วิธีทำให้แบตเตอรี่โดรนใช้งานได้นานขึ้น

อายุการใช้งานแบตเตอรี่โดรนเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่สุดที่มีผลต่อประสิทธิภาพการบิน ต้นทุนการดำเนินงาน และประสบการณ์การใช้งานโดยรวม ไม่ว่าคุณจะบินโดรนสำหรับผู้บริโภคขนาดกะทัดรัดเพื่อถ่ายภาพ จัดการฝูงโดรนสำหรับการตรวจสอบทางอากาศเชิงมืออาชีพ หรือพัฒนาแพลตฟอร์มยูเอวีแบบยกของหนัก แบตเตอรี่ที่ใช้งานได้นานขึ้นหมายถึงเวลาในการบินที่มีประสิทธิผลมากขึ้น และการหยุดชะงักระหว่างการปฏิบัติงานบนพื้นดินน้อยลง

อย่างไรก็ตาม คำว่า “อายุการใช้งานแบตเตอรี่” อาจมีความหมายสองแบบที่ต่างกัน กล่าวคือ อาจหมายถึงจำนวนนาทีที่โดรนบินได้ต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง หรืออาจหมายถึงจำนวนครั้งที่แบตเตอรี่สามารถชาร์จซ้ำได้ก่อนที่ความจุและประสิทธิภาพจะลดลงอย่างสังเกตเห็นได้ การปรับปรุงทั้งสองด้านนี้จำเป็นต้องทำมากกว่าการติดตั้งแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ขึ้นเพียงอย่างเดียว ปัจจัยที่มีผล ได้แก่ องค์ประกอบทางเคมีของแบตเตอรี่ การออกแบบแพ็กแบตเตอรี่ คุณภาพของเซลล์แบตเตอรี่ น้ำหนักของอากาศยาน สภาพอากาศ นิสัยการชาร์จ และรูปแบบการบิน

บทความนี้อธิบายวิธีการวัดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของโดรน ระยะเวลาการบินที่ผู้ใช้ควรคาดหวัง ปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการใช้งานจริง และว่าทำไมเซลล์แบตเตอรี่ระดับพรีเมียมที่มีความหนาแน่นสูง เช่น เซลล์ลิเธียม-ไอออนแบบ 21700 จึงช่วยยืดระยะเวลาการบินและเพิ่มความทนทานของแบตเตอรี่ในระยะยาว

สองวิธีในการวัดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของโดรน

เมื่อพูดถึงแบตเตอรี่สำหรับโดรน จะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งหากแยกแยะระหว่างระยะเวลาการบินต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง กับจำนวนรอบการชาร์จที่แบตเตอรี่สามารถใช้งานได้ก่อนเสื่อมสภาพ ทั้งสองค่าสัมพันธ์กัน แต่แสดงด้านต่าง ๆ ของประสิทธิภาพแบตเตอรี่

ระยะเวลาการบินต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง

ระยะเวลาบินต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง คือ ตัวเลขที่ผู้ควบคุมโดรนส่วนใหญ่ให้ความสำคัญเป็นอันดับแรก ซึ่งวัดระยะเวลาที่อากาศยานสามารถลอยอยู่ในอากาศได้ก่อนที่แบตเตอรี่จะลดลงถึงระดับที่ปลอดภัยสำหรับการลงจอด

สำหรับโดรนถ่ายภาพระดับผู้บริโภค ระยะเวลาดังกล่าวอาจหมายถึงความแตกต่างระหว่างการบันทึกฉากทั้งหมดในเที่ยวบินเดียว กับการต้องลงจอดกลางทาง ส่วนสำหรับโดรนเชิงอุตสาหกรรม นาทีเพิ่มเติมเล็กน้อยอาจหมายถึงการสำรวจพื้นที่ได้กว้างขึ้นต่อเที่ยวบิน การตรวจสอบโครงสร้างพื้นฐานส่วนที่ใหญ่ขึ้น หรือลดจำนวนครั้งที่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่ระหว่างวันทำงาน

ผู้ผลิตมักโฆษณาเวลาบินสูงสุดภายใต้สภาวะที่ควบคุมอย่างเข้มงวด เช่น ไม่มีลม ไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ น้ำหนักบรรทุกต่ำสุด การบินแบบคงที่ และแบตเตอรี่ใหม่ล่าสุด แต่ผลลัพธ์ในโลกจริงมักต่ำกว่านั้น เนื่องจากผู้ควบคุมต้องเผชิญกับลม การบังคับทิศทาง ภาระงานของน้ำหนักบรรทุก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ตามอายุการใช้งาน

ระยะเวลาบินจริงโดยทั่วไปมีดังนี้:

โดรนระดับผู้บริโภค: ใช้งานได้จริงประมาณ 20 ถึง 40 นาที

รุ่นสำหรับผู้บริโภคและผู้ใช้งานระดับมืออาชีพที่โดดเด่น: ประมาณ 34 ถึง 51 นาที ในสภาวะที่เอื้ออำนวย

แพลตฟอร์มมัลติโรเตอร์ระดับมืออาชีพ: ประมาณ 40 ถึง 50 นาที ขึ้นอยู่กับน้ำหนักบรรทุกและสภาวะการปฏิบัติงาน

อากาศยานไร้คนขับแบบปีกคงที่: สูงสุดสองชั่วโมงหรือมากกว่านั้น เนื่องจากการบินไปข้างหน้าโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงกว่าการลอยตัวนิ่ง

โดรนแบบมัลติโรเตอร์ใช้พลังงานจำนวนมาก เพราะมอเตอร์ต้องสร้างแรงยกอย่างต่อเนื่องเพื่อรองรับน้ำหนักทั้งหมดของอากาศยาน ในทางกลับกัน โดรนแบบปีกคงที่ใช้แรงยกที่เกิดจากปีกเมื่อบินไปข้างหน้า ซึ่งสามารถลดความต้องการพลังงานลงได้อย่างมากในระหว่างการบินแบบครูซ

