1. Обзор дронов, важность аккумуляторов и сфера применения данной статьи
Дроны стремительно эволюционировали из нишевых потребительских электронных устройств в критически важные инструменты для различных отраслей, включая фотографию, сельское хозяйство, геодезию, инспекцию инфраструктуры, общественную безопасность и логистику. По мере того как платформы дронов становятся всё более мощными, а требования к миссиям возрастают, растут и ожидания относительно продолжительности полета. Независимо от того, предназначен ли дрон для скоростных гонок FPV или для многочасовых задач по картографированию, его общая производительность принципиально ограничена одним ключевым компонентом — аккумулятором.
Аккумулятор определяет продолжительность полета дрона, грузоподъемность, пределы маневренности и надежность выполнения миссии. Выбор аккумулятора влияет не только на время полета, но и на эксплуатационную безопасность, стоимость жизненного цикла и требования к техническому обслуживанию.
В этой статье представлен систематический обзор технологий аккумуляторов для дронов, объясняется определение аккумулятора для дрона, распространённые химические системы, истинное значение термина «наибольшее время полёта» в контексте дронов, реальный срок службы аккумуляторов для дронов и ключевые факторы, влияющие на время полёта. Также приведены простые методы расчёта времени полёта и рассмотрены применения дронов, требующие чрезвычайно высокой выносливости.
2. Что такое аккумулятор для дрона?
2.1 Определение и функция
Аккумулятор для дрона — это перезаряжаемое устройство для хранения энергии, специально разработанное для питания всех бортовых электронных систем дрона. К таким системам обычно относятся двигатели привода, электронные регуляторы скорости (ESCs), контроллеры полёта, навигационные модули, такие как GPS, каналы связи и полезные нагрузки, например камеры, датчики LiDAR или оборудование для съёмки.
В отличие от аккумуляторов, используемых в смартфонах или ноутбуках, аккумуляторы для дронов должны одновременно соответствовать двум жестким требованиям: во-первых, хранить достаточное количество энергии для обеспечения значимого времени полета; во-вторых, быть способными мгновенно и многократно отдавать высокий ток, особенно при взлете, наборе высоты, резком ускорении и аварийных маневрах. Двойное требование высокой плотности энергии и высокой мощности делает разработку аккумуляторов для дронов чрезвычайно сложной.
2.2 Распространенные химические системы (литий-полимерные, литий-ионные) и сценарии применения
Литий-полимерные аккумуляторы (Li-Po)
Литий-полимерные аккумуляторы используют полимерный или гелеобразный электролит, помещенный в гибкую упаковку. Эта конструкция обеспечивает легкий вес и возможность различных форм, что делает их особенно привлекательными для дронов, где предъявляются строгие требования к массе и габаритам.
Батареи из литий-полимера известны своими сверхвысокими токами разряда, как правило, в диапазоне от 25C до более чем 100C, что означает способность выдавать высокие токи относительно их ёмкости. Эта особенность делает их идеальными для дронов, требующих большой мгновенной мощности и быстрой реакции на изменение газа.
Типичные применения включают: дроны для гонок FPV, дроны для фристайла, а также многокоптерные платформы, несущие тяжёлые грузы и требующие высокой импульсной мощности.
Литий-ионные батареи (Li-ion)
Литий-ионные батареи, как правило, используют цилиндрические или призматические элементы с жёстким металлическим корпусом. Их конструкция ориентирована на более высокую плотность энергии и более длительный срок службы, а не на экстремальные токи.
По сравнению с литий-полимерными батареями, литий-ионные батареи, как правило, обеспечивают более длительное время полёта на одном заряде и лучший ресурс циклов, но имеют более низкие максимальные токи разряда. Поэтому они наиболее подходят для применений с устойчивым энергопотреблением, а не для агрессивных манёвров.
Батареи на основе литий-ионных технологий обычно используются в дронах с увеличенной дальностью полета, дронах с фиксированным крылом и платформах, где продолжительность работы является ключевым требованием.
3. Какая батарея для дрона является «самой долговечной»?
3.1 Два значения термина «самая долговечная»
Фраза «самая долговечная батарея для дрона» может трактоваться по-разному, и различие между этими трактовками имеет важное значение:
Время полета за один заряд
В одном из значений термин «самая долговечная» относится к продолжительности времени, в течение которого дрон может оставаться в воздухе на одном заряде. Это в первую очередь зависит от общей ёмкости аккумулятора и энергоэффективности дрона. Более высокая плотность энергии (в ватт-часах на килограмм, Вт·ч/кг) обычно обеспечивает более длительное время полета.
