Полутвердотельные аккумуляторы для дронов: безопасность, плотность энергии и варианты использования

Производители дронов находятся под постоянным давлением необходимости улучшить время полета, грузоподъемность, безопасность и эксплуатационную надежность. Обычные LiPo-аккумуляторы по-прежнему широко используются в мощных дронах, а литий-ионные аккумуляторы часто рассматриваются для длительных миссий. Полутвердотельные батареи становятся еще одним вариантом для проектов, которым необходим другой баланс между плотностью энергии, безопасностью и гибкостью интеграции.

Интерес к твердотельным батареям для дронов растет, поскольку батарея может влиять не только на время полета. Новая архитектура батареи может повлиять на тепловые характеристики, механическую конструкцию, стратегию зарядки, требования к защите, производственный процесс и планирование сертификации.

Однако не следует путать полутвердотельную технологию с полностью твердотельными батареями. Полутвердые батареи по-прежнему содержат частично жидкую или гелеобразную электролитную систему, тогда как полностью твердотельные батареи используют твердый электролит. Эти две технологии имеют разные стадии разработки, производственные требования и заявления о производительности.

В этом руководстве объясняется, как полутвердотельные аккумуляторы можно использовать в дронах, какие преимущества они могут предложить, где остаются их ограничения и как OEM-команды должны оценивать их перед коммерческим внедрением.

Быстрый ответ

Полутвердотельные аккумуляторы могут подойти для дронов, которым требуется сочетание:

• более высокая плотность энергии;

• улучшенная устойчивость к рискам утечки или возгорания по сравнению с некоторыми конструкциями с жидким электролитом;

• более длительная выносливость;

• меньший вес для данной энергетической цели;

• лучшая интеграция с передовыми платформами БПЛА или eVTOL;

• путь развития, который остается ближе к существующим процессам производства литиевых батарей.

Они не являются автоматически лучшей заменой LiPo или литий-ионных аккумуляторов. Мощному FPV-дрону по-прежнему может потребоваться проверенный высокоскоростной аккумулятор LiPo, в то время как картографическая или промышленная платформа может выиграть от оценки полутвердой технологии наряду с высокоэнергетическими альтернативами Li-ion и LiPo.

Что такое полутвердотельный аккумулятор?

Полутвердотельный аккумулятор использует электролитную систему с характеристиками между обычным жидким электролитом и полностью твердым электролитом. В зависимости от конструкции электролит может быть гелеобразным, частично твердым или иммобилизованным в структурированном материале.

Цель состоит в том, чтобы объединить некоторые преимущества обоих подходов:

• поддерживать достаточный транспорт ионов для практической зарядки и разрядки;

• снизить подвижность горючего жидкого электролита;

• улучшить устойчивость к утечкам;

• поддержка электродных материалов с более высокой энергией;

• снизить некоторые риски, связанные с движением жидкого электролита;

• остаются совместимыми с частями существующей инфраструктуры производства клеток.

Полутвердотельный аккумулятор не означает, что аккумулятор полностью твердый. Это также не означает, что аккумулятор не может перегреться, повредиться или выйти из-под контроля. Фактические показатели безопасности зависят от химического состава элементов, конструкции сепаратора, материалов электродов, конструкции корпуса, защитной электроники, управления температурным режимом и качества производства.

ЦЕРНЕ Решение с полутвердотельными литиевыми батареями можно оценить для проектов, требующих баланса показателей безопасности, плотности энергии и индивидуальной интеграции аккумуляторов.

Полутвердотельные и обычные LiPo и литий-ионные батареи

Эта таблица представляет собой инструмент проверки технологий. Конкретные характеристики ячеек могут значительно различаться в пределах каждой категории.

Сравнение химического уровня, ориентированное на текущие применения дронов, см. Руководство по использованию LiPo и литий-ионных аккумуляторов для дронов.

Потенциальные преимущества безопасности

Безопасность — одна из основных причин, по которой инженеры исследуют полутвердотельные батареи.

Полутвердый электролит может помочь снизить определенные риски, связанные со сыпучими жидкими электролитами, такие как:

• протечка после механического повреждения;

• движение электролита внутри клетки;

• риск возгорания при определенных условиях отказа;

• распространение между поврежденными участками;

• чувствительность к проколу в некоторых конструкциях ячеек.