อายุการใช้งานของวงจรการชาร์จ

อายุการใช้งานของวงจรการชาร์จ วัดจำนวนรอบการชาร์จซ้ำที่แบตเตอรี่สามารถทำได้ก่อนที่ความจุที่ใช้งานได้จะลดลงต่ำกว่าระดับที่ยอมรับได้ แบตเตอรี่ไม่หยุดทำงานทันทีหลังจากผ่านจำนวนรอบหนึ่งๆ แต่จะสูญเสียความจุอย่างค่อยเป็นค่อยไป เพิ่มความต้านทานภายในมากขึ้น มีแรงดันตกต่ำลงมากขึ้นภายใต้ภาระงาน และอาจมีความน่าเชื่อถือลดลงเมื่อใช้งานในสภาพอากาศเย็นหรือในการบินที่ต้องการพลังงานสูง

สำหรับผู้ปฏิบัติงานโดรน อายุการใช้งานของวงจรส่งผลต่อทั้งความปลอดภัยและต้นทุน แบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าจะต้องเปลี่ยนน้อยลง และสามารถรักษาประสิทธิภาพการบินที่สม่ำเสมอมากขึ้นตามระยะเวลา ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อฝูงบินเชิงพาณิชย์ ที่อาจมีการใช้งานแบตเตอรี่หลายสิบหรือหลายร้อยชุดอย่างสม่ำเสมอ

การใช้งานหนึ่งรอบ («ไซเคิล») ไม่จำเป็นต้องหมายถึงการชาร์จแบตเตอรี่จาก 0% ถึง 100% เสมอไป ตัวอย่างเช่น การใช้พลังงานแบตเตอรี่ 50% ในวันหนึ่ง และอีก 50% ในอีกวันถัดไป จะเทียบเท่ากับการใช้งานหนึ่งรอบเต็มโดยประมาณ ในทางปฏิบัติ การชาร์จและคายประจุแบบตื้นๆ มักสร้างความเครียดให้แบตเตอรี่น้อยกว่าการชาร์จและคายประจุแบบเต็มความลึกซ้ำๆ

ดังนั้น เป้าหมายจึงมีสองประการ:

เพิ่มจำนวนนาทีการบินที่ปลอดภัยและใช้งานได้จริงต่อการชาร์จแต่ละครั้งให้มากที่สุด

รักษาความจุของแบตเตอรี่และความสามารถในการจ่ายกำลังไว้ให้นานที่สุดเท่าที่จะทำได้ แม้ผ่านจำนวนรอบการใช้งานหลายรอบ

การประมาณเวลาบินของโดรน

วิธีง่ายๆ ในการประมาณเวลาบินเชิงทฤษฎีของโดรนคือ:

ตัวอย่างเช่น หากโดรนใช้แบตเตอรี่ขนาด 5,000 mAh และดึงกระแสเฉลี่ย 10,000 mA หรือ 10 A ขณะบิน:

การคำนวณนี้มีประโยชน์สำหรับการประเมินเบื้องต้นในขั้นตอนการออกแบบ แต่ไม่ควรถือเป็นเวลาบินจริงที่รับประกันได้ เนื่องจากกระแสที่โดรนดึงขณะบินไม่คงที่ ปัจจัยต่างๆ เช่น การขึ้นบิน การไต่ระดับ การต้านลม การลอยตัวนิ่ง การเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว การบรรทุกของ และการลงจอด ล้วนส่งผลให้ความต้องการพลังงานเปลี่ยนแปลงไป

นอกจากนี้ ความจุที่ระบุไว้ของแบตเตอรี่มักวัดภายใต้เงื่อนไขการทดสอบที่กำหนดไว้ เมื่อชุดแบตเตอรี่ถูกปล่อยประจุด้วยกระแสสูง ความจุที่ใช้งานได้จริงอาจต่ำกว่าค่าที่ระบุไว้ เหตุผลคือเกิดจากแรงดันตก (voltage sag) และความต้านทานภายใน หากแรงดันลดลงอย่างรวดเร็วภายใต้ภาระงาน โดรนอาจถึงจุดตัดแรงดันต่ำก่อนเวลาที่เหมาะสม แม้ว่าเซลล์แบตเตอรี่ยังคงมีพลังงานเหลืออยู่ก็ตาม

เพื่อการประมาณค่าที่ใช้งานได้จริงมากขึ้น ผู้ออกแบบและนักบินควรพิจารณาปัจจัยต่อไปนี้:

ความจุสำรองที่จำเป็นสำหรับการลงจอดอย่างปลอดภัย

การดึงกระแสเพิ่มขึ้นในระหว่างการบินแบบรุนแรง

ประสิทธิภาพที่ลดลงเมื่ออุณหภูมิต่ำ

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ที่เสื่อมลงจากการชาร์จ-ปล่อยประจุซ้ำๆ

น้ำหนักบรรทุกและแรงต้านอากาศ

สภาพลมและความสูงเหนือระดับน้ำทะเล

การสูญเสียแรงดันที่เกิดจากสายไฟ ขั้วต่อ และระบบจัดการแบตเตอรี่ (battery-management system)

แผนปฏิบัติการที่ระมัดระวังนั้นมีคุณค่ามากกว่าการพยายามเข้าใกล้ค่าทฤษฎีสูงสุด การลงจอดด้วยปริมาณสำรองความปลอดภัยที่เหมาะสมจึงดีกว่าการพยายามใช้แบตเตอรี่จนหมดอย่างสิ้นเชิง