В этом аспекте литий-ионные батареи и новые батареи с высокой энергоёмкостью часто превосходят литий-полимерные батареи с высоким током разряда.
Цикл жизни
В другом смысле термин «наиболее долговечный» относится к общему сроку службы самой батареи, измеряемому в циклах зарядки-разрядки. Батареи с более длительным циклом жизни могут заряжаться и использоваться большее количество раз до значительного снижения ёмкости.
Батареи на основе литий-ионных технологий, как правило, имеют более длительный цикл жизни по сравнению с литий-полимерными батареями, особенно при использовании в условиях умеренной нагрузки. 3.2 Типичный диапазон высокой ёмкости (10 000–30 000 мА·ч)
Профессиональные и промышленные дроны обычно используют батарейные блоки повышенной ёмкости для увеличения времени полёта. К типичным диапазонам ёмкости относятся:
Компактные профессиональные дроны: 10 000–12 000 миллиампер-часов (мА·ч)
Дроны для съёмки и сельскохозяйственные дроны: 16 000–22 000 миллиампер-часов (мА·ч)
Тяжелые или долговременные платформы: 28 000–30 000 миллиампер-часов (мА·ч) и выше
Хотя более высокая ёмкость означает больше запасённой энергии, она также увеличивает вес, что может снизить эффективность дрона. Поэтому крайне важно найти оптимальный баланс между ёмкостью и весом для максимального увеличения времени полёта.
3.3 Перспективные химические системы (батареи на основе твёрдого электролита с никелем, марганцем и кобальтом и др.)
Чтобы преодолеть ограничения традиционных литий-полимерных и литий-ионных аккумуляторов, постоянно разрабатываются новые технологии аккумуляторов. Полутвёрдые и твёрдотельные литиевые батареи направлены на повышение плотности энергии, тепловой стабильности и безопасности.
Например, твёрдотельные батареи на основе никеля, марганца и кобальта (NMC) используют твёрдые или полутвёрдые материалы вместо большей части жидкого электролита. Эти батареи демонстрируют большой потенциал с точки зрения продолжительного времени работы и безопасности, особенно для промышленных дронов с высокой стоимостью, хотя в настоящее время они по-прежнему сталкиваются с трудностями в отношении стоимости и массового производства.
4. Как долго действительно служат аккумуляторы для дронов?
4.1 Диапазон времени полета (потребительский, профессиональный, промышленный)
Время полета значительно варьируется в зависимости от типа и конструкции дрона:
Потребительские дроны: обычно летают 20–40 минут
Профессиональные дроны для аэросъемки и корпоративные дроны: обычно достигают 40–55 минут
Промышленные дроны с фиксированным крылом: могут летать от 1 до 3 часов
Гибридные дроны вертикального взлета и посадки (VTOL) и специализированные дроны длительного полета: могут оставаться в воздухе несколько часов
Приведенные выше данные основаны на идеальных условиях и исправном состоянии аккумулятора. Фактическое время полета значительно зависит от внешних факторов, таких как ветер, температура и полезная нагрузка. 4.2 Сравнение срока службы литий-полимерных и литий-ионных аккумуляторов
Срок службы аккумулятора обычно измеряется в циклах, где один цикл означает полную разрядку с последующей полной зарядкой:
Литий-полимерные аккумуляторы: обычно имеют срок службы 150–300 циклов; частые разряды при высоком токе ускоряют деградацию.
Литий-ионные аккумуляторы: при умеренной нагрузке срок службы обычно составляет 300–600 циклов и более.
Срок циклов обеих типов аккумуляторов значительно сокращается при агрессивном полёте, глубоком разряде и высоких температурах.
4.3 Рекомендованные методы управления аккумуляторами
Для максимального увеличения срока службы и производительности аккумуляторов пользователи должны соблюдать следующие рекомендации:
● Не заряжайте выше рекомендованного предела напряжения.
● Избегайте разрядки ниже безопасного порога.
● Храните аккумулятор с частичным зарядом при длительном простое.
● Дайте аккумулятору остыть до комнатной температуры перед зарядкой.
● Используйте специализированное зарядное устройство для сбалансированной зарядки многоклеточных аккумуляторных батарей.
правильное управление аккумулятором не только продлевает срок его службы, но и повышает безопасность.
5. Факторы, влияющие на время полета дрона
5.1 Емкость аккумулятора
Емкость аккумулятора определяет общий запас энергии для полета, но увеличение емкости также приводит к росту веса, что может снизить эффективность. Ключевым для максимального увеличения времени полета является нахождение оптимального баланса между этими двумя параметрами.
5.2 Вес воздушного судна / полезной нагрузки
Более тяжелые воздушные суда и полезная нагрузка требуют большей тяги, что увеличивает энергопотребление. Использование легких материалов, выбор эффективных двигателей и оптимизация аэродинамического дизайна способствуют увеличению времени полета.
5.3 Погодные условия
Погодные факторы, такие как ветер, плотность воздуха, высота и температура, напрямую влияют на энергопотребление. Низкие температуры снижают производительность аккумулятора, а высокие — ускоряют его деградацию.
5.4 Стиль полета (скорость, маневры)
Агрессивные стили полета, такие как резкое ускорение, крутые повороты и частые наборы и снижения высоты, потребляют больше энергии, чем плавный полет с постоянной скоростью. Оптимизация траектории полета и поддержание умеренной скорости могут эффективно увеличить время полета.
5.5 Состояние аккумулятора и эффективность пропульсивной системы
По мере старения аккумуляторов увеличивается их внутреннее сопротивление, а доступная емкость уменьшается. Эффективность двигателя, качество электронного регулятора скорости (ESC) и конструкция пропеллера также значительно влияют на общую энергоэффективность.
6. Как рассчитать время полета дрона?
6.1 Формула расчета по емкости и току (T = C / I)
Простая формула для оценки времени полета:
Время полета (в часах) = Емкость аккумулятора (в ампер-часах, А·ч) ÷ Среднее потребление тока (в амперах, А)
Пример: дрон использует аккумулятор емкостью 20 ампер-часов (А·ч) и имеет среднее потребление тока 25 ампер (А). Оценочное время полета составляет 0,8 часа (приблизительно 48 минут).
6.3 Реальные внешние переменные
Приведенный выше расчет является лишь приблизительным. Фактическое время полета зависит от таких факторов, как колебания тока, падение напряжения, условий окружающей среды и старения аккумулятора, и обычно на 10–20 % ниже теоретической оценки.
7. В каких приложениях дронов требуется наибольшее время полета?
7.1 Съемка и картографирование
Задачи съемки больших территорий значительно выигрывают от длительного времени полета, поскольку сокращается количество взлетов и посадок, а также улучшается непрерывность данных.
7.2 Сельское хозяйство
В точном земледелии более длительное время полета позволяет дронам эффективно охватывать большие площади сельхозугодий для мониторинга посевов, опрыскивания и анализа.
7.3 Поисково-спасательные операции
Длительное время полета имеет решающее значение для поисково-спасательных операций; продолжительность и зона полета напрямую влияют на эффективность спасательных работ.
7.4 Мониторинг окружающей среды
Такие задачи, как отслеживание дикой природы, выявление загрязнений и экологические исследования, зачастую требуют нескольких часов непрерывной поддержки полета.
7.5 Инспекция инфраструктуры
Использование дронов с длительным временем полета для инспекции линий электропередач, трубопроводов и транспортной инфраструктуры значительно повышает эффективность.
7.6 Логистика/доставка
Для дронов-доставщиков более длительное время полета означает больший радиус доставки, повышенную грузоподъемность и меньшее количество замен батарей, что в совокупности повышает эксплуатационную эффективность.
Заключение
Технология аккумуляторов играет решающую роль в производительности и практичности современных дронов. Понимание различий между химическими составами аккумуляторов, факторов, влияющих на время полета, и истинного значения термина «наибольшее время полета», помогает разработчикам и пользователям дронов принимать более обоснованные решения.
Хотя литий-полимерные аккумуляторы по-прежнему являются основным выбором для высокомощных применений, литий-ионные аккумуляторы и новые технологии твердотельных батарей постоянно расширяют пределы автономности. Благодаря достижениям в области технологий аккумуляторов дроны смогут выполнять более продолжительные, безопасные и эффективные задачи в постоянно расширяющемся спектре отраслей.
Описание： Наибольшее время автономной работы наблюдается у самолетов с фиксированным крылом и гибридных дронов вертикального взлета и посадки, а не у мультироторных дронов. Промышленные платформы, такие как долгоживущие беспилотные летательные аппараты с фиксированным крылом, могут находиться в полете несколько часов, тогда как рекордные гибридные дроны достигают до 10 часов. Потребительские дроны, как правило, ограничены менее чем одним часом работы от одного аккумулятора.
EN
