Requisiti del sistema di sicurezza della batteria del drone

Crescita del mercato e sfide per la sicurezza

Il numero di droni sul mercato continua ad aumentare. La Federal Aviation Administration statunitense prevede una forte crescita sostenuta dei prodotti per l'imaging aereo e la raccolta di dati, comprese le applicazioni nelle operazioni di salvataggio di emergenza. Tuttavia, tutti i droni sono suscettibili di guasti, con conseguenti problemi di varia natura. I malfunzionamenti della batteria, come l'incendio durante la ricarica o il guasto durante il volo, evidenziano una serie di problemi elettrici, sottolineando l'importanza di solidi sistemi di protezione elettrica. È disponibile un numero crescente di strumenti e tecnologie per implementare sistemi di sicurezza delle batterie e di protezione dalle scariche elettrostatiche (ESD).

Figura -1 illustra un progetto generico di drone, evidenziando le aree chiave in cui i produttori di droni devono considerare la protezione dei circuiti per i vari sottosistemi elettrici, insieme ai componenti di protezione dei circuiti più comuni per ogni applicazione.

Figura 1: Sottosistemi del drone che richiedono una protezione del circuito

Protezione delle batterie e dei circuiti di carica

I droni si affidano a batterie di bordo per alimentare le loro operazioni. Batterie ai polimeri di litio (LiPo) sono tra i più utilizzati per i loro vantaggi:

• Alta densità energetica: Rispetto alle loro dimensioni e al loro peso, le batterie LiPo offrono un accumulo di energia superiore.

• Maggiore tensione per cella: Questo riduce il numero di celle necessarie per alimentare i sistemi di bordo rispetto ad altre batterie ricaricabili.

• Velocità di scarico più bassa: Le batterie LiPo mantengono la carica più a lungo quando non vengono utilizzate.

Tuttavia, una carica o un utilizzo improprio possono degradare le prestazioni delle batterie LiPo, causando potenzialmente fumo o incendi. Due eventi indotti dall'esterno che possono causare problemi alle batterie agli ioni di litio sono sovrascarica e sovraccarico:

• Sovrascarica: Se la tensione della batteria scende al di sotto di circa 1,5 V, l'anodo può rilasciare gas. Quando la tensione scende al di sotto di 1V, il rame nel collettore di corrente si dissolve, causando un cortocircuito interno. Ciò richiede una protezione da sottotensione, in genere fornita da un circuito integrato di protezione della batteria.

• Sovraccarico: Quando la tensione della batteria raggiunge circa 4,6 V, si verifica un accumulo di gas e calore al catodo. Mentre le batterie cilindriche dispongono di protezioni interne contro la pressione, come i dispositivi di interruzione della corrente (CID) e i dischi con coefficiente di temperatura positivo (PTC) (che aumentano la resistenza con il calore), le batterie LiPo non dispongono di meccanismi interni CID e PTC e richiedono una protezione esterna contro le sovratensioni e le sovracorrenti.

Opzioni di protezione del circuito

Diverse opzioni di protezione dei circuiti salvaguardano le batterie dei droni da condizioni di sovracorrente e surriscaldamento, tra cui:

• PPTC ibrido metallico con attivazione termica (MHP-TA): Combina una bassa temperatura di taglio termico, elevati valori di corrente di mantenimento e dimensioni compatte, rendendolo ideale per la protezione delle batterie LiPo. I più recenti dispositivi MHP-TA offrono un valore nominale di 9 VDC e valori di corrente più elevati rispetto ai tipici dispositivi TCO (Thermal Cutoff) per batterie, in grado di gestire le tensioni e le velocità di carica comuni nelle batterie LiPo ad alta capacità.

• Dispositivi PolySwitch PPTC: Adatto per batterie agli ioni di litio (Li-Ion), al nichel-metallo idruro (NiMH) o al nichel-cadmio (NiCd). Questi dispositivi ripristinabili sono compatibili con l'assemblaggio di componenti elettronici ad alto volume e dispongono delle certificazioni UL, CSA e TÜV, semplificando la conformità ai requisiti normativi. La loro bassa resistenza prolunga la durata della batteria e migliora la protezione contro gli eventi termici.

• POLYFUSE LoRho PPTC ripristinabile a montaggio superficiale: Progettati per i moduli dei circuiti di protezione delle batterie agli ioni di litio e LiPo, questi dispositivi offrono una protezione rapida contro le sovracorrenti e le sovratemperature con una resistenza interna, una caduta di tensione e un consumo di energia estremamente ridotti. La funzione di ripristino automatico offre un'alternativa a bassa manutenzione ai fusibili una tantum per la protezione da sovracorrenti. Essendo componenti a montaggio superficiale, possono essere integrati in moduli di protezione elettronica su circuiti stampati, semplificando l'assemblaggio.

• Fusibili a montaggio superficiale: A differenza dei dispositivi PPTC, i fusibili tradizionali interrompono completamente il flusso di corrente al momento dell'intervento, il che può essere auspicabile in applicazioni critiche ma richiede la sostituzione dopo ogni evento. I dispositivi PPTC, essendo ripristinabili, consentono di continuare a funzionare dopo la maggior parte degli eventi di sovracorrente, a meno che non si verifichino condizioni estreme.

Conclusione

Sistemi di sicurezza efficaci per le batterie sono fondamentali per garantire l'affidabilità e la sicurezza dei droni. Implementando robusti componenti di protezione dei circuiti come i dispositivi MHP-TA, PolySwitch PPTC, LoRho PPTC e i fusibili a montaggio superficiale, i produttori possono proteggere le batterie LiPo e altri tipi di batterie dai rischi di sovracorrente, sovratensione e sovratemperatura, migliorando le prestazioni e la sicurezza dei droni in varie applicazioni.