เหตุใดการเลือกเซลล์จึงมีความสำคัญ

เซลล์แต่ละตัวภายในชุดแบตเตอรี่เป็นตัวกำหนดสมรรถนะส่วนใหญ่ของชุดนั้น ความจุเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ เซลล์ยังต้องสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้เพียงพอ คงเสถียรภายใต้ภาระงาน จัดการความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรักษาความจุที่ใช้งานได้ไว้แม้ผ่านรอบการชาร์จซ้ำๆ หลายครั้ง

รูปแบบเซลล์ลิเธียม-ไอออนทรงกระบอกสองแบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับชุดแบตเตอรี่โดรนคือเซลล์แบบ 21700 และเซลล์แบบ 18650

21700

เซลล์แบบ 21700 มีขนาดใหญ่กว่าเซลล์แบบ 18650 แบบดั้งเดิม จึงมีศักยภาพในการเก็บพลังงานต่อเซลล์ได้มากขึ้น ในแอปพลิเคชันโดรน สิ่งนี้สามารถรองรับความหนาแน่นพลังงานสูง ขณะลดจำนวนเซลล์ การเชื่อมต่อ และการสูญเสียจากส่วนเชื่อมระหว่างเซลล์ที่จำเป็นในชุดแบตเตอรี่

เซลล์แบบ 21700 คุณภาพสูงมักถูกเลือกใช้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการสมดุลระหว่างความจุพลังงานกับกำลังไฟฟ้าที่ส่งออก ข้อได้เปรียบของเซลล์เหล่านี้อาจรวมถึง:

ความจุต่อเซลล์สูงขึ้น ทำให้สามารถบรรจุพลังงานรวมได้มากขึ้นในชุดแบตเตอรี่ที่มีขนาดกะทัดรัด

การส่งกำลังไฟฟ้าที่แข็งแกร่ง เพื่อรองรับเงื่อนไขที่ต้องการสูง เช่น การขึ้นบิน การไต่ระดับ และการเคลื่อนที่แบบควบคุม

แรงดันไฟฟ้าลดลงน้อยลงเมื่อจับคู่กับเคมีของเซลล์และโครงสร้างแพ็กที่เหมาะสม

ความสามารถในการชาร์จเร็วขึ้นในเซลล์ที่ออกแบบมาเพื่อรองรับอัตราการชาร์จสูง

ความหนาแน่นพลังงานที่ดีขึ้น ซึ่งช่วยลดมวลของแบตเตอรี่สำหรับปริมาณพลังงานที่กำหนดได้

สำหรับการใช้งานโดรน แรงดันไฟฟ้าลดลงน้อยลงมีคุณค่าอย่างยิ่ง เนื่องจากแบตเตอรี่ที่รักษาระดับแรงดันไฟฟ้าได้ดีกว่าภายใต้ภาระงาน จะจ่ายพลังงานให้มอเตอร์และระบบอิเล็กทรอนิกส์การบินอย่างสม่ำเสมอ ส่งผลให้แรงขับคงที่มากขึ้น การตอบสนองต่อการควบคุมดีขึ้น และเวลาบินที่ใช้งานได้จริงยาวนานขึ้นก่อนที่อากาศยานจะถึงเกณฑ์แรงดันต่ำสุด

18650 เซลล์

รูปแบบเซลล์ 18650 มีประวัติศาสตร์อันยาวนานในการใช้งานแบตเตอรี่ ยังคงเป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับโดรนและระบบยูเอวีหลายประเภท โดยเฉพาะในกรณีที่เน้นประสิทธิภาพที่พิสูจน์แล้ว พฤติกรรมด้านความร้อน และอายุการใช้งานที่ยาวนาน

เซลล์ 18650 คุณภาพสูงสามารถให้:

คุณสมบัติด้านอายุการใช้งานซ้ำที่เชื่อถือได้

ประสิทธิภาพด้านความร้อนที่ดีเมื่อผ่านกระบวนการรวมเข้ากับระบบอย่างเหมาะสม

มีจำหน่ายอย่างกว้างขวางในหลากหลายช่วงความจุและอัตราการปล่อยกระแส

ระบบนิเวศห่วงโซ่อุปทานและการออกแบบแพ็กเกจที่มั่นคง

ประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอสำหรับการใช้งานโดรนกำลังปานกลาง

การเลือกระหว่างเซลล์แบบ 21700 กับ 18650 ไม่ควรพิจารณาจากขนาดเพียงอย่างเดียว ตัวเลือกที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับความต้องการแรงดันไฟฟ้าของโดรน ความต้องการกระแสสูงสุด น้ำหนักบรรทุก ระยะเวลาบินเป้าหมาย การออกแบบระบบระบายความร้อน และข้อกำหนดด้านความปลอดภัย

โดรนถ่ายภาพทางอากาศที่มีน้ำหนักเบาอาจให้ความสำคัญกับความหนาแน่นพลังงานและการจัดเรียงที่กะทัดรัด ในขณะที่โดรนหลายใบพัดที่สามารถยกน้ำหนักได้มากอาจต้องการเซลล์ที่มีความสามารถในการปล่อยกระแสต่อเนื่องสูง สำหรับฝูงโดรนที่ใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ร้อนหรือเย็นเป็นพิเศษ อาจต้องให้ความสำคัญเพิ่มเติมกับความเสถียรของอุณหภูมิและความสม่ำเสมอของแรงดันไฟฟ้า

ความจุแบตเตอรี่และการออกแบบแพ็กเกจ

ประสิทธิภาพแบตเตอรี่ของโดรนขึ้นอยู่กับแพ็กเกจทั้งหมด ไม่ใช่เพียงแค่เซลล์แต่ละตัวเท่านั้น วิศวกรจำเป็นต้องปรับสมดุลระหว่างความจุ แรงดันไฟฟ้า อัตราการปล่อยกระแส น้ำหนัก การระบายความร้อน การเดินสายไฟ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อการป้องกัน

