Quản lý nhiệt pin Drone cho điều kiện bay nóng và lạnh

Pin máy bay không người lái không hoạt động trong môi trường không phụ thuộc vào nhiệt độ. Các điều kiện xung quanh, dòng xả, thiết kế vỏ, tải động cơ, ánh sáng mặt trời, luồng không khí và điều kiện sạc đều ảnh hưởng đến hoạt động nhiệt của pin trong khi thực hiện nhiệm vụ.

Khi pin của máy bay không người lái trở nên quá lạnh, điện trở trong của nó thường tăng lên. Kết quả có thể là độ võng điện áp lớn hơn, giảm công suất đỉnh và thời gian bay có thể sử dụng ngắn hơn. Khi nó trở nên quá nóng, quá trình lão hóa hóa học sẽ tăng tốc và nguy cơ mất ổn định hiệu suất sẽ tăng lên. Dòng điện cao, thông gió kém và tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời có thể khiến tình hình trở nên tồi tệ hơn.

Do đó, đối với các nhà sản xuất máy bay không người lái và nhà tích hợp hệ thống, quản lý nhiệt không chỉ là vấn đề chọn pin có dung lượng lớn hơn. Đây là nhiệm vụ thiết kế ở cấp hệ thống liên quan đến pin, cấu trúc gói, thiết bị điện tử, vỏ máy bay, bộ sạc và hồ sơ chuyến bay.

Trả lời nhanh

Nhiệt độ pin của máy bay không người lái ảnh hưởng đến công suất đầu ra, độ ổn định điện áp, thời gian bay, độ an toàn khi sạc và tuổi thọ pin.

• Trong điều kiện lạnh, điện trở trong tăng lên và pin có thể cung cấp ít năng lượng hơn.

• Trong điều kiện nóng, quá trình lão hóa diễn ra nhanh hơn và ứng suất nhiệt tăng lên.

• Dòng phóng điện cao sinh ra nhiệt theo mối quan hệ Q ≈ I2R , nghĩa là nhiệt tăng nhanh khi dòng điện tăng.

• Một giải pháp đáng tin cậy kết hợp hóa học tế bào phù hợp, cấu trúc điện trở thấp, đường dẫn nhiệt, cảm biến nhiệt độ, sạc có kiểm soát và xác thực ứng dụng cụ thể.

• Không có phạm vi nhiệt độ chung cho mọi loại pin của máy bay không người lái. Luôn tuân theo các thông số kỹ thuật của tế bào, gói và BMS của nhà sản xuất.

Quản lý nhiệt pin Drone là gì?

Quản lý nhiệt pin của máy bay không người lái là quá trình kiểm soát, giám sát và xác nhận nhiệt độ pin trong suốt thời gian hoạt động của pin.

Nó bao gồm một số trạng thái khác nhau:

1. Xả trong chuyến bay

2. Sạc giữa các nhiệm vụ

3. Lưu trữ và vận chuyển

4. Làm nóng hoặc làm mát trước khi sử dụng

5. Sự cố nhiệt do quá tải, hư hỏng hoặc hoạt động bất thường

Bộ pin có thể được chấp nhận trong chuyến bay ngắn trong nhà nhưng không phù hợp cho nhiệm vụ dài ngoài trời dưới ánh nắng trực tiếp. Tương tự, một gói hoạt động bình thường ở nhiệt độ phòng có thể bị sụt áp đáng kể khi vận hành vào mùa đông.

Do đó, quản lý nhiệt phải được thiết kế xung quanh hồ sơ nhiệm vụ hoàn chỉnh thay vì nhiệt độ phòng thí nghiệm duy nhất.

Nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất pin của máy bay không người lái như thế nào

Hiệu ứng thời tiết lạnh

Điều kiện lạnh có thể ảnh hưởng đến pin máy bay không người lái theo nhiều cách:

• Tăng sức đề kháng nội bộ

• Độ võng điện áp lớn hơn khi tải

• Cung cấp điện tức thời thấp hơn

• Giảm công suất hiệu quả

• Chấp nhận sạc chậm hơn

• Có thể mất cân bằng giữa các tế bào

• Giảm hiệu suất tái tạo hoặc phục hồi trong một số hệ thống

Pin có vẻ vẫn còn đủ điện nhưng điện áp có thể giảm nhanh hơn khi động cơ yêu cầu dòng điện cao. Điều này đặc biệt quan trọng đối với máy bay không người lái FPV, nền tảng công nghiệp mang tải trọng lớn và máy bay hoạt động ở độ cao lớn.

