2 مطلب کاربردی (چگونه بار پهپاد بر زمان پرواز تأثیر می گذارد و راهنمای باتری های لیتیوم)

صدها باتری هواپیمای بدون سرنشین در بازار وجود دارد و تصمیم گیری در مورد اینکه کدام یک برای ساخت شما مناسب است دشوار است. یکی از چالش های اصلی رمزگشایی بسیاری از شاخص های عملکرد ذکر شده در باتری است، مانند ظرفیت، رتبه تخلیه و پیکربندی سلول.

انتخاب باتری مناسب برای پهپاد خود نه تنها به بهبود عملکرد کمک می کند، بلکه طول عمر آن را نیز افزایش می دهد. درست مانند موتور و پروانه شما، باتری شما در نهایت از کار می افتد، اما می توان با انتخاب صحیح و کارکرد ایمن آن را به تعویق انداخت.

در این مقاله به موارد زیر خواهیم پرداخت:

1. باتری های LiPo چیست؟
2. ایمنی باتری LiPo
3. نحوه خواندن باتری LiPo
4. ظرفیت باتری LiPo
5. رتبه بندی ولتاژ باتری
6. پیکربندی سلول LiPo
7. میزان تخلیه / C
8. چگونه یک باتری LiPo برای پهپاد خود انتخاب کنیم
9. مثال – انتخاب باتری مناسب برای حداکثر زمان پرواز

باتری های LiPo چیست؟

رایج ترین باتری های مورد استفاده در هواپیماهای بدون سرنشین، باتری های لیتیوم پلیمری (LiPo) هستند. باتری های LiPo از یک کاتد و آند مبتنی بر لیتیوم تشکیل شده اند که توسط یک الکترولیت پلیمری جدا شده اند.

باتری‌های LiPo با دیگر باتری‌های لیتیوم یونی (Li-ion) تفاوت دارند زیرا به جای الکترولیت مایع، یک جزء الکترولیت پلیمری جامد دارند. الکترولیت های پلیمری رایج ممکن است خشک، متخلخل یا ژل باشند و شامل پلی (متیل متاکریلات) (PMMA)، پلی (اکریلونیتریل) (PAN)، پلی (وینیلیدین فلوراید) (PVdF) و پلی (اتیلن اکسید) (PEO) می باشند.

علم پشت باتری‌های LiPo مانند سایر باتری‌های لیتیوم یونی است: انرژی شیمیایی زمانی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود که الکترون‌ها از آند باتری به کاتد آن می‌روند و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. کاتد حاوی یک اکسید فلزی لیتیوم (مانند اکسید لیتیوم-کبالت (LiCoO2)) است که یون های لیتیوم را فراهم می کند، در حالی که آند حاوی کربن لیتیوم (مانند گرافیت) است.

آند و کاتد توسط یک الکترولیت از هم جدا می شوند که با آند تعامل می کند و الکترون تولید می کند که یک گرادیان بار در سلول ایجاد می کند. با بار منفی آند، الکترون ها در امتداد یک سیم رسانا به سمت کاتد حرکت می کنند. بنابراین کل سیستم تحت یک واکنش ردوکس الکتروشیمیایی (کاهش / اکسیداسیون) قرار می گیرد: آند الکترون ها را از دست می دهد و اکسید می شود در حالی که کاتد الکترون می گیرد و کاهش می یابد.

شکل 2: واکنش ردوکس باتری LiPo

باتری‌های مبتنی بر لیتیوم در مقایسه با باتری‌های نیکل کادمیوم یا هیدرید فلز نیکل چگالی انرژی بیشتری دارند، به این معنی که می‌توانند انرژی بیشتری را برای وزن کمتر تامین کنند. باتری‌های LiPo از نظر چگالی انرژی با باتری‌های Li-Ion رقابت می‌کنند، اما از محبوبیت خاصی برخوردار هستند زیرا احتمال نشت آن‌ها کمتر است.

چگالی انرژی باتری های LiPo از 140 تا 200+ وات ساعت بر کیلوگرم از نظر وزن و 250 تا 350+ وات ساعت بر لیتر برای حجم متغیر است. چگالی انرژی حجمی هنگام ساخت پهپاد مهم است تا باتری روی قاب قرار گیرد، اما برای محاسبات عملکرد، چگالی انرژی بر حسب وزن بیشتر مرتبط است. با تراکم بالاتر، هزینه بیشتری نیز به همراه دارد، بنابراین بودجه شما نیز ممکن است یک عامل محدود کننده باشد.

