет, но быть поврежден при зарядке за пределами разрешенного диапазона.

Размещение датчиков в прохладном месте

Датчик, расположенный рядом с каналом воздушного потока, может занижать температуру самой горячей ячейки или разъема.

Отношение ко всем литиевым батареям как к эквивалентным

Различные химические элементы и конструкции ячеек имеют разное сопротивление, мощность и температурное поведение.

Добавление изоляции без термического анализа

Изоляция может помочь в работе в холодную погоду, но удерживает тепло во время миссий в жаркую погоду.

Полагаясь только на BMS

BMS является важным уровнем защиты, но он не может компенсировать неправильный выбор ячеек, плохие тепловые пути или неподходящее ограждение самолета.

Часто задаваемые вопросы

Какова идеальная температура батареи дрона?

Не существует единой идеальной температуры для каждой батареи. Правильный диапазон эксплуатации и зарядки зависит от химического состава элемента, конструкции упаковки и спецификаций производителя.

Сокращает ли холодная погода время полета дрона?

Да. Холодные условия могут увеличить внутреннее сопротивление, снизить доступную мощность и ускорить достижение предела напряжения батареи. Может помочь предварительный нагрев и выбор подходящей низкотемпературной батареи.

Могу ли я зарядить аккумулятор холодного дрона?

Только если аккумулятор находится в пределах разрешенного диапазона зарядки. Холодную батарею перед зарядкой следует контролируемым образом нагреть.

Почему аккумулятор дрона нагревается во время зависания?

Hover требует постоянной мощности двигателя, обеспечивая при этом относительно ограниченное охлаждение при движении вперед. Сильный ток, плохой поток воздуха, перегруженный самолет или соединения с высоким сопротивлением могут увеличить нагрев.

Всегда ли батарея большей емкости лучше с точки зрения тепловых характеристик?

Нет. Пакет большей емкости может увеличить вес и увеличить потребляемую мощность самолета. Тепловые характеристики зависят от мощности, потребляемого тока, сопротивления, охлаждения и полного профиля миссии.

Как рейтинг C влияет на температуру аккумулятора?

Батарея, работающая вблизи практического предела разрядки, может выделять больше тепла, особенно когда внутреннее сопротивление велико. Рейтинг C следует оценивать вместе с фактическим током, емкостью аккумулятора, длительностью импульса и охлаждением.

Стоит ли использовать вентилятор для охлаждения аккумулятора дрона?

Вентилятор может помочь в некоторых самолетах, но он должен быть совместим с требованиями к корпусу, пыли, воде и аэродинамике. Оборудование охлаждения должно быть проверено в реальных условиях полета.

Может ли терморегулирование продлить срок службы батареи?

Да. Ограничение чрезмерного нагрева, отказ от холодной зарядки и снижение повторяющихся термических напряжений могут способствовать лучшему сохранению емкости и увеличению срока службы. Это не может предотвратить нормальное старение батареи.

Какую информацию я должен предоставить при запросе индивидуальной батареи для дрона?

Укажите напряжение самолета, целевую мощность, непрерывный и пиковый ток, время полета, полезную нагрузку, размеры, разъем, требования к связи, рабочие температуры, метод зарядки и ожидаемый профиль миссии.

Заключение

Эффективное управление температурой аккумуляторов дронов сочетает в себе химический состав аккумуляторов, электрическую конструкцию, механическую упаковку, датчики, программное управление и экологические испытания.

Системы, работающие в жаркую погоду, нуждаются в эффективном отводе тепла и снижении характеристик в зависимости от температуры. Системы, работающие в холодную погоду, нуждаются в контролируемом предварительном нагреве, подходящих аккумуляторах и защите от холодного заряда. Оба условия требуют проверки с использованием реальных текущих профилей, полезной нагрузки, корпусов и полетных заданий.

ZERNE поддерживает разработку аккумуляторов для конкретных приложений для требовательных систем дронов, в том числе индивидуальная конструкция литиевой батареи , низкотемпературные решения, высокотемпературные решения и специализированные блоки высокой мощности.

Чтобы обсудить ваши требования, свяжитесь с технической командой ZERNE Battery и сообщите ваши электрические, механические и экологические характеристики.