โดรนรุ่นใดมีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานที่สุด

1. ภาพรวมของโดรน ความสำคัญของแบตเตอรี่ และขอบเขตของบทความนี้

โดรนได้พัฒนาอย่างรวดเร็วจากผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเฉพาะกลุ่ม กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในหลายอุตสาหกรรม ได้แก่ การถ่ายภาพ เกษตรกรรม การสำรวจ งานตรวจสอบโครงสร้างพื้นฐาน ความปลอดภัยสาธารณะ และการขนส่ง ขณะที่แพลตฟอร์มของโดรนมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและข้อกำหนดของภารกิจมีความซับซ้อนมากยิ่งขึ้น ความคาดหวังในเรื่องอายุการใช้งานในการบินจึงเพิ่มสูงตามไปด้วย ไม่ว่าโดรนจะถูกออกแบบมาเพื่อการแข่งขันแบบ FPV ความเร็วสูง หรือภารกิจการสำรวจที่ใช้เวลานานหลายชั่วโมง สมรรถนะโดยรวมของโดรนจะถูกจำกัดไว้ที่องค์ประกอบหลักหนึ่งเดียว นั่นคือ แบตเตอรี่
แบตเตอรี่เป็นตัวกำหนดระยะเวลาการบินของโดรน ความสามารถในการบรรทุกน้ำหนัก ขีดจำกัดของการควบคุมทิศทาง และความเชื่อถือได้ในการดำเนินภารกิจให้สำเร็จ การเลือกใช้แบตเตอรี่ส่งผลกระทบไม่เพียงแต่ระยะเวลาการบินเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความปลอดภัยในการปฏิบัติงาน ต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน และข้อกำหนดด้านการบำรุงรักษา
บทความนี้ให้ภาพรวมอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่โดรน โดยอธิบายความหมายของแบตเตอรี่โดรน ระบบที่ใช้สารเคมีทั่วไป ความหมายที่แท้จริงของคำว่า "เวลาบินนานที่สุด" ในบริบทของโดรน อายุการใช้งานที่แท้จริงของแบตเตอรี่โดรน และปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อระยะเวลาการบิน นอกจากนี้ยังแนะนำวิธีง่ายๆ ในการคำนวณระยะเวลาการบิน และกล่าวถึงการประยุกต์ใช้งานโดรนที่ต้องการความสามารถในการบินได้นานเป็นพิเศษ

2. แบตเตอรี่โดรนคืออะไร?

2.1 ความหมายและหน้าที่

แบตเตอรี่โดรนคืออุปกรณ์จัดเก็บพลังงานแบบชาร์จไฟใหม่ได้ ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อจ่ายพลังงานให้กับระบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดบนโดรน ซึ่งระบบเหล่านี้โดยทั่วไปรวมถึงมอเตอร์ขับเคลื่อน ตัวควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์ (ESCs) ตัวควบคุมการบิน โมดูลนำทาง เช่น GPS ลิงก์การสื่อสาร และภารกิจบรรทุก เช่น กล้อง เซนเซอร์ LiDAR หรืออุปกรณ์สำรวจ

ในทางตรงกันข้ามกับแบตเตอรี่ที่ใช้ในสมาร์ทโฟนหรือแล็ปท็อป แบตเตอรี่สำหรับโดรนจะต้องตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดสองประการพร้อมกัน: ประการแรก คือ การเก็บพลังงานให้เพียงพอเพื่อให้สามารถบินได้นานอย่างมีความหมาย; และประการที่สอง คือ ความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าสูงได้ทันทีและซ้ำๆ โดยเฉพาะในช่วงขึ้นบิน เคลื่อนที่ขึ้นสูง เร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว หรือการควบคุมฉุกเฉิน ความต้องการทั้งสองด้านนี้ คือ ความหนาแน่นของพลังงานสูงและผลลัพธ์ของกำลังไฟสูง ทำให้การออกแบบแบตเตอรี่โดรนเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง

2.2 ระบบเคมีที่ใช้กันทั่วไป (ลิเธียมโพลีเมอร์ ลิเธียมไอออน) และสถานการณ์การใช้งาน

