Требования к системе безопасности аккумуляторной батареи дрона

Рост рынка и проблемы безопасности

Количество беспилотников на рынке продолжает расти. Федеральное управление гражданской авиации США прогнозирует устойчивый рост продуктов для получения изображений с воздуха и сбора данных, в том числе для применения в спасательных операциях. Однако все беспилотники подвержены сбоям, что приводит к различным проблемам. Неисправности аккумуляторов, такие как возгорание во время зарядки или отказ во время полета, приводят к целому ряду электрических проблем, что подчеркивает важность надежных систем электрозащиты. Появляется все больше инструментов и технологий для реализации систем безопасности батарей и защиты от электростатического разряда (ESD).

Рисунок -1 иллюстрирует типовую конструкцию беспилотника, выделяя ключевые области, в которых производители беспилотников должны учитывать защиту цепей для различных электрических подсистем, а также наиболее распространенные компоненты защиты цепей для каждого применения.

Рисунок 1: Подсистемы дрона, требующие защиты цепей

Защита аккумуляторов и зарядных цепей

Для питания дронов используются бортовые аккумуляторы. Литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы являются одними из наиболее часто используемых благодаря своим преимуществам:

  • Высокая плотность энергии: Относительно своих размеров и веса LiPo батареи обеспечивают превосходное хранение энергии.

  • Более высокое напряжение на ячейку: Это уменьшает количество элементов, необходимых для питания бортовых систем, по сравнению с другими аккумуляторными батареями.

  • Более низкая скорость разряда: LiPo аккумуляторы дольше сохраняют заряд, когда не используются.

Однако неправильная зарядка или использование могут ухудшить работу LiPo аккумуляторов, что может привести к задымлению или возгоранию. Двумя внешними факторами, которые могут вызвать проблемы с литий-ионными батареями, являются избыточный разряд и перезарядка:

  • Переразряд: Если напряжение аккумулятора падает ниже примерно 1,5 В, анод может выпустить газ. Когда напряжение падает ниже 1 В, медь в токоприемнике растворяется, вызывая внутреннее короткое замыкание. Это требует защиты от пониженного напряжения, обычно обеспечиваемой микросхемой защиты батареи.

  • Перезарядка: Когда напряжение батареи достигает примерно 4,6 В, на катоде образуются газ и тепло. В то время как цилиндрические батареи имеют внутреннюю защиту от давления, такую как устройства прерывания тока (CID) и диски с положительным температурным коэффициентом (PTC) (которые увеличивают сопротивление при нагревании), LiPo батареи не имеют внутренних механизмов CID и PTC, требуя внешней защиты от перенапряжения и перегрузки по току.

Варианты защиты цепи

Несколько вариантов защиты цепи предохраняют батареи дронов от перегрузки по току и перегрева, в том числе:

  • Металлогибридный ППТК с термической активацией (MHP-TA): Сочетание низкой температуры теплового отключения, высоких значений тока удержания и компактных размеров делает их идеальными для защиты LiPo аккумуляторов. Новейшие устройства MHP-TA имеют номинал 9 В постоянного тока и более высокий ток, чем типичные устройства термического отключения аккумуляторов (TCO), и способны выдерживать напряжение и скорость заряда, характерные для LiPo аккумуляторов высокой емкости.

  • Устройства PolySwitch PPTC: Подходят для литий-ионных (Li-Ion), никель-металлгидридных (NiMH) или никель-кадмиевых (NiCd) аккумуляторов. Эти сбрасываемые устройства совместимы с крупносерийной сборкой электроники и имеют сертификаты UL, CSA и TÜV, что упрощает соблюдение нормативных требований. Их низкое сопротивление увеличивает время работы батареи и повышает защиту от тепловых воздействий.

  • POLYFUSE LoRho Поверхностный монтаж Переустанавливаемый PPTC: Разработанные для модулей защиты литий-ионных и LiPo аккумуляторов, эти устройства обеспечивают быструю защиту от перегрузки по току и перегрева при сверхнизком внутреннем сопротивлении, падении напряжения и потребляемой мощности. Функция автоматического сброса обеспечивает малообслуживаемую альтернативу одноразовым предохранителям для защиты от сверхтоков. Будучи компонентами для поверхностного монтажа, они могут быть интегрированы в электронные модули защиты на печатных платах, что упрощает сборку.

  • Предохранители для поверхностного монтажа: В отличие от устройств PPTC, традиционные предохранители полностью останавливают протекание тока при срабатывании, что может быть желательно в критических приложениях, но требует замены после каждого события. Устройства PPTC, будучи сбрасываемыми, позволяют продолжать работу после большинства событий, связанных с перегрузкой по току, если только не возникают экстремальные условия.

Заключение

Эффективные системы защиты аккумуляторов имеют решающее значение для обеспечения надежности и безопасности беспилотных летательных аппаратов. Используя надежные компоненты защиты цепи, такие как устройства MHP-TA, PolySwitch PPTC, LoRho PPTC и предохранители поверхностного монтажа, производители могут защитить LiPo и другие типы батарей от перегрузки по току, перенапряжения и перегрева, повышая производительность и безопасность дронов в различных областях применения.