スマート BMS が産業用ドローンのバッテリー パックに大きな違いをもたらすのはなぜですか?

著者：YIHANG 電力エンジニアリングチーム |産業用 UAV およびドローン用バッテリー メーカー | yihangpower.com

ドローンインテグレーターやフリートオペレーターからも同様の苦情を聞き続けています。新品のバッテリーパックを用意し、正しいラベルを貼り、箱から出して接続したのに、依然として降下中に電圧が大幅に低下するのがわかります。 The aircraft bogs down, the ESC runs hot, and nobody on the project can explain why.

私たち自身の記録からイーハンパワー、生の細胞が問題になることはほとんどありません。ほとんどの場合、仕様は容量のみで最終決定され、その後価格に合わせて BMS が選択されました。そのルートはホビーパックで機能します。産業用プラットフォームでは故障し、1 つのバッテリーが故障すると、その日の検査や貨物作業全体が停止されてしまいます。

完成しましたスマートBMS統合ドローンバッテリー検査ドローン、農業用 UAV、重量物輸送機のアセンブリ。以下は、データシートの理論ではなく、実際のプロジェクトから学んだことです。エンジニアがバッテリー仕様を読む方法、LiPo、Li-ion、半固体電池のどれを選択するか、スマート BMS が飛行中に実際に行うこと、税関や航空会社のトラブルなしにリチウム パックを空輸するために実際に必要なことは何ですか。

これは、検索エンジン向けではなく、実際にこれらのパックを購入および保守する人々向けに書かれています。あなたがインテグレーターで、紙の上では正しく見えたものの、現場で失敗した経験がある場合は、以下のセクションを参照すれば費用を節約できます。

産業用ドローンのバッテリーの主な仕様を読む

購入者はまず容量の数値を比較し、そこで止まります。容量は重要ですが、パックが野外作業の季節に耐えられるかどうかを決定するのは、印刷された 4 つの値のうちの 1 つにすぎません。

Capacity (mAh) tells you how much energy the pack carries, but it also tells you how much dead weight you are lifting. Doubling capacity rarely doubles flight time on the same airframe, because the extra weight eats into the same thrust budget.容量は目標ではなく、トレードオフとして扱います。

電圧と S カウントはモーターの動作を直接制御します。 6S パックは公称 22.2 V で動作し、25.2 V まで充電します。 12S パックは 44.4 V で動作し、ピークは 50.4 V です。電圧が高いほど、同じ電力でも電流が低くなります。つまり、ESC が低温になり、配線が細くなります。そのため、重量物運搬プラットフォームは規模が拡大するにつれて 6S から 12S または 14S に移行する傾向があります。

継続的な C レートは、購入者が最も誤解している価値です。 5,000 mAh パックの 25C 定格は 125 A の連続出力を約束しますが、それはメーカーが定義したテスト温度以下でのみです。周囲温度 45 °C の夏のフィールド条件では、実際の成果物数は減少します。サプライヤーを評価するときは、理想的な実験室の室温ではなく、45 °C でテストされた連続速度データを要求し、ステッカーを受け入れるのではなく、数値がどのように測定されたかを尋ねてください。

内部抵抗は、めったに表示されることのない値ですが、負荷がかかると熱として現れます。同じ容量の 2 つのパックは、一方の内部抵抗が他方の 2 倍である場合、20 A の消費時にまったく異なる動作をする可能性があります。高放電ドローンの場合、内部抵抗が低いことは、数百 mAh 以上の追加価値があります。

And never compare packs by capacity alone across vendors. Calculate watt-hours, voltage multiplied by amp-hours, and compare that figure instead. 6S 10,000 mAh パックと 8S 7,500 mAh パックは、同様のエネルギーを持つ別の製品であり、ワット時の比較のみがそれを正直に示します。

