Wymagania dotyczące systemu bezpieczeństwa baterii drona

Wzrost rynku i wyzwania związane z bezpieczeństwem

Liczba dronów na rynku stale rośnie. Amerykańska Federalna Administracja Lotnictwa prognozuje stały, silny wzrost w zakresie produktów do obrazowania lotniczego i gromadzenia danych, w tym zastosowań w operacjach ratowniczych. Jednak wszystkie drony są podatne na awarie, co prowadzi do różnych problemów. Wadliwe działanie baterii, takie jak zapalenie się podczas ładowania lub awaria podczas lotu, uwypukla szereg problemów elektrycznych, podkreślając znaczenie solidnych systemów ochrony elektrycznej. Dostępnych jest coraz więcej narzędzi i technologii do wdrażania systemów bezpieczeństwa baterii i ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD).

Rysunek -1 ilustruje ogólny projekt drona, podkreślając kluczowe obszary, w których producenci dronów muszą rozważyć ochronę obwodów dla różnych podsystemów elektrycznych, wraz z najpopularniejszymi komponentami ochrony obwodów dla każdego zastosowania.

Rysunek 1: Podsystemy drona wymagające ochrony obwodów

Ochrona akumulatorów i obwodów ładowania

Drony korzystają z baterii pokładowych do zasilania swoich operacji. Akumulatory litowo-polimerowe (LiPo) są jednymi z najczęściej używanych ze względu na swoje zalety:

• Wysoka gęstość energii: W stosunku do swoich rozmiarów i wagi, akumulatory LiPo oferują doskonałe magazynowanie energii.

• Wyższe napięcie na ogniwo: Zmniejsza to liczbę ogniw potrzebnych do zasilania systemów pokładowych w porównaniu z innymi akumulatorami.

• Wolniejsze tempo rozładowywania: Akumulatory LiPo dłużej zachowują ładunek, gdy nie są używane.

Jednak niewłaściwe ładowanie lub użytkowanie może pogorszyć wydajność akumulatora LiPo, potencjalnie prowadząc do dymienia lub pożaru. Dwa zdarzenia indukowane zewnętrznie, które mogą powodować problemy z akumulatorami litowo-jonowymi to nadmierne rozładowanie oraz przeładowanie:

• Nadmierne rozładowanie: Jeśli napięcie akumulatora spadnie poniżej około 1,5 V, anoda może uwalniać gaz. Gdy napięcie spadnie poniżej 1 V, miedź w kolektorze prądu rozpuszcza się, powodując wewnętrzne zwarcie. Wymaga to zabezpieczenia przed zbyt niskim napięciem, zwykle zapewnianego przez układ scalony zabezpieczający akumulator.

• Przeciążenie: Gdy napięcie akumulatora osiąga około 4,6 V, na katodzie gromadzi się gaz i ciepło. Podczas gdy akumulatory cylindryczne mają wewnętrzne zabezpieczenia ciśnieniowe, takie jak urządzenia przerywające prąd (CID) i dyski o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) (które zwiększają rezystancję wraz z ciepłem), akumulatory LiPo nie mają wewnętrznych mechanizmów CID i PTC, wymagając zewnętrznej ochrony przed przepięciem i przetężeniem.

Opcje ochrony obwodu

Kilka opcji ochrony obwodu zabezpiecza baterie drona przed nadmiernym prądem i przegrzaniem, w tym:

• Metalowa hybryda PPTC z aktywacją termiczną (MHP-TA): Łączy w sobie niską temperaturę odcięcia termicznego, wysoki prąd podtrzymania i kompaktowy rozmiar, dzięki czemu idealnie nadaje się do ochrony akumulatorów LiPo. Najnowsze urządzenia MHP-TA oferują napięcie znamionowe 9 VDC i wyższe wartości znamionowe prądu niż typowe urządzenia do odcięcia termicznego akumulatora (TCO), zdolne do obsługi napięć i szybkości ładowania typowych dla akumulatorów LiPo o dużej pojemności.

• Urządzenia PolySwitch PPTC: Nadaje się do akumulatorów litowo-jonowych (Li-Ion), niklowo-wodorkowych (NiMH) lub niklowo-kadmowych (NiCd). Te resetowalne urządzenia są kompatybilne z montażem elektroniki na dużą skalę i posiadają certyfikaty UL, CSA i TÜV, upraszczając zgodność z wymogami regulacyjnymi. Ich niska rezystancja wydłuża czas pracy baterii i zwiększa ochronę przed zdarzeniami termicznymi.

• PPTC do montażu powierzchniowego POLYFUSE LoRho: Zaprojektowane dla modułów obwodów zabezpieczających akumulatory litowo-jonowe i LiPo, urządzenia te oferują szybką ochronę przed przetężeniem i przegrzaniem przy bardzo niskiej rezystancji wewnętrznej, spadku napięcia i poborze mocy. Ich funkcja automatycznego resetowania stanowi niewymagającą konserwacji alternatywę dla jednorazowych bezpieczników do ochrony nadprądowej. Jako komponenty do montażu powierzchniowego, mogą być zintegrowane z elektronicznymi modułami zabezpieczającymi na płytkach drukowanych, upraszczając montaż.

• Bezpieczniki do montażu powierzchniowego: W przeciwieństwie do urządzeń PPTC, tradycyjne bezpieczniki całkowicie zatrzymują przepływ prądu po wyzwoleniu, co może być pożądane w krytycznych zastosowaniach, ale wymaga wymiany po każdym zdarzeniu. Urządzenia PPTC, jako resetowalne, pozwalają na kontynuowanie pracy po większości zdarzeń nadprądowych, chyba że wystąpią ekstremalne warunki.

Wnioski

Skuteczne systemy bezpieczeństwa akumulatorów mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia niezawodności i bezpieczeństwa dronów. Wdrażając solidne komponenty zabezpieczające obwody, takie jak urządzenia MHP-TA, PolySwitch PPTC, LoRho PPTC i bezpieczniki do montażu powierzchniowego, producenci mogą chronić LiPo i inne typy akumulatorów przed ryzykiem przetężenia, przepięcia i przegrzania, zwiększając wydajność i bezpieczeństwo dronów w różnych zastosowaniach.