Anforderungen an das Sicherheitssystem für Drohnenbatterien

Marktwachstum und Sicherheitsherausforderungen

Die Zahl der Drohnen auf dem Markt nimmt weiter zu. Die US-Luftfahrtbehörde Federal Aviation Administration prognostiziert ein anhaltend starkes Wachstum bei Luftbild- und Datenerfassungsprodukten, einschließlich Anwendungen bei Rettungseinsätzen. Allerdings sind alle Drohnen störanfällig, was zu verschiedenen Problemen führt. Fehlfunktionen der Batterien, die während des Aufladens Feuer fangen oder während des Fluges ausfallen, zeigen eine Reihe von elektrischen Problemen auf und unterstreichen die Bedeutung robuster elektrischer Schutzsysteme. Für die Implementierung von Batteriesicherheitssystemen und den Schutz vor elektrostatischen Entladungen (ESD) steht eine wachsende Zahl von Werkzeugen und Technologien zur Verfügung.

Abbildung -1 veranschaulicht ein allgemeines Drohnendesign und hebt die wichtigsten Bereiche hervor, in denen Drohnenhersteller den Stromkreisschutz für verschiedene elektrische Teilsysteme berücksichtigen müssen, sowie die gängigsten Stromkreisschutzkomponenten für jede Anwendung.

Abbildung 1: Drohnen-Subsysteme, die einen Stromkreisschutz erfordern

Schutz von Batterien und Ladestromkreisen

Drohnen sind auf Bordbatterien angewiesen, um ihren Betrieb zu gewährleisten. Lithium-Polymer-Akkus (LiPo) gehören aufgrund ihrer Vorteile zu den am häufigsten verwendeten:

  • Hohe Energiedichte: Im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht bieten LiPo-Akkus eine hervorragende Energiespeicherung.

  • Höhere Spannung pro Zelle: Im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batterien verringert sich die Anzahl der Zellen, die zur Versorgung von Bordsystemen benötigt werden.

  • Langsamere Entladungsrate: LiPo-Akkus behalten ihre Ladung länger, wenn sie nicht benutzt werden.

Unsachgemäßes Laden oder Verwenden kann jedoch die Leistung von LiPo-Akkus beeinträchtigen und möglicherweise zu Rauchentwicklung oder Bränden führen. Zwei von außen verursachte Ereignisse, die Probleme mit Lithium-Ionen-Akkus verursachen können, sind Überentladung und Überladung:

  • Überentladung: Wenn die Batteriespannung unter ca. 1,5 V fällt, kann die Anode Gas freisetzen. Wenn die Spannung unter 1 V fällt, löst sich das Kupfer im Stromabnehmer auf und verursacht einen internen Kurzschluss. Dies macht einen Unterspannungsschutz erforderlich, der in der Regel von einem Batterieschutz-IC bereitgestellt wird.

  • Überladung: Wenn die Akkuspannung etwa 4,6 V erreicht, kommt es an der Kathode zu Gas- und Wärmestau. Während zylindrische Batterien über einen internen Druckschutz verfügen, wie z. B. Stromunterbrechungsvorrichtungen (CID) und PTC-Scheiben (positiver Temperaturkoeffizient) (die den Widerstand bei Hitze erhöhen), fehlen bei LiPo-Batterien interne CID- und PTC-Mechanismen, so dass ein externer Überspannungs- und Überstromschutz erforderlich ist.

Stromkreisschutz-Optionen

Mehrere Stromkreisschutzoptionen schützen die Drohnenbatterien vor Überstrom und Überhitzung, darunter:

  • Metallhybrid-PPTC mit thermischer Aktivierung (MHP-TA): Kombiniert eine niedrige thermische Abschalttemperatur, hohe Haltestromwerte und eine kompakte Größe, was sie ideal für den Schutz von LiPo-Akkus macht. Die neuesten MHP-TA-Geräte bieten eine 9-VDC-Bewertung und höhere Stromwerte als typische Batterie-Thermoschutzgeräte (TCO), die in der Lage sind, die in LiPo-Akkus mit hoher Kapazität üblichen Spannungen und Laderaten zu verarbeiten.

  • PolySwitch PPTC-Geräte: Geeignet für Lithium-Ionen- (Li-Ion), Nickel-Metallhydrid- (NiMH) oder Nickel-Cadmium- (NiCd) Batterien. Diese rücksetzbaren Geräte sind mit der Montage von Großserien-Elektronik kompatibel und verfügen über UL-, CSA- und TÜV-Zertifizierungen, was die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften vereinfacht. Ihr geringer Widerstand verlängert die Akkulaufzeit und verbessert den Schutz vor thermischen Ereignissen.

  • POLYFUSE LoRho oberflächenmontierbarer rücksetzbarer PPTC: Diese für Lithium-Ionen- und LiPo-Akku-Schutzschaltungen konzipierten Geräte bieten schnellen Überstrom- und Übertemperaturschutz mit extrem niedrigem Innenwiderstand, Spannungsabfall und Stromverbrauch. Ihre automatische Rückstellfunktion bietet eine wartungsarme Alternative zu Einmal-Sicherungen für den Überstromschutz. Als oberflächenmontierbare Komponenten können sie in elektronische Schutzmodule auf Leiterplatten integriert werden, was die Montage vereinfacht.

  • Oberflächenmontierte Sicherungen: Im Gegensatz zu PPTC-Geräten unterbrechen herkömmliche Sicherungen den Stromfluss bei Auslösung vollständig, was bei kritischen Anwendungen wünschenswert sein kann, aber nach jedem Ereignis ersetzt werden muss. PPTC-Geräte sind rücksetzbar und ermöglichen den weiteren Betrieb nach den meisten Überstromereignissen, sofern keine extremen Bedingungen auftreten.

Schlussfolgerung

Wirksame Batteriesicherheitssysteme sind entscheidend für die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Drohnen. Durch die Implementierung robuster Stromkreisschutzkomponenten wie MHP-TA-Geräte, PolySwitch PPTC, LoRho PPTC und oberflächenmontierte Sicherungen können Hersteller LiPo- und andere Akkutypen vor Überstrom-, Überspannungs- und Übertemperaturrisiken schützen und so die Leistung und Sicherheit von Drohnen in verschiedenen Anwendungen verbessern.