Hiệu suất trong thời tiết lạnh phụ thuộc nhiều hơn vào nhiệt độ môi trường. Gió lạnh, cách nhiệt gói, nhiệt độ khởi động pin, tốc độ xả và thời gian sử dụng dòng điện cao đều quan trọng.

Hiệu ứng thời tiết nóng

Nhiệt độ cao có thể gây ra:

• Lịch và chu kỳ lão hóa nhanh hơn

• Tăng khả năng tự xả

• Căng thẳng nhiệt lớn hơn khi hoạt động với dòng điện cao

• Tăng nguy cơ sưng tấy hoặc tổn thương nếu vượt quá giới hạn

• Sự can thiệp của hệ thống bảo vệ

• Giảm khả năng duy trì công suất lâu dài

Pin có thể bắt đầu sứ mệnh ở nhiệt độ vừa phải và trở nên nóng hơn nhiều sau khi liên tục leo trèo, bay lơ lửng hoặc bay tốc độ cao. Vỏ màu đen tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời có thể tạo thêm nhiệt đáng kể trước khi cất cánh.

của ZERNE Giải pháp pin nhiệt độ cao có thể được xem xét cho các ứng dụng trong đó nhiệt độ hoạt động cao là một phần của yêu cầu thiết kế. Hiệu suất cuối cùng vẫn cần được xác nhận dựa trên hồ sơ tải trọng thực tế và điều kiện môi trường của máy bay.

Nhiệt độ pin đến từ đâu?

Nhiệt lượng của pin được tạo ra bên trong và truyền qua cấu trúc gói ra môi trường xung quanh.

Sưởi ấm bằng điện trở

Mối quan hệ chính là:

Sinh nhiệt ≈ I2R

Ở đâu:

• Tôi hiện tại

• R là điện trở của tế bào, tab, thanh cái, đầu nối và hệ thống dây điện

Nếu dòng điện tăng gấp đôi, nhiệt độ điện trở có thể tăng khoảng bốn lần, giả sử điện trở không đổi. Đây là lý do tại sao các ứng dụng máy bay không người lái dòng điện cao đòi hỏi sự chú ý cẩn thận đến việc lựa chọn tế bào, kết nối và thiết kế đầu nối.

Hướng dẫn của chúng tôi Xếp hạng C và dòng xả của pin drone giải thích cách đánh giá nhu cầu hiện tại so với khả năng xả liên tục và xả liên tục.

Nhiệt môi trường

Nhiệt độ pin cũng có thể tăng do:

• Bức xạ mặt trời trực tiếp

• Nhiệt từ động cơ, ESC hoặc thiết bị điện tử công suất

• Không khí nóng bị mắc kẹt bên trong vỏ bọc

• Khả năng tách biệt kém với các thành phần sinh nhiệt khác

• Luồng không khí hạn chế trong quá trình di chuột

• Nhiệt độ môi trường cao trong quá trình bảo quản hoặc sạc

Nhiệt liên quan đến nhiệm vụ

Các giai đoạn bay khác nhau tạo ra tải nhiệt khác nhau:

Việc xác nhận nhiệt nên kiểm tra hồ sơ nhiệm vụ hoàn chỉnh thay vì chỉ đo mức phóng điện ở trạng thái ổn định.

Quản lý nhiệt pin Drone trong thời tiết nóng

Cải thiện đường dẫn nhiệt

Nhiệt phải di chuyển từ tế bào ra môi trường bên ngoài. Một thiết kế thực tế có thể sử dụng:

• Các thành phần kết cấu dẫn nhiệt

• Khoảng cách ô thích hợp

• Tấm tản nhiệt

• Vật liệu giao diện nhiệt

• Đường dẫn từ tế bào đến vỏ

• Tách khỏi thiết bị điện tử nóng

• Các lỗ thông hơi hoặc kênh luồng không khí thích hợp

Giải pháp chính xác phụ thuộc vào hình dạng gói hàng, cấu trúc máy bay, yêu cầu chống nước hoặc bụi và không gian sẵn có.

