1. Ülevaade droonidest, akude tähtsusest ja selle artikli ulatusest
Droonid on kiiresti arenenud nišitooteist tarbeelektroonikast oluliseks tööriistaks mitmes erinevas tööstusharus, sealhulgas fotograafias, põllumajanduses, mõõdistustes, infrastruktuuri kontrollis, avalikus korrakaitses ja logistikas. Kui drooniplatvormid muutuvad järjest võimsamaks ja missiooninõuded tõusevad, kasvavad ka ootused lendueelse suhtes. Kas tegemist onki kõrge kiirusega FPV-ralliga või mitme tunni kestvate uuringute missiooniga – drooni üldine toimivus on alusel piiratud ühe keskse komponendiga: aku.
Aku määrab drooni lennuaegu, lastikandevõime, manööverduspiiranguid ja missiooni eduka lõpetamise usaldusväärsust. Akuvahetus mõjutab mitte ainult lennuaega, vaid ka operatsioonijulgeolekut, elutsükli kulusid ja hooldusvajadusi.
See artikkel pakub süstemaatilist ülevaadet dronide aku tehnoloogiast, selgitades droniaku mõistet, levinud keemilisi süsteeme, sõna „kõige pikem lendamisaeg“ tegelikku tähendust dronide kontekstis, dronide akude tegelikku kasutusiga ja lendamisaja mõjutavaid peamisi tegureid. Artiklis tutvustatakse lihtsaid meetodeid lendamisaja arvutamiseks ning käsitletakse dronide rakendusi, milles on eriti kõrged vastupidavusnõuded.
2. Mis on droniaku?
2.1 Määratlus ja funktsioon
Droniaku on taasklaasitav energiasalvestusseade, mille on eriti disainitud toitmaks droni kõiki pardal asuvaid elektroonsüsteeme. Sellised süsteemid hõlmavad tavaliselt propulsiomootoreid, elektroonilisi kiirusekontrollureid (ESCs), lendukontrollureid, navigatsioonimooduleid, näiteks GPS-i, sideühendusi ning missioonikoormaid, nagu kaamerateid, LiDAR-andureid või mõõdetehnilist varustust.
Drone'i akud peavad täitma kahte rangelt nõuet korraga, erinevalt nutitelefonide või sülearvutite akudest: esiteks piisava energiahulga salvestamine, et tagada mõistlik lendamisaeg; ja teiseks suutlikkus koheselt ja korduvalt anda kõrget voolutugevust, eriti stardil, tõusul, kiirel kiirendusel ja hädaolukorras manööverdades. See topeltvajadus suure energiatiheduse ja suure võimsusväljundi järele muudab drone'i aku disaini äärmiselt keeruliseks.
2.2 Tavalised keemilised süsteemid (liitium polümeer, liitium ioon) ja kasutusjuhud
Liitium polümeerakud (Li-Po)
Liitium polümeerakud kasutavad elektrolüüdina polümeer- või geelilaadset ainet, mis on paigutatud pehmesse kujundisse. See struktuuriline lahendus annab neile kergekaalu ja mitmekujulise iseloomu, mis muudab neid väga atraktiivseks drone'ide puhul, kus kehtivad rangeid nõuded kaalu ja mõõtmete suhtes.
Liitium polümeerakud on tuntud oma ekstremaalsete laadimiskiirustega, mis jäävad tavaliselt vahemikku 25C kuni üle 100C, mis tähendab, et need suudavad oma mahutasule suhtes anda kõrgeid voolutugevusi. See omadus teeb neist ideaalse valiku droneide jaoks, kus on vaja tugevat hetkevoolu ja kiiret gassivastust.
Tüüpilised kasutusalad hõlmavad: FPV võidudrone, freestyle drone, ning mitmesilindrilisi platvorme, mis kannavad rasket koormat ja vajavad suurt lühiajalist võimsust.
Liitiumioonakud (Li-ion)
Liitiumioonakud kasutavad tavaliselt silindrilisi või prismalisi elemente jäigas metallkotis. Nende disainil on eesmärgiks kõrgem energia tihedus ja pikem eluiga, mitte agressiivne vooluväljund.
Liitium polümeerakudega võrreldes pakuvad liitiumioonakud tavaliselt pikema lendamisaega laadimiskordade kohta ja parema tsüklieluiga, kuid nende maksimaalsed väljalülituskiirused on madalamad. Seetõttu sobivad nad kõige paremini rakendustele, kus võimsuse tarbimine on stabiilne, mitte agressiivsete manöövrite korral.
Liitiumioonakutud on tavaliselt leiduvad: suurelennul distantsjuhtimisega droonidel, fikseeritud tiibadega droonidel ja drooniplatvormidel, kus vastupidavus on põhiline nõue.
3. Mis on "kõige pikema tööiga" drooniakkuplokk?
3.1 Kaks tähendust sõnale "kõige pikema tööiga"
Fraas "kõige pikema tööiga drooniakkuplokk" on kahes erinevas tähenduses kasutusel ja nende vaheline erinevus on oluline:
Üksiku lenduaja
Ühes tähenduses viitab sõna "kõige pikema tööiga" ajale, mida droon saab ühe laadimisega õhus olla. See sõltub peamiselt aku koguenergiamahest ja drooni energiatõhususest. Suurem energia tihedus (vatt-tundides kilogrammi kohta Wh/kg) annab tavaliselt pika lennuaja.