แบตเตอรี่ลิเธียมโพลีเมอร์ (Li-Po)
แบตเตอรี่ลิเธียมโพลีเมอร์ใช้อิเล็กโทรไลต์แบบโพลีเมอร์หรือลักษณะคล้ายเจล บรรจุอยู่ในเปลือกแบบซอฟท์แพ็ค (soft-pack) โครงสร้างเช่นนี้ทำให้มีน้ำหนักเบาและสามารถออกแบบรูปร่างได้หลากหลาย จึงเป็นที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับโดรนที่มีข้อกำหนดด้านน้ำหนักและขนาดอย่างเข้มงวด
แบตเตอรี่ลิเธียมโพลีเมอร์เป็นที่รู้จักกันดีในด้านอัตราการคายประจุสูงมาก โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 25C ถึงมากกว่า 100C ซึ่งหมายความว่าสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าสูงได้เมื่อเทียบกับความจุของมัน คุณลักษณะนี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโดรนที่ต้องการพลังงานสูงในทันทีและการตอบสนองคันเร่งอย่างรวดเร็ว
การใช้งานทั่วไป ได้แก่ โดรนแข่งขันแบบ FPV, โดรนสำหรับการแสดงท่าทางอิสระ และแพลตฟอร์มแบบหลายใบพัดที่ต้องรับน้ำหนักมากและต้องการพลังงานสูงชั่วคราว

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion)
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยทั่วไปใช้เซลล์แบบทรงกระบอกหรือปริซึมที่มีเปลือกโลหะแข็ง การออกแบบของมันให้ความสำคัญกับความหนาแน่นพลังงานที่สูงขึ้นและอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า มากกว่าการจ่ายกระแสไฟฟ้าสูงสุด
เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมโพลีเมอร์ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยทั่วไปให้เวลาการบินที่ยาวนานขึ้นต่อการชาร์จหนึ่งครั้งและมีอายุการใช้งานรอบการชาร์จที่ดีกว่า แต่มีอัตราการคายประจุสูงสุดที่ต่ำกว่า ดังนั้นจึงเหมาะที่สุดสำหรับการใช้งานที่มีการใช้พลังงานอย่างสม่ำเสมอ มากกว่าการเคลื่อนไหวที่รุนแรง
ลิเธียมไอออนแบตเตอรี่มักพบได้ใน: โดรนบินไกลแบบ FPV, โดรนปีกคงที่ และแพลตฟอร์มโดรนที่ต้องการความทนทานเป็นข้อกำหนดหลัก

3. แบตเตอรี่โดรนที่ "อยู่ได้นานที่สุด" คืออะไร

3.1 สองความหมายของคำว่า "อยู่ได้นานที่สุด"
วลี "แบตเตอรี่โดรนที่อยู่ได้นานที่สุด" มีความหมายสองแบบที่แตกต่างกัน และการแยกแยะความแตกต่างระหว่างสองความหมายนี้มีความสำคัญมาก

ระยะเวลาบินต่อครั้ง
ในความหมายหนึ่ง คำว่า "อยู่ได้นานที่สุด" หมายถึงช่วงเวลาที่โดรนสามารถบินอยู่ในอากาศได้ต่อเนื่องจากการชาร์จเพียงหนึ่งครั้ง ซึ่งขึ้นอยู่กับความจุในการเก็บพลังงานรวมของแบตเตอรี่และประสิทธิภาพการใช้พลังงานของโดรน โดยทั่วไปแล้ว ความหนาแน่นของพลังงานสูง (หน่วยวัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม Wh/kg) จะทำให้ระยะเวลาการบินยาวนานขึ้น
ในด้านนี้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและแบตเตอรี่ใหม่ที่ใช้เคมีภัณฑ์พลังงานสูงมักจะให้ประสิทธิภาพเหนือกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ที่มีอัตราการปล่อยประจุสูง

วงจรชีวิต
อีกนัยหนึ่ง "อายุการใช้งานยาวนานที่สุด" หมายถึงอายุการใช้งานโดยรวมของแบตเตอรี่เอง ซึ่งวัดจากจำนวนรอบการชาร์จ-ปล่อยประจุ แบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานต่อรอบยาวนานสามารถชาร์จและใช้งานได้มากครั้งก่อนที่ความจุจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยทั่วไปมีอายุการใช้งานต่อรอบยาวนานกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ โดยเฉพาะเมื่อใช้งานภายใต้สภาวะภาระปานกลาง 3.2 ช่วงความจุสูงทั่วไป (10,000–30,000 mAh)