Sử dụng luồng không khí cẩn thận

Luồng khí có thể cải thiện khả năng thải nhiệt nhưng không phải lúc nào cũng đủ. Một chiếc máy bay không người lái bay lơ lửng trong thời gian dài có thể có khả năng làm mát kém hiệu quả hơn một chiếc bay về phía trước với tốc độ cao.

Nhóm thiết kế nên đánh giá:

• Vị trí cửa gió vào và cửa gió ra

• Giảm áp suất qua vỏ

• Sự xâm nhập của bụi và nước

• Hiệu suất làm mát trong khi di chuột

• Hướng rửa cánh quạt

• Liệu luồng không khí có đến được pin thay vì bỏ qua nó hay không

Kiểm soát dòng điện và công suất

Phần mềm có thể giảm căng thẳng nhiệt thông qua:

• Giới hạn hiện tại

• Giảm công suất ở nhiệt độ cao

• Ngưỡng trở về nhà dựa trên nhiệm vụ

• Cảnh báo pin nhận biết nhiệt độ

• Lập lịch tải

• Giảm gia tốc cực đại

• Logic kết thúc chuyến bay hoặc hạ cánh tự động

Các điều khiển này phải được phối hợp với BMS và bộ điều khiển chuyến bay. Cảnh báo nhiệt độ không kích hoạt hành động có ý nghĩa sẽ mang lại sự bảo vệ hạn chế.

Tránh sạc túi chườm nóng ngay lập tức

Sau một chuyến bay vất vả, ba lô có thể vẫn còn nóng ngay cả khi máy bay đã hạ cánh. Chỉ nên bắt đầu sạc khi pin đạt đến phạm vi sạc được nhà sản xuất phê duyệt.

Quy trình vận hành an toàn là:

1. Để gói nguội ở nơi thông gió, được kiểm soát.

2. Kiểm tra gói xem có bị phồng, va đập hoặc hư hỏng đầu nối không.

3. Xác nhận nhiệt độ và điện áp nằm trong giới hạn sạc được phê duyệt.

4. Sử dụng bộ sạc và cấu hình sạc được chỉ định.

5. Ngừng sạc nếu xuất hiện hiện tượng nóng, có mùi hoặc biến dạng bất thường.

Quản lý nhiệt pin Drone trong thời tiết lạnh

Làm nóng trước khi vận hành dòng điện cao

Làm nóng trước có thể làm giảm độ sụt điện áp và cải thiện việc cung cấp điện. Pin phải đạt phạm vi hoạt động được phê duyệt trước khi yêu cầu dòng điện cao.

Các cách tiếp cận phù hợp có thể bao gồm:

• Tích hợp sưởi ấm điện trở

• Tủ hâm nóng có kiểm soát

• Ngăn chứa pin cách điện

• Hệ thống làm nóng trước ở cấp độ máy bay

• Thiết bị mặt đất kiểm soát nhiệt độ

Không sử dụng ngọn lửa trần, nguồn nhiệt không được kiểm soát hoặc phương pháp sưởi ấm ngẫu hứng. Mục tiêu là làm ấm đồng đều, có kiểm soát mà không làm hỏng các tế bào, vỏ hoặc thiết bị điện tử.

của ZERNE giải pháp pin lithium nhiệt độ thấp phù hợp cho các ứng dụng máy bay không người lái tiếp xúc với môi trường lạnh. Nhiệt độ thiết kế yêu cầu, dòng phóng điện và chiến lược làm nóng trước phải được xác định với nhà cung cấp pin trong quá trình xác định thông số kỹ thuật.