Selles mõõtmes võivad liitiumioonakud ja uued kõrgeenergilised keemilised akud sageli paremini toimida kui kõrge väljalülituskiirusega liitumpolümeeraku.
Tsükli eluiga
Teisel pool tähendab „kõige pikema elueaga“ akude kogu kasutusiga, mida mõõdetakse laadimis- ja tühistamistsüklite arvu järgi. Akud, millel on pikem tsükliiga, saab enne olulise mahutavuse langemist rohkem kordi laadida ja kasutada.
Liitiumioonakud on tavaliselt pikema tsükliigaga kui liitiumpolümeerakud, eriti siis, kui neid kasutatakse mõõdukatel koormustingimustel. 3.2 Tüüpiline suure mahutavusega vahemik (10 000–30 000 mAh)
Professionaalsed ja tööstuslikud droonid kasutavad tavaliselt suure mahutavusega aku komplekte, et saavutada pikem lendamisaeg. Levinud mahuvahemikud hõlmavad:
Kompaktsete professionaalsete droonide puhul: 10 000–12 000 milliamper-tundi (mAh)
Mõõdistus- ja põllumajandusdroonide puhul: 16 000–22 000 milliamper-tundi (mAh)
Rasketööstuslikud või pika vastupidavusega platvormid: 28 000–30 000 milliamper-tundi (mAh) või isegi rohkem
Suurem mahutavus tähendab rohkem salvestatud energiat, kuid see suurendab ka kaalu, mis võib vähendada drooni tõhusust. Seetõttu on lendamisaja maksimeerimiseks oluline leida optimaalne tasakaal mahutavuse ja kaalu vahel.
3.3 Uustulnud keemilised süsteemid (tahkeolekulised nikli-mangani-kobaltiliitiumi akud jne)
Tänu uutele akutehnoloogiatele arendatakse pidevalt alternatiive traditsiooniliste liitium polümeer- ja liitiumioonakude piirangute ületamiseks. Pooltahked ja tahkeolekulised liitiumakud püüavad parandada energiatihedust, soojuslikku stabiilsust ja ohutust.
Näiteks kasutavad tahkeolekulised nikli-mangani-kobaltiliitiumi (NMC) akud vedelat elektrolüüti enamiku asendamiseks tahkeid või pooltahkeid materjale. Need akud on eriti kõrge väärtusega tööstusdroonide operatsioonide jaoks väga lubava pika tööaja ja ohutuse poolest, kuid hetkel seisavad nad silmitsi veel probleemidega hinnaga ja massitootmisega.
4. Kui kaua droonide akud tegelikult kestavad?
4.1 Lennuaeg (tarbijad, professionaalid, tööstus)
Lennuaeg varieerub oluliselt sõltuvalt dronist ja selle konstruktsioonist:
Tarbijadronid: Tavaliselt lendavad 20–40 minutit
Professionaalsed õhufotode ja ettevõtete dronid: Tavaliselt jõuavad 40–55 minutini
Tööstuslikud fikseeritud tiibadega dronid: Võivad lennata 1–3 tundi
Hübriidsete vertikaalse stardiga ja maandumisega (VTOL) dronide ja eriliste pika tööajaga dronide puhul: Võivad olla õhus mitu tundi
Ülaltoodud andmed põhinevad ideaalsetel tingimustel ja korralikel aku seisundil. Tegelik lennuaeg on oluliselt mõjutatud välisteguritest, nagu tuul, temperatuur ja last.
Aku eluiga mõõdetakse tavaliselt tsüklites, kus üks tsükkel tähendab täielikku laadimist ja täielikku tühjendamist:
Liitium polümeer akud: Tavaliselt on nende eluiga 150–300 tsüklit; sagedane kõrge voolutugevusega tühjendamine kiirendab vananemist.
Liitiumioonakud: Mõõdukatel koormustel on eluiga tavaliselt 300–600 tsüklit või rohkem.
Mõlemate akukemiate tsüklieluiga lüheneb oluliselt agressiivse lennuga, sügava laadimise ja kõrgete temperatuuride korral.
4.3 Parimad tavade akude haldamisel
Akude eluea ja toimivuse maksimeerimiseks peaksid kasutajad järgima järgmisi parimaid tavasid:
● Ärge laadige soovitatud pinge üle.
● Vältige laadimist allpool turvalist läve.
● Hoidke aku pikema eiramise ajal osaliselt laetuna.
● Laske akul enne laadimist jaheneda toatemperatuurini.
● Kasutage mitmekesiste aku komplektide tasakaalustatud laadimiseks eraldi laadijat.
õige akude haldamine pikendab mitte ainult eluiga, vaid suurendab ka ohutust.