โดรนระดับมืออาชีพและอุตสาหกรรมมักพึ่งพาชุดแบตเตอรี่ความจุสูงเพื่อให้สามารถบินได้นานขึ้น ช่วงความจุที่พบโดยทั่วไป ได้แก่:
โดรนขนาดกะทัดรัดระดับมืออาชีพ: 10,000-12,000 มิลลิแอมป์-ชั่วโมง (mAh)
โดรนสำหรับงานสำรวจและเกษตรกรรม: 16,000-22,000 มิลลิแอมป์-ชั่วโมง (mAh)
แพลตฟอร์มหนักหรือระยะบินยาว: 28,000-30,000 มิลลิแอมป์-ชั่วโมง (mAh) หรือสูงกว่านั้น

แม้ว่าความจุที่สูงขึ้นจะหมายถึงพลังงานที่เก็บได้มากขึ้น แต่ก็ยังเพิ่มน้ำหนักซึ่งอาจลดประสิทธิภาพของโดรนได้ ดังนั้นการค้นหาสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความจุและน้ำหนักจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มเวลาการบินให้สูงสุด

3.3 ระบบเคมีใหม่ที่กำลังเกิดขึ้น (แบตเตอรี่นิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์แบบโซลิดสเตต เป็นต้น)
เพื่อแก้ไขข้อจำกัดของแบตเตอรี่ลิเธียมโพลีเมอร์และลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิม จึงมีการพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่ใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง โดยแบตเตอรี่ลิเธียมแบบกึ่งแข็งและแบบแข็งมีเป้าหมายเพื่อปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน ความเสถียรทางความร้อน และความปลอดภัย
ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่นิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ (NMC) แบบโซลิดสเตตใช้วัสดุแบบแข็งหรือกึ่งแข็งแทนอิเล็กโทรไลต์เหลวส่วนใหญ่ แบตเตอรี่เหล่านี้แสดงศักยภาพสูงในด้านระยะเวลานานและความปลอดภัย โดยเฉพาะสำหรับการปฏิบัติงานโดรนอุตสาหกรรมที่มีมูลค่าสูง แม้ว่าปัจจุบันยังคงเผชิญกับความท้าทายด้านต้นทุนและการผลิตจำนวนมากก็ตาม

4. แบตเตอรี่โดรนใช้งานได้นานแค่ไหนจริงๆ

4.1 ช่วงเวลาการบิน (ผู้บริโภค มืออาชีพ อุตสาหกรรม)

ระยะเวลาการบินมีความแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับประเภทและดีไซน์ของโดรน:
โดรนสำหรับผู้บริโภค: โดยทั่วไปสามารถบินได้นาน 20-40 นาที
โดรนมืออาชีพสำหรับถ่ายภาพทางอากาศและโดรนเพื่อธุรกิจ: โดยทั่วไปสามารถบินได้นาน 40-55 นาที
โดรนปีกคงที่ระดับอุตสาหกรรม: สามารถบินได้นาน 1-3 ชั่วโมง
โดรนไฮบริดแบบขึ้นลงแนวตั้ง (VTOL) และโดรนพิเศษสำหรับการบินระยะยาว: สามารถอยู่ในอากาศได้นานหลายชั่วโมง
ข้อมูลข้างต้นอ้างอิงจากสภาวะแวดล้อมที่เหมาะสมและสถานะแบตเตอรี่ที่สมบูรณ์ ระยะเวลาการบินจริงจะได้รับผลกระทบอย่างมากจากปัจจัยภายนอก เช่น ลม อุณหภูมิ และน้ำหนักบรรทุก 4.2 การเปรียบเทียบอายุการใช้งานแบบวงจรระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์และลิเธียมไอออน
อายุการใช้งานของแบตเตอรี่มักวัดเป็นจำนวนรอบ (cycle) โดยแต่ละรอบหมายถึงการคายประจุจนหมดแล้วชาร์จเต็มใหม่อีกครั้ง:
แบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์: โดยทั่วไปมีอายุการใช้งาน 150-300 รอบ; การคายประจุด้วยกระแสไฟฟ้าสูงบ่อยครั้งจะเร่งให้อายุการใช้งานลดลง
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน: ภายใต้ภาระงานปานกลาง อายุการใช้งานโดยทั่วไปอยู่ที่ 300-600 รอบ หรือมากกว่า
อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ทั้งสองชนิดจะสั้นลงอย่างมากหากใช้งานแบบรุนแรง คายประจุลึก หรืออยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง

4.3 แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการจัดการแบตเตอรี่
เพื่อยืดอายุการใช้งานและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ผู้ใช้ควรปฏิบัติตามแนวทางต่อไปนี้
● หลีกเลี่ยงการชาร์จเกินกว่าขีดจำกัดแรงดันที่แนะนำ
● ป้องกันการคายประจุต่ำกว่าระดับความปลอดภัย
● เก็บแบตเตอรี่โดยให้มีประจุบางส่วนเมื่อไม่ได้ใช้งานเป็นเวลานาน
● รอให้แบตเตอรี่เย็นลงถึงอุณหภูมิห้องก่อนการชาร์จ
● ใช้เครื่องชาร์จเฉพาะสำหรับการชาร์จแบบสมดุลของชุดแบตเตอรี่หลายเซลล์
การจัดการแบตเตอรี่อย่างเหมาะสมไม่เพียงแต่ยืดอายุการใช้งาน แต่ยังเพิ่มความปลอดภัยอีกด้วย

5. ปัจจัยที่มีผลต่อเวลาการบินของโดรน

5.1 ความจุของแบตเตอรี่
ความจุของแบตเตอรี่เป็นตัวกำหนดพลังงานทั้งหมดที่ใช้ในการบิน แต่การเพิ่มความจุจะทำให้น้ำหนักเพิ่มขึ้นด้วย ซึ่งอาจส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง การหาจุดสมดุลที่เหมาะสมระหว่างสองปัจจัยนี้จึงเป็นกุญแจสำคัญในการเพิ่มเวลาการบินให้มากที่สุด

5.2 น้ำหนักของอากาศยาน/อุปกรณ์ที่บรรทุก
อากาศยานและอุปกรณ์ที่บรรทุกที่มีน้ำหนักมากขึ้นจะต้องใช้แรงขับที่มากขึ้น ทำให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้น การใช้วัสดุที่เบามีน้ำหนักเบา การเลือกมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ และการออกแบบรูปร่างที่ช่วยให้การเคลื่อนไหวในอากาศมีประสิทธิภาพล้วนมีส่วนช่วยในการยืดระยะเวลาการบิน

5.3 สภาพแวดล้อม
ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น ลม ความหนาแน่นของอากาศ ความสูงจากระดับน้ำทะเล และอุณหภูมิ มีผลกระทบโดยตรงต่อความต้องการพลังงาน อุณหภูมิต่ำจะทำให้สมรรถนะของแบตเตอรี่ลดลง ในขณะที่อุณหภูมิสูงจะเร่งการทำลายแบตเตอรี่

5.4 รูปแบบการบิน (ความเร็ว การเคลื่อนไหว)
รูปแบบการบินที่รุนแรง เช่น การเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว การเลี้ยวอย่างฉับไว และการขึ้น-ลงบ่อยครั้ง จะใช้พลังงานมากกว่าการบินที่ราบรื่นและคงที่ การปรับเส้นทางการบินให้มีประสิทธิภาพและรักษาระดับความเร็วปานกลางสามารถช่วยยืดระยะเวลาการบินได้อย่างมีประสิทธิภาพ

5.5 สุขภาพของแบตเตอรี่และประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อน
เมื่อแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานเพิ่มขึ้น ความต้านทานภายในจะเพิ่มขึ้น และความจุที่ใช้ได้จะลดลง ประสิทธิภาพของมอเตอร์ คุณภาพของตัวควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์ (ESC) และการออกแบบใบพัด มีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยรวม

6. วิธีคำนวณระยะเวลาการบินของโดรน?

6.1 สูตรการคำนวณความจุ - กระแสไฟฟ้า (T = C / I)
สูตรง่ายๆ สำหรับการประมาณระยะเวลาการบินคือ
ระยะเวลาการบิน (ชั่วโมง) = ความจุของแบตเตอรี่ (แอมป์-ชั่วโมง, Ah) ÷ กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยที่ใช้ (แอมป์, A)
ตัวอย่าง: โดรนใช้แบตเตอรี่ขนาด 20 แอมป์-ชั่วโมง (Ah) และใช้กระแสไฟฟ้าเฉลี่ย 25 แอมป์ (A) ระยะเวลาการบินโดยประมาณคือ 0.8 ชั่วโมง (ประมาณ 48 นาที)

6.2 ตัวแปรสภาพแวดล้อมจริง
การคำนวณข้างต้นเป็นเพียงค่าประมาณเท่านั้น เวลาการบินจริงอาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า การตกของแรงดัน สภาพแวดล้อม และการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ โดยทั่วไปจะต่ำกว่าการประมาณการเชิงทฤษฎีอยู่ 10-20%

7. การใช้งานโดรนประเภทใดที่ต้องการเวลามากที่สุดในการบิน?