Giảm căng thẳng khi khởi động nguội

Pin lạnh không nên chịu dòng điện cao nhất hiện có ngay lập tức. Tùy thuộc vào loại máy bay, người điều khiển chuyến bay có thể cần:

• Giới hạn gia tốc ban đầu

• Hạn chế leo núi hung hãn

• Trì hoãn các chức năng tải trọng công suất cao

• Theo dõi độ võng điện áp di động

• Tăng dự trữ hoàn vốn tối thiểu

• Sử dụng giai đoạn khởi động theo giai đoạn

Giới hạn vận hành và sạc riêng biệt

Nhiệt độ xả cho phép của pin có thể không giống với nhiệt độ sạc được phép. Sạc pin quá lạnh có thể gây ra hư hỏng không thể phục hồi cho tế bào.

Bộ sạc hoặc BMS phải xác minh nhiệt độ trước khi bắt đầu sạc. Nếu nhiệt độ nằm ngoài phạm vi được phê duyệt, việc sạc sẽ vẫn bị tắt cho đến khi gói đạt đến tình trạng an toàn.

Các yếu tố thiết kế bộ pin ảnh hưởng đến nhiệt độ

Lựa chọn ô

Ảnh hưởng cấu trúc và hóa học tế bào:

• Kháng nội bộ

• Khả năng xả

• sinh nhiệt

• Duy trì công suất

• Hiệu suất ở nhiệt độ thấp

• Lão hóa ở nhiệt độ cao

Ô tốt nhất không nhất thiết phải là ô có dung lượng danh định cao nhất. Lựa chọn đúng sẽ cân bằng mật độ năng lượng, công suất, phạm vi nhiệt độ, vòng đời và các hạn chế cơ học.

Đối với các ứng dụng nâng cao, pin bán rắn cho máy bay không người lái có thể cung cấp một hướng thay thế để cải thiện mật độ năng lượng và các đặc tính an toàn. Sự phù hợp của bất kỳ hóa chất nào phải được xác nhận đối với các yêu cầu về năng lượng và nhiệt của máy bay.

Kết nối và kết nối

Các tab, thanh cái, dây điện và đầu nối có thể trở thành nguồn nhiệt cục bộ. Các kỹ sư nên kiểm tra:

• Mật độ hiện tại

• Điện trở tiếp xúc

• Mối hàn hoặc chất lượng mối hàn

• Tăng nhiệt độ đầu nối

• Rung động cơ học

• Định tuyến cáp

• Bảo vệ chống mài mòn

Một ô có thể có đầy đủ thông số kỹ thuật trong khi cả gói hoàn chỉnh vẫn quá nóng do kết nối được thiết kế kém.

Bao vây và cách nhiệt

Một vỏ bọc phải cân bằng giữa bảo vệ và thải nhiệt. Lớp cách nhiệt quá mức có thể giữ nhiệt trong thời tiết nóng, trong khi lớp cách nhiệt không đủ có thể khiến pin lạnh mất nhiệt quá nhanh.

Những cân nhắc quan trọng bao gồm:

• Độ dày của tường

• Độ dẫn nhiệt của vật liệu

• Chống cháy và va đập

• Bảo vệ IP

• Khả năng phục vụ

• Hành vi áp lực hoặc thông hơi

• Gắn kết liên lạc với máy bay

Cảm biến nhiệt độ

Một cảm biến duy nhất có thể không đại diện cho ô nóng nhất trong gói nhiều ô. Tùy thuộc vào kích thước gói hàng và hồ sơ rủi ro, một thiết kế có thể yêu cầu các cảm biến ở gần:

• Trung tâm của nhóm tế bào

• Các tab hiện tại cao

• Đầu nối

• Điện tử sinh nhiệt

• Khu vực có luồng không khí hạn chế

Vị trí cảm biến phải được xác minh trong quá trình thử nghiệm nhiệt, không chỉ được chọn từ mô hình CAD.

Quản lý nhiệt bằng ứng dụng Drone

máy bay không người lái FPV

Máy bay không người lái FPV thường trải qua những thay đổi nhanh chóng về nhu cầu hiện tại. Các ưu tiên về nhiệt bao gồm:

• Điện trở trong thấp

• Khả năng nổ dòng cao

• Đầu nối an toàn

• Giám sát trong chuyến bay tích cực

• Thời gian hồi chiêu vừa đủ giữa các chuyến bay

Một gói nhỏ gọn có thể có diện tích bề mặt hạn chế để tản nhiệt, do đó, cấu hình hiện tại và thời gian bay phải được đánh giá cùng nhau.