ความจุเทียบกับน้ำหนัก

ความจุของแบตเตอรี่ที่สูงขึ้นโดยทั่วไปหมายถึงพลังงานที่เก็บได้มากขึ้น แต่ก็มักทำให้น้ำหนักของชุดแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นด้วย สิ่งนี้สร้างการแลกเปลี่ยนในการออกแบบ: ชุดแบตเตอรี่ที่หนักกว่าสามารถจัดหาพลังงานได้มากขึ้น แต่โดรนจำเป็นต้องใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อยกมันขึ้น

เป้าหมายไม่ใช่แค่ติดตั้งชุดแบตเตอรี่ที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่คือการบรรลุสมดุลระหว่างพลังงานต่อน้ำหนักที่ดีที่สุดสำหรับอากาศยาน แบตเตอรี่ที่มีค่าวัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัมสูงสามารถจัดหาพลังงานที่ใช้งานได้มากขึ้นโดยไม่เพิ่มน้ำหนักเกินสมควร

ในทางปฏิบัติ แบตเตอรี่ที่ดีที่สุดมักเป็นแบบที่ให้พลังงานและกำลังไฟฟ้าเพียงพอ ขณะเดียวกันก็รักษาน้ำหนักเมื่อขึ้นบินของอากาศยานไว้ภายในช่วงการใช้งานที่มีประสิทธิภาพ

แรงดันไฟฟ้าและการจัดเรียงเซลล์

วิธีการเชื่อมต่อเซลล์ก็มีความสำคัญเช่นกัน เซลล์ที่ต่ออนุกรมจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่ ในขณะที่เซลล์ที่ต่อขนานจะเพิ่มความจุรวมและความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้า

การใช้ชุดแบตเตอรี่ที่มีแรงดันสูงขึ้นสามารถลดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านได้สำหรับระดับกำลังงานที่กำหนด เนื่องจากความสูญเสียทางไฟฟ้าเพิ่มขึ้นตามค่ากระแส ดังนั้นการเพิ่มแรงดันจึงสามารถยกระดับประสิทธิภาพของระบบสายไฟและระบบจ่ายพลังงานได้ ทั้งนี้เมื่อมอเตอร์ ตัวควบคุมความเร็วแบบอิเล็กทรอนิกส์ และส่วนประกอบอื่นๆ ถูกออกแบบให้รองรับแรงดันที่สูงขึ้น

ตัวอย่างเช่น โดรนที่ต้องการกำลังงาน 1,000 วัตต์ จะดึงกระแสประมาณ 45.5 แอมแปร์จากแบตเตอรี่แรงดัน 22 โวลต์ แต่จะดึงกระแสเพียงประมาณ 22.7 แอมแปร์จากแบตเตอรี่แรงดัน 44 โวลต์ แม้ว่าการออกแบบระบบจริงจะซับซ้อนกว่าตัวอย่างนี้มาก หลักการพื้นฐานยังคงมีความสำคัญ: การเพิ่มแรงดันสามารถลดความต้องการกระแสไฟฟ้าและลดความร้อนที่สูญเสียไปด้วย

อัตรา C และความสามารถในการปล่อยประจุ

อัตรา C ระบุความเร็วที่แบตเตอรี่สามารถชาร์จหรือปล่อยประจุได้ เมื่อเทียบกับความจุของมัน ตัวอย่างเช่น เซลล์ที่มีความจุ 5 แอมแปร์-ชั่วโมง (Ah) ที่ปล่อยประจุที่อัตรา 5C สามารถจ่ายกระแสได้ทฤษฎีสูงสุด 25 แอมแปร์ อย่างไรก็ตาม ค่าการปล่อยประจุแบบต่อเนื่องของเซลล์นั้นต้องแยกแยะออกจากค่าการปล่อยประจุสูงสุดในช่วงเวลาสั้นๆ

โดรนมักต้องการพลังงานสูงในช่วงเวลาสั้น ๆ ขณะขึ้นบิน เร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว ไต่ระดับ หยุดหมุน หรือปรับสมดุลกับลม แบตเตอรี่ต้องสามารถรองรับภาระเหล่านี้ได้โดยไม่เกิดความร้อนสูงเกินไปหรือแรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างมาก

หากแบตเตอรี่มีขนาดเล็กเกินไป หรือมีความสามารถในการจ่ายกระแสไม่เพียงพอ อาจเกิดปัญหาดังนี้

แรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างเห็นได้ชัด

แรงขับลดลงขณะปฏิบัติการที่ต้องใช้กำลังสูง

ระบบแจ้งเตือนแบตเตอรี่ต่ำก่อนเวลาอันควร

อุณหภูมิของเซลล์เพิ่มสูงขึ้น

อายุการใช้งานสั้นลงอย่างรวดเร็ว

ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยเพิ่มขึ้น หากใช้งานเกินข้อกำหนดที่ระบุ

ความหนาแน่นพลังงานสูงมีความสำคัญ แต่ต้องมาพร้อมกับความต้านทานภายในต่ำและศักยภาพในการจ่ายกระแสที่เหมาะสม แบตเตอรี่ที่ดีที่สุดจะให้แรงดันคงที่และกระแสเพียงพอ โดยไม่เพิ่มน้ำหนักที่ไม่จำเป็น

โครงสร้างอากาศยาน ภาระบรรทุก และน้ำหนัก

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่สัมพันธ์โดยตรงกับประสิทธิภาพของอากาศยาน แม้แบตเตอรี่ที่ทันสมัยมากที่สุดก็ไม่สามารถชดเชยโครงสร้างอากาศยานที่ไม่มีประสิทธิภาพ หรือภาระน้ำหนักที่มากเกินความจำเป็นได้อย่างสมบูรณ์

