航空機ロボット用のリチウム電池の設計: 大規模な安全性と信頼性

航空ロボットはハードウェアに寛容ではありません。モーター、センサー、ナビゲーションシステムなど、高度で何かが故障すると、航空機は墜落します。バッテリーが切れるとすべてが崩れてしまいます。その非対称性が深刻さを形作るリチウム電池UAV アプリケーションの設計はそうである必要があり、運用が拡大するにつれて、それはより重要になります。

プロトタイプで動作するバッテリーを構築することは、数百のユニット、数千の飛行時間、テストベンチに似ていない実際の動作環境で確実に動作するバッテリーを構築することとは異なる課題です。エンジニアリング上の問題が実際にどのようなものであるかは次のとおりです。

安全アーキテクチャは階層化する必要がある

単一の保護回路は安全システムではありません。それは最後の手段です。

信頼性の高いリチウム電池設計航空機ロボットの場合、多層保護を使用します。つまり、それぞれが他の機構が見逃す可能性のある故障モードをキャッチする複数の独立した機構です。通常、構造は次のようになります。

細胞レベルの保護が最優先されます。厳しい製造公差を備えた高品質のセルを選択すると、BMS が事後的に補償できない内部セル欠陥の可能性が減少します。これは他のすべての上流にあります。

バッテリー管理システム (BMS)ロジックは、過電圧、不足電圧、過電流、短絡、および温度しきい値などのリアルタイムの監視とアクティブな介入を処理します。 UAV アプリケーションの場合、BMS は、積極的な操縦中に真の障害と正当な高電流需要を区別する必要があります。飛行中に電力を遮断する誤検知は、障害の見逃しと同じくらい危険です。

システムレベルの安全対策、つまりバッテリーがフライトコントローラーとどのように統合されるか、障害データがどのように通信されるか、BMS が異常を検出したときに適切な劣化がどのように処理されるかによって、全体像が完成します。セルの化学的性質がどれほど良好であっても、静かに故障するバッテリーは設計上の欠陥です。

大規模な信頼性には品質だけでなく一貫性も必要です

テストで良好なパフォーマンスを示したリチウムポリマー電池は、良好なプロトタイプの結果です。 500 個の生産を通じて一貫した性能を発揮するバッテリーは、製造上の成果です。

これが現実になるのはセルのマッチングです。同じ生産バッチからの個々のリチウム電池は、容量、内部抵抗、および自己放電率が異なります。マルチセル UAV パックでは、適合しないセルにより不均衡が生じ、劣化が促進され、有効容量が減少し、最悪の場合には局所的な熱応力が発生します。

航空機用ロボットのバッテリー生産を拡大するメーカーは、厳密な入荷セル検査、パック組み立て前の一致したグループ分け、およびバッチ平均だけでなく各ユニットが仕様を満たしていることを確認する組み立て後の検証を必要としています。

この規律には費用と時間がかかります。これは、スケール用に設計されたバッテリーとサンプル用に設計されたバッテリーを区別するものでもあります。

大規模な場合、熱管理は必須ではありません

熱はリチウム化学の主な劣化促進剤です。少量の場合、熱の問題は管理可能です。高温で動作する個々のパックにはフラグが付けられ、調査されます。規模が大きくなると、システム的な熱の問題は車両の信頼性の問題となり、診断と修正がはるかに困難になります。

航空機ロボットのバッテリー設計では、高放電飛行中に生成される熱、ミッション間の保管中の残留熱、充電による熱負荷、展開地域間の周囲温度の変動など、完全な熱サイクルを考慮する必要があります。

つまり、好ましい熱挙動を備えたセルの化学的性質を選択し、熱放散を念頭に置いてパックエンクロージャを設計し、保守的なラボのデフォルト値ではなく実際の動作条件に合わせて校正された BMS 温度しきい値を指定することを意味します。ここでは、全固体リチウムイオン電池の関連性がますます高まっています。従来の LiPo 化学反応と比較して熱安定性が向上しているため、高デューティ サイクルでのより困難な信頼性問題の 1 つが解決されます。

ドキュメントと認定は、ほとんどのエンジニアが認めたい以上に重要です

大規模な安全性と信頼性にはトレーサビリティが必要です。現場でパックが故障した場合は、そのパックがどのセル バッチから来たのか、その充電履歴がどのようなものか、故障モードが以前に確認されたものと一致するかどうかを知る必要があります。そのためには、ログ記録、文書化、品質管理インフラストラクチャが必要ですが、純粋なエンジニアリング チームはこれらへの投資が不足していることがよくあります。

UN38.3 認証、IEC 62133 への準拠、および厳格な社内 QC 文書作成には、事務手続きがかかりません。これらは、問題を診断し、設計を改善し、顧客、保険会社、規制当局に安全性を証明するための証拠ベースです。

この問題に対するZYEBATTERYのアプローチ

航空機ロボット用のリチウム電池を大規模に設計することがまさに問題ですザイバッテリーを解決するために作られました。高性能リチウムポリマーおよびソリッドステートリチウムイオン UAV バッテリーは、多層保護アーキテクチャ、厳密なセルマッチング、および車両規模の信頼性が実際に必要とする製造の一貫性を備えて設計されています。

安全性は最後に追加される機能ではありません。それは設計上の制約です最初のセル選択の決定フォワード。