فناوری‌ای که ممکن است به زودی با باتری‌های LiPo به عنوان پهپاد مورد استفاده رقابت کند، باتری‌های Licerion شرکت Sion Power هستند . این باتری ها دارای چگالی انرژی تا 500 وات بر کیلوگرم و 1000 وات ساعت در لیتر هستند. آنها همچنین دارای 50٪ حجم الکترولیت مایع کمتری در مقایسه با سایر باتری های Li-Ion هستند. آنها به طور خاص برای کاربردهای بدون سرنشین، به ویژه ماهواره های شبه در ارتفاع بالا (HAPS) و پهپادهای بلند مدت (HALE) در ارتفاع بالا طراحی شده اند.

ایمنی باتری LiPo

باتری‌های LiPo به دلیل ساختار شیمیایی داخلی‌شان نسبت به فناوری‌های قدیمی‌تر خطر آتش‌سوزی و تورم بیشتری دارند. کارکردن باتری در محدوده یا فراتر از آن می تواند منجر به تجمع اتم های اکسیژن و تجمع اکسید لیتیوم (Li 2 O) شود که مقاومت داخلی بیشتری ایجاد می کند. مقاومت داخلی بیشتر منجر به گرمای بیشتر می شود و چرخه فرار حرارتی شروع می شود.

هنگامی که بسته باتری شروع به متورم شدن کرد، این نشانه خوبی است که باتری بدون تعمیر آسیب دیده است یا به پایان چرخه عمر خود رسیده است. استفاده از آن فراتر از این نقطه دمای آن را بیشتر افزایش می دهد و به طور بالقوه منجر به آتش سوزی می شود.

برای باتری های LiPo معمولی، ولتاژ اسمی یا متوسط ​​3.7 V/cell با حداکثر ولتاژ 4.2 V/cell است. پس از اینکه سلول به طور کامل شارژ شد، به طور خلاصه 4.2 ولت قبل از کاهش به 3.7 ولت برای بیشتر طول عمر باتری ارائه می شود. تخلیه باتری پس از کاهش ولتاژ سلول به زیر 3.2 ولت خطرناک می شود زیرا مقاومت باتری افزایش می یابد و باعث گرم شدن و متورم شدن باتری و در نتیجه آسیب می شود.

شکل 4: باتری LiPo در آتش (اعتبار: alishanmao )

برای جلوگیری از این امر، بسیاری از سازندگان موتور یک قطع ولتاژ پایین (LVC) را به کنترل‌های خود اضافه کرده‌اند، که آنها را از کشیدن شارژ پس از یک آستانه مشخص، معمولاً در محدوده 3.2 تا 3.4 ولت باز می‌دارد. شارژ بیش از حد باتری LiPo به همان اندازه خطرناک است و می‌تواند منجر به گرم شدن بیش از حد و حتی انفجار می شود .

آتش سوزی باتری های لیتیوم یونی به عنوان آتش سوزی مایع قابل اشتعال کلاس B طبقه بندی می شود، بنابراین باید از یک کپسول آتش نشانی نوع ABC یا BC برای خاموش کردن آنها استفاده کرد. این خاموش کننده ها از وقوع واکنش شیمیایی جلوگیری می کنند و در نهایت آتش را خاموش می کنند.

نحوه خواندن باتری LiPo

باتری‌های LiPo با چند اطلاعات مهم برچسب‌گذاری شده‌اند، از جمله: ظرفیت باتری، ولتاژ، پیکربندی سلول و نرخ تخلیه

ظرفیت باتری LiPo

ظرفیت باتری بر حسب میلی آمپر ساعت یا آه داده شده است و می توان از آن برای تخمین زمان پرواز استفاده کرد (در ادامه در این مورد بیشتر توضیح خواهیم داد). ظرفیت باتری به طور خاص به عنوان تعداد ساعات جریان یا برقی که باتری می تواند ارائه دهد تعریف می شود. واحدهای رایج آمپر ساعت (Ah) و وات ساعت (Wh) هستند. اگر ظرفیت باتری 1 Ah باشد، می توانید جریان 1 آمپر را برای یک ساعت بکشید. اگر ظرفیت 1 وات ساعت باشد، باتری 1 وات برق برای یک ساعت تامین می کند.

رتبه بندی ولتاژ باتری

رتبه بندی ولتاژ باتری به شما امکان می دهد سرعت و آمپر موتور خود را تعیین کنید. از آنجایی که موتورها بر حسب Kv با واحد RPM/Volt رتبه بندی می شوند، تعداد ولت هایی که باتری شما می تواند تامین کند تعیین می کند که موتور شما با چه سرعتی بچرخد.

اگر درجه ولتاژ شما خیلی کم باشد یا جریان مصرفی شما خیلی زیاد باشد، می توانید به مدار خود آسیب وارد کنید یا حتی باعث آتش سوزی شوید، بنابراین مهم است که ولتاژ باتری خود را با دقت انتخاب کنید.

