Дрон болон нисгэгчгүй нисэх онгоцны батерейны шинэчлэл
Дрон болон нисгэгчгүй нисэх онгоц (UAV)-ийн хөгжил сүүлийн жилүүдэд хурдацтай хурдацтай явагдаж байна. Дрон нь зөвхөн хобби тоглоом байхаа больж, олон салбарт чухал хэрэгсэл болсон: зураглал, судалгаа, дэд бүтцийн хяналт, нарийн хөдөө аж ахуй, ложистик, эрэн хайх, аврах ажиллагаа, тэр ч байтугай цэргийн хэрэглээ. Гэсэн хэдий ч камер, мэдрэгч, автомат жолоодлого, харилцаа холбооны салбарын дэвшлийн цаана дроны чадавхийн гол "хязгаар" болдог нэг бүрэлдэхүүн хэсэг байдаг: батерей. Нислэгийн тэсвэр тэвчээр, аюулгүй байдал, жин, даалгаврын найдвартай байдал нь ашигласан батерейны технологиос ихээхэн хамаардаг. Энэ нийтлэлд дрон болон нисгэгчгүй нисэх онгоцны гүйцэтгэлийг нэмэгдүүлж буй янз бүрийн батерейны шинэчлэл, түүнчлэн тулгарч буй бэрхшээлүүд болон ирээдүйн чиглэлүүдийн талаар авч үзэх болно.
Яагаад дроны инновацийн төвд батерей байдаг вэ?
Дронууд нь жинд маш мэдрэмтгий системүүд юм. Өргөх хүч үүсгэхийн тулд нэмэлт грамм бүрийг илүү их эрчим хүч зарцуулж "төлбөр төлөх" ёстой. Үүний үр дүнд дроны батерей нь хамгийн тохиромжтой нь өндөр эрчим хүчний нягтралтай (урт нислэгийн хувьд), өндөр гүйдэл дамжуулах чадвартай (хөөрөх, хурдан маневр хийх эсвэл ачаа зөөхөд), аюулгүй байдлыг хангаж, давтагдсан цэнэглэх циклийг тэсвэрлэх чадвартай. Нөгөөтэйгүүр, бодит хэрэглээ нь ихэвчлэн халуун, хэт хүйтэн зэрэг өргөн хүрээний температурт хурдан цэнэглэх, ажиллуулахыг шаарддаг.
Олон жилийн турш LiPo (Литийн полимер) батерей нь өндөр гүйдлийн багтаамжтай тул олон ротортой дронуудын хамгийн дуртай нь байсаар ирсэн. Гэсэн хэдий ч LiPo батерей нь бас болгоомжтой байхыг шаарддаг шинж чанартай байдаг: тэдгээр нь бие махбодийн гэмтэлд илүү өртөмтгий, "хийлэх" эрсдэлтэй бөгөөд сахилга баттай цэнэглэх, хадгалах журмыг шаарддаг. Батерейны шинэчлэл нь салбарын илүү хүчирхэг, аюулгүй батерейны эрэлтийг хангаж байна.
Батерейны химийн хувьсал: LiPo-оос илүү олон төрлийн литийн гэр бүл хүртэл
1. Өндөр энергитэй лити-ион (Li-ion)
Урт хугацааны нислэг шаарддаг даалгаврын хувьд зарим UAV платформууд LiPo-оос цилиндр эсүүдтэй (жишээлбэл, 18650 эсвэл 21700) эсвэл өндөр энергитэй уут эсүүд рүү шилжиж байна. Li-ion нь ерөнхийдөө "өндөр C" LiPo-оос өндөр энергийн нягтралтай тул хэт их гүйдэл шаарддаггүй тогтмол далавчтай эсвэл эрлийз VTOL онгоцонд тохиромжтой. Сорилтууд нь оргил гүйдлийн хүчин чадал болон дулааны менежмент юм - өндөр гүйдлийн хэрэгцээ шаардлагатай үед Li-ion-ийн гүйцэтгэл муудаж, дулаан хуримтлагдаж болзошгүй. Энэ чиглэлээрх шинэчлэлд өндөр хүчин чадалтай эсүүд сонгох, дотоод эсэргүүцлийг бууруулдаг савны загвар, илүү ухаалаг BMS (Батерейны удирдлагын систем) орно.