Máy bay không người lái nông nghiệp

Máy bay không người lái nông nghiệp thường mang tải trọng lớn và có thể bay lơ lửng trong thời gian dài. Họ yêu cầu chú ý đến:

• Dòng điện duy trì

• Luồng không khí của vỏ pin

• Điều kiện ngoài trời nóng bức

• Chu kỳ sạc thường xuyên

• Tiếp xúc với hóa chất hoặc độ ẩm

• Thay pin nhanh chóng

Máy bay không người lái công nghiệp và kiểm tra

Máy bay kiểm tra và lập bản đồ có thể hoạt động trong môi trường lạnh, nóng, bụi bặm hoặc ở độ cao lớn. Thiết kế nhiệt phải tính đến:

• Nhiệm vụ dài

• Cơ hội hạ cánh hạn chế

• Tải trọng nhạy cảm

• Áp suất xung quanh thấp

• Thay đổi nhiệt độ theo mùa

• Đo từ xa và xử lý lỗi đáng tin cậy

Máy bay không người lái ở độ cao và thời tiết lạnh

Hệ thống thời tiết lạnh được hưởng lợi từ:

• Làm nóng trước có kiểm soát

• Lựa chọn tế bào nhiệt độ thấp

• Giới hạn công suất dựa trên nhiệt độ

• Vỏ cách nhiệt nhưng cân bằng nhiệt

• Cài đặt dự trữ bảo thủ

• Xác nhận khởi động nguội

Kế hoạch xác nhận nhiệt thực tế

Quản lý nhiệt phải được xác nhận bằng tải phần cứng và nhiệm vụ đại diện.

Ghi lại cả nhiệt độ tối đa và tốc độ thay đổi nhiệt độ. Pin đạt đến nhiệt độ vừa phải rất nhanh có thể cần được chú ý nhiều hơn so với pin đạt đến cùng nhiệt độ dần dần.

Việc kiểm tra cũng nên bao gồm các kết hợp trong trường hợp xấu nhất, chẳng hạn như:

• Nhiệt độ môi trường cao cộng với tải trọng tối đa

• Pin ngâm lạnh cộng với khả năng leo dốc ngay lập tức

• Luồng khí thấp cộng với di chuột liên tục

• Trạng thái sạc cao cộng với ánh sáng mặt trời trực tiếp

• Nhiệm vụ lặp đi lặp lại với thời gian hồi chiêu ngắn

Những lỗi quản lý nhiệt phổ biến

Sử dụng nhiệt độ môi trường làm tham chiếu duy nhất

Nhiệt độ pin bên trong vỏ có thể khác biệt đáng kể so với báo cáo thời tiết. Đo gói trực tiếp.

Chỉ thử nghiệm ở dòng điện danh định

Dòng điện cực đại, các xung lặp lại và thời gian di chuột dài có thể tạo ra hiện tượng gia nhiệt rất khác nhau.

Bỏ qua nhiệt độ sạc

Một gói có thể sống sót sau một chuyến bay nhưng bị hỏng do sạc ngoài phạm vi cho phép.

Đặt cảm biến ở vị trí thoáng mát

Cảm biến gần đường dẫn khí có thể báo cáo nhiệt độ thấp hơn của tế bào hoặc đầu nối nóng nhất.

Coi tất cả các loại pin lithium là tương đương

Các chất hóa học và cấu trúc tế bào khác nhau có đặc tính điện trở, công suất và nhiệt độ khác nhau.

Thêm vật liệu cách nhiệt mà không cần phân tích nhiệt

Vật liệu cách nhiệt có thể giúp hoạt động trong thời tiết lạnh nhưng giữ nhiệt trong các nhiệm vụ trong thời tiết nóng.

Chỉ dựa vào BMS

BMS là lớp bảo vệ quan trọng, nhưng nó không thể bù đắp cho việc lựa chọn tế bào không phù hợp, đường dẫn nhiệt kém hoặc vỏ máy bay không phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

Nhiệt độ pin máy bay không người lái lý tưởng là bao nhiêu?

Không có nhiệt độ lý tưởng duy nhất cho mỗi pin. Phạm vi hoạt động và sạc chính xác phụ thuộc vào thành phần hóa học của pin, thiết kế bao bì và thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.