برای تعیین حداکثر جریانی که پهپاد شما می کشد، موتور و پروانه خود را با یک پایه تست پیشرانه تنظیم کنید و آنها را با حداکثر دریچه گاز کار کنید. جریان ثبت شده در 100% دریچه گاز به شما می گوید حداکثر آمپری که موتور شما می کشد، بنابراین این مقدار را در تعداد موتورها ضرب کنید تا مجموع جریان مصرفی پهپاد خود را بدست آورید. باتری باید بتواند حداقل این مقدار جریان را برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد فراهم کند.

راه دیگر برای تعیین حداکثر آمپری که می توانید از باتری بگیرید، ضرب ظرفیت بر حسب Ah در درجه C است. برای باتری با ظرفیت 5800 میلی آمپر/5.8 آمپر ساعت و 25 درجه سانتیگراد مداوم، حداکثر جریانی که می توانید با خیال راحت بکشید 145 آمپر (5.8 x 25 = 145) است.

پیکربندی سلول لیپو

پیکربندی سلول گاهی روی برچسب وجود دارد و تعداد و طرح سلول‌های LiPo در باتری را توصیف می‌کند. به یاد بیاورید که یک سلول LiPo دارای ولتاژ نامی 3.7 ولت است و چندین سلول LiPo را می توان به صورت سری متصل کرد. یک باتری 4S دارای چهار سلول LiPo در سری (S) است که یک باتری 14.8 ولتی (4 x 3.7 V = 14.8 V) می دهد. یک باتری همچنین ممکن است کدی مانند 4S2P داشته باشد، که به ما می گوید که چهار سلول به صورت سری و دو مجموعه سلول به صورت موازی (P) و در مجموع هشت سلول LiPo وجود دارد.

تخلیه / درجه C

میزان دشارژ یا درجه C معیاری است که نشان می دهد باتری چقدر سریع می تواند به طور ایمن تخلیه شود.

اگر باتری دارای درجه C 25 و ظرفیت 5800 میلی آمپر ساعت / 5.8 Ah باشد، می توانید با خیال راحت آن را با 25 برابر ظرفیت باتری، 25 x 5.8 = 145 Ah تخلیه کنید. با قدرت مداوم در آن سرعت، باتری 5.8 Ah می تواند در 2.4 دقیقه ((5.8 / 145) x 60 = 2.4) تخلیه شود. باتری‌ها همچنین ممکن است محدوده یا سرعت تخلیه «اوج» داشته باشند، که در آن باتری ممکن است برای مدت کوتاهی بدون گرم شدن بیش از حد از توان خروجی ثابت خود، مانند طی یک صعود یا اصلاح ناگهانی، فراتر رود. رتبه C بالاتر برای برنامه‌هایی مانند مسابقات هواپیماهای بدون سرنشین که نیاز به سرعت زیاد دارند، عالی است، زیرا باتری می‌تواند شارژ مورد نیاز را خیلی سریع ارائه دهد.

چگونه یک باتری LiPo برای پهپاد خود انتخاب کنید

بهترین باتری برای پهپاد شما باتری است که به بهترین وجه برای برنامه شما مناسب است. اگر زمان پرواز نگرانی اصلی شما است، می خواهید جرم خود را کاهش دهید و ظرفیت باتری را به حداکثر برسانید (معادله 1) که به چگالی و جرم انرژی بستگی دارد (معادله 2).

کجا:

E = ظرفیت

σ = چگالی انرژی

M = جرم بر حسب گرم (گرم)

اگر برق و سرعت اولویت‌های شما هستند، باتری می‌خواهید که بتواند مقادیر زیادی شارژ را به سرعت و بدون گرم شدن بیش از حد ارائه دهد، بنابراین به دنبال رتبه‌بندی ولتاژ بالا و C هستید.

در اینجا خلاصه ای از چگونگی تأثیر هر متغیر باتری بر عملکرد شما آورده شده است:

ظرفیت باتری

• ظرفیت بیشتر → زمان پرواز بیشتر → جرم بیشتر
• افزایش ظرفیت باتری به شما زمان پرواز بیشتری می دهد، اما با  کاهش بازده با افزایش جرم باتری (شکل 6)
• آزمایش چندین باتری می تواند به شما در یافتن حداکثر ظرفیت مفید کمک کند

شکل 6: زمان پرواز پهپاد در مقابل ظرفیت باتری

ولتاژ

• باتری های ولتاژ بالاتر موتور را با دور در دقیقه بالاتر می چرخانند، بنابراین ولتاژی را پیدا کنید که با محدوده سرعت چرخش دلخواه شما مطابقت داشته باشد.
• باتری‌های با ولتاژ بالاتر کارآمدتر و همچنین سنگین‌تر هستند – برای یافتن تعادل، از مقادیر بازده از آزمایش‌های رانش استفاده کنید.

میزان تخلیه/C

• یک رتبه بندی بر اساس برنامه خود انتخاب کنید – سرعت بالا و تحویل سریع در مقابل توان کم ثابت
• اگر میزان تخلیه خیلی کم باشد، پهپاد شما فاقد قدرت و عملکرد ضعیف خواهد بود
• اگر میزان تخلیه بیش از حد بالا باشد، ممکن است وزن غیر ضروری را حمل کنید

قرعه کشی فعلی

• از تکنیک های ذکر شده برای تعیین جریان کشیده شده توسط موتورهای خود استفاده کنید
• باتری باید بتواند حداقل به اندازه ای که پهپاد می کشد جریان داشته باشد تا از گرم شدن بیش از حد جلوگیری شود

مثال – انتخاب باتری مناسب برای حداکثر زمان پرواز

برای نشان دادن روند انتخاب باتری مناسب، از مثال ساخت پهپاد برای کشاورزی استفاده می کنیم – این هواپیما باید زمان پرواز طولانی داشته باشد، اما نیازی به انفجار سریع نیرو نداریم. ما از داده‌هایی که در سیستم محرکه خود جمع‌آوری کرده‌ایم برای اطلاع از تصمیمات خود استفاده خواهیم کرد.

ما می خواهیم باتری با بالاترین ظرفیت ممکن را انتخاب کنیم که جرم کل پهپاد ما را روی 20 کیلوگرم قابل کنترل نگه دارد. جرم سایر اجزای ما 12.5 کیلوگرم است، بنابراین ما 7.5 کیلوگرم جرم برای باتری خود داریم.

ما در مجموع به 196 نیوتن نیروی رانش نیاز داریم تا پهپاد را در حالت شناور نگه داریم، جایی که بیشتر عملیات خود را انجام می دهد، که برابر است با حدود 50 نیوتن در هر ترکیب موتور/ ملخ: (20)*(9.81) / 4 = ~49 نیوتن برای طراحی ما، ما می‌خواهیم پهپاد بتواند تا دو برابر نیروی رانش شناور کار کند، بنابراین تا 100 نیوتن نیرو نیاز داریم.

سازنده موتور ما به ما می گوید که حداکثر جریان پیوسته موتور ما 100 A است. ضرب در 4 موتور، باتری ما باید بتواند حداقل 400 A جریان پیوسته را در صورت کارکرد با حداکثر ظرفیت ارائه دهد.

با این حال، می‌توانیم به داده‌های رانش موتور خود نگاه کنیم تا ببینیم که در دو برابر رانش شناور (100 نیوتن)، هر موتور فقط حدود 27 A می‌کشد (شکل 7). با ضرب در 4 موتور، پهپاد ما در اکثر ماموریت های خود بیش از 108 عدد نمی کشد.

شکل 7: جریان کشیده شده در مقابل رانش موتور

از نظر ولتاژ، سازنده موتور هیچ داده ای ارائه نکرده است، اما می توانیم به نتایج تست پیشرانه خود برگردیم تا ببینیم که موتور بین 45 تا 49 ولت در محدوده کاری ما کشیده شده است.

ما برای پهپاد خود نیازی به سرعت انفجاری نداریم، بنابراین به دنبال باتری 14S / 51.8 V با حداقل میزان تخلیه 25 درجه سانتیگراد و وزن کمتر از 7.5 کیلوگرم خواهیم بود.

در اینجا سه ​​نامزد متناسب با این توصیف آورده شده است:

برای محاسبه مقادیر تخمینی زمان پرواز در جدول از نسخه اصلاح شده معادله 2 استفاده کردیم. با ضرب مقدار Ah در 47 ولت Ah را به Wh تبدیل کردیم و از مقدار ثابت 10 گرم بر وات برای بازده پروانه استفاده کردیم:

بر اساس این نتایج، باتری C طولانی ترین زمان پرواز (33 دقیقه) را به ما می دهد و از حد مجاز وزن ما تجاوز نمی کند. حداکثر جریانی که می‌توانیم از این باتری بگیریم 550 A (22 Ah x 25C = 550) است که از حداکثر مصرف موتور ما بیشتر است. بنابراین، ما با باتری C برای ساخت خود استفاده خواهیم کرد.

نتیجه گیری

انتخاب باتری مناسب برای پهپاد می تواند به شما در افزایش عملکرد، زمان پرواز و استقامت کمک کند. این فرآیند با درک ویژگی‌های مختلف باتری‌ها مانند ظرفیت باتری، نرخ دشارژ و ولتاژ شروع می‌شود.

سپس می‌توانید اولویت‌های ساخت خود را تعیین کنید – آیا به طولانی‌ترین زمان پرواز ممکن یا توانایی ارائه انفجارهای قوی نیاز دارید؟ همه اینها به نحوه استفاده از پهپاد خود بستگی دارد.