น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นแม้เพียงหนึ่งกรัมก็ต้องการแรงขับจากมอเตอร์มากขึ้น แรงขับที่เพิ่มขึ้นหมายถึงกระแสไฟฟ้าที่ดึงออกมากขึ้น ซึ่งส่งผลให้เวลาบินลดลงและทำให้แบตเตอรี่ต้องรับภาระหนักขึ้น โดยผลกระทบนี้เด่นชัดเป็นพิเศษในโดรนแบบมัลติโรเตอร์ ซึ่งแรงยกทั้งหมดเกิดขึ้นจากระบบขับเคลื่อนเท่านั้น

ลดน้ำหนักที่ไม่จำเป็น

วิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดวิธีหนึ่งในการเพิ่มระยะเวลาบินคือการลดมวลที่ไม่จำเป็น พื้นที่ที่อาจปรับปรุงได้รวมถึง:

วัสดุโครงสร้างอากาศยานที่เบากว่า ในกรณีที่ข้อกำหนดด้านความแข็งแรงอนุญาต

มอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงและใบพัดที่มีขนาดเหมาะสม

ชุดขาลงจอดและอุปกรณ์ยึดติดที่มีขนาดกะทัดรัด

ลดความยาวของสายเคเบิลและใช้การเชื่อมต่อไฟฟ้าที่มีความต้านทานต่ำ

การติดตั้งภาระงานอย่างมีประสิทธิภาพ

การตัดอุปกรณ์เสริมที่ซ้ำซ้อนหรือไม่จำเป็นออกทั้งหมด

แบตเตอรี่เองมักเป็นชิ้นส่วนเดี่ยวที่หนักที่สุดในโดรน การปรับปรุงความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่จึงอาจส่งผลกระทบอย่างมาก เซลล์ที่มีความหนาแน่นสูงกว่าสามารถให้ความจุพลังงานเท่ากันแต่น้ำหนักเบากว่า หรือให้พลังงานมากขึ้นในน้ำหนักที่ใกล้เคียงกัน

ในแพลตฟอร์ม UAV ขนาดใหญ่และโครงสร้างที่รับน้ำหนักบรรทุกหนัก การปรับปรุงมวลแบตเตอรี่หรือพลังงานที่ใช้งานได้เพียงเล็กน้อยก็สามารถสร้างผลได้เชิงปฏิบัติที่สำคัญ เซลล์ที่ดีกว่าจะช่วยให้โดรนบรรทุกอุปกรณ์ได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น รักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ขณะทำงานภายใต้ภาระ และสำเร็จภารกิจด้วยสำรองพลังงานที่มากขึ้น

การวางแผนน้ำหนักบรรทุก

น้ำหนักบรรทุกควรจัดเป็นส่วนหนึ่งของงบประมาณพลังงาน กล้อง เซนเซอร์ความร้อน หน่วย LiDAR แกนหมุน (gimbals) แพ็กเกจจัดส่ง อุปกรณ์สื่อสาร และฝาครอบป้องกัน ล้วนมีผลต่อระยะเวลาบิน

ก่อนปฏิบัติภารกิจ ผู้ควบคุมควรพิจารณาน้ำหนักของอุปกรณ์ที่บรรทุก รวมทั้งผลกระทบต่อการไหลเวียนของอากาศด้วย อุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่หรือจัดวางไม่เหมาะสมอาจเพิ่มแรงต้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับโดรนแบบปีกคงที่และโดรนแบบ VTOL ไฮบริด นอกจากนี้ยังอาจเปลี่ยนจุดศูนย์กลางมวล ทำให้ระบบควบคุมการบินและมอเตอร์ต้องทำงานหนักขึ้นเพื่อรักษาความมั่นคง

อุปกรณ์ที่ผสานเข้ากับตัวเครื่องได้ดีจะช่วยรักษาประสิทธิภาพไว้ได้ ในทางกลับกัน หากผสานไม่ดี แม้อุปกรณ์นั้นจะมีน้ำหนักเบาเพียงใด ก็อาจลดระยะเวลาการบินลงได้

สภาพแวดล้อมและรูปแบบการบิน

แบตเตอรี่ของโดรนอาจให้สมรรถนะที่แตกต่างกันมากเมื่อทดสอบในห้องที่เงียบสงบ เทียบกับการปฏิบัติภารกิจกลางแจ้งที่มีอุณหภูมิต่ำและลมแรง สภาพแวดล้อมและพฤติกรรมของผู้ควบคุมมีผลโดยตรงต่อการใช้พลังงาน

อุณหภูมิ

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนให้สมรรถนะดีที่สุดในช่วงอุณหภูมิปานกลาง สภาพอากาศเย็นจะชะลอปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีและเพิ่มความต้านทานภายใน ดังนั้น แบตเตอรี่อาจแสดงความจุที่ใช้งานได้ลดลง แรงดันตกต่ำมากขึ้น และสมรรถนะในการจ่ายกระแสสูงลดลงเมื่ออุณหภูมิต่ำ

สภาพอากาศร้อนสร้างความท้าทายที่แตกต่างกัน ความร้อนสูงสามารถเร่งการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่และเพิ่มความเสี่ยงจากความเครียดจากความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งระหว่างการชาร์จหรือการปล่อยพลังงานในกำลังสูง ควรปล่อยให้แบตเตอรี่เย็นลงหลังบินเสร็จก่อนชาร์จใหม่ โดยเฉพาะหลังปฏิบัติการที่หนักหนา