7.1 การสำรวจและทำแผนที่
งานสำรวจพื้นที่ขนาดใหญ่ได้รับประโยชน์อย่างมากจากเวลาการบินที่ยาวนาน ช่วยลดจำนวนการขึ้น-ลง และปรับปรุงความต่อเนื่องของข้อมูล

7.2 การเกษตร
ในภาคการเกษตรแม่นยำ เวลาการบินที่ยาวนานช่วยให้โดรนสามารถบินครอบคลุมพื้นที่เพาะปลูกได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับการตรวจสอบพืชผล การฉีดพ่น และการวิเคราะห์

7.3 การค้นหาและช่วยเหลือ
เวลาการบินที่ยาวนานมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อภารกิจการค้นหาและช่วยเหลือ เพราะระยะเวลาและความครอบคลุมของการบินมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพในการช่วยชีวิต

7.4 การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม
งานต่างๆ เช่น การติดตามสัตว์ป่า การตรวจจับมลพิษ และการวิจัยด้านนิเวศวิทยา มักต้องการการรองรับการบินต่อเนื่องหลายชั่วโมง

7.5 การตรวจสอบโครงสร้างพื้นฐาน
การตรวจสอบสายส่งไฟฟ้า ท่อส่งน้ำมันและก๊าซ และโครงสร้างพื้นฐานด้านการขนส่ง โดยใช้โดรนที่มีระยะบินยาว ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมาก

7.6 การขนส่ง/จัดส่ง
สำหรับโดรนจัดส่ง การบินที่ใช้เวลานานขึ้นหมายถึงรัศมีการจัดส่งที่กว้างขึ้น ความสามารถในการบรรทุกที่มากขึ้น และการเปลี่ยนแบตเตอรี่ที่ลดลง ทั้งหมดนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการปฏิบัติงาน

สรุป

เทคโนโลยีแบตเตอรี่มีบทบาทสำคัญต่อสมรรถนะและความเป็นไปได้ในการใช้งานโดรนสมัยใหม่ การเข้าใจความแตกต่างระหว่างเคมีภัณฑ์ของแบตเตอรี่ ปัจจัยที่มีผลต่อระยะเวลาการบิน และความหมายที่แท้จริงของคำว่า "ระยะการบินยาวที่สุด" จะช่วยให้ผู้ออกแบบและผู้ใช้งานโดรนสามารถตัดสินใจได้ดียิ่งขึ้น
แม้ว่าแบตเตอรี่ลิเธียมโพลีเมอร์จะยังคงเป็นตัวเลือกหลักสำหรับการใช้งานที่ต้องการกำลังสูง แต่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและเทคโนโลยีแบตเตอรี่สถานะของแข็งรุ่นใหม่ก็กำลังก้าวข้ามขีดจำกัดของอายุการใช้งานอย่างต่อเนื่อง ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ โดรนจะสามารถทำงานได้นานขึ้น มีความปลอดภัยมากขึ้น และมีประสิทธิภาพสูงขึ้นในอุตสาหกรรมที่หลากหลายมากยิ่งขึ้น

คำอธิบาย： โดรนแบบปีกคงที่และโดรน VTOL แบบผสมผสานมีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานที่สุด เมื่อเทียบกับโดรนแบบมัลติรอเตอร์ แพลตฟอร์มอุตสาหกรรม เช่น UAV แบบปีกคงที่ที่บินได้นาน สามารถบินต่อเนื่องได้หลายชั่วโมง ในขณะที่โดรนไฮบริดรุ่นที่ทำสถิติสามารถบินได้นานถึง 10 ชั่วโมง ขณะที่โดรนสำหรับผู้บริโภคมักมีข้อจำกัดอยู่ที่น้อยกว่าหนึ่งชั่วโมงต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง