Eisen voor batterijveiligheidssysteem voor drone

Marktgroei en veiligheidsuitdagingen

Het aantal drones op de markt blijft stijgen. De U.S. Federal Aviation Administration verwacht een aanhoudende sterke groei van producten voor beeldvorming en gegevensverzameling vanuit de lucht, waaronder toepassingen voor reddingsoperaties in noodsituaties. Alle drones zijn echter gevoelig voor storingen, die tot verschillende problemen kunnen leiden. Batterijstoringen, zoals vlam vatten tijdens het opladen of uitvallen tijdens de vlucht, benadrukken een reeks elektrische problemen, wat het belang van robuuste elektrische beveiligingssystemen onderstreept. Er zijn steeds meer tools en technologieën beschikbaar voor het implementeren van batterijveiligheidssystemen en ESD-bescherming (elektrostatische ontlading).

Figuur -1 illustreert een generiek ontwerp van een drone en benadrukt de belangrijkste gebieden waar fabrikanten van drones circuitbeveiliging voor verschillende elektrische subsystemen moeten overwegen, samen met de meest voorkomende circuitbeveiligingscomponenten voor elke toepassing.

Figuur 1: Drone-subsystemen waarvoor circuitbeveiliging vereist is

Batterijen en oplaadcircuits beschermen

Drones vertrouwen op accu's aan boord om hun activiteiten van energie te voorzien. Lithium polymeer (LiPo) batterijen behoren tot de meest gebruikte vanwege hun voordelen:

  • Hoge energiedichtheid: In verhouding tot hun grootte en gewicht bieden LiPo-batterijen een superieure energieopslag.

  • Hogere spanning per cel: Dit vermindert het aantal cellen dat nodig is om boordsystemen van stroom te voorzien in vergelijking met andere oplaadbare batterijen.

  • Langzamere ontladingssnelheid: LiPo-batterijen behouden hun lading langer als ze niet worden gebruikt.

Onjuist opladen of onjuist gebruik kan de prestaties van LiPo-batterijen echter verslechteren, wat kan leiden tot roken of brand. Twee van buitenaf veroorzaakte gebeurtenissen die problemen kunnen veroorzaken met lithium-ion-batterijen zijn overontlading en overbelasting:

  • Overontlading: Als de accuspanning onder ongeveer 1,5V komt, kan de anode gas afgeven. Als de spanning onder 1V daalt, lost het koper in de stroomcollector op, waardoor een interne kortsluiting ontstaat. Hiervoor is onderspanningsbeveiliging nodig, meestal geleverd door een batterijbeveiligingsIC.

  • Overbelasting: Wanneer de accuspanning ongeveer 4,6 V bereikt, ontstaat er gas en warmteontwikkeling bij de kathode. Terwijl cilindrische accu's interne drukbeveiliging hebben, zoals Current Interrupt Devices (CID) en schijven met een positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) (die de weerstand verhogen bij warmte), hebben LiPo-batterijen geen interne CID- en PTC-mechanismen, waardoor externe overspannings- en overstroombeveiliging nodig is.

Circuitbeveiligingsopties

Verschillende circuitbeveiligingsopties beschermen dronebatterijen tegen overstroom en oververhitting, waaronder:

  • Metaalhybride PPTC met thermische activering (MHP-TA): Combineert een lage thermische uitschakeltemperatuur, hoge hold-stroomwaarden en een compact formaat, waardoor het ideaal is voor het beschermen van LiPo-batterijen. De nieuwste MHP-TA-apparaten hebben een nominale stroomsterkte van 9 VDC en een hogere stroomsterkte dan typische thermische onderbrekers voor batterijen (TCO), waardoor ze de spanningen en laadsnelheden aankunnen die gebruikelijk zijn in LiPo-batterijen met een hoge capaciteit.

  • PolySwitch PPTC-apparaten: Geschikt voor lithium-ion (Li-Ion), nikkel-metaalhydride (NiMH) of nikkel-cadmium (NiCd) batterijen. Deze herinstelbare apparaten zijn compatibel met elektronische assemblage van grote volumes en hebben UL-, CSA- en TÜV-certificeringen, wat het naleven van wettelijke vereisten vereenvoudigt. Hun lage weerstand verlengt de levensduur van de batterij en verbetert de bescherming tegen thermische gebeurtenissen.

  • POLYFUSE LoRho Opbouw Resettable PPTC: Deze apparaten zijn ontworpen voor lithium-ion- en LiPo-batterijbeveiligingscircuitmodules en bieden snelle overstroom- en overtemperatuurbeveiliging met ultralage interne weerstand, spanningsval en stroomverbruik. Hun automatische resetfunctie biedt een onderhoudsarm alternatief voor eenmalige zekeringen voor overstroombeveiliging. Als opbouwcomponenten kunnen ze worden geïntegreerd in elektronische beveiligingsmodules op printplaten, wat de assemblage vereenvoudigt.

  • Opbouwzekeringen: In tegenstelling tot PPTC-apparaten stoppen traditionele zekeringen de stroom volledig zodra ze doorslaan, wat wenselijk kan zijn in kritieke toepassingen, maar waarbij na elke gebeurtenis vervanging nodig is. Omdat PPTC-apparaten herinstelbaar zijn, kunnen ze blijven werken na de meeste overstroomgebeurtenissen, tenzij er extreme omstandigheden optreden.

Conclusie

Effectieve batterijbeveiligingssystemen zijn van cruciaal belang om de betrouwbaarheid en veiligheid van drones te garanderen. Door robuuste circuitbeveiligingscomponenten te implementeren, zoals MHP-TA-apparaten, PolySwitch PPTC, LoRho PPTC en opbouwzekeringen, kunnen fabrikanten LiPo en andere accutypen beschermen tegen risico's van overstroom, overspanning en overtemperatuur, waardoor de prestaties en veiligheid van drones in verschillende toepassingen worden verbeterd.