2. Аюулгүй байдал болон урт наслалтын хувьд LiFePO4 (LFP)
LFP химийн найрлага нь дулааны хувьд илүү тогтвортой бөгөөд урт хугацааны ашиглалтын хугацаатай гэдгээрээ алдартай. Хүний ойролцоо, үйлдвэрлэлийн бүсэд эсвэл өндөр цикл шаарддаг үйл ажиллагааны хэрэгцээнд (жишээлбэл, өдөрт олон удаа нисдэг үзлэгийн дрон) LFP нь сэтгэл татам сонголт юм. Сул тал нь энергийн нягтрал багатай тул ижил жинтэй үед нислэгийн хугацаа богиносдог. LFP-ийн инноваци нь энергийн нягтралыг нэмэгдүүлэх, багцын дизайныг сайжруулах, нийт жинг бууруулахын тулд системийг оновчтой болгоход чиглэгддэг.
3. Лити-хүхэр (Li-S) ба хатуу төлөв: ирээдүйн нэр дэвшигчид
Лити-хүхэр нь уламжлалт литийнхээс хамаагүй өндөр энергийн нягтралыг амлаж байна. Онолын хувьд Li-S нь 400 Вт.ц/кг-аас хэтэрч, дроны нислэгийн хугацааг мэдэгдэхүйц уртасгах боломжтой. Гэсэн хэдий ч Li-S нь хурдан задрал, хязгаарлагдмал мөчлөгийн ашиглалтын хугацаа, үр ашгийг бууруулдаг "шаттл эффект"-ийн асуудал зэрэг асуудлуудтай тулгарсаар байна. Үүний зэрэгцээ хатуу төлөвт батерей нь аюулгүй байдал, энергийн нягтралын хувьд маш их ирээдүйтэй байдаг, учир нь тэдгээр нь гоожиход илүү тэсвэртэй, дулааны алдагдлыг бууруулах боломжтой хатуу электролитуудыг ашигладаг. Хэдийгээр судалгаа, туршилтын загвар боловсруулалт их хийгдэж байгаа ч өртөг болон массын үйлдвэрлэлийн бэлэн байдал нь бэрхшээлтэй хэвээр байна.
Сав баглаа боодлын дизайны сайжруулалт: энэ нь зөвхөн эсийн тухай биш юм
Ихэнхдээ хамгийн том шинэчлэлүүд нь зөвхөн эсийн химийн найрлагад төдийгүй, уг төхөөрөмжийг хэрхэн зохион бүтээсэнд оршдог. Дронуудад дулааны алдагдал багатайгаар эрчим хүчийг үр ашигтайгаар дамжуулах боломжтой батерей хэрэгтэй.
1. Ширээгүй загвар ба бага эсэргүүцэл
Зарим орчин үеийн эсийн загварууд нь тодорхой электродын бүтцээр дамжуулан дотоод эсэргүүцлийг бууруулдаг. Энэ нь гүйдлийн урсгалыг илүү тогтвортой болгож, дулааны үүсэлтийг бууруулж, дроссель нэмэгдсэн үед хүчдэлийн уналтыг бууруулдаг.
2. Илүү үр ашигтай холбогч болон кабель
Эрчим хүчний алдагдал нь холбогч, гагнуур болон кабельд ч бас тохиолддог. Дрон үйлдвэрлэл нь илүү аюулгүй, чичиргээнд тэсвэртэй, бага импеданстай холбогчийг хөгжүүлж байна. Энэ нь үр ашиг болон ажиллах температурт шууд нөлөөлдөг.
3. Нэгдсэн дулааны менежмент
Аж үйлдвэрийн болон цэргийн зориулалттай нисгэгчгүй онгоцнуудад идэвхгүй болон идэвхтэй хөргөлтийн системүүд улам бүр түгээмэл болж байна. Идэвхгүй хөргөлтөд радиатор, дулаан тараагч нийлмэл материал, нислэгийн үеэр агаарын урсгалыг ашигладаг агаарын урсгалын загварууд багтаж болно. Идэвхтэй хөргөлт нь нарийн төвөгтэй байдлыг нэмдэг ч эрчимтэй даалгаврын үеэр батерейны ажиллагааг хадгалах боломжтой.
Ухаалаг BMS: батерейнууд илүү "ухаалаг" болж байна
Хобби дронуудад батерейны багцууд нь ихэвчлэн "тэнэг" байдаг бөгөөд баялаг өгөгдөл дамжуулахгүйгээр зөвхөн эрчим хүчээр хангадаг. Мэргэжлийн нисгэгчгүй нисэх онгоцонд энэ хандлага өөрчлөгдөж байна. Ухаалаг BMS нь одоо аюулгүй байдал, үр ашгийн гол түлхүүр болсон.
– Эсийн бие даасан хяналт: эсийн хүчдэл, температур, гүйдлийг хэт цэнэг алдалт эсвэл хэт цэнэглэлтээс урьдчилан сэргийлэхийн тулд бодит цаг хугацаанд хянадаг.
– SoC болон SoH (Ажиллагааны байдал/Эрүүл мэндийн байдал)-ын тооцоолол: нисгэгчид эсвэл автомат жолоодлоготой хүмүүст зөвхөн хүчдэл дээр үндэслэн бус, үлдсэн нислэгийн хугацааг илүү нарийвчлалтай урьдчилан таамаглахад тусалдаг.
– Хамгаалалт ба эвдрэлээс хамгаалах: хэвийн бус нөхцөл байдал үүссэн үед батерей нь гүйдлийг таслах эсвэл нислэгийн удирдлагын системд эрт анхааруулга илгээх боломжтой.
– Өгөгдөл дамжуулах: зарим багцууд нь харилцаа холбооны протоколуудыг дэмждэг тул нислэгийн хянагч нь тэжээлийн профайлыг тохируулах, өндөр температурт хурдны хайрцгийг хязгаарлах эсвэл илүү ухаалаг буцах горимыг төлөвлөх боломжтой.
BMS-ийн инноваци нь бодит хэрэглээний хэв маягт үндэслэн хүчин чадлын доройтлыг загварчлахын тулд өгөгдөлд суурилсан урьдчилан таамаглах алгоритмууд, тэр ч байтугай машин сургалтыг ашиглах чиглэлд улам бүр шилжиж байна.
Хурдан цэнэглэлт болон эрчим хүчний дэд бүтэц
Нислэгийн үргэлжлэх хугацаа урт байх нь хамгийн тохиромжтой боловч хээрийн нөхцөлд эргэлтийн хурд нь ихэвчлэн шаардлагатай байдаг. Тиймээс түлшний шинэчлэл маш чухал юм.
– Аюулгүй хурдан цэнэглэлт: хурдан цэнэглэхдээ муудалтыг хурдасгахгүйн тулд температур болон гүйдлийн хязгаарт анхаарлаа хандуулах хэрэгтэй.
– Олон багцтай ухаалаг цэнэглэгч: ялангуяа арилжааны үйл ажиллагаанд зориулж эсүүдийг тэнцвэржүүлэх, BMS өгөгдлийг унших, цэнэглэх хуваарь гаргах чадвартай цэнэглэх систем нь маш их хэрэгцээтэй байдаг.
– Батерей солих систем: Зарим ложистикийн шийдлүүд болон дрон суурилуулах станцууд нь автомат батерей солих механизмыг ашигладаг. Энэ нь зогсолтын хугацааг багасгаж, хагас тасралтгүй ажиллах боломжийг нээж өгдөг.
– Сэргээгдэх эрчим хүчний интеграци: алслагдсан бүс нутагт нарны хавтан дээр суурилсан эсвэл эрлийз генератор дээр суурилсан цэнэглэх системийг ашиглаж эхэлж байгаа ч хүчин чадал, хурд нь бэрхшээлтэй хэвээр байна.