Эти потенциальные выгоды следует выражать тщательно. Полутвердая батарея не является пожаробезопасной, устойчивой к повреждениям и не требует обслуживания. Аккумулятор по-прежнему может стать небезопасным из-за:

• перезарядка;

• короткое замыкание;

• раздавливание или прокол;

• сильный перегрев;

• производственные дефекты;

• клеточный дисбаланс;

• неправильные настройки защиты;

• неподходящая зарядка или хранение;

• внешний пожар или механическое воздействие.

OEM-производителям дронов безопасность следует оценивать посредством структурированных испытаний, а не предполагать из названия технологии.

Важные области проверки включают в себя:

• реакция на перезарядку;

• внешняя реакция на короткое замыкание;

• поведение при раздавливании и проколе;

• термическая стабильность;

• сопротивление распространению;

• вибрация и удары;

• высоко- и низкотемпературная работа;

• зарядка при температурных ограничениях;

• изоляция и безопасность разъема.

Руководство по безопасности и хранению аккумуляторов для дронов можно использовать вместе с этой статьей для ознакомления с общими принципами обращения, хранения и реагирования на повреждения.

Плотность энергии и время полета

Плотность энергии показывает, сколько энергии хранит аккумулятор относительно его массы или объема. Для дрона более высокая плотность полезной энергии может помочь команде разработчиков:

• продлить время полета;

• нести дополнительную полезную нагрузку;

• уменьшить массу аккумулятора;

• сократить количество замен аккумуляторов;

• создать больше места для датчиков или оборудования;

• улучшить запас энергии для сложных погодных условий.

Простой расчет энергии:

Энергия аккумулятора (Втч) = номинальное напряжение (В) × емкость (Ач)

Фактическая выгода от времени полета зависит от всей системы самолета. Увеличение емкости аккумулятора также увеличивает вес, а более тяжелый самолет требует большей тяги.

На время полета влияют:

• энергия аккумулятора;

• масса аккумулятора;

• средняя потребляемая мощность;

• полезная нагрузка;

• эффективность двигателя и гребного винта;

• ветер;

• температура;

• режим полета;

• резервная настройка;

• старение батареи.

Поэтому полутвердую батарею следует сравнивать по полезной энергии при требуемом токе , а не только по показателю плотности энергии на уровне ячейки.

Дополнительную информацию об энергопотреблении, полезной нагрузке и фактическом времени работы см. Руководство по времени полета батареи дрона.

Вопросы мощности и C-рейта

Плотность энергии и мощность — это разные требования. Аккумулятор может хранить большое количество энергии, но все же не подходит для дрона, которому требуется высокий ток во время взлета или быстрого ускорения.

Для полутвердотельных аккумуляторов для дронов проверьте:

• непрерывный ток разряда;

• импульсный ток разряда;

• провал напряжения;

• внутреннее сопротивление;

• скорость зарядки;

• температура элемента под нагрузкой;

• восстановление после сильноточного события;

• производительность при различных состояниях заряда.

Мощная платформа FPV по-прежнему может предпочитать высокоскоростную батарею LiPo. Промышленный дрон с умеренным текущим спросом может быть более подходящим кандидатом для полутвердотельной оценки.

В руководстве по аккумулятору дрона с рейтингом C объясняется, как следует оценивать непрерывный и импульсный ток.

Термическое поведение в приложениях дронов

Температурные характеристики занимают центральное место в конструкции любой современной батареи для дронов. Даже если полутвердый электролит снижает определенные риски, аккумулятор все равно выделяет тепло во время зарядки и разрядки.

Тепловой расчет должен учитывать:

• текущий профиль;

• расстояние между ячейками;

• корпус упаковки;

• расход воздуха;

• путь теплопроводности;

• изоляция;

• датчики температуры;

• условия зарядки;

• монтаж аккумулятора;

• температура окружающей среды;

• стратегия аварийного отключения.

Батарея дрона может работать иначе при испытаниях на прохладном складе, чем при прямом солнечном свете, полете на большой высоте, в зимних условиях или при выполнении миссии по поднятию тяжелых грузов.

Для проектов, подверженных сильной жаре или холоду, используйте Руководство по управлению температурой аккумуляторов дронов для определения эксплуатационных пределов и требований к проверке.

Варианты использования полутвердотельных дронов

Долговечное картографирование

Картографические дроны могут летать по стабильным маршрутам в течение длительного времени, неся с собой камеры, оборудование для позиционирования или другие датчики. Если потребность в энергии умеренная, можно оценить полутвердый аккумулятор на предмет увеличения полезной энергии и снижения частоты замены батарей.