サプライヤーに適切な質問をするための実践的なメモ。ドローン用バッテリーのサプライヤーに見積もりを依頼すると、得られる答えは、質問した内容と同じくらい良いものになります。 45 °C での連続率曲線を尋ね、実験室ユニットではなく生産サンプルで測定された内部抵抗を尋ね、サプライヤーが容量許容差をどのように定義しているか、パックが最初のサイクルで定格容量を提供することが保証されているか、50 サイクル後に保証されているかを尋ねます。これら 3 つの質問に書面で答えることができないサプライヤーは、通常、ホビー製品を工業用価格で提供していると考えます。

LiPo、リチウムイオン、半固体電池の選択

セールスマンではなく、セルの化学反応がフライトプロファイルに従う必要があります。産業用ドローンの仕事では 3 つの実践的なファミリーが見られます。

LiPo パウチ セルは、15℃ 以上の温度を示すものについては引き続きデフォルトです。これらは電圧崩壊を起こさずに電流を供給しますが、これは上昇時や風の修正時に重要です。その代償として、エネルギー密度が低くなり、保管方法が悪いとカレンダーの寿命が短くなります。

リチウムイオン円筒形セルは、低放電で長時間の作業に適したエネルギー密度とサイクル寿命を実現します。低電流で 1 時間巡航する測量ドローンは、リチウムイオン化学反応の恩恵を直接受け、1 キログラムあたりのワットアワーが増加します。問題は、高放電が続くと円筒形セルが発熱し、同じ電流に達するにはより多くの並列セルが必要となり、すぐに重量が増加してしまうことです。

半固体セルは市場での新参者であり、最も注目に値するセルです。これらは液体電解質と固体電解質の間に位置し、LiPo よりも高いエネルギー密度を提供し、穿刺試験や熱試験においてより優れた安全マージンを提供します。長期間にわたる耐久プロジェクトから、特に半固体ドローンバッテリーのオプションについて問い合わせを受けることが増えています。正直な注意点は、半固体化学のマーケティング資料は、実験室のスライドから理想的な性能の数値を引用して誇張されていることが多いということです。コミットする前に、実際の動作温度と少なくとも 80% の放電深さで検証された連続放電定格を必ずリクエストしてください。

私たちがすべてのお客様に順不同で繰り返すいくつかの基本ルール。膨張したパックを平らにしようとしないでください。すぐに使用を中止し、適切に処分してください。パックを 0 °C で動作させる場合、室温で使用可能な容量の約 80 パーセントを予測し、空中でそれを発見するのではなく、それに応じてミッションを計画します。また、作業間の長い間はパックを約 40 ～ 60% の充電状態で保管し、完全に充電したり、完全に消耗したりすることはありません。

温度は化学反応の選択自体も変化させます。寒冷地で動作する場合、リチウムイオンおよび半固体の化学薬品は、寒冷時に硬化して供給可能な電流が失われる高レート LiPo よりも、低温での電圧の保持に優れています。熱帯での作業の場合、周囲温度が高いとあらゆる化学物質の劣化が促進されます。そのため、25 °C の実験室条件で定格されたパックは、40 °C の現場条件では定格サイクルを全うできません。カタログに記載されている温度ではなく、実際の動作温度に対して推奨する化学薬品をサプライヤーに問い合わせてください。

統合スマート BMS の実際の役割

スマート BMS は、長い名前の保護ボードではありません。パック内の状態を継続的に監視し、実行中に飛行システムと通信します。

セルグループレベルでは、各グループの電圧と温度を個別に追跡します。地上局の合計読み取り値が 22.2 V という健全な値であれば、1 つの弱いセルがパック全体を引きずり下ろす可能性があり、飛行中の障害になる前にグループごとのモニタリングのみがそれを検出します。

保護面では、プロペラの衝突時やモーターのロックアップ時に、ミリ秒単位の高速電流シャットダウンをトリガーします。突然の障害では、コネクタが切れるかモーターが損傷するかの速度の差が生じます。そうでない場合、コネクタはその場しのぎのヒューズになってしまうからです。

通信側では、SMBus、CAN バス、または UART を通じて正確な充電状態を報告します。このことは、ほとんどの購入者が思っている以上に重要です。飛​​行管制官は、実際の残りエネルギーに基づいて帰還と着陸の決定を計画します。ダムパックはパイロットに推測を残します、そして推測はバッテリーが空になる方法を推測することです。

当社が出荷するすべてのスマート BMS 産業用ドローン バッテリー パックは、出荷前の通信インターフェイス テストを経ています。これは、単純な容量チェックでは合格するはずのパックがベンチで不合格になることが多すぎるためです。 BMS は、パックが出荷される前に、SOC の精度、障害応答時間、バス通信の安定性がチェックされます。

ドローンは管理されていない基本的なハードウェアでも飛行できますが、これに異論を唱える人はいません。違いは警告です。スマート BMS を使用すると、フライト中にセルの劣化、ホット グループ、または接続の障害が発生することがわかります。これがないと、ミッション中に電圧が低下し、航空機が着陸点の手前で降下したときに障害が発見されます。

障害ログは、最初のインシデントが発生した後でのみ、フリート管理者が評価し始める機能です。ハードランディング後にパックが返却されると、ログによりチームはバッテリーが正しく保護されていたかどうか、パイロットが放電限界を超えたかどうか、または故障が電気的ではなく機械的であったかどうかを知ることができます。その記録がなければ、あらゆる出来事がパイロット、整備員、バッテリー供給業者の間で口論になってしまいます。

BMS と通信を統合したスマート バッテリー パック

UAVバッテリーBMSに必須の保護機能

ドローンの作業が異なれば、バッテリーにかかるストレスも大きく異なります。 3 分間バースト飛行するライトショー用ドローンには、20 分間サイクルで大電流を流す貨物 UAV とは異なる BMS 要件があります。以下の機能は、産業用途に必須と考えられる機能と、それぞれが現場で実際に機能するものです。

セルバランシングは最もよく売られていない機能であるため、詳しく見てみる価値があります。決してバランスが取れていないパックはゆっくりと漂い、最も弱いセルが最初に限界に達し、パック全体が早期に停止せざるを得なくなります。 100 サイクルを超えると、バランスの取れたパックとアンバランスのパックの差が、使用可能な容量の 20% になる可能性があります。これはマーケティングの数値ではなく、パックが現場から戻ってきたときに測定した数値です。

 ドローンとバッテリー

航空輸送規則: UN38.3 および UN3480

産業用 UAV リチウム バッテリーが航空貨物で輸送できるかどうか疑問に思っていますか?簡単に言うと、危険物に関する厳格な規則が適用されるため、「はい」です。

航空輸送されるすべてのリチウム電池は、高度シミュレーション、熱サイクル、振動、機械的衝撃、短絡、衝撃、過充電、強制放電を含む完全なテストスイートである UN38.3 に合格する必要があります。セル メーカーからの UN38.3 テスト レポートは、組み立てられたパックに対して自動的には有効ではありません。セルと構成が元の認証範囲と一致しない限り、カスタム パックは独自のテストが必要です。

分類はバッテリーの発送方法によって異なります。スタンドアロンのルースパックは UN3480 に分類されます。機器に組み込まれて出荷される、またはドローンと一緒に梱包されるバッテリーには UN3481 が使用されます。これを誤解すると、航空会社または貨物運送業者は、場合によっては貨物がすでに予約された後でも、カウンターで荷物の受け取りを拒否することになります。

バッテリーの有効な SDS 文書も必要です。また、ほとんどの航空会社は、旅客機の充電状態が 30 パーセント以下でパックを出荷することを要求しています。 Some airlines tighten this further, so confirm the limit with the forwarder before you book rather than at the warehouse door.

リチウム電池の航空輸送は IATA 危険物規則に基づいており、規則は毎年変更されます。輸出量に見合った場合は、専門家に書類を作成してもらいましょう。証明書が 1 つ欠けていると、出荷が何日も滞り、証明書自体よりも費用がかかる可能性があるためです。

梱包は、初めて輸出する人のほとんどが間違える部分です。リチウム電池には、輸送中にセルやパックが短絡から保護され、端子カバーが取り付けられ、箱の中に金属物が入っていない状態で、国連の落下試験に合格した堅牢な外装が必要です。航空会社と運送業者は、5 年前よりもはるかに厳格に検査を行っており、通常の宅配便に耐えた荷物が自動的に危険物検査に耐えられるわけではありません。

