Requisitos del sistema de seguridad de la batería del dron

Crecimiento del mercado y retos de seguridad

El número de drones en el mercado sigue aumentando. La Administración Federal de Aviación de EE.UU. prevé un fuerte crecimiento sostenido de los productos de obtención de imágenes y datos aéreos, incluidas aplicaciones en operaciones de rescate de emergencia. Sin embargo, todos los drones son susceptibles de sufrir fallos, lo que provoca diversos problemas. El mal funcionamiento de las baterías, como que se incendien durante la carga o fallen durante el vuelo, pone de manifiesto toda una serie de problemas eléctricos, lo que subraya la importancia de contar con sólidos sistemas de protección eléctrica. Cada vez hay más herramientas y tecnologías disponibles para implantar sistemas de seguridad de baterías y protección contra descargas electrostáticas (ESD).

Figura -1 ilustra un diseño genérico de dron, destacando las áreas clave en las que los fabricantes de drones deben considerar la protección de circuitos para varios subsistemas eléctricos, junto con los componentes de protección de circuitos más comunes para cada aplicación.

Figura 1: Subsistemas del dron que requieren protección de circuitos

Protección de baterías y circuitos de carga

Los drones funcionan con baterías a bordo. Baterías de polímero de litio (LiPo) se encuentran entre los más utilizados debido a sus ventajas:

  • Alta densidad energética: En relación con su tamaño y peso, las baterías LiPo ofrecen un almacenamiento de energía superior.

  • Mayor tensión por célula: Esto reduce el número de celdas necesarias para alimentar los sistemas de a bordo en comparación con otras baterías recargables.

  • Velocidad de descarga más lenta: Las baterías LiPo conservan su carga durante más tiempo cuando no se utilizan.

Sin embargo, una carga o un uso inadecuados pueden degradar el rendimiento de las baterías LiPo y provocar humos o incendios. Dos eventos inducidos externamente que pueden causar problemas con las baterías de iones de litio son sobredescarga y sobrecarga:

  • Sobredescarga: Si la tensión de la batería cae por debajo de 1,5 V aproximadamente, el ánodo puede liberar gas. Cuando la tensión cae por debajo de 1V, el cobre del colector de corriente se disuelve, provocando un cortocircuito interno. Esto requiere una protección contra subtensión, normalmente proporcionada por un circuito integrado de protección de la batería.

  • Sobrecarga: Cuando el voltaje de la batería alcanza unos 4,6 V, se produce una acumulación de gas y calor en el cátodo. Mientras que las baterías cilíndricas tienen protección interna contra la presión, como los dispositivos de interrupción de corriente (CID) y los discos de coeficiente de temperatura positivo (PTC) (que aumentan la resistencia con el calor), las baterías LiPo carecen de mecanismos CID y PTC internos, por lo que requieren protección externa contra sobretensión y sobrecorriente.

Opciones de protección de circuitos

Varias opciones de protección de circuitos protegen las baterías de los drones de sobrecorrientes y sobrecalentamientos:

  • PPTC híbrido metálico con activación térmica (MHP-TA): Combina una baja temperatura de corte térmico, altos valores nominales de corriente de retención y un tamaño compacto, por lo que es ideal para proteger las baterías LiPo. Los últimos dispositivos MHP-TA ofrecen un valor nominal de 9 VCC y valores nominales de corriente más altos que los dispositivos de corte térmico (TCO) de batería típicos, capaces de manejar los voltajes y las velocidades de carga comunes en las baterías LiPo de alta capacidad.

  • Dispositivos PolySwitch PPTC: Adecuados para baterías de ión-litio (Li-Ion), níquel-hidruro metálico (NiMH) o níquel-cadmio (NiCd). Estos dispositivos reiniciables son compatibles con el montaje de componentes electrónicos de gran volumen y cuentan con las certificaciones UL, CSA y TÜV, lo que simplifica el cumplimiento de los requisitos normativos. Su baja resistencia prolonga el tiempo de funcionamiento de la batería y mejora la protección contra eventos térmicos.

  • PPTC rearmable de montaje en superficie POLYFUSE LoRho: Diseñados para módulos de circuitos de protección de baterías de iones de litio y LiPo, estos dispositivos ofrecen una rápida protección contra sobrecorriente y sobretemperatura con resistencia interna, caída de tensión y consumo de energía ultrabajos. Su función de restablecimiento automático proporciona una alternativa de bajo mantenimiento a los fusibles de un solo uso para la protección contra sobrecorriente. Como componentes de montaje superficial, pueden integrarse en módulos de protección electrónica en placas de circuitos, lo que simplifica el montaje.

  • Fusibles de montaje superficial: A diferencia de los dispositivos PPTC, los fusibles tradicionales detienen por completo el flujo de corriente al dispararse, lo que puede ser deseable en aplicaciones críticas, pero requiere su sustitución después de cada evento. Los dispositivos PPTC, al ser rearmables, permiten seguir funcionando después de la mayoría de los eventos de sobreintensidad, a menos que se den condiciones extremas.

Conclusión

Los sistemas de seguridad eficaces para baterías son fundamentales para garantizar la fiabilidad y seguridad de los drones. Mediante la implementación de robustos componentes de protección de circuitos como dispositivos MHP-TA, PolySwitch PPTC, LoRho PPTC y fusibles de montaje superficial, los fabricantes pueden proteger las baterías LiPo y de otros tipos frente a riesgos de sobrecorriente, sobretensión y sobretemperatura, mejorando el rendimiento y la seguridad de los drones en diversas aplicaciones.