ลมและความสูง

ลมเพิ่มความต้องการพลังงาน เนื่องจากโดร์นจำเป็นต้องใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อรักษาตำแหน่งหรือความเร็วเหนือพื้นดิน ลมปะทะ (headwind) มีผลทำให้สิ้นเปลืองพลังงานอย่างมากโดยเฉพาะกับอากาศยานแบบปีกนิ่งและโดร์นแบบมัลติโรเตอร์ที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้า สภาพลมกระโชกยังทำให้เกิดการปรับความเร็วมอเตอร์บ่อยครั้ง ส่งผลให้ค่าเฉลี่ยของกระแสไฟฟ้าที่ใช้เพิ่มขึ้น

ความสูงอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพเช่นกัน อากาศที่บางลงทำให้ใบพัดต้องหมุนเร็วขึ้น หรือมอเตอร์ต้องทำงานหนักขึ้นเพื่อสร้างแรงยกเท่าเดิม ซึ่งอาจทำให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นและลดเวลาบินที่ใช้งานได้จริง

การลอยตัวนิ่งเทียบกับการบินแบบเคลื่อนที่ต่อเนื่อง

การลอยตัวอยู่กับที่ใช้พลังงานสูงสำหรับโดรนแบบมัลติโรเตอร์ เนื่องจากมอเตอร์ต้องสร้างแรงยกอย่างต่อเนื่อง โดยไม่ได้รับประโยชน์จากแรงยกเชิงอากาศพลศาสตร์ที่เกิดจากการบินไปข้างหน้า

การเคลื่อนที่อย่างรุนแรง การเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว การบินด้วยความเร็วสูง การปีนขึ้นซ้ำๆ และการเปลี่ยนทิศทางอย่างฉับพลัน ล้วนทำให้ความต้องการกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ซึ่งอาจลดระยะเวลาการบินและทำให้แบตเตอรี่ร้อนจัดขึ้น

เพื่อให้บินได้นานขึ้น ควรบินอย่างราบรื่นเสมอเมื่อภารกิจอนุญาต:

หลีกเลี่ยงการเร่งความเร็วหรือเบรกอย่างรุนแรงโดยไม่จำเป็น

ใช้ความเร็วในการบินแบบครูซที่มีประสิทธิภาพ แทนการบินด้วยความเร็วสูงสุด

ลดการลอยตัวอยู่กับที่ที่ใช้กำลังสูงเป็นเวลานานให้น้อยที่สุด

วางแผนเส้นทางการบินให้หลีกเลี่ยงการปีนขึ้นซ้ำๆ และการเลี้ยวออกนอกเส้นทาง

ลงจอดโดยคงระยะความปลอดภัยไว้ แทนที่จะใช้แบตเตอรี่จนถึงขีดจำกัดสูงสุด

วิธียืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่โดรน

การยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่จำเป็นต้องอาศัยทั้งการเลือกฮาร์ดแวร์ที่เหมาะสมและการปฏิบัติในการใช้งานประจำวัน ผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือที่สุดเกิดจากการมองแบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบสำคัญสำหรับการบิน ไม่ใช่อุปกรณ์เสริมที่ใช้แล้วทิ้ง

ลดน้ำหนักและเพิ่มความหนาแน่นพลังงาน

การลดน้ำหนักอากาศยานเป็นหนึ่งในวิธีโดยตรงที่สุดในการลดกระแสไฟฟ้าที่ใช้ ควรใช้วัสดุน้ำหนักเบา มอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ ใบพัดที่ผ่านการปรับแต่งให้เหมาะสม และบรรทุกเฉพาะสิ่งของที่จำเป็นสำหรับภารกิจเท่านั้น

ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ก็มีความสำคัญเช่นกัน เซลล์แบบ 21700 ที่มีความหนาแน่นสูงสามารถช่วยให้นักออกแบบบรรจุพลังงานได้มากขึ้นในน้ำหนักและปริมาตรที่กำหนดไว้ สำหรับแอปพลิเคชันที่โซลูชันแบตเตอรี่เข้าใกล้ค่าประมาณ 260 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม ณ ระดับเซลล์ ข้อได้เปรียบด้านระยะเวลาบินอาจมีนัยสำคัญอย่างยิ่ง แม้ว่าความหนาแน่นพลังงานระดับแพ็กจะต่ำกว่าเมื่อนับรวมสายไฟ โครงหุ้ม วงจรป้องกัน วัสดุจัดการความร้อน และส่วนประกอบโครงสร้างด้วย

ชาร์จอย่างชาญฉลาด

นิสัยการชาร์จมีผลอย่างมากต่อสุขภาพแบตเตอรี่ในระยะยาว โปรดใช้ที่ชาร์จที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับเคมีของแบตเตอรี่และรูปแบบการจัดเรียงเซลล์ หากแบตเตอรี่มีระบบจัดการพลังงาน ให้ใช้อุปกรณ์ชาร์จที่เข้ากันได้ และปฏิบัติตามขีดจำกัดกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าที่ผู้ผลิตกำหนด

หลีกเลี่ยงการชาร์จทันทีหลังบินเสร็จขณะแบตเตอรี่ยังร้อน ควรปล่อยให้ชุดแบตเตอรี่เย็นลงก่อน นอกจากนี้ ห้ามชาร์จแบตเตอรี่ที่ถูกสัมผัสกับอุณหภูมิต่ำจัดจนกว่าจะกลับสู่ช่วงอุณหภูมิที่ปลอดภัยสำหรับการใช้งาน

การชาร์จแบบไม่ลึก (shallow cycles) ช่วยรักษาความจุของแบตเตอรี่ในระยะยาวได้ดีกว่า การปล่อยให้แบตเตอรี่หมดเกือบหมดแล้วชาร์จเต็มซ้ำๆ จะทำให้เซลล์ลิเธียม-ไอออนเสื่อมสภาพเร็วกว่าการใช้งานในช่วงระดับประจุ (state-of-charge) ที่ปานกลาง สำหรับการใช้งานประจำวัน จึงมักแนะนำให้หลีกเลี่ยงการปล่อยแบตเตอรี่ให้หมดโดยไม่จำเป็น การชาร์จเต็มอาจยังเหมาะสมก่อนปฏิบัติภารกิจที่ต้องการอายุการใช้งานสูงสุด แต่การเก็บแบตเตอรี่ไว้ที่ระดับ 100% เป็นเวลานานโดยทั่วไปไม่เหมาะ