バッテリーのメンテナンスと耐用年数

フライト間のパックの扱い方が、購入価格よりもミッションごとの実際のコストを決定します。

推測されたセル数に設定されたランダムなバランス充電器ではなく、一致した充電器と充電プロファイルを使用して充電してください。充電は火の安全な場所で行い、BMS がどれほど優れていても、充電パックを放置しないでください。

サイクル寿命を維持するために、習慣的な完全放電は避けてください。サイクルを浅くし、残量 20 ～ 30% でフライトを終了すると、毎回低電圧カットオフまで飛行する場合に比べて、パックの寿命が大幅に延びます。当社の顧客ベースでは、適切に処理されたパックは定格サイクル数をはるかに超えて長持ちし、乱用されたパックは同じ製造バッチでも早期に故障することがわかります。

LiPo では季節ごとの保管が特に重要です。フル充電して 3 か月間保管したパックは、保管電圧で保管したパックよりも著しく早く劣化します。冬の間フリートがアイドル状態の場合は、パックを保管充電状態に置き、ラベルを付け、数週間ごとに電圧をチェックしてください。

フィールドデータがある半固体電池は、LiPo よりも保管時に優れた動作をしますが、依然として同じ常識ルールに従います。化学薬品はマージンを改善しますが、基本的なケアの必要性がなくなるわけではありません。

パックごとの価格ではなく、飛行時間ごとのバッテリーコストを追跡します。価格が 20% 高いが、サイクル数が 30% 多いパックは、シーズン全体で見ると安価なバッテリーであり、飛行中の 1 回の故障を防ぐスマート BMS は、1 回の事故で元が取れます。単価だけで交渉する購入者は、通常、飛行時間当たり最も高価なバッテリーを購入することになります。

YIHANG がカスタム ドローン バッテリー ソリューションを開発する方法

私たちはセルからではなく航空機からスタートします。カスタム産業用ドローン バッテリー パックは、実際の飛行範囲に基づいて設計されており、今月在庫のあるセルから組み立てられるものではありません。

当社のエンジニアリング ワークフローは固定された順序で実行されます。つまり、ピーク放電需要分析、セルの化学的マッチング、メカニカル パック レイアウト、コネクタの選択、BMS 保護しきい値の調整、次に出荷前の容量検証と全負荷放電テストです。

ピーク電流解析は下流のすべてを定義するため、最も重要です。低電流で巡航するマッピング ドローンには、散布中に高電流が流れる作物散布 UAV とは異なる要件があり、それに応じてパックの設計も変更されます。

飛行時間を優先するため、当社の耐久性の高いドローン バッテリー シリーズは、同じ条件で同じ機体で測定した同じ定格容量の標準パックよりも 20 ～ 40% 長い飛行時間を実現します。

カスタムの電圧、容量、または物理的寸法エンベロープを使用するプロジェクトの場合は、お問い合わせページを通じて要件を共有してください。当社のエンジニアリング チームはパラメータを検討し、UAV プラットフォームに適したリチウム バッテリー構成を提案します。

当社がサポートする典型的なカスタム プロジェクトは、新しい機体の単一パックのプロトタイピングから確立されたフリートの量産稼働まで多岐にわたります。リードタイムはセルの可用性とテスト要件によって異なりますが、見積書とともに書面によるスケジュールを提供し、納品文書には注文内のすべてのパックのテストレポートが含まれています。その事務手続きは礼儀ではなく、貴社の品質部門と最終顧客が求めるものです。

検査、農業、貨物輸送などの目的でスマート BMS を統合したカスタム産業用ドローン バッテリー パックを調達している場合は、YIHANG Power にお問い合わせください。当社は実際の飛行条件に合わせてピーク電流シミュレーションと負荷放電の検証を実行しており、これを 5 大陸の顧客に対して実行してきました。

電圧、容量、寸法の要件を今すぐ送信してください。最初の技術的なディスカッションには費用はかかりません。1 週間データシートを読むよりもバッテリーのオプションについて詳しく知ることができます。