5. Droni lendamisaja mõjutavad tegurid
5.1 Akupael
Akupael määrab lennul saadaoleva koguenergia, kuid akupaeli suurendamine suurendab ka kaalu, mis võib vähendada tõhusust. Mõlema vahel optimaalse tasakaalu leidmine on oluline lendamisaja maksimeerimiseks.
5.4 Lennuk/koorma kaal
Raskem lennuk ja koormus nõuavad suuremat tõukejõudu, suurendades seega võimsuse tarbimist. Kergekaalulised materjalid, tõhusate mootorite valik ja aerodünaamilise kujunduse optimeerimine aitavad kõik kaasa lendamisaja pikendamisele.
5.3 Keskkonnamõjud
Keskkonnamõjud, nagu tuul, õhutihedus, kõrgus ja temperatuur, mõjutavad otseselt vajalikku võimsust. Madalad temperatuurid vähendavad aku jõudlust, samas kui kõrged temperatuurid kiirendavad aku vananemist.
5.4 Lendamisstiil (kiirus, manööverdus)
Aggressiivsed lendustiilid, nagu kiire kiirendus, teravad pöörded ning sagedased tõusud ja laskumised, tarbivad rohkem energiat kui siledad, konstantse kiirusega lennud. Lendude optimeerimine ja mõõduka kiiruse hoidmine võib tõhusalt parandada lendamise aega.
5.5 Akupanga seisukord ja propulssüsteemi tõhusus
Kui akud vananevad, suureneb nende sisemine takistus ja saadaval olev võimsus väheneb. Ka mootori tõhusus, elektroonilise kiiruse regulaatori (ESC) kvaliteet ja propelleri disain mõjutavad oluliselt üldist energiatõhusust.
6. Kuidas arvutada dronni lendamise aega?
6.1 Mahtuvuse ja voolutugevuse arvutusvalem (T = C / I)
Lihtne valem lendamise aja hinnanguliseks arvutamiseks on:
Lendamisaeg (tunnid) = Akupanga mahtuvus (amper-tunnid, Ah) ÷ Keskmise voolutarbimine (amperites, A)
Näide: Dronn kasutab 20 amper-tunni (Ah) akupanki ja selle keskmine voolutarbimine on 25 amprit (A). Hinnanguline lendamisaeg on 0,8 tundi (umbes 48 minutit).
6.2 Tegelikud keskkonnamuutujad
Ülaltoodud arvutus on ainult ligikaudne. Tegelik lenduaeg sõltub teguritest, nagu vooluhüpped, pinge langus, keskkonnamõjud ja aku vananemine, ning on tavaliselt 10–20% madalam kui teoreetiline hinnang.
7. Millised droonirakendused nõuavad kõige pikemat lenduaja?
7.1 Ülevaatamine ja kaardistamine
Suure areaali ülevaatamistööd saavad suurelt kasu pikemast lenduajast, vähendades startide ja maandumiste arvu ning parandades andmete pidevust.
7.2 Põllumajandus
Täpispõllumajanduses võimaldab pikem lenduaeg droonidel tõhusamalt katsetada suuremat põllumaad, et jälgida saaki, toksedetada ja analüüsida.
7.3 Otsing ja päästmine
Pikad lenduajad on otsingu- ja päästemeetmetes olulised; lendamise kestus ja katabrus mõjutavad otseselt päästmise tõhusust.
7.4 Keskkonnaseire
Ülesanded, nagu loomade liikumise jälgimine, saastekontroll ja ökoloogiline uuring, nõuavad sageli mitme tunni pikkusi pidevaid lendusid.
7.5 Infrastruktuuri kontroll
Pikkade lendudega droonide kasutamine elektriliinide, torujuhtede ja transpordiinfrastruktuuri kontrollimisel suurendab oluliselt tõhusust.
7.6 Logistika/Edastamine
Edastusdroonide puhul tähendab pikem lendamisaeg suuremat edastusraadius, suuremat lastivõimet ja vähem aku vahetamisi, mis kõik parandavad operatsioonilist tõhusust.
Kohustuslik väljaandmine
Aku tehnoloogial on otsustav roll kaasaegsete droonide jõudluses ja praktilisuses. Erinevate akukeemiate, lendamisaja mõjutavaid tegureid ja „kõige pikema lendamisaja“ tegelikku tähendust mõistmine aitab droonide disaineritel ja kasutajatel langetada paremaid otsuseid.
Kuigi liitiumpolümeerakud jäävad siiski kõrge võimsusega rakenduste põhivalikuks, lükkavad liitiumioonakud ja tekkivad tahke elektrolüüdiga akutehnoloogiad pidevalt vastupidavuse piire. Akutehnoloogia edusammudega saavad droonid üha laialdasemates tööstusharudes täita pikemaid, ohutumaid ja tõhusamaid ülesandeid.
Kirjeldus: Kõige pikem tööaeg on olemas fikseeritud tiibade ja hübridsed VTOL-droonidel, mitte mitmepukse droonidel. Pikatööajaga fikseeritud tiibade tööstusplatvormid suudavad lennata mitu tundi, samas kui rekordklassi hübriddroonid jõuavad kuni 10 tundini. Tarbijadroonid on tavaliselt piiratud alla tunni kohta aku kohta.
EN