Thời tiết lạnh có làm giảm thời gian bay của drone không?

Đúng. Điều kiện lạnh có thể làm tăng điện trở trong, giảm nguồn điện khả dụng và khiến pin đạt đến giới hạn điện áp sớm hơn. Làm nóng trước và chọn pin nhiệt độ thấp phù hợp có thể giúp ích.

Tôi có thể sạc pin máy bay không người lái lạnh không?

Chỉ khi pin nằm trong phạm vi sạc được phê duyệt. Pin lạnh phải được làm ấm một cách có kiểm soát trước khi sạc.

Tại sao pin máy bay không người lái của tôi bị nóng khi di chuột?

Di chuột đòi hỏi công suất động cơ liên tục trong khi cung cấp khả năng làm mát chuyển động về phía trước tương đối hạn chế. Dòng điện cao, luồng không khí kém, máy bay bị quá tải hoặc các kết nối có điện trở cao có thể làm tăng nhiệt.

Có phải pin dung lượng cao hơn luôn tốt hơn cho hiệu suất nhiệt?

Không. Gói có dung lượng cao hơn có thể tăng thêm trọng lượng và tăng yêu cầu về năng lượng của máy bay. Hiệu suất nhiệt phụ thuộc vào công suất, nhu cầu hiện tại, điện trở, khả năng làm mát và hồ sơ nhiệm vụ hoàn chỉnh.

Xếp hạng C ảnh hưởng đến nhiệt độ pin như thế nào?

Pin hoạt động gần giới hạn xả thực tế có thể tạo ra nhiều nhiệt hơn, đặc biệt khi điện trở trong cao. Xếp hạng C phải được đánh giá cùng với dòng điện thực tế, công suất gói, thời lượng xung và khả năng làm mát.

Có nên dùng quạt làm mát pin drone?

Quạt có thể hữu ích trên một số máy bay, nhưng nó phải tương thích với các yêu cầu về vỏ bọc, bụi, nước và khí động học. Phần cứng làm mát phải được xác nhận trong điều kiện bay thực tế.

Quản lý nhiệt có thể cải thiện tuổi thọ pin?

Đúng. Hạn chế nhiệt độ quá cao, tránh sạc nguội và giảm căng thẳng nhiệt lặp đi lặp lại có thể hỗ trợ duy trì công suất và tuổi thọ vòng đời tốt hơn. Nó không thể loại bỏ sự lão hóa pin thông thường.

Tôi nên cung cấp thông tin gì khi yêu cầu pin máy bay không người lái tùy chỉnh?

Cung cấp điện áp máy bay, mục tiêu công suất, dòng điện liên tục và đỉnh, thời gian bay, tải trọng, kích thước, đầu nối, yêu cầu liên lạc, nhiệt độ vận hành, phương pháp sạc và hồ sơ nhiệm vụ dự kiến.

Phần kết luận

Quản lý nhiệt độ pin máy bay không người lái hiệu quả kết hợp hóa học pin, thiết kế điện, đóng gói cơ khí, cảm biến, kiểm soát phần mềm và kiểm tra môi trường.

Các hệ thống thời tiết nóng cần loại bỏ nhiệt hiệu quả và giảm tải dựa trên nhiệt độ. Hệ thống thời tiết lạnh cần làm nóng trước có kiểm soát, tế bào phù hợp và bảo vệ chống sạc lạnh. Cả hai điều kiện đều yêu cầu xác nhận bằng cách sử dụng hồ sơ hiện tại, tải trọng, vỏ bọc và nhiệm vụ bay thực tế.

ZERNE hỗ trợ phát triển pin dành riêng cho ứng dụng cho các hệ thống máy bay không người lái đòi hỏi khắt khe, bao gồm thiết kế pin lithium tùy chỉnh , giải pháp nhiệt độ thấp, giải pháp nhiệt độ cao và gói năng lượng cao chuyên dụng.

Để thảo luận về các yêu cầu của bạn, hãy liên hệ với nhóm kỹ thuật Pin ZERNE để biết các thông số kỹ thuật về điện, cơ khí và môi trường của bạn.