Инспекция инфраструктуры

Инспекционные БПЛА часто оснащены камерами высокого разрешения, тепловизионными камерами, LiDAR или другими полезными нагрузками. Полутвердую батарею можно рассмотреть, когда проект требует более длительного времени проверки без увеличения размера самолета.

Аккумулятор должен по-прежнему обеспечивать достаточный ток для взлета, набора высоты, компенсации ветра и аварийного маневрирования.

Сельскохозяйственные и промышленные БПЛА

Сельскохозяйственные дроны могут нести жидкую или гранулированную полезную нагрузку, создавая большую общую взлетную массу. Промышленные самолеты могут работать в условиях пыли, влажности, жары, холода или неровной местности.

В этих приложениях оценка батареи должна включать:

• постоянная мощность;

• изменение полезной нагрузки;

• многократный взлет и посадка;

• воздействие окружающей среды;

• механическая вибрация;

• оборот зарядки;

• Требования к выездному обслуживанию.

ЦЕРНЕ Аккумуляторные батареи для небольших промышленных дронов служат подходящей отправной точкой для оценки требований к напряжению, емкости, току и окружающей среде в проектах профессиональных БПЛА.

eVTOL и расширенная воздушная мобильность

Проекты eVTOL требуют высокого энергопотребления, большой мощности, строгого контроля веса и тщательной проверки безопасности. Полутвердотельную технологию можно рассматривать как часть передовой программы разработки аккумуляторов, но коммерческое внедрение требует гораздо большего, чем многообещающий результат работы элемента.

Оценка может включать в себя:

• тепловое распространение на уровне упаковки;

• избыточность;

• ударопрочность;

• многоцикловая работа;

• обнаружение неисправностей;

• мониторинг и связь;

• планирование сертификации;

• стратегия обслуживания и замены.

Демонстраторы технологий

Полутвердотельные батареи также полезны в исследовательских программах, прототипах самолетов и демонстраторах технологий. Эти проекты позволяют командам измерять реальную производительность, прежде чем переходить к производственной архитектуре.

В плане испытаний должны быть определены критерии успеха до создания прототипа.

Требования к интеграции для OEM-проектов

Внедрение полутвердотельного режима может потребовать внесения изменений в аккумуляторную батарею и самолет.

Важные темы интеграции включают в себя:

• формат ячейки;

• последовательная и параллельная конфигурация;

• номинальное напряжение;

• емкость;

• текущие возможности;

• размеры упаковки;

• масса;

• разъем;

• БМС или ПКМ;

• термодатчики;

• протокол связи;

• монтажная конструкция;

• зарядное оборудование;

• Процесс обслуживания и замены.

ЦЕРНЕ Служба индивидуального обслуживания аккумуляторов поддерживает обсуждение выбора элементов, конструкции упаковки, компонентов защиты, разъемов и требований для конкретного применения.

При обращении к производителю предоставьте:

• целевое время полета;

• полезная нагрузка;

• средний и пиковый ток;

• информация о двигателе и ESC;

• максимальный размер батареи;

• максимальный вес аккумулятора;

• рабочая температура;

• способ зарядки;

• ожидаемая частота цикла;

• транспортные рынки;

• требования к документации или сертификации.

Коммерческая зрелость и стадия развертывания

Полутвердотельные батареи более коммерчески реалистичны, чем многие полностью твердотельные концепции, поскольку некоторые производственные процессы и оборудование могут быть адаптированы из существующего производства литиевых батарей.

Однако зрелость следует оценивать на уровне упаковки и приложения , а не только на уровне ячейки.

Прежде чем использовать полутвердую батарею для серийного дрона, подтвердите:

• повторяемая поставка ячеек;

• стабильная производительность партии;

• возможность сборки упаковки;

• процедуры контроля качества;

• защита и мониторинг;

• данные термических испытаний;

• данные о сроке службы при фактической нагрузке;

• транспортная документация;

• план выездного обслуживания;

• долгосрочная стабильность поставок.

Лабораторная демонстрация не доказывает автоматически, что батарея готова к массовому производству. Перед окончательным выбором команда проекта должна провести испытания прототипов, интеграцию самолетов и контролируемые полевые испытания.