หลีกเลี่ยงการปล่อยประจุจนหมด (Deep Discharge)

การคายประจุลึกเกินไปอาจส่งผลเสียต่อสุขภาพของแบตเตอรี่และก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัย ห้ามบินโดรนจนกว่าแบตเตอรี่จะหมดพลังงานโดยสิ้นเชิง เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าอาจลดลงอย่างรวดเร็วภายใต้ภาระงานใกล้สิ้นสุดรอบการคายประจุ โดยเฉพาะในสภาพอากาศเย็นหรือเมื่อแบตเตอรี่ใช้งานมานาน

ตั้งค่าแจ้งเตือนแบตเตอรี่ต่ำและเกณฑ์การกลับสู่จุดเริ่มต้นอย่างเหมาะสม การตั้งค่าเหล่านี้ควรพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความเร็วลม ระยะทางจากจุดปล่อย น้ำหนักบรรทุก อุณหภูมิ และความเป็นไปได้ที่โดรนอาจต้องใช้พลังงานเพิ่มเพื่อกลับมาถึงจุดปลอดภัย

แบตเตอรี่ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำขณะหยุดนิ่งอาจฟื้นตัวขึ้นเล็กน้อยเมื่อไม่มีภาระงาน แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าสามารถบินต่อได้อย่างปลอดภัย การฟื้นตัวของแรงดันไฟฟ้าอาจทำให้เข้าใจผิด เพราะแบตเตอรี่อาจใกล้ถึงขีดจำกัดการคายประจุจริงอยู่แล้ว

การจัดเก็บเพื่ออายุการใช้งานที่ยาวนาน

การจัดเก็บระยะยาวเป็นหนึ่งในประเด็นที่มักถูกมองข้ามมากที่สุดในการดูแลแบตเตอรี่ โดยทั่วไปแล้ว ควรจัดเก็บแบตเตอรี่ที่มีระดับประจุบางส่วน แทนที่จะชาร์จเต็มหรือปล่อยให้เกือบหมด

เป้าหมายการจัดเก็บที่เหมาะสมคือประมาณร้อยละ 40 ถึง 80 ของสถานะการชาร์จ ขึ้นอยู่กับชนิดของแบตเตอรี่และคำแนะนำจากผู้ผลิต ควรจัดเก็บแบตเตอรี่ในสภาพแวดล้อมที่เย็น แห้ง มีความเสถียร และห่างจากแสงแดดโดยตรง ความชื้น วัสดุที่ติดไฟได้ง่าย และอุณหภูมิสุดขั้ว

หลีกเลี่ยงการทิ้งแบตเตอรี่ไว้ในรถยนต์ โรงรถ หรือพื้นที่กลางแจ้งซึ่งอุณหภูมิอาจเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง ห้ามจัดเก็บแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง และห้ามทิ้งไว้ในสถานะชาร์จเต็มเป็นเวลานาน เว้นแต่ผู้ผลิตจะระบุเป็นพิเศษว่าสามารถทำได้

ก่อนนำแบตเตอรี่ที่จัดเก็บไว้มาใช้งาน ให้ตรวจสอบหาอาการบวม ความเสียหาย การกัดกร่อน ขั้วต่อหลวม กลิ่นผิดปกติ หรือความร้อนผิดปกติ ห้ามบินหรือชาร์จแบตเตอรี่ที่เสียหาย

เพิ่มระยะเวลาการบินด้วยเซลล์แบตเตอรี่ Tcbest

สำหรับผู้ผลิตโดรนและผู้ออกแบบแบตเตอรี่แพ็ก การเลือกเซลล์เป็นการตัดสินใจเชิงกลยุทธ์ที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพ Tcbest มีพอร์ตโฟลิโอแบตเตอรี่ที่เน้นคุณลักษณะที่สำคัญโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานยูเอวี: ความหนาแน่นพลังงานสูง การจ่ายแรงดันไฟฟ้าอย่างเสถียร พฤติกรรมทางความร้อน ศักยภาพในการชาร์จเร็ว และความทนทานต่อรอบการใช้งาน

เซลล์ INR 21700 ประสิทธิภาพสูงที่ออกแบบมาเพื่อมีความจุ 5.0 Ah รองรับการชาร์จเร็วระดับ 5C และสามารถปล่อยกระแสได้มากกว่า 10C สามารถเป็นพื้นฐานที่แข็งแกร่งสำหรับระบบแบตเตอรี่โดรนที่มีความต้องการสูง ประสิทธิภาพของแพ็กโดยรวมจะขึ้นอยู่กับการจัดเรียงเซลล์ การออกแบบระบบจัดการแบตเตอรี่ การระบายความร้อน ขั้วต่อ สายไฟ น้ำหนักของอากาศยาน และลักษณะภารกิจ แต่คุณลักษณะระดับเซลล์เหล่านี้สามารถแก้ไขปัญหาหลักหลายประการที่ผู้ปฏิบัติงานโดรนกำลังเผชิญ

พลังงานที่เสถียรภายใต้ภาระงาน

ในระหว่างการขึ้นบิน การไต่ระดับ และการบินในสภาพลมแรง โดรนต้องการพลังงานที่จ่ายได้อย่างรวดเร็ว เซลล์ที่มีค่าแรงดันตกต่ำ (voltage sag) ต่ำสามารถช่วยรักษาแรงดันขาออกให้คงที่มากขึ้นเมื่อความต้องการกระแสไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้น ส่งผลให้มอเตอร์ทำงานอย่างมั่นคงยิ่งขึ้น และอาจลดโอกาสเกิดคำเตือนแรงดันต่ำก่อนกำหนดอันเนื่องจากยอดโหลดชั่วคราว