Аюулгүй байдал: эрсдэлд оруулж болохгүй тал
Лити батерейны гал түймэр нь ноцтой эрсдэл юм. Дроныг ихэвчлэн чухал байгууламж эсвэл олон нийтийн газрын ойролцоо ашигладаг тул үйл ажиллагааны зөвшөөрөл болон олон нийтийн хүлээн зөвшөөрөлтөд аюулгүй байдлын шинэчлэл чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
Зарим улам бүр түгээмэл болж буй аргууд:
– Гэмтсэн тохиолдолд цохилтыг багасгахын тулд илүү бат бөх бүрхүүл болон галд тэсвэртэй материал.
- Дулааныг хурдан илрүүлэх олон цэгийн температур мэдрэгч.
– Нэг хэсгийн эвдрэл нь шууд бүрэн эвдрэлд хүргэхгүй байхаар модульчлагдсан багцын дизайн.
– Галд тэсвэртэй уут ашиглах, тээвэрлэлтийн тусгай стандартыг багтаасан илүү боловсронгуй хадгалалт, тээвэрлэлтийн журам.
Аж үйлдвэрийн нисгэгчгүй нисэх онгоцнуудад батерейны аюулгүй байдлын гэрчилгээ, баримтжуулалтын стандартууд мөн хөгжиж байгаа нь үйлдвэрлэгчдийг найдвартай байдлын туршилт, мөчлөг, ашиглалтын хязгаарлалтын талаар илүү ил тод байхыг уриалж байна.
Дрон хэрэглээнд батерейны инновацийн нөлөө
Батерейны шинэчлэлүүд дроныг хэрхэн ашиглахад бодит нөлөө үзүүлж байна:
– Газрын зураглал ба судалгаа: нислэгийн хугацаа урт байх нь нэг удаагийн нислэгийн хамрах хүрээг илүү өргөн болгоно гэсэн үг юм.
– Цахилгааны сүлжээ болон хоолойн үзлэг: савлагааны найдвартай байдал болон үлдэгдэл энергийн урьдчилсан тооцоо нь аюултай бүсэд ослын буулт хийх эрсдэлийг бууруулдаг.
– Ачаа тээвэрлэлт: ачаатай хөөрөхөд өндөр эрчим хүчний нягтрал, аюулгүй байдал, урсгалын чадварыг хослуулан шаарддаг.
– Нарийвчлалтай хөдөө аж ахуй: шүршигч дрон нь өндөр хүчин чадалтай, циклд тэсвэртэй батерейны систем шаарддаг тул химийн болон савлагааны дизайныг сонгох нь маш чухал юм.
Ирээдүйн чиглэл
Цаашид дрон батерейны инноваци нь гурван үндсэн замаар явах төлөвтэй байна. Нэгдүгээрт, Li-S буюу хатуу төлөвт батерей зэрэг шинэ химийн бодисуудаар дамжуулан эрчим хүчний нягтралыг нэмэгдүүлэх. Хоёрдугаарт, улам бүр ухаалаг BMS болон илүү халуунд тэсвэртэй, бат бөх савлагааны загваруудаар дамжуулан аюулгүй байдал, ашиглалтын хугацааг сайжруулах. Гуравдугаарт, батерейны стандарт, залгах систем, автомат солихоос эхлээд үр ашигтай цэнэглэх дэд бүтэц хүртэл үйл ажиллагааны экосистемийг бэхжүүлэх.
Эцсийн эцэст, батерей нь зөвхөн эрчим хүчний эх үүсвэр биш, харин дроны дизайны "стратегийн хөдөлгөгч хүч" юм: хэр хол нисч чадах, хэр аюулгүй ажиллаж байгаа, даалгавруудыг хэр үр дүнтэй дэмждэг. Цаашдын шинэчлэл хийгдснээр дроны сонгодог хязгаарлалтууд болох нислэгийн хугацаа болон батерейны эрсдэл аажмаар өөрчлөгдөж, ирээдүйд илүү өргөн хүрээтэй, илүү найдвартай нисгэгчгүй нисэх онгоцнуудын боломжийг нээх болно.