Полутвердотельный и полностью твердотельный

Эти термины не следует использовать как взаимозаменяемые.

Полутвердотельный

В полутвердой батарее используется частично затвердевшая или гелеобразная электролитная система. Это может предложить практический переход от обычных литиевых батарей к полностью твердотельным конструкциям.

Полностью твердотельный

Полностью твердотельная батарея предполагает использование твердого электролита без традиционного жидкого электролита. Он может предложить значительный долгосрочный потенциал, но производство, стабильность интерфейса, зарядка, стоимость, механическая конструкция и коммерческий масштаб остаются важными проблемами развития.

Для текущих проектов дронов полутвердотельная технология может быть более практичной для оценки, чем полностью твердотельная упаковка, которая еще не доступна в необходимом формате или объеме поставки.

Часто задаваемые вопросы

Доступны ли уже твердотельные аккумуляторы для дронов?

Некоторые полутвердотельные батареи доступны для разработки и специализированного применения, но доступность зависит от формата элемента, емкости, напряжения, требований к току и поставщика. Полностью твердотельные аккумуляторы для дронов находятся на другой и, как правило, более ранней стадии коммерциализации.

Являются ли полутвердотельные батареи более безопасными, чем батареи LiPo?

Они могут снизить определенные риски, связанные с жидкими электролитами, но безопасность зависит от конструкции всего элемента и упаковки. Полутвердые аккумуляторы все равно могут быть повреждены в результате перезарядки, короткого замыкания, нагревания, удара или неправильного обращения.

Могут ли полутвердые батареи обеспечить более длительное время полета дрона?

Они могут обеспечить преимущество во времени полета, если соотношение полезной энергии к весу лучше подходит для конкретного самолета. Фактические результаты зависят от полезной нагрузки, потребляемого тока, эффективности движения, температуры и запаса батареи.

Подходят ли полутвердые батареи для FPV-дронов?

Их можно использовать для проектов FPV, но высокоскоростные LiPo-аккумуляторы часто остаются практической отправной точкой для агрессивных гонок и полетов вольным стилем. Полутвердая упаковка должна демонстрировать достаточный пиковый ток и приемлемое падение напряжения.

В чем разница между полутвердой и твердотельной батареей?

В полутвердой батарее используется частично твердая или гелеобразная электролитная система. Полностью твердотельная батарея предполагает использование твердого электролита. Их следует оценивать отдельно с точки зрения производительности, зрелости производства и безопасности.

Требуется ли для полутвердых батарей BMS?

Требование зависит от конфигурации ячейки и применения. Для многоячеечных дронов может потребоваться мониторинг, балансировка, защита от перенапряжения, понижения напряжения, перегрузки по току и температуры.

Как OEM-производители должны оценивать полутвердые аккумуляторы для дронов?

Используйте настоящий дрон, полезную нагрузку, двигатель, ESC, метод зарядки и рабочую среду. Измеряйте время полета, ток, напряжение, температуру, падение напряжения, сохранение емкости и физическое состояние в течение повторяющихся циклов.

Можно ли использовать полутвердые батареи в холодных условиях?

Некоторые конструкции могут быть разработаны для более широкого диапазона температур, но точный диапазон должен быть подтвержден данными производителя и испытаниями применения. Не думайте, что все полутвердые батареи имеют одинаковые характеристики при низких температурах.

Заключение

Полутвердотельные аккумуляторы могут стать полезным технологическим путем для дронов, которым требуется повышенная плотность энергии, показатели безопасности и расширенная интеграция с аккумуляторами. Они особенно актуальны для промышленных БПЛА длительного срока службы, разработки eVTOL, инспекционных платформ и демонстраторов технологий.

Однако полутвердотельный аккумулятор не означает полностью твердотельный, огнестойкий или автоматически превосходящий LiPo и Li-ion. Правильный выбор зависит от текущего спроса, профиля полета, полезной нагрузки, веса, температурных условий, требований к зарядке, планирования сертификации и готовности поставок.

Для OEM-команд рекомендуемый процесс заключается в том, чтобы сначала определить требования к самолету, выбрать подходящую архитектуру элементов и блоков, изготовить прототипы, проверить их в реальных условиях полета и подтвердить документацию перед внедрением в производство.

Обсудите с ZERNE применение полутвердотельных аккумуляторов и оцените правильную конфигурацию элемента, комплектацию и план проверки для вашего проекта дрона.