สำหรับงานถ่ายภาพทางอากาศ การตรวจสอบ การทำแผนที่ และงานที่ต้องบรรทุกของหนัก แรงดันไฟฟ้าที่มั่นคงยังช่วยรักษาพฤติกรรมของอากาศยานให้คาดการณ์ได้ตลอดระยะเวลาการบิน

เปลี่ยนภารกิจได้อย่างรวดเร็ว

การชาร์จแบตเตอรี่อย่างรวดเร็วมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อการบินต้องหมุนเวียนแบตเตอรี่บ่อยครั้ง การออกแบบระบบชาร์จที่รองรับอัตรา 5C อาจลดเวลาหยุดทำงาน ภายใต้ข้อจำกัดด้านอุณหภูมิและการจัดการแบตเตอรี่ที่ปลอดภัย

อย่างไรก็ตาม การชาร์จแบบเร็วควรใช้ร่วมกับระบบการชาร์จที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมเสมอ ทั้งตัวชาร์จ การจัดวางแพ็กแบตเตอรี่ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ขั้วต่อ และกลยุทธ์การระบายความร้อน จำเป็นต้องออกแบบให้รองรับอัตราการชาร์จที่ตั้งใจไว้ได้อย่างปลอดภัย การชาร์จที่เร็วกว่าไม่ได้หมายความดีกว่าโดยอัตโนมัติ หากส่งผลให้เกิดความร้อนสูงเกินไป หรือเร่งการเสื่อมของแบตเตอรี่

ความทนทานในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย

โดรนมักทำงานในสภาพแวดล้อมที่เข้มงวดกว่าการทดสอบในห้องปฏิบัติการ เช่น สถานที่ก่อสร้างที่ร้อนจัด ช่วงเช้าที่อากาศเย็นจัด ที่สูงจากระดับน้ำทะเลมาก ลมแรง ฝุ่นละออง และรอบการบินที่ใช้กำลังสูงซ้ำๆ เซลล์แบตเตอรี่คุณภาพสูงที่มีพฤติกรรมทางความร้อนดีและมีความต้านทานภายในต่ำ สามารถสนับสนุนประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ในสภาวะเหล่านี้ได้ดียิ่งขึ้น

สำหรับโครงสร้างอากาศยานที่ทนทานและสภาพภูมิอากาศที่ท้าทาย คุณภาพของแบตเตอรี่มีผลมากกว่าเพียงแค่ระยะเวลาบินเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อความเสถียรของแรงดันไฟฟ้า การตอบสนองของมอเตอร์ ความสม่ำเสมอในการชาร์จ ความต้องการในการบำรุงรักษา รวมถึงความมั่นใจในพลังงานที่เหลืออยู่ในแบตเตอรี่

ข้อพิจารณาสุดท้าย

การเพิ่มระยะเวลาบินของแบตเตอรี่โดรนไม่ได้ขึ้นอยู่กับการอัปเกรดเพียงอย่างเดียว การบินที่นานขึ้นเกิดจากการปรับสมดุลระหว่างความจุ องค์ประกอบทางเคมีของเซลล์ ความสามารถในการปล่อยประจุ แรงดันไฟฟ้า น้ำหนักอากาศยาน ประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อน น้ำหนักบรรทุก สภาพอากาศ และเทคนิคการบินของผู้ควบคุม

เพื่อเพิ่มระยะเวลาใช้งาน ให้ใช้ชุดแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงและมีกำลังไฟเพียงพอ ทำให้อากาศยานมีน้ำหนักเบาและมีประสิทธิภาพเชิงอากาศพลศาสตร์สูงสุด และบินอย่างเรียบเนียนโดยมีสำรองความปลอดภัยที่เหมาะสม เพื่อยืดอายุการใช้งานของแต่ละรอบการชาร์จ หลีกเลี่ยงการปล่อยประจุจนหมด ควบคุมอุณหภูมิขณะชาร์จ เก็บแบตเตอรี่ที่ระดับประจุปานกลาง และใช้เซลล์คุณภาพสูงที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับการใช้งานนี้

สำหรับผู้ผลิตยานบินไร้คนขับและผู้ดำเนินการฝูงบิน เซลล์ขนาด 21700 ระดับพรีเมียมสามารถมอบสมดุลที่มีค่าระหว่างความจุ ความสามารถในการจ่ายกำลัง แรงดันตกต่ำน้อย และความทนทานในระยะยาว เมื่อรวมเข้ากับชุดแบตเตอรี่ที่ออกแบบมาอย่างดี เซลล์เหล่านี้จะช่วยให้โดรนบินได้นานขึ้น ทำงานได้สม่ำเสมอมากขึ้น และคงประสิทธิภาพการใช้งานได้ตลอดหลายรอบการชาร์จ

เรียนรู้วิธีทำให้แบตเตอรี่โดรนใช้งานได้นานขึ้น โดยการเพิ่มประสิทธิภาพการบิน ลดน้ำหนักที่ไม่จำเป็น เลือกเซลล์ลิเทียม-ไอออนที่เหมาะสม และปฏิบัติตามแนวทางการชาร์จและเก็บรักษาอย่างถูกต้อง คู่มือนี้อธิบายถึงระยะเวลาการบิน อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ การออกแบบแพ็กแบตเตอรี่ ผลกระทบจากอุณหภูมิ การวางแผนน้ำหนักบรรทุก และวิธีปฏิบัติจริงในการยกระดับประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของโดรน